渤海海域CALIOP與MODIS氣溶膠光學(xué)厚度相關(guān)性分析

黃 玨, 陳曉玲,2, 田禮喬, 于之鋒

(1. 武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079; 2. 江西師范大學(xué) 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室, 江西 南昌 330027)

渤海海域CALIOP與MODIS氣溶膠光學(xué)厚度相關(guān)性分析

黃 玨1, 陳曉玲1,2, 田禮喬1, 于之鋒1

(1. 武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079; 2. 江西師范大學(xué) 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室, 江西 南昌 330027)

以渤海海域為試驗區(qū), 對經(jīng)過時間、空間和波段匹配的MODIS/Aqua 550 nm氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與CALIOP 532 nm通道反演得到的氣溶膠信息在五種不同空間采樣窗口(10 km × 10 km, 30 km × 30 km, 50 km × 50 km, 70 km × 70 km和90 km × 90 km)、三種不同時間尺度(日、月、季度)下進(jìn)行了相關(guān)性擬合分析。研究發(fā)現(xiàn), 較小的空間采樣窗口可以更準(zhǔn)確地反映氣溶膠的局部變化特征, 而以季度為時間統(tǒng)計單元能更好地體現(xiàn)氣溶膠的季節(jié)變化特性。實驗結(jié)果表明, 在10 km × 10 km采樣窗口中,春季的日數(shù)據(jù)之間相關(guān)性較高; 春季和秋季的月均值之間高度相關(guān)(R均大于 0.950)。從而證明, 在特定時間和空間尺度下, 上述兩種數(shù)據(jù)之間確存在良好的相關(guān)性, 為利用遙感數(shù)據(jù)反演渤海海域氣溶膠光學(xué)厚度信息提供了新的途徑。

CALIOP; MODIS; 氣溶膠光學(xué)厚度; 相關(guān)性分析

大氣氣溶膠作為大氣中含量很少的由固體和液體微粒共同組成的多相體系[1], 通過對太陽輻射的散射、吸收作用直接影響地球大氣的輻射平衡, 可起到云凝結(jié)核的作用; 還通過改變云滴的數(shù)密度和平均半徑影響云對太陽輻射的反射率以及降水情況[2],對大氣中發(fā)生的許多物理化學(xué)過程都有重要的影響。氣溶膠的不確定性也是定量遙感中大氣校正的主要困難, 因此, 獲取準(zhǔn)確的大氣氣溶膠性質(zhì)參數(shù)對定量遙感分析與反演具有重要意義。

氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)是可獲取的氣溶膠數(shù)據(jù)中覆蓋范圍最廣、精確度較高的一種數(shù)據(jù)[3], 它可以表征氣溶膠光學(xué)特性和大氣渾濁度[4-5]。氣溶膠光學(xué)厚度的探測主要有三種手段:一是地基觀測, 其中, 太陽光度計觀測是目前氣溶膠觀測手段中最準(zhǔn)確的方法, 其精度可達(dá) 0.01～0.02[6-7]。但是, 由于站位數(shù)相對較少, 數(shù)據(jù)時間段較短, 常作為驗證數(shù)據(jù); 二是通過氣溶膠模式, 獲得分辨率較高的氣溶膠光學(xué)厚度時空分布, 但是, 目前對氣溶膠復(fù)雜的形成過程了解還不夠深入, 得到的數(shù)據(jù)有很大的不確定性[8]; 三是被動衛(wèi)星遙感探測,借助氣象衛(wèi)星高時空分辨率、同步大范圍、多通道的特性, 已經(jīng)針對 NOAA/AVHRR, TOMS, GMS/VISSR, SeaWiFS, POLDER 以及MODIS等衛(wèi)星傳感器開展了大量有價值的海上氣溶膠反演和應(yīng)用研究[6,9-10]。但在實際探測過程中常受到云、水汽的干擾和光照條件的限制, 使得目前普遍使用的被動衛(wèi)星遙感手段應(yīng)用潛力比較有限。

