利用MODIS遥感大气气溶胶及气溶胶产品的应用

介绍了利用EOS卫星上MODIS传感器遥感大气气溶胶光学厚度(AOD)的技术,总结了作者利用MODIS资料进行的研究工作,包括利用太阳光度计的地面观测进行MODIS 10 km分辨率Level 2气溶胶产品的校验、利用该产品分析我国陆地上空气溶胶光学厚度分布特征、1 km高分辨率气溶胶光学厚度反演、气溶胶光学厚度产品应用于大气污染的分析等.证实MODIS遥感手段获取气溶胶分布,不仅为全球和区域气候变化研究提供了基础数据,而且也为区域环境大气污染的研究提供了新工具.     

MODIS C5、C6气溶胶产品验证及区域适应性评价

MODIS Collection 5(C5)、Collection 6(C6)气溶胶产品是当前NASA提供的两种逐日气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)产品,可以为大气颗粒物污染评价以及气候效应影响研究提供重要的数据支撑,但两种产品分别基于不同的气溶胶反演方法生成,明确两种产品气溶胶反演方法的精度和区域适应性对用户合理选择数据产品具有重要意义。以分布于我国的AERONET(Aerosol Robotic Network,AERONET)数据为依据,分析了两种产品在几种典型区域的精度以及区域适应性。结果表明:1C6DT算法整体反演精度略优于C5DT算法;2与DT算法相比DB具有较高的整体反演精度(R=0.91,RMSE~0.166,MAE~0.116),气溶胶有效观测天数明显增加,能够降低15%左右的气溶胶高估情况;3C6DT算法在浓密植被地区整体精度较高,但在亮地表区域适应能力较差,产品缺失值严重;而DB算法均能实现暗地表和亮地表区域上的气溶胶反演,尤其在城市、稀疏植被覆盖气溶胶反演精度整体较高,空间连续性得到明显改善。     

兰州地区MODIS气溶胶光学厚度和空气污染指数相关性研究

利用2009年1 12月兰州地区的MODIS气溶胶光学厚度产品与全球自动观测网(AERONET)SACOL站(104.08 E,35.57 N)数据进行对比分析,相关系数达到0.82,线性拟合的斜率为1.13,截距为0.07,表明MODIS AOD能反映兰州地区气溶胶分布的信息.利用MODIS AOD产品与兰州市空气污染指数做相关分析,二者的相关程度较低.在进行湿度影响因子、气溶胶标高订正后,二者相关性有了较为显著的提高,说明MODIS AOD产品可应用于监测兰州地区大气污染情况.     

利用风云2C静止卫星可见光资料反演气溶胶光学厚度

探讨利用中国风云2C静止卫星可见光资料反演气溶胶光学厚度(AOD)的数值方法。通过计算一个月中每日同一时刻平均地表反射率来降低地表反射率估计的随机性, 讨论了该方法中对清洁天AOD值的不同假设对结果的影响。将2008年5月由风云2C可见光资料反演得到的AOD产品分别与东亚6个AERONET站点的AOD产品和MODIS的AOD产品进行了比较, 分析了风云2C卫星的AOD产品算法的误差来源和降低误差影响以及改善产品质量的方案。结果对比表明, 在东亚地区利用风云2C可见光资料反演的AOD产 品可以展示气溶胶的分布样式, 但是目前的算法高估了中国西南部地区和低纬度一些地区的AOD值而低估了中国东部地区的AOD值。     

基于WRF-Chem的AOD预报在一次沙尘天气中的研究

气溶胶光学厚度(AOD)是表征大气气溶胶光学特征的最基本量;它可以用来推算大气气溶胶含量,是确定大气气溶胶辐射气候效应及大气污染程度的关键因子。利用WRF-Chem数值模式对我国北方2010年3月19~23日的一次沙尘天气过程进行了模拟分析,主要分析了模式对于AOD的预报能力。结果表明:模式对于气溶胶光学特性具有较好的模拟能力,模拟结果中AOD、PM2.5、PM10的时空分布具有很好的一致性。通过与MODIS AOD卫星资料和地基AERONET观测网站点实测数据进行对比分析,发现AOD模拟结果与卫星产品和站点实测数据较吻合,模式24 h预报能够较好地体现AOD随时间的变化特征。     

