太湖地區(qū)氣溶膠光學厚度的分布及其在大氣校正中的應用

潘一新，胡方超，汪柳紅，黃純璽

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學);2.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇南京210044)

0 引言

大氣氣溶膠是大氣中直徑小于10 μm的固體或液體顆粒穩(wěn)定地懸浮于氣體介質(zhì)中組成的分散體系(楊琨等，2008)。由于其可以吸收和散射太陽短波輻射以及地球長波輻射(直接輻射強迫)，影響地氣系統(tǒng)輻射平衡，并且可以作為凝結(jié)核影響云的輻射特性以及作為反應表面影響化學反應的速度(間接輻射強迫)，所以大氣氣溶膠在大氣輻射和氣候變化的研究中占有重要地位(馬井會等，2007;石廣玉等，2008)，其反演在大氣校正中起重要作用(Hegg，1990)。

目前獲取大氣氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth，AOD)資料主要手段包括地基遙感和衛(wèi)星遙感。衛(wèi)星遙感反演方法具有覆蓋面廣、信息獲取方便、快捷等特點，相對于地基遙感可以更高效地獲取大氣氣溶膠消息，為人們實時了解大區(qū)域范圍內(nèi)的氣溶膠變化提供了可能(周著華等，2006;李亞春等，2011)。衛(wèi)星反演氣溶膠光學厚度主要是基于太陽反射波段的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和氣溶膠粒子對于太陽輻射的散射機制(Remer et al.，2005)。隨著Terra和Aqua的發(fā)射，MODIS傳感器為氣溶膠的反演提供了更加豐富的信息。毛節(jié)泰等(2002)對2001年北京地區(qū)太陽光度計觀測結(jié)果和用MODIS衛(wèi)星遙感氣溶膠方法得到的結(jié)果進行對比，驗證了MODIS產(chǎn)品的可靠性，并分析了氣溶膠光學厚度的季節(jié)分布與能見度季節(jié)分布的關(guān)系。趙秀娟等(2005)借助6S模型對MODIS的藍光、紅光和中紅外通道進行了行星反照率對地表反射率和氣溶膠光學厚度的敏感性試驗，并通過藍光通道與中紅外通道地表反射率之間的關(guān)系進一步反演了蘭州城市及其附近地區(qū)的氣溶膠光學厚度分布，反演結(jié)果較為合理。

本文實例為2006年7月的太湖實驗，實驗期間天空晴朗無云，湖面平靜。按圖1所示的各采樣點采集水面光譜數(shù)據(jù)，配合MODIS數(shù)據(jù)反演得到太湖地區(qū)的氣溶膠光學厚度，并插值得到太湖氣溶膠光學厚度的區(qū)域分布，同時分析造成這種分布的原因。此外，對兩種不同方法得到的水面反射率進行對比，為太湖地區(qū)的精確大氣校正提供參考。

1 算法和流程

1.1 MODIS高分辨率氣溶膠光學厚度反演算法

假設地表為均勻朗伯體，傳感器接收到的表觀反射率R定義為

式中:L為表觀輻射亮度;F0為外大氣層太陽輻照度(Kaufman et al.，1997)。

傳感器接收到的衛(wèi)星表觀反照率Rsat由路徑輻射項和地表輻射項構(gòu)成:

圖1 太湖實驗區(qū)水面采樣點和大氣測量點示意圖Fig.1 The water sampling points and atmospheric measurement stations in Taihu Lake experimental area

式中:Ratm為整層大氣反射率;Tatm(μ0)和Tatm(μ)分別表示從太陽到地面、從地面到衛(wèi)星兩個方向大氣層的總透過率(直射和漫射);系數(shù)1/(1－RsurfRatm)代表地面和大氣層多次散射的作用。衛(wèi)星觀測的表觀反射率Rsat既是氣溶膠光學厚度的函數(shù)，又是下墊面反射率Rsurf的函數(shù)。如果已知下墊面的反射率，并確定了大氣氣溶膠模型，即可通過輻射傳輸模擬反演得到氣溶膠光學厚度(唐洪釗等，2010)。

1.2 太湖地區(qū)氣溶膠光學厚度反演流程

已有數(shù)據(jù):采樣點對應的經(jīng)緯度、時間;光譜儀測量的每個納米波長的反射率;MODIS影像數(shù)據(jù)。

1)計算MODIS波段對應的水面反射率。測得的水面反射率的光譜分辨率為1 nm，MODIS各個波段的光譜響應函數(shù)為f(λ)，利用式(3)可得到與MODIS各波段對應的水面反射率ρe:

式中:E0(λ)為大氣層外光譜輻照度;f(λ)是各個MODIS波段對應的光譜響應函數(shù);ρT(λ)是每個波長對應的反射率，匹配過后就可以得到對應MODIS波段的水面反射率。