激光雷達(dá)(Lidar), 采用主動遙感方式獲取長期、實時、抗干擾、高空間和高時間分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)[11]。搭載在 CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)衛(wèi)星上的CALIOP(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)傳感器, 既能提供氣溶膠光學(xué)厚度、云層和植被垂直分布、地表高度等常規(guī)觀測信息, 又能提供常規(guī)被動遙感所無法觀測的參量, 如特殊天氣氣候現(xiàn)象監(jiān)測信息以及氣溶膠和云的光學(xué)物理特性等[12]。因此, 對 CALIOP數(shù)據(jù)的分析與運(yùn)用能夠擴(kuò)展氣溶膠探測的數(shù)據(jù)源, 尤其在可見光數(shù)據(jù)無法應(yīng)用的場合, 可以為氣溶膠監(jiān)測和科學(xué)研究提供更有效的數(shù)據(jù)支持。

在廣闊的海洋地區(qū), 衛(wèi)星遙感探測手段具有明顯的時空優(yōu)勢, 并且衛(wèi)星數(shù)據(jù)是許多氣候模型中的氣溶膠數(shù)據(jù)的重要來源, 所以比較分析衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品就顯得十分必要[13]。作為常用的氣溶膠探測手段, 晴朗無云條件下MODIS氣溶膠數(shù)據(jù)在中國近海區(qū)域的真實性與精度已被許多學(xué)者利用AERONET數(shù)據(jù)所證實[4,6,13-15], 但利用 CALIOP數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度的研究目前較少。本文通過選取可信度較高的晴空條件下 MODIS/Aqua傳感器10 km分辨率的 Level2 MYD04氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)與準(zhǔn)同步的5 km分辨率CALIOP Level 1B反演數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析, 并研究 CALIOP氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)的可靠性及其時空限制條件, 從而進(jìn)一步挖掘星載激光雷達(dá)探測氣溶膠參數(shù)的應(yīng)用潛力。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 實驗數(shù)據(jù)

實驗選取渤海海域為研究區(qū)域, 采用 NASA提供的2006年6月15日到2008年5月31日共計715 d的MODIS/Aqua影像, 及相應(yīng)的CALIOP數(shù)據(jù)和云掩膜數(shù)據(jù), 提取MODIS/Aqua傳感器Level2 MYD04 550 nm波段10 km分辨率的日氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)和CALIOP傳感器 L1B產(chǎn)品中532 nm通道5 km分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù), 并利用 MODIS/Aqua傳感器 Level2 MYD35云掩膜數(shù)據(jù)剔除受到薄云干擾的MODIS像元。

1.2 研究方法

首先對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 包括依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)算法獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)集、提取研究區(qū)域內(nèi)有效數(shù)據(jù)、云檢測云掩膜處理等; 然后對兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行波段、時間、空間匹配; 最后分析兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系。

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用 CALIOP 理論算法標(biāo)準(zhǔn)文檔(CALIOP Algorithm Theoretical Basis Document)中的算法, 將CALIOP L1B產(chǎn)品中的削弱后向散射系數(shù)代入激光雷達(dá)方程, 結(jié)合激光雷達(dá)比計算得大氣消光系數(shù),積分后即為氣溶膠光學(xué)厚度[16]。研究海域上空的激光雷達(dá)比則需要依據(jù)實地調(diào)查所獲取的數(shù)據(jù)和鄰近氣象站點的參數(shù)來具體確定 。最終得到 532 nm和1 064 nm通道的氣溶膠光學(xué)厚度, 結(jié)合實際, 選取532 nm通道的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。同時讀取對應(yīng)的MODIS/Aqua傳感器MYD04產(chǎn)品的經(jīng)度、緯度和氣溶膠光學(xué)厚度。

由于MODIS易受云中水分子的影響, 因此需進(jìn)行云檢測和云掩膜處理。MYD35產(chǎn)品“云掩膜及光學(xué)檢測結(jié)果”數(shù)據(jù)集將云檢測可信度分為 4個等級,本文只選取可信度為0.99和0.96的“明確晴空”和“大概晴空”像元來反演氣溶膠光學(xué)厚度。為了與氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)格式相匹配, “云掩膜及光學(xué)檢測結(jié)果”數(shù)據(jù)集矩陣需進(jìn)行壓縮處理。