2000—2019年东北三省气溶胶光学厚度的时空分布特征

利用MODIS高时空分辨率(日; 1 km×1 km)气溶胶光学厚度新产品MCD19A2, 研究东北三省2000—2019年气溶胶光学厚度(AOD)的时空分布特征。结果显示, 东北三省近20年来AOD变化不大, 均值为0.23。2003年, 春旱、扬沙和农田秸秆燃烧导致AOD最高(0.38)。AOD从南往北呈递减趋势, 总体上辽宁省>吉林省>黑龙江省。AOD高值区集中在辽中南城市群等人口密集的工业发达地区, 低值区分布在大兴安岭、小兴安岭和长白山脉等山区。AOD具有季节分布特征, 春夏季高, 秋冬季低。研究结果可为气溶胶对大气辐射收支平衡影响的研究以及模拟颗粒物浓度提供基础。     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据,通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系,利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计,并进行湿度订正;通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系,进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明,卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86(PM2.5)和0.59~0.78(PM10),估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34μg/m3(PM2.5)和24.64~91.64μg/m3(PM10),表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品,因其更高的空间分辨率,更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据, 通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系, 利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计, 并进行湿度订正; 通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系, 进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明, 卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86 (PM2.5)和0.59~0.78 (PM10), 估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34 g/m³ (PM2.5)和24.64~91.64 g/m³ (PM10), 表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品, 因其更高的空间分辨率, 更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

基于MODIS的华北平原长时间序列气溶胶光学厚度时空分布特征研究

本文利用Aqua/MODIS气溶胶光学厚度产品(Aerosol Optical Depth, AOD),从月均、季均及年均3个时间尺度,统计分析了近10 a(2006-2015年)华北平原AOD参数的空间分布特性及时间趋势变化.结果表明:从空间分布规律来看,高值区主要分布在河北省石家庄、邢台及邯郸沿线城市,沿山西省太原-临汾主线逐渐过渡到河南省郑州市,及山东省黄河以北及西南部及天津等地;需要注意的是,几乎在所有月份,山东省中心城市群AOD浓度要低于周围地区.对时间变化而言,AOD在6、7月份最大,11、12月份最小,夏季浓度高达1.6,明显高于其他3个季节;在10 a长时间变化序列中,从2006年开始呈缓慢下降,在2009年达到低谷,随后2年出现短暂的回升,从2011年起逐年下降,总体下降幅度达到17.14%.     

基于GF-4数据的杭州城区大气AOD监测研究

以杭州市8区为研究区,利用高分四号卫星数据,基于暗目标算法和地表反射率数据库相结合的算法,分别对2016年9月2日、2016年9月3日、2016年12月31日和2017年7月26日4个时相的气溶胶光学厚度进行反演,在此基础上分析杭州市AOD的分布特征,并结合MODIS标准陆地气溶胶产品和地基观测数据进行精度验证,同时分析大气污染物与AOD变化之间的关系.结果显示杭州城区气溶胶光学厚度分布特征为东北部高、西南部低;精度验证相关系数分别为0.7和0.9,反演结果相对可靠;研究日内大气颗粒物与气溶胶光学厚度的日内变化趋势基本保持一致,污染物浓度均在中午维持较大水平.     

