成都地區(qū)MODIS衛(wèi)星AOD產(chǎn)品的適用性驗證及應(yīng)用

劉 昆，倪長健

(1.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都610225;2.高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川 成都610225;3.中國人民解放軍96111部隊，陜西渭南715400)

0 引言

大氣氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)的物理意義是沿輻射傳輸路徑，單位截面上氣溶膠吸收和散射對太陽輻射產(chǎn)生的總削弱，它和垂直方向上大氣柱中總的氣溶膠濃度有關(guān)。因能良好地表征大氣氣溶膠狀況，評價大氣環(huán)境污染，所以在研究大氣氣溶膠輻射氣候效應(yīng)方面，光學厚度是重要的參考指數(shù)[1]。因此大氣氣溶膠光學厚度的研究受到國內(nèi)外學界的重視。

Fotiadi[2]分析了 Crete 島(地中海東部)Aeronet Forth站光學厚度、粒子譜等參數(shù)的變化，指出夏季細粒子譜峰值最大，春季粗粒子譜峰值最大。Adeyewa[3]研究了不同地區(qū)氣溶膠光學厚度的光譜依賴性;Angstrom近似的適用性取決于氣溶膠特性和源區(qū)。中國利用衛(wèi)星遙感氣溶膠的研究始于20世紀80年代中期[4];羅云峰[5－6]利用46 個站點的資料對中國地區(qū)30年來的AOD進行分析，發(fā)現(xiàn)自1980年開始中國大部分地區(qū)光學厚度呈現(xiàn)增加趨勢;邱金桓等[7－10]對中國多個站點大氣氣溶膠的變化特征進行分析，得出北京和香港地區(qū)光學厚度的諸多分布特征。MODIS衛(wèi)星作為一種新興的觀測大氣氣溶膠光學厚度的設(shè)備，近年來在監(jiān)測大氣氣溶膠變化中起到越來越重要的作用。MODIS衛(wèi)星AOD產(chǎn)品與基地觀測方式相比，具有能夠更好覆蓋研究地區(qū)，對污染物來源、污染物變化趨勢有更直觀分析等優(yōu)點。在MODIS產(chǎn)品的適用性驗證方面，李成才等[11－12]通過地面太陽光度計觀測的結(jié)果校驗了MODIS大氣氣溶膠產(chǎn)品，并統(tǒng)計了中國東部地區(qū)和幾個主要區(qū)域的大氣氣溶膠光學厚度分布特征和季節(jié)變化特點;同時，還利用NASA給出的業(yè)務(wù)算法反演了香港地區(qū)星下點1km的氣溶膠光學厚度[13－14]。韓道文等[15]證實了衛(wèi)星遙感大氣氣溶膠光學厚度在經(jīng)過垂直和濕度影響兩方面訂正后，可以作為監(jiān)測顆粒污染物地面分布的一個有效手段。

近幾年，成都地區(qū)空氣質(zhì)量出現(xiàn)顯著惡化的趨勢，為具體研究該地區(qū)AOD變化特征。先對MIDIS衛(wèi)星AOD產(chǎn)品在成都地區(qū)的適用性進行檢驗，并對該地區(qū)近10年氣溶膠光學厚度的變化進行研究分析。

1 儀器與數(shù)據(jù)介紹

1.1 CE-318太陽光度計數(shù)據(jù)

CE-318太陽光度計數(shù)據(jù)主要來自成都市氣象局大氣成分觀測站，數(shù)據(jù)采集點位于成都市一環(huán)路和大石東路交界處的一幢建筑樓頂(104°02'20″E，30°39'16″N，海拔587.0 m)的方艙中，距地面高度為81 m，四周無遮擋，主要進行氣溶膠光學特性的地基遙感觀測。選用其監(jiān)測得到的地基遙感氣溶膠光學特性的CE-318太陽光度計中的4個觀測通道:1020 nm，870 nm，670 nm，440 nm的實時數(shù)據(jù)用以對比遙感數(shù)據(jù)，驗證MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的可用性，進而研究成都地區(qū)的光學厚度變化特征。

