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.     

参数化计算海洋上空大气漫射透过率

精确计算大气漫射透过率和下列面反射率是任何一种卫星反演气溶胶特性的方法的关键所在.相关文献已经给出了计算海洋上空的大气漫射透过率经验公式,利用该公式计算MODIS第一波段到第七波段的海洋上空的大气漫射透过率,发现无论是在瑞利--气溶胶双层大气还是在纯瑞利大气下其精度都是有限的;在观测角00到400范围内,气溶胶为无吸收或弱吸收性且光学厚度最大0.4的情况下,其误差是3%-4%;误差随着气溶胶吸收性、气溶胶光学厚度和观测角度的增大而增大,随着波长的减小而减小.为了提高计算精度和适用范围,用一个简单的数学方法来改写该公式.在观测角θ≤60°、多种成份气溶胶且光学厚度τa≤0.6时,改写后的公式计算的MODIS第一波段到第七波段的海洋上空的大气漫射透过率,其误差小于1%.该参数公式的确立,对精确反演海岸带的气溶胶光学特性和水色有重要意义.     

基于BRDF订正的兰州地区春季气溶胶光学厚度反演实验

利用6S模式反演并分析兰州地区春季气溶胶光学厚度(AOD)分布情况,探讨了双向反射分布(BRDF)对气溶胶光学厚度反演结果的影响.结果表明:兰州地区2010年春季气溶胶光学厚度高值中心位于西工业区和城关区,最大值分别为0.46和0.31.不考虑BRDF时水面上空气溶胶光学厚度反演结果存在明显误差,经Walthall BRDF订正后,水面上空误差明显减小,说明经过Walthall BRDF订正后的6S模式适用于水面上空的气溶胶光学厚度反演.兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)站点(35.57°N,104.08°E)反演值和实测值比较表明,在无云晴天条件下,选用Walthall BRDF模式可以提高AOD反演精度.     

基于MODIS数据的地面颗粒物浓度估算方法

提出了一种基于卫星遥感数据的近地面颗粒物质量浓度(PM值)估计方法 .采用Terra/MODIS卫星数据和基于连续两天MODIS数据的气溶胶光学厚度反演算法,反演出无锡地区的气溶胶光学厚度;再利用所反演的气溶胶光学厚度与地面实测颗粒物质量浓度数据进行分析,得出颗粒物质量浓度的大小分布范围与气溶胶光学厚度的关系模型;进一步利用研究区域中地面站点监测到的颗粒质量浓度数据对估算结果进行评估.结果表明该方法所估算的PM值与地面实测数据具有较好的相关性,且地面监测的颗粒物质量浓度均分布在卫星遥感数据所估算的范围之内.本研究证明了MODIS卫星数据监测地面颗粒物质量浓度的可行性,为近地面PM值的估算提供了有效手段.     

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.     

改进的MODIS海洋气溶胶本征信息反演算法的验证

介绍了改进的MODIS海洋气溶胶反演算法,并重点对该算法进行了验证,结果表明：（1）改进算法纠正了原算法对较大的气溶胶光学厚度的低估和对较小的气溶胶光学厚度的高估现象;其反演得到的气溶胶光学厚度与AERONET的气溶胶光学厚度的相关系数为0．87,高于原算法与AERONET间气溶胶光学厚度的相关系数（0．84）;且有62．1％的反演结果落在误差限内,高于原算法的60．5％。（2）改进算法纠正了原算法对较大的气溶胶尺度分布参数ηss0的低估和较小的气溶胶尺度分布参数卵。的高估现象;其反演得到的气溶胶尺度分布参数与AERONET的气溶胶尺度分布参数的相关系数为0．89,高于原算法与AERONET间气溶胶尺度分布参数的相关系数（0．8）。     

利用6S模型的自定义气溶胶类型反演北京地区气溶胶光学厚度

选用合理的气溶胶类型能够极大提高气溶胶光学厚度的反演精度,对此本文提出一种基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)与地基太阳光度计数据相结合,以确定气溶胶各组分体积百分比的方法,利用该方法得到了北京地区自定义的气溶胶类型。进一步测试了自定义型和两种标准气溶胶类型(大陆型、城市型)下的表观反射率对气溶胶光学厚度的敏感性,结果显示不同的气溶胶类型使红、蓝和中红外波段表观反射率对于气溶胶光学厚度的敏感性有显著差异。使用暗像元法反演北京地区晴空条件下不同气溶胶类型的气溶胶光学厚度,并与AERONET地面观测数据对比进行精度验证。自定义气溶胶类型的反演结果精度最高,且相较于两种标准气溶胶类型的相对误差要低10%以上。城市型气溶胶类型对于光学厚度的反演存在明显高估,不适用于北京地区,这与其煤烟性粒子所占比重较大有关。     

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.     