基于两天MODIS数据的气溶胶光学厚度反演

气溶胶光学厚度(AOD)的反演对研究大气污染和人类活动的环境影响具有重要意义.利用连续两天的Terra/MODIS影像,依据0.47、0.55、0.66、0.86μm 4个通道的表观反射率与AOD在大气辐射传输中的关系,构造闭合的非线性方程组,通过求解方程组反演得到两天的AOD值,并与MODIS业务化的AOD数据及AERONET地基太阳光度计观测值进行对比.发现该算法的反演结果与地基观测值的相对误差在30%以内,同时也对反演的气溶胶波长指数及浊度系数等和地基观测情况进行了对比与讨论,证实反演结果与地基观测具有较好的一致性.这种基于两天MODIS数据的气溶胶反演是利用多幅卫星影像来反演气溶胶光学厚度的一次有效尝试,反演得到AOD值对环境污染监测有效补充.     

广东省气溶胶时空演变及后向轨迹分析

以广东省2010-2019年中分辨率成像光谱仪(MODIS)气溶胶产品为数据源,对广东省近10 a的气溶胶光学厚度(AOD)进行时空演变趋势探索和空间异质性分析.通过历史空气质量监测数据,筛选出东莞市典型气溶胶粒子污染事件,并对其进行3个高度上的大气污染物72 h后向轨迹分析.结果表明:在时间上,近10 a广东省气溶胶变化总体上呈现下降和不变的趋势;而在空间上,主要呈现“北低南高”的分布特征,自相关性显著.后向轨迹表明,广东省所受到的大气污染源自不同的高度层,受到台风和季风的影响,以及受到海洋和陆地气溶胶共同作用.     

MODIS资料遥感黄土高原半干旱地区气溶胶光学厚度

借助6S辐射传输模式,模拟了MODIS红、蓝、中红外通道的表观反射率在不同气溶胶类型下对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性试验.利用Kaufman扩展的暗像元方法反演了黄土高原半干旱地区晴空天气条件下的2.5 km高分辨率气溶胶光学厚度,选取的10天反演结果有6天的相对误差较小,在16%以下,绝对误差小于0.05的有7天.反演的10天资料中,兰州大学半干旱气候与环境观测站与之对应的CE-318观测资料的光学厚度平均值为0.2226,反演的平均值为0.2170,反演结果较合理.将反演结果与CE-318观测资料和NASA发布的气溶胶产品进行了对比,显示反演结果与NASA发布结果的空间发布存在一致性.     

长沙市MODIS气溶胶光学厚度与PM_(2.5)浓度的相关性研究

利用MODIS数据研究区域大气PM_(2.5)浓度分布是环境动态监测的有效方法。获取美国NASA发布的分辨率为3km的MOD光学厚度产品;提取2016年1月至2017年7月期间长沙市10个大气监测站点的PM_(2.5)浓度数据进行相关性分析,建立PM_(2.5)浓度与AOD之间的线性、幂函数以及指数函数3种相关性模型;引入湿度影响因子建立大气PM_(2.5)浓度订正模型,采用PM_(2.5)浓度订正模型订正PM_(2.5)浓度。结果表明:湿度订正提高了PM_(2.5)与AOD相关性,幂函数相关性模型的方差值相对其他2种模型较好,运用幂函数相关性模型研究长沙市MODIS气溶胶光学厚度与PM_(2.5)浓度的相关性较好。     

南京市MODIS气溶胶光学厚度与PM10质量浓度的相关性分析

利用NASA MODIS气溶胶光学厚度(AOD)产品与南京市区API转换得到的PM10质量浓度进行了相关性分析;发现二者的直接相关程度较低。对气溶胶光学厚度进行垂直和湿度影响订正后,二者的相关系数显著提高。结合风速和气压等气象因子分季节进行多元回归分析,相关系数进一步提高。分析结果表明卫星遥感气溶胶光学厚度可以作为监测PM10污染分布的有效手段。     

MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM_(10)监测方面的应用研究

利用MODIS(中分辨率成像光谱仪)两年的气溶胶光学厚度(AOD)产品与北京地区API转化得到的PM10质量浓度、北京大学站点直接监测的PM10质量浓度以及香港元朗站点监测的PM10质量浓度做相关性分析,发现二者的直接相关程度较低。将AOD除以气溶胶季节标高,得到地面消光系数,与地面PM10质量浓度相关性提高。对地面消光系数进行相对湿度订正,得到计算的质量浓度,与地面实际观测的PM10质量浓度相关性进一步提高。经过两年时间资料的对比分析,证实气溶胶遥感光学厚度经过垂直和湿度影响订正后,可以应用于地面PM10监测。     