1.2.2 波段匹配

因采用CALIOP 532 nm通道的氣溶膠光學(xué)厚度,而 MODIS MYD04產(chǎn)品沒有提供對應(yīng)波長的數(shù)據(jù),故選取最接近的550 nm氣溶膠光學(xué)厚度。研究表明,氣溶膠光學(xué)厚度與波長之間滿足 ?ngstr?m 關(guān)系式[17]:

式中λ為波長,τα(λ)為對應(yīng)波長的氣溶膠光學(xué)厚度,β為?ngstr?m濁度系數(shù),α為?ngstr?m 波長指數(shù)。α與氣溶膠粒子的平均半徑有關(guān), 氣溶膠粒子越大,α值越小。依據(jù)劉亞豪等[18]的研究, 渤海海域氣溶膠α的范圍是0. 03～ 2. 76, 假設(shè)在兩個較窄波長λ1和λ2之間的α為常數(shù), 則[6]:

根據(jù)(2)式, 550 nm與532 nm通道的氣溶膠光學(xué)厚度之比在α= 3的極端條件下(此時氣溶膠粒子很小, 其半徑接近大氣分子)為0.905, 即相對誤差僅為9.5%。α越小, 其相對誤差越小, 當(dāng)α= 0時, 兩者的光學(xué)厚度相等。因此, 可以直接比較CALIOP 532 nm與MODIS 550 nm的氣溶膠光學(xué)厚度。

1.2.3 時間空間匹配

MODIS/Aqua傳感器與 CALIOP傳感器過境時間僅相差1 min 30 s, 可以視為準(zhǔn)同步數(shù)據(jù), 這為直接比較兩種氣溶膠光學(xué)厚度提供了依據(jù)。但是, MODIS/Aqua傳感器MYD04氣溶膠產(chǎn)品空間分辨率是10 km, 而CALIOP反演的氣溶膠光學(xué)厚度的空間分辨率為5 km, 二者差異顯著。

針對上述特點, 本文對MODIS 550 nm 氣溶膠光學(xué)厚度在以 CALIOP過境軌跡為中心的一定空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計平均。而空間區(qū)域面積的確定, 則借鑒鄧學(xué)良等[15]、Ichok等[19]的研究成果: MODIS氣溶膠光學(xué)厚度空間采樣窗口從30 km × 30 km到90 km × 90 km的變化對窗口平均值和標(biāo)準(zhǔn)差影響很小。為了更好地代表這一區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度值并反映局部特征, 沿 CALIOP飛行軌跡分別選取 10 km × 10 km, 30 km × 30 km, 50 km × 50 km, 70 km × 70 km和90 km × 90 km五種空間采樣窗口, 分別求窗口內(nèi)MODIS 550 nm和CALIOP532 nm氣溶膠光學(xué)厚度平均值, 對比分析匹配結(jié)果, 并確定最佳空間采樣窗口。

1.2.4 相關(guān)性驗證方法

選用一元線性回歸模型模擬經(jīng)過波段匹配和時空匹配的MODIS和CALIOP數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。

式中:τMODIS為MODIS氣溶膠光學(xué)厚度;τCALIOP為CALIOP氣溶膠光學(xué)厚度;A為斜率;B為截距。主要的驗證指標(biāo)為擬合得到的相關(guān)系數(shù)(R)、回歸估計的標(biāo)準(zhǔn)誤差S和F顯著性檢驗(顯著性水平α<0.05)。

2 分析與結(jié)果

本文在五種不同空間采樣窗口、三種不同時間尺度下對兩種數(shù)據(jù)的最大概率值和平均值分別進(jìn)行了相關(guān)性擬合。

2.1 日數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

對2006年6月15日到2008年5月31日共計715 d的兩種匹配數(shù)據(jù)經(jīng)過云掩膜處理后, 分析其在五種不同的空間采樣窗口中的相關(guān)關(guān)系, 并計算得到含有波段、時間、空間匹配點對的總時間和含有相關(guān)性較好(即相關(guān)系數(shù)R大于0.6)點對的時間及其百分比。結(jié)果如表1所示。

表1 不同空間采樣窗口相關(guān)性對比Tab. 1 Comparison of correlations of different spatial sampling windows

