基于遙感的中國(guó)陸地地區(qū)MODIS C6氣溶膠產(chǎn)品驗(yàn)證

張?zhí)炱?/p>

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

0 引言

氣溶膠是指懸浮在大氣中的固態(tài)或液態(tài)微小顆粒，其不僅影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡，還會(huì)對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康產(chǎn)生重要危害。氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）是氣溶膠的重要參數(shù)［1］。AOD的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法是地面站點(diǎn)的觀測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間連續(xù)、精度高，然而地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量有限，空間分布不均，無(wú)法獲得大范圍連續(xù)的AOD空間分布情況。利用遙感手段反演氣溶膠具有大范圍、連續(xù)的特點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)測(cè)手段的不足。中分辨率成像光譜儀MODIS具有空間分辨率高、覆蓋范圍廣、重訪(fǎng)周期短的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于氣溶膠反演研究［2］。

MODIS的氣溶膠產(chǎn)品先后經(jīng)歷了六個(gè)版本（C1-C6）。主要運(yùn)用暗目標(biāo)法（DT）與深藍(lán)算法（DB）進(jìn)行反演［3］。許多學(xué)者針對(duì)MODIS AOD產(chǎn)品在中國(guó)地區(qū)的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。周春艷等對(duì)比了C4和C5產(chǎn)品的精度，表明C5版本產(chǎn)品在低反射地區(qū)精度好，而在高反射地區(qū)效果較差［4］。王宏斌等驗(yàn)證了C5產(chǎn)品在中國(guó)地區(qū)的精度并分析了不同地區(qū)的反演誤差原因［5］。2014年MODIS團(tuán)隊(duì)推出了C6版本產(chǎn)品，由于C6版本發(fā)布時(shí)間不長(zhǎng)，缺乏在中國(guó)地區(qū)大范圍的驗(yàn)證工作。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 MODIS AOD產(chǎn)品

C6版本AOD數(shù)據(jù)從LAADS網(wǎng)站下載。數(shù)據(jù)范圍為東經(jīng)72°～136°、北緯18°～54°，覆蓋我國(guó)的陸地區(qū)域。時(shí)間范圍是2006—2015年，空間分辨率為10 km，衛(wèi)星重訪(fǎng)周期1天，下載每天的AOD影像，從中提取了DT、DB融合數(shù)據(jù)。

1.2 地基AOD數(shù)據(jù)

AERONET是由美國(guó)航空宇航局（NASA）和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）聯(lián)合建立的全球地基氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，提供長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)氣溶膠光學(xué)特征數(shù)據(jù)，觀測(cè)頻率為15 min，現(xiàn)已普遍被應(yīng)用于驗(yàn)證衛(wèi)星反演氣溶膠光學(xué)特征。AERONET AOD產(chǎn)品包含3個(gè)不同級(jí)別的版本，其中1級(jí)為原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，1.5級(jí)經(jīng)過(guò)了去云處理但沒(méi)有進(jìn)行校正，2級(jí)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)了去云處理和校正［6］。本研究從AERONET官網(wǎng)下載了中國(guó)陸地地區(qū)所有站點(diǎn)的2級(jí)產(chǎn)品。

2 研究方法

2.1 波長(zhǎng)匹配

MODIS氣溶膠產(chǎn)品的中心波長(zhǎng)為470 μm、550 μm、660 μm，本 研 究 所 用 的 是550 μm數(shù) 據(jù)，由 于AERONET AOD產(chǎn)品的波長(zhǎng)與MODIS產(chǎn)品波長(zhǎng)不一致，利用式（1）對(duì)AERONET AOD的波長(zhǎng)進(jìn)行插值運(yùn)算，得到550 μm處的AOD［7］。

式中：λ1、λ2為波長(zhǎng)，λ′位于λ1～λ2之間，αλ1～λ2為λ1～λ2處的波長(zhǎng)指數(shù)。

2.2 空間匹配與時(shí)間匹配

MODIS AOD產(chǎn)品是分辨率10 km的柵格影像，AERONET產(chǎn)品是站點(diǎn)的觀測(cè)值，通常以文本或表格形式存儲(chǔ)。空間匹配是以AERONET站點(diǎn)位置為中心，對(duì)其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的MODIS像元取均值，本研究選取的是以站點(diǎn)為中心的3×3像素；時(shí)間匹配是選取MODIS影像獲取時(shí)刻前后一定時(shí)間范圍的AERONET數(shù)據(jù)取均值，本研究選取的時(shí)間范圍為30 min。按照這個(gè)原則，研究范圍內(nèi)共有20個(gè)站點(diǎn)匹配成功。

3 結(jié)果與討論

3.1 站點(diǎn)匹配結(jié)果

匹配結(jié)果以線(xiàn)性擬合的方式表示，擬合直線(xiàn)為式（2）。

式中：s、i表示擬合直線(xiàn)的斜率、截距，評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)劣的統(tǒng)計(jì)量有相關(guān)系數(shù)R、均方根誤差RMSE和期望誤差EE區(qū)間，落在EE區(qū)間內(nèi)的匹配點(diǎn)越多代表質(zhì)量越好，C6版本DT、DB的EE區(qū)間分別為±（0.05+0.15AODAERONET）、±（0.05+0.2AODAERONET）［8］，本研究的研究對(duì)象是DT、DB融合數(shù)據(jù)，選取±（0.05+0.2AODAERONET）為EE區(qū)間。站點(diǎn)的匹配散點(diǎn)圖如圖1所示。