基于MOD IS遥感影像的森林火灾火点检测方法

采用结合可见光和红外通道实现烟雾掩膜预处理、潜在火点识别和基于背景窗动态阈值检测火点的方法,对大兴安岭2个火灾区的火点进行检测,验证了改进火点算法对小火点具有较高的敏感性,同时表明4um通道亮温值低于320 K,将能有效检测出小火点和闷烧火点,为林火预警和及时扑救提供有力支持.     

基于MODIS数据的中原经济区气溶胶时空分布特征

基于2000-2013年MODIS气溶胶产品,统计分析了中原经济区气溶胶光学厚度(AOD)的年际及季节时空变化特点,有助于深入研究中原经济区颗粒物污染水平变化.结果显示中原经济区AOD高值区主要位于新乡、开封、郑州北部和焦作南部等地区,低值区主要位于河南西部和山西南部的山地地区.季节变化方面,AOD最高值通常出现在春季、夏季,秋季次之,冬季则为该地区AOD最小的季节.开封、新乡和郑州为中原城市群中卫星观测区域内AOD最高的三个城市.2011年之后整个中原经济区内AOD明显降低,但从长期来看,2000年之后,该地区AOD水平并未得到显著改善.     

利用Himawari-8数据监测森林火情初探

以2015年10月15日印度尼西亚苏门答腊岛森林火灾为例, 探索通过云水检测、潜在火点提取、太阳耀斑剔除、背景窗口确定等步骤, 利用新一代地球同步气象卫星——Himawari-8卫星数据提取森林火灾火点的方法。在所研究的时空范围内, 共提取Himawari-8火点10109个(有效时刻数142个), 单一时刻火点数最高为267个(当地时间03:40)。通过对时空分布的定量化比较发现, 与相应时刻的MODIS火点相比, 所提取的Himawari-8火点数量较少, 空间分布更分散, 但二者的空间分布在总体上非常相似, 且所提取的Himawari-8火点空间分布及数量特征与Himawari-8真彩色图反映的森林火情较为吻合, 说明利用该方法提取的Himawari-8火点可以较好地反映森林火情, 能够为森林火灾监测提供有效信息。     

基于MERRA2再分析资料的全球AOD和沙尘AOD空间分布及趋势

利用MERRA2再分析资料和气溶胶遥感观测网(AERONET)观测资料,分析了全球气溶胶和沙尘气溶胶光学厚度(AOD)的空间分布及趋势.结果表明, MERRA2的AOD与AERONET观测结果相关性较好,相关系数为0.44～0.92,均方根误差为0.03～0.52,均方根误差较大的站点多位于东亚地区. AOD0.2的站点多位于北美、澳大利亚和欧洲, MERRA2对AOD值较低的站点高估0～0.04.AOD值较高的站点多位于东亚、南美、非洲, MERRA2对AOD值较高的站点低估0～0.22. MERRA2在中东地区的再现效果最好,北美和东亚地区效果较差. 2000-2017年AOD最高值在中国的四川盆地、华北平原及长三角地区;其次为印度恒河平原、塔克拉玛干沙漠、非洲和阿拉伯半岛,低值区在北美、南美、澳大利亚、俄罗斯和青藏高原地区.印度及相邻的阿拉伯海域AOD显著增加,增加速率约0.08/10 a.不同季节而言,夏季AOD最大,春季次之,秋季和冬季较小;沙尘AOD最高值为北非的沙漠地区,其次为塔克拉玛干和阿拉伯半岛.印度恒河平原沙尘AOD显著减小,减小速率约0.03/10 a.沙尘AOD呈夏季最大,春季次之,秋冬季较小的特征.