西北地区大气环境中沙尘气溶胶的时空变化特征

利用MODIS深蓝算法反演大陆亮地表沙尘气溶胶相关数据,统计分析了甘肃、青海、新疆等地的光学厚度年平均值,并统计分析四季更替当中我国西北地区的光学厚度平均值,归纳出我国西北地区沙尘气溶胶的时空变化特征。     

Spatial and temporal distribution of MODIS and MISR aerosol optical depth over northern China and comparison with AERONET

Aerosol optical depths (AODs) from MODIS and MISR onboard the Terra satellite are assessed by comparison with measurements from four AERONET sites located in northern China for the period 2006-2009. The results show that MISR performs better than MODIS at the SACOL and Beijing sites. For the Xianghe and Xinglong sites, MODIS AOD retrievals are better than those of MISR. Overall, the relative error of the Angstrom exponent from MISR compared with AERONET is about 14%, but the MODIS error can reach 30%. Thus, it may be better to use the MISR Angstrom exponent to derive wavelength-dependent AOD values when calculating the aerosol radiative forcing in a radiative transfer model. Seasonal analysis of AOD over most of China shows two main areas with high aerosol loading: the Taklimakan Desert region and the southern part of North China and northern part of East China. The locations of these two areas of high aerosol loading do not change with season, but the AOD values have significant seasonal variation. The largest AOD value in the Taklimakan appears in spring when the Angstrom exponents are the lowest, which means the particle radii are relatively large. Over North and East China, the highest aerosol loading appears in summer. The aerosol particles are smallest in summer over both high-AOD areas.     

我国中、东部主要地区气溶胶光学厚度的分布和变化

利用2000年3月至2009年2月MODIS遥感气溶胶光学厚度( AOD) 产品, 分析并对比了我国中、东部的华北、四川盆地、长江三角洲和珠江三角洲4 个地区AOD 的季节分布及其变化。发现这 9 年各地区平均 AOD 呈显著增长趋势, 除四川盆地秋季有下降外, 其他各个地区各个季节均有上升趋势。长江三角洲具有最大的年平均和季节平均 AOD, 年平均增长率高达 1. 82% ;四川盆地次之; 华北和珠江三角洲较小。4 个地区AOD 的季节分布及变化特点有共性又各有不同。总体看来, 夏季 AOD 增长最快, 夏季与春季的差距在变小, 其中华北地区夏季一般高于春季; 冬季 AOD 最小, 增长也最慢, 与其他季节的差距在增大。一些地区的部分季节, 如华北地区的夏、秋季, 四川盆地的春、夏、秋季, 珠江三角洲的秋季, 在2006?2008 年有明显的连续下降趋势。这些结果有助于这些地区的区域气候变化研究和空气质量研究。     

Validation of MODIS aerosol products by CSHNET over China

The Chinese Sun Hazemeter Network (CSHNET) provides the necessary ground-based observation to validate and assess the applicability of MODIS aerosol optical depth (AOD) products over different ecological and geographic regions in China for the first time. The validation results show that the comprehensive utilization ratio and applicability of MODIS products varied very much over different regions and seasons from August 2004 to July 2005. On the Tibetan Plateau, the comprehensive utili- zation ratio of MODIS data was low: MODIS products only accounted for 16% of the ground-based observation; on average, 31% to 45% of MODIS products fell within the retrieval errors issued by NASA. A similar result was found in northern desert areas with the ratio of MODIS to observation ranging from 15% to 55%, with 7% to 39% of MODIS products within errors. In the remote northeast corner of China, low ratios of MODIS to observation were also found ranging from 14% to 46%, with 49% to 69% of MODIS within errors. The forested sites exhibited moderate ratios of MODIS to observation ranging from 46% to 65%, with 30% to 59% of MODIS within errors. This was similar to numbers observed at sites along eastern seashore of China and inland urban sites with the ratio of MODIS to observation between 63% to 75%, with 25% to 67% of MODIS within errors for sites along eastern seashore of China and 43% to 78%, with 35% to 75% of MODIS within errors for inland urban sites. The ratio of MODIS to observation over agricultural areas ranged from 61% to 89%; 59%-88% of MODIS fell within the retrieval errors. At homogeneous and well vegetated areas, the comprehensive utilization ratio of MODIS products was over 80% and above 70% of MODIS products fell within the retrieval errors in growing season.     