選用成都大氣成分站2007年2月1日至2009年12月31日的CE-318太陽光度計觀測資料，且規(guī)定日觀測次數(shù)≥10次為有效，總共獲得295個有效觀測日期，共3726次有效觀測。

表1 成都大氣成分站AOD有效觀測資料(2007年2月1日～2009年12月31日)

1.2 MODIS大氣氣溶膠產(chǎn)品

MODIS每日大氣氣溶膠產(chǎn)品(MOD04)是MODIS大氣2級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提供全球每日衛(wèi)星過境時刻反演得到的氣溶膠光學厚度。MODIS大氣氣溶膠反演的業(yè)務(wù)化算法經(jīng)過數(shù)次改進，可提供動態(tài)且十分豐富的地表光學影像，在對地觀測領(lǐng)域的海洋學、生物學和大氣科學與全球變化有廣泛的應(yīng)用。

使用的AOD數(shù)據(jù)來自于EOS-TERRA/MODIS傳感器Level 2 Aerosol光學厚度產(chǎn)品，該產(chǎn)品的灰度值即為氣溶膠光學厚度值，一般值在0～3000。使用暗像元算法生成，Lambert投影，空間分辨率為10 km×10 km。時間從2003年1月1日至2013年12月31日，有效數(shù)據(jù)天數(shù)1688天。(數(shù)據(jù)來自 http://ladsweb.nascom.nasa.gov/)

2 MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品與光度計產(chǎn)品對比

2.1 MODIS衛(wèi)星資料與光度計各通道資料季節(jié)變化對比

選取2007～2009 3年中光度計和MODIS衛(wèi)星同時能觀測到AOD產(chǎn)品的日期中的資料，并將資料中MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)所在位置與大氣成分觀測站距離大于30 km，兩者觀測時間間隔大于2 h的數(shù)據(jù)除去以減小誤差。最后一共得到223天的資料，按照3～5月春季、6～8月夏季、9～11月秋季、12～2月冬季的季節(jié)劃分將數(shù)據(jù)做季節(jié)平均，得到圖1。

圖1 光度計與MODIS數(shù)據(jù)光學厚度季節(jié)變化對比(2007～2009年)

該圖顯示了成都地區(qū)MODIS資料和光度計資料的季節(jié)平均值的變化特征。從3年的光度計與MODIS數(shù)據(jù)光學厚度季節(jié)變化對比可知，不同波段的光度計數(shù)據(jù)連同MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的季節(jié)變化趨勢基本相同。其中在冬、春季節(jié)AOD值較大時，MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的AOD值相對光度計值要小一些，而在夏、秋季節(jié)AOD值較小時，MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)AOD值相對光度計值要大一些，這可能與不同時期云層、溫度和濕度對遙感結(jié)果的影響有關(guān)[15]。

2.2 MODIS資料與光度計資料相關(guān)性分析

為了解MODIS產(chǎn)品與光度計各通道產(chǎn)品的相關(guān)性，將兩者進行線性擬合并進行分析。圖2～5是440 nm、670 nm、870 nm、1020 nm 4 個波段光度計觀測數(shù)據(jù)與MODIS衛(wèi)星550 nm產(chǎn)品的對比，其中X軸為光度計不同通道觀測的AOD值，Y軸為MODIS衛(wèi)星觀測得到的數(shù)據(jù)。

圖2 MODIS衛(wèi)星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(440 nm)觀測的對比

圖3 MODIS衛(wèi)星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(670 nm)觀測的對比

圖4 MODIS衛(wèi)星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(870 nm)觀測的對比

圖5 MODIS衛(wèi)星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(1020 nm)觀測的對比

表2是MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品550 nm通道與光度計各通道線性相關(guān)系數(shù)對比，其中相關(guān)性大小順序依次是1020 nm、440 nm、870 nm、670 nm，總體相關(guān)性較好，說明MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以作為觀測成都地區(qū)AOD值的依據(jù)。

表2 MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品550 nm通道與光度計各通道相關(guān)性分析結(jié)果