2)利用 HDF Explore軟件處理 MODIS影像Bnad1中的數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)、緯度信息，找到采樣點所對應像元，獲取每個采樣點所對應的太陽—地表—衛(wèi)星的觀測幾何關(guān)系(太陽天頂角、太陽高度角、衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星高度角)。通過ENVI軟件對MODIS遙感影像進行校正，提取校正后的MODIS影像的衛(wèi)星表觀反射率信息(姚薇等，2011)。

3)運用6S輻射傳輸模式，反演得到550 nm處的氣溶膠光學厚度(τ550)。

為了確定太湖區(qū)域的氣溶膠光學厚度分布，使用了反距離加權(quán)插值方法，計算得到MODIS遙感影像上各個像元相對應的氣溶膠光學厚度。算法過程如圖2所示。

圖2 太湖區(qū)域氣溶膠光學厚度反演流程圖Fig.2 The flow chart of aerosol optical depth retrieval in Taihu Lake area

2 結(jié)果分析

氣溶膠模式的假定是MODIS反演氣溶膠光學厚度的主要誤差來源之一。太湖地區(qū)的氣溶膠類型受到太湖所處地理位置以及周邊環(huán)境的影響，導致其與常用的大陸型氣溶膠和城市型氣溶膠相比，為兩者的混合型。為了使MODIS反演得到的氣溶膠光學厚度更精確，選取了自定義的氣溶膠類型(胡方超等，2009);并通過6S對2006年7月29日的MODIS影像數(shù)據(jù)進行大氣校正，獲取不同氣溶膠類型下的水面反射率(Liu and Zhao，2002)。

圖3是通過6S進行大氣校正所得到的水面反射率和實測水面反射率的散點圖。圖3a采用了自定義氣溶膠類型，圖3b采用了大陸型氣溶膠類型。測定系數(shù)R2分別為0.947 9和0.893 5，說明自定義的氣溶膠類型更有利于大湖地區(qū)的大氣校正和氣溶膠光學厚度的反演。

通過反演得到各采樣點的氣溶膠光學厚度，對其進行插值得到整個太湖區(qū)域相對于MODIS影像上各像元的氣溶膠光學厚度。

圖4為2006年7月31日太湖地區(qū)大氣氣溶膠光學厚度的平均分布。其中太湖以北地區(qū)大氣氣溶膠光學厚度顯著高于其他湖區(qū)，高值中心AOD達0.8以上，整個太湖地區(qū)AOD由北往南呈遞減趨勢，低值出現(xiàn)在湖中心。這是由于太湖沿岸人為活動較多，導致氣溶膠光學厚度高于湖中心區(qū)域，尤其在太湖北部梅梁灣區(qū)域，由于位于太湖北岸的無錫、常州等地區(qū)生產(chǎn)、生活排放出大量粉塵、煙塵，從而使得北部湖區(qū)的氣溶膠顆粒物增加幅度明顯，這是該區(qū)域氣溶膠光學厚度較高的主要原因。太陽光度計在南岸測量得到τ550為0.696 0，在北岸測量得到τ550為0.857 8，與反演得到的太湖南、北部地區(qū)的氣溶膠光學厚度較接近，整個區(qū)域內(nèi)氣溶膠光學厚度的分布也較合理。

圖3 實測水面反射率與自定義氣溶膠類型(a)、大陸型氣溶膠類型(b)反演的水面反射率的散點圖Fig.3 Comparison between the water reflectivity retrieved by(a)the self-defined aerosol model and(b)the continental aerosol model and the measured water reflectivity

圖4 2006年7月31日太湖地區(qū)氣溶膠光學厚度的分布Fig.4 Distribution of aerosol optical depth in Taihu Lake area on 31 July 2006

張運林等(2005，2006)、張運林(2011)研究表明，在大多數(shù)情況下太湖北部湖區(qū)梅梁灣的顆粒物吸收對總吸收的貢獻率超過70%，而在675 nm附近，由于葉綠素a的特征吸收會出現(xiàn)明顯峰值。樂成峰等(2008a，2008b)研究表明，太湖葉綠素a在夏季北部湖區(qū)特別是梅梁灣附近的濃度最高，向湖心區(qū)逐漸減小。MODIS Band1的波長為620～670 nm，在此波段內(nèi)葉綠素a濃度越高，水面吸收率越大，并導致水面反射率越低。該結(jié)果與由水面光譜數(shù)據(jù)得到的水面反射率關(guān)系基本一致。圖5a為太湖各點水面反射率(其中采樣點第17—22、27、28數(shù)據(jù)缺失)。已有研究(Li et al.，2003;Xia，2006;鄭有飛等，2011)表明，MODIS反演氣溶膠光學厚度、地面反射率偏小，衛(wèi)星反演的氣溶膠光學厚度偏大。太湖的水面反射率越低，根據(jù)輻射傳輸計算反演得到的氣溶膠光學厚度就越高。因此，太湖顆粒物的吸收特性可能是導致反演得到的氣溶膠光學厚度分布不均勻的主要原因之一。

