基于GOCI數據的霾天氣氣溶膠輻射強迫的日內變化——以長江三角洲為例

李雅雯,陳 健*,張海龍,金雙根

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基于GOCI數據的霾天氣氣溶膠輻射強迫的日內變化——以長江三角洲為例

李雅雯1,陳 健1*,張海龍2,金雙根1

(1.南京信息工程大學遙感與測繪工程學院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學海洋科學學院,江蘇 南京 210044)

以長江三角洲(以下簡稱長三角)為研究區,基于2017年10~12月內共16d 94景的晴空靜止衛星 GOCI L1B圖像和6S模型,采用深藍算法反演長三角地區氣溶膠光學厚度(AOD),并利用2個實測站數據進行驗證.再通過反演得到的AOD結果進一步模擬計算該區域地表和大氣層頂的氣溶膠直接輻射效應(ADRE),并結合典型的霧霾天氣進行分析.結果表明:利用GOCI數據反演的AOD具有較高擬合精度,北辰樓站點擬合相關性2為0.68,太湖站點為0.67.空間上,由于氣溶膠存在制冷效應,AOD和地表面、大氣層頂氣溶膠直接輻射強度均呈現出顯著的線性關系.時間上,由于氣溶膠擴散和風向等因素,早上和下午輻射效應強度較高,中午較低.其中10:00和11:00影像可以較好地模擬日均ADRE的特征,利用ADRE日內變化成功捕捉到一次霧霾爆發并消失的現象,對氣象部門監測近地表氣溫和分析灰霾的形成等具有重要意義.

灰霾；氣溶膠；直接輻射效應；長江三角洲；GOCI

氣溶膠光學厚度(AOD)是氣溶膠最重要的光學特性之一,可以用于PM2.5[1]等顆粒物質濃度估測以及氣溶膠氣候效應研究等.氣溶膠直接輻射效應(ADRE)是指氣溶膠組分含量的變化所產生的地氣系統能量平衡的變化[2],單位為W/m2.IPCC第五次會議報告中強調了氣溶膠的氣候效應研究的重要性,而氣溶膠的日內變化對于氣溶膠的氣候效應評估目前仍存在較大的不確定性.

目前,已有少數專家學者開展了ADRE的日內變化研究.Arola等[3]利用大量的站點數據分析AOD的日變化對大氣層頂(TOA)日均ADRE的影響,發現單個站點的ADRE估計上出現明顯的偏移;當對所有站點取平均時,AOD日變化對日均ADRE的影響很小,相對誤差主要在5%以內.Wang等[4]研究合肥區域發現氣溶膠日變化在氣溶膠濃度較高時確實會影響日均輻射強迫,并分析了3種氣溶膠光學性質,結果發現當SSA和ASY參數范圍分別為0.85~ 0.99和0.61~0.73之間時,24-h平均輻射強迫的絕對誤差和相對誤差分別為0.3±4.2W/m2(?7.6~15.6W/ m2)和11.8%±6.6% W/m2(0.1%~28.5% W/m2). Kassianov等[5]發現即使在AOD日變特征強烈的情況下,僅需氣溶膠光學特性的日均值就能精確估測ADRE的日均值,并進一步分析了氣溶膠光學特性的日變化對估測日均ADRE的影響.近年來,ADRE的衛星遙感評估研究雖然已取得重要進展,但針對ADRE的日變化特征的研究才剛剛起步,所采用的數據例如MODIS時相較少,限制了氣溶膠直接輻射效應日變化特征的研究.

長江三角洲地區作為我國東部沿海重要的發展區域,其經濟和人口迅猛增長、工業化程度高度飽和[6],是我國污染問題最嚴重的區域之一.該地區氣溶膠組分非常復雜,因而針對ADRE的日內變化的研究還很少.本文以長三角為研究區,利用高時空分辨率的靜止衛星GOCI反演得到的AOD數據,結合地表反照率和地面觀測站數據進行高污染地區日內ADRE的研究.研究結果將對長三角區域環境的監測、分析、治理等提供理論支持,并為政府制定相應的環境法規提供參考.