圖1 MODIS與AERONET AOD匹配散點(diǎn)圖

圖1中，深灰色直線(xiàn)為MODIS與AERONET的擬合直線(xiàn)，黑色線(xiàn)為y=x直線(xiàn)，淺灰色直線(xiàn)為EE區(qū)間，N為匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)。從圖1可以看出，大多數(shù)站點(diǎn)的相關(guān)性較好，擬合直線(xiàn)在EE區(qū)間內(nèi)，但各站點(diǎn)的匹配點(diǎn)分布、擬合直線(xiàn)的斜率、截距又有較大差別，表1列出了各站點(diǎn)擬合直線(xiàn)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

表1 各站點(diǎn)的擬合直線(xiàn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表1中“M-A”代表MODIS與AERONET之間AOD的差值；“>EE”“EE”“

3.2 區(qū)域精度分析

根據(jù)站點(diǎn)的分布和擬合統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)位置的MODIS AOD精度具有明顯的地域特點(diǎn)，故將位置靠近的站點(diǎn)作為一個(gè)整體來(lái)分析。按站點(diǎn)分布將研究區(qū)域劃分為華北、西北、青藏高原、中東部、東南沿海5個(gè)區(qū)域。

①華北地區(qū)。包含Beijing、Xianghe2個(gè)站點(diǎn)，兩站點(diǎn)的R均值為0.934，RMSE為0.230。表明二者相關(guān)性較高；“M-A”為+0.112，表明MODIS有高估的情況。匹配點(diǎn)位于EE區(qū)間內(nèi)占總點(diǎn)數(shù)的百分比分別為60%和67%，位于“>EE”范圍的百分比為38%和31%，說(shuō)明高估并不嚴(yán)重?？傮w而言，華北地區(qū)的MODIS AOD產(chǎn)品反演精度較好。

②西北地區(qū)。自西向東有6個(gè)站點(diǎn)，R均值為0.696，RMSE均值為0.252，相關(guān)性只符合中強(qiáng)相關(guān)；“M-A”均值-0.173，且全部站點(diǎn)的“M-A”均為負(fù)值，表明在西北地區(qū)存在普遍低估；根據(jù)站點(diǎn)的

③青藏高原地區(qū)。只有QOMS_CAS 1個(gè)站點(diǎn)，AOD反演精度較差，存在嚴(yán)重高估現(xiàn)象。青藏高原海拔較高，空氣質(zhì)量好，站點(diǎn)處AOD值較低，這表明在AOD低值地區(qū)MODIS精度不高。

④中東部地區(qū)。包括5個(gè)站點(diǎn)，其中Taihu、Hefei高估較為嚴(yán)重，它們分別有56%和50%的匹配點(diǎn) 位 于“>EE”范 圍；NUIST、Hangzhou-ZFU和Shouxian站點(diǎn)的情況良好，表明MODIS AOD在中國(guó)中東部地區(qū)也有較大不確定性。

⑤東南沿海地區(qū)。包含6個(gè)站點(diǎn)，位于臺(tái)灣地區(qū)、香港地區(qū)和廣東省，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明除了Chen-Kung_Univ存在高估（39%的點(diǎn)落在“>EE”）外，其余站點(diǎn)的反演精度均較好。

3.3 對(duì)比MODIS其他版本產(chǎn)品

對(duì)比C6與C4、C5版本的精度，以匹配點(diǎn)落在EE的百分?jǐn)?shù)作為指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，C6版本在各個(gè)區(qū)域落在EE內(nèi)的百分比均有所增加，表明C6產(chǎn)品精度較之前版本顯著提高，在東南沿海地區(qū)尤為突出，盡管在中、西部部分地區(qū)存在不確定性，但較之前版本仍有進(jìn)步。

表2 不同版本MODIS AOD產(chǎn)品反演效果對(duì)比

4 結(jié)論

①M(fèi)ODIS C6 AOD產(chǎn)品在中國(guó)陸地地區(qū)的20個(gè)站點(diǎn)中，9個(gè)有高估現(xiàn)象，其中3個(gè)有較為嚴(yán)重的高估；11個(gè)站點(diǎn)有低估現(xiàn)象，其中3個(gè)低估較嚴(yán)重。對(duì)于相關(guān)性R，有15個(gè)站點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)相關(guān)，3個(gè)站點(diǎn)屬于中強(qiáng)相關(guān)，2個(gè)站點(diǎn)為弱相關(guān)。

②將站點(diǎn)劃分為5個(gè)區(qū)域，華北和東南沿海地區(qū)反演精度高；西北和中東部地區(qū)受地貌、氣候的多樣性呈現(xiàn)出不確定性；青藏高原地區(qū)存在嚴(yán)重高估。

③對(duì)比C4、C5版本，C6版本在中國(guó)地區(qū)的精度有顯著提高，可作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為氣溶膠時(shí)空分布以及大氣顆粒物反演研究提供數(shù)據(jù)支撐。