根據(jù)式(2)可知，衛(wèi)星觀測的表觀反射率既是氣溶膠光學厚度的函數(shù)，又是下墊面反射率的函數(shù)。如果已知下墊面的反射率，并確定了大氣氣溶膠模型，即可通過輻射傳輸方程反演得到氣溶膠光學厚度。在反演過程中選擇的自定義氣溶膠模型是改進的大陸型氣溶膠模型(胡方超等，2009)。在一般的大陸氣溶膠模型中，當下墊面反射率較小時，模擬得到的衛(wèi)星表觀反射率隨氣溶膠光學厚度的增加而增加(毛節(jié)泰等，2011)。圖5b給出了各采樣點的表觀反射率，可以看出北部湖區(qū)大多數(shù)點的表觀反射率要略高于其他湖區(qū)的大多數(shù)點。這也是造成反演得到的氣溶膠光學厚度高于其他區(qū)域的原因。

太湖北部湖區(qū)的水面反射率普遍偏低而表觀反射率略高于其他地區(qū)，因此，通過輻射傳輸方程反演得到的氣溶膠光學厚度高于其他湖區(qū)。

圖5 各采樣點水面反射率(a)和表觀反射率(b)Fig.5 (a)The water reflectivity and(b)apparent reflectivity at all sampling points

為更好地研究太湖區(qū)域的水面反射率，運用了兩種不同的方法反演太湖區(qū)域水面反射率。選擇太湖梅梁灣湖區(qū)為研究對象。方案1:當TERRA衛(wèi)星過境時，太陽光度計測得7月31日τ550平均值為0.716 0，將此值作為輸入?yún)?shù)，運行6S程序，得到MODIS波段1的大氣校正參數(shù)，通過ENVI的通道運算(band math)和大氣校正參數(shù)得到太湖區(qū)域各像元點的水面反射率。方案2:各像元點的氣溶膠光學厚度已經(jīng)得到，結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行大氣校正，得到各像元點的水面反射率。比較兩種方法得到的水面反射率和實測水面反射率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，方案1得到的水面反射率要略高于方案2的水面反射率，實際采樣得到的水面反射率更加接近于方案2。這是由于方案1中太陽光度計測得的太湖區(qū)域氣溶膠光學厚度是平均值，無法很好地反映太湖各個點氣溶膠光學厚度，通過圖2流程反演得到的氣溶膠光學厚度可以更好地反映太湖地區(qū)實際情況，以彌補太陽光度計測得的數(shù)據(jù)在該區(qū)域上的不足。方案2得到的水面反射率更加接近實際值，大氣校正的精度更高。由于大氣的Rayleigh散射和氣溶膠的散射作用在可見光波段比臭氧的吸收作用強，導致反射率值在大氣校正后顯著小于校正前，越是精確的大氣校正，越能更有效地降低氣溶膠粒子對各波段反射率的影響(劉朝順等，2008;姚薇等，2011)，大氣校正后的反射率值越小越精確，這與圖6的結(jié)果一致。

3 結(jié)論和討論

1)氣溶膠的區(qū)域分布受到人為活動的影響較大，太湖沿岸由于工業(yè)和交通等人為氣溶膠的影響，是反演的太湖氣溶膠光學厚度分布不均勻的主要原因。本文根據(jù)衛(wèi)星接收到的表觀反射率和水面光譜數(shù)據(jù)來反演太湖地區(qū)氣溶膠光學厚度分布，結(jié)果顯示，測點的實測值與附近的反演值較接近，整個區(qū)域內(nèi)氣溶膠光學厚度的分布也較合理，可以反映該地區(qū)氣溶膠分布特征。

2)利用MODIS和水面光譜數(shù)據(jù)反演得到的太湖區(qū)域氣溶膠光學厚度分布，相較于太陽光度計測得的值，能夠更好地反映整個太湖區(qū)域的氣溶膠濃度和分布情況。

3)分別使用MODIS和水面光譜數(shù)據(jù)反演得到的氣溶膠光學厚度、太陽光度計CE318測得的氣溶膠光學厚度進行大氣校正，得到不同的水面反射率。參考ASD實測水面反射率可知，前一種方法得到的反射率小于后一種，并更加接近實測值，表明使用MODIS和水面光譜數(shù)據(jù)進行大氣校正可以提高精度。

本文假設地表為朗伯體表面，在大氣校正過程中沒有考慮方向性對精度的影響，只考慮了瑞利散射。實測水面反射率與MODIS數(shù)據(jù)不同步，導致水面反射率存在誤差。

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