1 研究區與研究數據

1.1 研究區概況

以長江三角洲地區(28.04°~33.41°N,118.33°~ 122.43°E)為研究區,包含江蘇的南京、揚州、泰州、南通、鎮江、常州、無錫、蘇州8個城市,上海市,浙江的湖州、嘉興、杭州、紹興、寧波、舟山6個城市.長江三角洲地區北部以低海拔的平原為主,南部多為高山丘陵.地表覆蓋類型多樣,主要包括林地、草地、耕地、水域和建設用地等.

長江三角洲地區是我國的主要經濟區之一,能源的巨大消耗和機動車尾氣的大量排放,導致區域污染逐步加重,大氣中的各種氣體、細顆粒物質和痕量有毒氣體構成復合污染[7],造成區域能見度下降、霧霾天氣增多,危害居民和當地的生態環境.

1.2 研究數據

1.2.1 GOCI數據 2009年,韓國發射了第一顆主要應用于海洋監測和氣象服務研究的地球靜止海洋氣象衛星,GOCI為其搭載的星上水色傳感器,包含從可見光到近紅外共8個波段.其最明顯的優勢是時間分辨率高達1h,每天可以提供目標區域8個時相的觀測數據,實時監測朝鮮、俄羅斯、韓國、日本以及中國區域內約為2500km′2500km的區域范圍[8].

本文選取GOCI 2017年10~12月共計94景的晴空(云量覆蓋小于10%)圖像為研究數據,其L1B數據與GOCI數據處理軟件可從韓國海洋衛星中心網站下載.該官網上2017年的數據每天共有8景,個別天數由于網站限制只有7景.由于現有的AOD的反演算法主要適用于晴空圖像,因此篩選出共16d的晴空數據進行研究.后經試驗發現,GOCI的第一景和最后一景由于BRDF的影響,和本文假定地面為朗伯體的情況不符,因此只選擇其中的6景數據進行反演.

1.2.2 MODIS數據 MODIS是搭載在Terra和Aqua衛星上的傳感器,掃描寬度為2330km.該傳感器有可見光到熱紅外共36個光譜波段,空間分辨率有250m單日合成等5種形式[9],可以同時提供氣溶膠、云特性、植被指數、海洋特性數據等信息.MODIS具有較高的時空覆蓋度,且數據獲取非常容易,因而在我國得到了廣泛的應用.

GOCI的藍光波段和MODIS對應波段范圍并不一致,本文利用MOD02輻亮度數據對GOCI數據進行了交叉輻射校正.基于MOD09A1產品構建地表反射率庫,以消除短期內地表反射率的變化.為提高ADRE計算精度,選擇MCD43A3地表反照率產品代入6S(太陽光譜中衛星信號的二次模擬)模型中進行模擬.這2種均為SIN正弦曲線投影Grid格式的MODIS數據[10].

1.2.3 CE-318數據 NASA和法國國家科學研究中心構建的AERONET(AErosol RObotic NETwork)是使用全自動型CE-318太陽分光光度計測量、精度較高的地基氣溶膠遙感監測網絡,可以提供長期的、連續的、免費的AOD及其輻射特性的監測,其AOD觀測誤差約為0.01~0.02[11].它可以自動追蹤太陽測量太陽直射輻射,具有容易攜帶、安裝方便的優點[12].CE-318太陽光度計不僅廣泛應用對于大氣氣溶膠和氣象氣候的監測研究,還可以進行大氣光學特性相關參數的推算.

本文采用的驗證數據為南京信息工程大學北辰樓站點(32.20°N,118.71°E)和AERONET太湖站(31.42°N,120.21°E)的地面實測AOD數據,時間范圍和GOCI對應一致.驗證結果時需要將原始實測AOD值轉為550nm處的AOD[13].

2 研究方法

2.1 計算原理

假設地表為朗伯體且大氣水平方向均一的條件下,入瞳處的輻射亮度TOA可表示為[14]:

式中:v為衛星天頂角的余弦;s為太陽天頂角的余弦;0為衛星接收方向的路徑輻射;為相對方位角;0是大氣層頂的太陽光輻射通量密度;是大氣透過率;為地表反射率;為大氣整層向下路徑的半球反射率.、0和(s)(v)這3個參數含有大氣的信息,而包含地表反射率的信息.因此,要先剔除地表反射率的影響實現地氣解耦,進一步反演得到AOD.