從表 1中可以看出, 隨著空間采樣窗口的減小,含有相關(guān)性較好點對的時間所占的百分比逐漸增大,說明在排除云的干擾后, CALIOP與MODIS的日氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)之間存在一定的相關(guān)性。其中, 10 km×10 km 的空間采樣窗口百分比最大, 即兩種數(shù)據(jù)間相關(guān)性最大, 因此在后文中選取該窗口作為空間匹配的條件。

2.2 月(季度)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

圖1 不同時間單元相關(guān)性對比Fig. 1 Comparison of correlations of different time units

隨后分析在10 km × 10 km的空間采樣窗口下,不同時間統(tǒng)計單元內(nèi)(月、季度)數(shù)據(jù)間的相關(guān)關(guān)系。圖 1分別表示以月和季度為時間統(tǒng)計單元, 含相關(guān)性較好點對的時間占含匹配點對總時間的百分比。對比發(fā)現(xiàn), 4月的百分比明顯高于其他月份, 同時春季的百分比較其他季度也更高, 說明春季兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性更顯著。

2.3 月(季度)平均值相關(guān)性分析

由上述分析可知, 隨著時間尺度的增大, 數(shù)據(jù)間的相關(guān)性表現(xiàn)得越為明顯。為了深入研究不同時間統(tǒng)計單元內(nèi)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性, 分別比較了兩種數(shù)據(jù)最大概率值之間以及均值之間的相關(guān)關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)最大概率值之間不存在顯著關(guān)系, 因而重點研究均值間的相關(guān)關(guān)系。

為此分別求出CALIOP與MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的月均值并分析了各季度月均值間的相關(guān)關(guān)系。如圖 2所示, 兩種數(shù)據(jù)月均值間確存在較好的相關(guān)性,R達(dá)0.647。而進(jìn)一步研究各季度內(nèi)兩種數(shù)據(jù)月均值間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn), 春季和秋季CALIOP與MODIS數(shù)據(jù)的月均值高度相關(guān),R均大于0.95(圖3); 而夏季和冬季的數(shù)據(jù)間相關(guān)性并不明顯。

圖2 月均值相關(guān)性Fig. 2 Correlation of mean values of all months

圖3 春季、秋季月均值相關(guān)性Fig. 3 Correlations of month mean values in spring and autumn

通過以上分析發(fā)現(xiàn), 兩種數(shù)據(jù)的月均值變化趨勢較為接近, 特別是春季和秋季的月均值變化趨勢高度一致。依據(jù)前文所述的擬合驗證方法, 分別得到MODIS與CALIOP的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)全部月均值以及春、秋季月均值之間的相關(guān)關(guān)系擬合式及參數(shù)(表2):

由相關(guān)系數(shù)(R1=0.647,R2=0.950,R3=0.957)可知,在10 km×10 km的空間采樣窗口下, 兩種數(shù)據(jù)的全部月均值和春、秋季度月均值之間均存在較好的相關(guān)性。同時相關(guān)關(guān)系的線性擬合式均通過了顯著性水平α<0.05的F顯著性檢驗, 即因變量對自變量的一元線性回歸成立, 進(jìn)一步證實兩種數(shù)據(jù)顯著相關(guān)以及回歸方程的合理性。

表2 不同時間單元相關(guān)關(guān)系擬合式參數(shù)Tab. 2 Parameters of correlation fitting of different temporal sampling units

因此, 在特定的空間窗口(10 km × 10 km),時間尺度(月均值)和一定的季節(jié)條件下, 兩種數(shù)據(jù)之間確存在良好的相關(guān)性, 即 CALIOP反演的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)的質(zhì)量與高精度的MODIS數(shù)據(jù)接近, 從而證實了 CALIOP數(shù)據(jù)在反演氣溶膠光學(xué)厚度參數(shù)方面的可靠性以及在光照、氣象條件不佳情況下用特定時空尺度的CALIOP數(shù)據(jù)替代MODIS數(shù)據(jù)的可行性。