3 近10年成都地區(qū)AOD的變化特征

以下主要分析2003～2013年成都市近10年大氣氣溶膠光學厚度年、季、月的變化特征，討論其近10年的變化關(guān)系。

3.1 近10年AOD年平均變化

將2003～2013年每年MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行平均，分析其大氣氣溶膠光學厚度的逐年變化。從圖5可以看出，近10年成都地區(qū)AOD的變化總體呈現(xiàn)弱波動上升趨勢，可以大致分為3個時期，其中2003～2005年光學厚度逐年上升;2006年為第一個峰值，較10年平均值增加了0.13;2007～2009年AOD值有下降趨勢，并在2009年達到最低;2010年至今總體為上升趨勢，但其中2011年有一個峰值，較10年平均值增加了0.14。其原因可能與近年來成都市人口增長迅速，工業(yè)化發(fā)展、交通排放和其他因素產(chǎn)生的大氣氣溶膠較之前有明顯增加有關(guān)，并且由于土地荒漠化嚴重，受來自西北地區(qū)跨越秦嶺、大巴山到達中國西南地區(qū)的四川盆地的沙塵暴影響，使該地區(qū)的AOD值有明顯增長。

圖5 2003～2013年AOD年平均變化圖

圖6 2003～2013年AOD季節(jié)平均變化圖

3.2 近10年AOD季節(jié)平均變化

隨著不同季節(jié)成都地區(qū)氣象要素和人類生產(chǎn)活動發(fā)生明顯變化，大氣光學厚度也存在著明顯的季節(jié)變化。圖6為近10年4個季節(jié)平均的逐年變化圖。季節(jié)AOD平均在各個年份均表現(xiàn)為春冬較大，夏秋較小，且秋季最小，這和以前的研究成果一致[16]。春季AOD值較高的原因與成都地區(qū)有時在北方沙塵暴南下的影響和秦嶺的阻擋，冷空氣勢力較弱，在四川盆地上空形成了風場“死水區(qū)”，本地污染源排放的氣溶膠粒子擴散不利有關(guān);加之，冬季早晨多霧，大氣氣溶膠顆粒與霧滴產(chǎn)生反應(yīng)，同樣不利于氣溶膠稀釋、擴散[15]。這些因素均可引起春、冬季高 AOD的形成。夏季的AOD數(shù)值特征則可能是由于副熱帶高壓的影響。西太平洋副熱帶高壓在夏季控制中國大部分地區(qū)，副高內(nèi)部的大部分地區(qū)溫度較高，盛行下沉氣流，且近地面風速很小，不利于將當?shù)氐拇髿鈿馊苣z的垂直輸送和水平輸送。此外，夏季豐富的降水對成都地區(qū)AOD的減少也有貢獻。其中春、冬季AOD增長較緩，夏、秋季AOD增長較快。從各個年代的季節(jié)AOD的變化趨勢來看，各季節(jié)AOD值都有增長，但季節(jié)間差異有變小趨勢。

5 結(jié)論

利用2007～2009年成都市氣象局大氣成分觀測站的CE-318太陽光度計數(shù)據(jù)和2003～2013年MODIS衛(wèi)星AOD產(chǎn)品數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論:

(1)利用2007～2009年CE-318太陽光度計資料和MODIS衛(wèi)星資料相比較，光度計440 nm、870 nm、1020 nm、670 nm 4個通道與MODIS產(chǎn)品相關(guān)性分別為0.74、0.65、0.73、0.65，得出在成都地區(qū)兩種數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性較強，可以利用MODIS數(shù)據(jù)對成都地區(qū)AOD變化進行研究。

(2)利用2003～2013年MODIS衛(wèi)星AOD產(chǎn)品年平均得出近10年中2006年為成都AOD值最大時期，平均為1.21，其次為2011年，平均為1.20。變化分為3個時期:2003～2005年為第1個上升期，2006～2009年為下降期，2010年至今為第2個上升期。

(3)通過對比近10年各季節(jié)AOD平均值得出近10年成都AOD值春季最大，冬季次之，秋季最小。各季節(jié)變化趨勢與年變化趨勢相符。

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