ADRE的模擬是通過計算地表和大氣層分別在氣溶膠存在和不存在2種情況下短波輻射通量的差值來實現.即在其他參數不變時,一次取反演的AOD值,一次取0值.公式為:

式中:ΔTOA和ΔSUR分別為大氣層和地面處的ADRE;(CLR)TOA、(CLRSUR為無氣溶膠時大氣層和地面處的凈輻射通量密度;(AERO)TOA、(AERO)SUR為有氣溶膠時大氣層頂和地面處的凈輻射通量密度;↑、↓分別為上行和下行的輻射通量值,W/m2;為地表反照率[15].ADRE值的正負取決于氣溶膠粒子對太陽輻射吸收和其自身的反射能力等因素.上述AOD和ADRE模擬過程均是IDL編程并調用6S來實現.

2.2 6S模型反演流程

6S可模擬傳感器在整個0.25~4um短波光譜通道內接收到的輻射量.參考程晨[16]對長三角氣溶膠粒子組分的研究,將氣溶膠設為大陸型氣溶膠;通過GOCI原始數據獲得經緯度、AOD、太陽天頂角和方位角、衛星方位角和天頂角等逐像元信息;地面設為朗伯體;反照率為MCD43產品,其余為6S內置參數.技術流程如圖1所示.

圖1 ADRE模擬流程

3 結果與討論

3.1 氣溶膠直接輻射效應結果

經反演、計算后,得到研究區16d共94景AOD 和ADRE結果,其中12月24日典型重度霧霾天氣下的長三角地區的AOD、地表和大氣層頂的ADRE結果如下圖2~4所示,圖5為該日平均AOD和地表處ADRE的線性回歸分析.

圖2 2017年12月24日氣溶膠光學厚度

a.9:00;b.10:00;c.11:00;d.12:00;e.13:00;f.14:00

a.9:00;b.10:00;c.11:00;d.12:00;e.13:00;f.14:00

圖4 2017年12月24日ΔFTOA結果

a.9:00;b.10:00;c.11:00;d.12:00;e.13:00;f.14:00

圖5 2017年12月24日日均AOD和ΔFSUR的回歸分析

圖3中,ΔSUR絕對值越大表明氣溶膠阻擋到達地表的太陽光越多,即氣溶膠濃度越大.圖4中, ΔTOA為負值說明由于氣溶膠的影響,更多的太陽光被反射回了地球外部空間,對地表產生了降溫效應.圖5可以表明AOD和其對應的ΔSUR有非常顯著的線性相關關系,這與Wang等[4]的研究結果一致.ΔTOA的結果和Zhuang等[17]得出的晴空條件下日均ADRE為-6.9W/m2相似,驗證了本文結果的可靠性.參照Li等[18]的研究,當水和其他陸地表面反照率小于0.16時,AOD值和對應的ΔTOA之間存在明顯的負相關關系,即ΔTOA隨著AOD的增加值越來越負;反照率接近0.16時,盡管氣溶膠對大氣-地表輻射傳輸系統有微弱的影響,它以冷卻表面的代價來提高大氣層的溫度;當反照率大于0.16時,AOD和ΔTOA之間有明顯的正相關關系.本文研究區內地表的反照率值98%以上都小于0.16,因此AOD和ΔTOA之間存在負相關關系,和上述描述一致,并且與Gong等[19]研究中國典型城市和郊區得出的AOD和ΔTOA呈現明顯的負相關關系的結論一致,再一次驗證了本文的結論.即圖2,4中,當AOD值越高時,ΔTOA值越小即絕對值越大.綜上所述,由于氣溶膠的制冷效應,ΔTOA和ΔSUR隨著AOD值的增加而減小,即氣溶膠直接輻射強度增大.

從ADRE日內變化可以看出,ΔTOA變化特征不明顯,可能和地表反射率、6S中大陸型氣溶膠類型的設定有關.