卫星遥感监测全球大气气溶胶光学厚度变化

 全球大气气溶胶类型和含量变化与气候变化和大气环境污染密切相关,是气象学、环境学和医学研究关注的热点问题。为认识全球气溶胶分布基本特征,发现和跟踪全球气溶胶显著变化地区,本文利用美国NASA 发布的C6 版MODIS气溶胶光学厚度产品分析全球大气气溶胶光学厚度时空年变化特征及其影响因素;分析气溶胶光学厚度分布与中国霾区的关系,提出霾区治理的气溶胶光学厚度年平均值参考标准。分析2003-2014 年卫星监测的气溶胶光学厚度(AOD)空间分布特征显示,全球气溶胶光学厚度稳定高值区位于亚洲东部及其邻近太平洋海区、印度半岛及其邻近印度洋海区、非洲北部和中部及其邻近大西洋海区;重点变化关注区为俄罗斯西伯利亚东部增量区和南美洲亚马逊平原热带雨林减量区。气溶胶光学厚度高值地区的形成与沙尘暴、火山喷发、生物质燃烧、工业排放等自然源,以及工业污染物排放、交通运输、秸秆焚烧等人类活动造成的人为源气溶胶排放直接相关,并受气象因素和山脉等地形阻挡因素影响,这些因素的稳定性与季节变化最终形成全球气溶胶的时空分布特征。中国东部气溶胶光学厚度年平均值大于0.5 的区域为主要霾天气区,其中华北南部、黄淮、江淮、江汉地区和四川盆地为全球气溶胶光学厚度极端高值区,年平均极端高值达到0.8~1.0,为霾天气常态化发生区;通过全球气溶胶光学厚度量值分析认为,气溶胶光学厚度年平均值0.5 可作为中国大气环境最大承载量,中国东部地区高于此值的区域为主要大气污染控制区,大范围工业生产污染物减排可带来整体环境改善,通过工业结构调整有望降低的气溶胶污染中位比率为33%,平均比率为26.5%。     

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。     

一种基于激光雷达和卫星资料估算地面颗粒物浓度的方法

从2013年5月至11月中筛选激光雷达和MODIS大气光学厚度(AOD)资料,提出一种基于激光雷达反演大气气溶胶消光系数廓线,结合MODIS大气光学厚度资料,估算地面颗粒物质量浓度的方法;将该方法与AOD/大气边界层高度(ABLH)方法进行对比,最后将估算的颗粒物浓度与实测值进行比较。研究表明,该方法估算地面颗粒物浓度效果好于AOD/ABLH方法,与实测PM_(2.5)和PM_(10)浓度相关系数分别达到0.8和0.62。两种方法估算得到的地面颗粒物浓度与实测值比较,新方法估算的结果准确性更好。     

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。     

Analysis of variation trends and causes of aerosol optical depth in Shaanxi Province using MODIS data

The temporal and spatial variations and causes of aerosol optical depth （AOD） in Shaanxi Province were investigated based on the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer （MODIS） derived aerosol data for the period of March 2000-February 2012. The results showed that the distribution of aerosol was largely affected by topography and local economic activities. Heavy aero- sol loading and increasing tendency in AOD was observed in Guanzhong, Hanzhong and Ankang basin, while a reverse tendency was revealed in most other regions. The spatial distribution of aerosol Angstrom wavelength exponent was predominantly related to vegetation coverage in Shaanxi. Airborne dust from ground is an important source of coarse mode aerosols. Vegetation im- provement indicated by an increase in normalized difference vegetation index （NDVI） and a reduction in dust weather led to a gradual decrease in coarse mode AOD to the north of Qinling Mountains in Shaanxi, while anthropogenic activities led to an in- crease in fine mode AOD in other areas except those covered by forests. The main aerosol type gradually shifted to the urban industrial type in Shaanxi.