3 結(jié)論與討論

1)在10 km×10 km的空間采樣窗口下兩種遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好; 而隨著空間窗口的增大, 二者的相關(guān)性明顯降低。這可能是由于渤海海域氣溶膠的分布受到沿海人為活動影響以及海陸熱力差異影響, 具有很強(qiáng)的局部特征。因此較小的空間采樣窗口可以更準(zhǔn)確地表征這種小范圍的局部變化特征。

2)以日為時間統(tǒng)計單元, 兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性不顯著; 以月為時間統(tǒng)計單元, 兩種數(shù)據(jù)的均值相關(guān)性較高(R=0.647); 以季度為時間統(tǒng)計單元, 春季的日數(shù)據(jù)之間相關(guān)性提高, 而春季和秋季的月均值之間高度相關(guān)。這說明兩種數(shù)據(jù)在特定季節(jié)、較大時間尺度下相關(guān)性更為顯著。但這種相關(guān)性并不穩(wěn)定,其原因是多樣的: 首先, 已有研究表明受季風(fēng)和沙塵等因素的影響, 渤海海域氣溶膠的分布變化具有明顯的季節(jié)特征, 而氣溶膠自身的季節(jié)特征很可能導(dǎo)致量測結(jié)果以及不同數(shù)據(jù)間相關(guān)關(guān)系的季節(jié)特征。依據(jù)本文實驗結(jié)果, 春季兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性最好。其次, MODIS與CALIOP傳感器的空間分辨率差異顯著, 主被動式傳感器的成像機(jī)理也有很大不同, 加之觀測對象——?dú)馊苣z自身的高動態(tài)性, 都會導(dǎo)致相關(guān)關(guān)系的不穩(wěn)定。

3)文中直接沿 CALIOP飛行軌跡分別求空間窗口內(nèi)MODIS和CALIOP氣溶膠光學(xué)厚度平均值, 而CALIOP數(shù)據(jù)點的質(zhì)量以及MODIS與CALIOP傳感器空間分辨率的差異對渤海海域氣溶膠光學(xué)厚度反演精度的影響還需進(jìn)一步研究。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Correlational research on aerosol optical depths from CALIPSO and MODIS/Aqua over the Bohai Sea

HUANG Jue1, CHEN Xiao-ling1,2, TIAN Li-qiao1, YU Zhi-feng1
(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Poyang Lake Ecological Environment and Resource Development, Jiangxi Normal University, Nanchang 330027, China)

Sep.,1,2011

CALIOP; MODIS; aerosol optical depth(AOD); correlation fitting analysis

Taking the Bohai Sea as a subject, this research conducted correlation fitting analysis of aerosol optical depth at 532 nm derived from CALIOP aerosol profiles and at 550 nm derived from MODIS/Aqua aerosol profiles at different spatial sampling scales (10 km × 10 km, 30 km × 30 km, 50 km × 50 km, 70 km × 70 km and 90 km × 90 km) and time scales (day, month and season). It was found that smaller spatial scale and larger time scale could illustrate the characteristics of aerosol better than others do. With a correlation coefficient over 0.950, the results demonstrated a good correlation between quarterly averages from the two sensors under the 10 km × 10 km window in spring and autumn. The research showed that in specific temporal and spatial unit these two kinds of data manifest good correlation, which may provide a new method for research on aerosol optical depth over the Bohai Sea.

TP 79

A

1000-3096(2013)01-0113-06

2011-09-01;

2012-12-04

973項目(2011CB707106); 國家自然科學(xué)基金項目(40906092, 41071261, 40971193, 41101415); 國家自然基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項目(41021061); 湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2009CDB107); 測繪遙感信息工程國家重點實驗室重點自主研究課題; 測繪遙感信息工程國家重點實驗室專項科研經(jīng)費(fèi); 南昌大學(xué)“鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室”開放課題(Z03975); 985、國家重點實驗室儀器設(shè)備專項經(jīng)費(fèi); 中國博士后科學(xué)基金(20100480861); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目; 武漢大學(xué)博士生自主科研課題

黃玨(1987-), 女, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事定量遙感與遙感應(yīng)用研究, 電話: 15807156653; E-mail: huangjue2007@126.com; 陳曉玲, 通信作者, 女, 教授, 博士生導(dǎo)師, 電話: 13907195381, E-mail: cecxl@yahoo.com