3.2 精度評價

本文選用研究區內2017年10 ~12月共16d北辰樓和太湖2個站點衛星過境時間段±0.5h內的實測AOD數據與反演結果進行時空匹配并進行精度驗證.由于站點數據不完整,最終北辰樓站點共有77組數據,太湖站有51組數據.結果如圖6所示,北辰樓站點的2=0.68,太湖站點2=0.67,且二者統計檢驗值<0.001,均呈現了較高的擬合精度.

進一步分析誤差的來源,交叉輻射校正、地表反射率庫的精度,6S中大陸型氣溶膠和朗伯體地表的假定均對反演結果造成一定的誤差.由于缺乏相應的實測資料,6S中這些參數的假定仍然是目前較為通用的且為大家所接受的一種方式.此外,地基觀測資料和衛星輻射觀測本身的誤差都會對反演結果造成一定的影響.由于長三角地區ADRE是基于該地區AOD反演結果的二次模擬產品,且周杰等[13]、王文君等[15]的研究已驗證過該算法的可靠性,因此AOD結果精度良好一定程度上表明ADRE模擬結果的可靠性.

3.3 不同地物對ADRE的影響分析

本文進一步選取不受氣流影響的典型霾天12月20日并對該日6個時刻不同地物類型的ΔTOA值進行統計分析,結果如表1所示.就水體而言,其吸收較強而反射較弱,從而反照率較低,因此6景圖像中均是水體的最小值和平均值最低.相反地,高反射率地表類型如城市的ADRE值較高,最大值均為正值,與Chen[20]等的研究結果一致.水體對應的ΔTOA值一天內變化最大,可見地表反照率對ΔTOA有顯著影響,這與劉建軍[21]、Zhuang等[17]得出的結論一致.森林和農作物均屬于植被類型,因此同一時刻二者差異不大.

表1 2017年12月20日6景不同地物類型ΔFTOA值統計表(W/m2)

3.4 ADRE的日內變化規律

為探究ADRE的日內變化特征,本文計算了20日6景圖像的平均值,并比較分析每個時刻和平均值的差異,結果如下圖所示.本文中距平指每個時刻的結果和當日6個時刻均值之差.

圖7 2017年12月20日ΔFSUR均值分布

從表2得知,每一景平均值和標準偏差相比最值有較大偏差.MODIS過境時間約為當地10:30左右,而10:00和11:00影像的平均值和標準偏差最小,即這個時間段可以較好的模擬日均ADRE值,與Kassianov等[5]認為的MODIS氣溶膠產品可以合理的估計日均氣溶膠光學特性和ADRE的結果一致,證實了本文反演結果的可靠性.Arola[3]也認為在沒有AOD日變化數據的基礎上,可近似利用MODIS的AOD數據計算ADRE來表征當天的平均情況.

從圖3、4可以看出,ADRE值的變化趨勢表征了當日長三角地區氣溶膠受氣流影響的分布狀況,并成功捕捉到了一次該地區冬季霧霾爆發并消失的過程.從時間分布上來看,09:00影像受到云區的影響存在部分缺值,之后該云區消失.該影像上長三角西北部地區出現了較廣范圍的濃度極高的氣溶膠,并逐漸向東南方向移動.10:00左右,氣溶膠范圍擴散到了整個長三角區域,范圍很大.11:00左右,氣溶膠濃度明顯降低,這可能是受到風向及氣溶膠沉降的影響.早上08:00,09:00和下午17:00,18:00是上、下班高峰期,氣溶膠濃度相對較高且氣溶膠輻射效應強度也高;中午時分熱力強迫和垂直混合作用的加強導致氣溶膠容易擴散且濃度降低.此時邊界層高度升高,直到下班高峰期這種現象才會消失,氣溶膠濃度也將再次升高,這對氣溶膠的時間分布趨勢也有一定的影響.12:00左右,氣溶膠逐漸擴散到江蘇南部、上海等區域,范圍和濃度均進一步減小,最終該氣溶膠團往南部擴散并消失.張悅等[22]通過設置3個不同氣溶膠濃度的試驗區分其對輻射效應的影響,發現不論是氣溶膠直接、半直接還是間接輻射效應均使得污染區短波輻射減少、2m以內氣溫下降、大氣邊界層高度降低,不利于水汽與污染物的擴散,從而造成空氣污染進一步加重;霧結構進一步穩定,并延長了霧的持續時間,發展高度更高.可見ADRE與大氣污染息息相關,能進一步加重大氣污染程度,并利于霧的發生和發展.綜上所述,由于太陽輻射是地球熱力系統的直接來源,因而局地氣溫、風速和邊界層高度等氣象要素都受到氣溶膠輻射效應的影響,分析ADRE的日內變化對氣象部門監測近地表氣溫、分析灰霾的形成到消失過程、研究邊界層高度等氣象要素具有重要的意義,并對政府部門制定相關政策提供幫助.

圖8 2017年12月20日9:00~14:00 ΔFSUR距平分布

a.9:00;b.10:00;c.11:00;d.12:00;e.13:00;f.14:00

表2 2017年12月20日ΔFSUR距平統計結果

4 結論

4.1 2017年10~12月長江三角洲地區GOCI數據反演的AOD值和地面實測資料具有很好的擬合精度,其中北辰樓2=0.68,太湖2=0.67.

4.2 分析ADRE時空分布和典型的灰霾天氣發現,氣溶膠存在明顯的制冷效應.AOD和其對應的大氣層頂及地表ADRE強度有顯著的線性關系,高值和低值分布的區域大致相同.

4.3 分析不同地物類型的ΔTOA值發現,由于水體的地表反照率比較低,因而其ΔTOA最低且一天內變化最大,可見地表反照率對ΔTOA有顯著影響.相反地,高反射率地表類型的ΔTOA較高,甚至出現了正值,這與前人的結果一致.

4.4 GOCI 10:00和11:00影像可以較好地模擬日均ADRE.從時間分布上來看,早上和下午的氣溶膠輻射效應強度最大、中午最小,這是受到風向以及氣溶膠沉降的影響.ADRE的日變特征能成功捕捉一次霧霾爆發并消失的過程,對氣象部門監測近地表氣溫、分析霧的形成和消失的過程及政府部門制定相關政策提供幫助.

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致謝：本研究采用了韓國GOCI官網、Aeronet官網、南信大北辰樓地面觀測站基地提供的數據,在此表示衷心的感謝!同時感謝審稿人對本文提出的寶貴的意見!

Diurnal variations of aerosol radiative effect under haze weather condition using GOCI data-A case study of Yangtze River Delta.

LI Ya-wen1, CHEN Jian1*, ZHANG Hai-long2, JIN Shuang-gen1

(1.School of Remote Sensing & Geomatics Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；2.School of Marine Science, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)., 2019,39(2)：497~505

Based on the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum (6S) model and the Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) L1B data of the clear-sky geostationary satellites with a total of 94 images observed in 16 days selected from October to December in 2017, the Aerosol Optical Depth (AOD) in the Yangtze River Delta was inversed with the deep blue algorithm, which was validated by in-suit observation data at two stations. The Aerosol Direct Radiation Effect (ADRE) on the surface and the top layer of the atmosphere were further calculated and analyzed under typical haze weather. The results showed that the AOD retrieved from GOCI data had high fitting precision. In addition, the fitting correlation2at Beichen building site and Taihu site were 0.68 and 0.67, respectively. Due to the refrigeration effect of aerosols, the AOD had a significant linear relationship with the direct radiant intensity of aerosols on the surface and at the top of the atmosphere spatially. Due to aerosol diffusion and wind direction, the intensity of radiation effects was high in the morning and afternoon and low at noon temporally. The images observed at 10:00 LT and 11:00 LT could better simulate the characteristics of the daily average ADRE. The process of an outburst and disappearance of the haze was successfully captured by using the ADRE diurnal variations, which was greatly significant to measure the near-surface temperature and analyze the formation of haze for the meteorological agency.

haze；aerosol；direct radiation effect；the Yangtze River Delta；GOCI

X513

A

1000-6923(2019)02-0497-09

李雅雯(1995-),女,江蘇連云港人.南京信息工程大學碩士研究生,主要從事定量遙感方面的研究.發表論文3篇.

2018-07-04

國家重點研發計劃(2018YFC1506404)

* 責任作者, 副教授, chjnjnu@163.com