北京地區(qū)夏季氣溶膠光學(xué)厚度反演

鄭小慎，鄧 霖，高 飛

（1. 天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；2. 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，南京 210044）

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北京地區(qū)夏季氣溶膠光學(xué)厚度反演

鄭小慎1，鄧 霖1，高 飛2

（1. 天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；2. 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，南京 210044）

摘 要：基于6S模型對比分析了3種大氣氣溶膠模式在北京地區(qū)夏季氣溶膠光學(xué)厚度反演中的適用性.首先下載Terra-MODIS L1B夏季空間分辨率為1，km的數(shù)據(jù)，基于城市型、大陸型、海洋型3種標(biāo)準(zhǔn)大氣氣溶膠模式生成了3套查找表，利用暗像元法，反演得到了北京地區(qū)夏季大氣氣溶膠光學(xué)厚度.然后利用AERONET提供的實(shí)測陸地氣溶膠光學(xué)厚度對反演結(jié)果進(jìn)行精度驗證.結(jié)果表明：海洋型和大陸型氣溶膠模式反演的氣溶膠光學(xué)厚度與地基數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.806，6和0.766，4；而城市型氣溶膠模式反演的氣溶膠光學(xué)厚度與地基數(shù)據(jù)存在明顯差異，相關(guān)系數(shù)僅為0.482，5；將晴天和霧霾天氣反演結(jié)果與地基數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以看出在天氣晴朗時北京地區(qū)采用海洋型氣溶膠模式反演氣溶膠光學(xué)厚度更為準(zhǔn)確.

關(guān)鍵詞：氣溶膠光學(xué)厚度；MODIS；6S模型；北京夏季

近20年來，隨著人類工業(yè)化的加劇，大氣氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)［1-2］.大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中直徑在10-3～102，μm的固體和液體顆粒，它對環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在降低能見度、引發(fā)霧霾天氣等方面.大氣氣溶膠還影響著全球的氣候，其影響可分為直接效應(yīng)與間接效應(yīng).直接效應(yīng)是指氣溶膠通過對太陽輻射和紅外輻射的吸收和散射，影響了地球-大氣系統(tǒng)的輻射收支平衡；間接效應(yīng)是指氣溶膠通過改變云的微物理特性及光學(xué)特性和降水效率，間接地影響地表的溫度.衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）表征了大氣在垂直方向上總的消光系數(shù)，精確地測量大氣氣溶膠光學(xué)厚度，可以有效地校正遙感影像，提高定量分析的可行性，也可以作為污染物監(jiān)控的重要指標(biāo).美國國家宇航局（NASA）提供了10，km分辨率的全球AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品，但由于NASA提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分辨率低、數(shù)據(jù)經(jīng)常缺失且沒有考慮到氣溶膠在特殊地帶分布的差異，僅采用固定的反演參數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)品在局部地區(qū)的反演結(jié)果較差，利用的局限性較大.為此很多學(xué)者利用NASA提供的Terra-MODIS L1B 1，km的數(shù)據(jù)，利用暗像元法反演得到了1，km分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度［3-4］.但大多數(shù)學(xué)者僅以大陸型氣溶膠模式生成大氣頂表觀反射率的查找表，沒有考慮到季節(jié)及沿海地區(qū)氣溶膠分布變化，可信度低［5-7］.本文基于6S模型，設(shè)定氣溶膠光學(xué)厚度值為0.01～2.00，步長為0.01，生成了大陸型、海洋型、城市型3套大氣頂表觀反射率查找表.利用Terra-MODIS L1B 1，km數(shù)據(jù)，根據(jù)暗像元法，通過IDL程序調(diào)用查找表反演獲得了3套夏季北京地區(qū)1，km的氣溶膠光學(xué)厚度.并分別與AERONET網(wǎng)提供的CE-318所測得的陸地氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行驗證分析，討論了3種查找表在夏季北京地區(qū)的適用性.

1　研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)域

北京地區(qū)地處華北平原西北邊緣，西北為黃土高坡，東臨渤海.其氣候特點(diǎn)為四季分明，春季干旱，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥.風(fēng)向有明顯的季節(jié)變化，冬季盛行西北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng).因此，北京地區(qū)氣溶膠春、秋、冬三季受西北陸地沙塵影響較大，而夏季則受局部地區(qū)降雨及渤海的影響較大.選取北京地區(qū)受海陸影響較為典型的地區(qū)作為研究對象，可以較好地反映渤海周邊城市的情況.

1.2MODIS數(shù)據(jù)

NASA于1999年12月發(fā)射的Terra衛(wèi)星所攜帶的MODIS傳感器數(shù)據(jù)可以提供從可見光、近紅外到紅外共36個通道的探測資料，光譜范圍分布在0.42～14.24，μm，掃描寬度為2，330，km，可提供有關(guān)陸地、水汽、氣溶膠、云、臭氧、海色、浮游植物等有關(guān)信息，為氣候變化、大氣探測以及人類活動對區(qū)域和全球環(huán)境影響的研究工作提供極大幫助.MODIS為用戶提供10，km分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品，但是數(shù)據(jù)的精度不高且數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，不能連續(xù)、準(zhǔn)確地分析AOD的時空變化.MODIS產(chǎn)品采用的氣溶膠模式較為單一，不適用于局部地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的反演，特別是對于受海陸氣候雙重影響的北京地區(qū).故本文采用NASA提供的Terra的一級數(shù)據(jù)MODIS L1B.該數(shù)據(jù)經(jīng)過了輻射校正，且分辨率為1，km.選取2014年7月、8月共33，d無云的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演.

1.3AERONET實(shí)測氣溶膠光學(xué)厚度

AERONET（Aerosol Robotic Network）是由NASA和LOA-PHOTONS（CNRS）聯(lián)合建立的地基氣溶膠遙感觀測網(wǎng).該網(wǎng)絡(luò)提供了全球范圍內(nèi)陸地與海洋600多個地基站點(diǎn)的氣溶膠數(shù)據(jù)，其AOD的觀測誤差在0.01～0.02.可以將其作為真實(shí)值進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的驗證［8-9］.本文選取北京地區(qū)Beijing、Beijing_CAMS、XiangHe 3個AERONET站的L2.0級觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演結(jié)果的精度驗證.站點(diǎn)信息列于表1.

表1　北京AERONET站點(diǎn)信息Tab.1　Information from AERONET station in Beijing

由于AERONET提供的數(shù)據(jù)里面沒有550，nm 的AOD，故根據(jù)Eck等［10］發(fā)現(xiàn)的AOD的自然對數(shù)與波長的自然對數(shù)存在的二次項擬合關(guān)系（式（1）），利用AERONET提供的其中4個波段，通過Matlab插值獲得550，nm的AOD數(shù)據(jù).

式中：τa（ λ）為所求波段的AOD值；τ為波段值；a、b、c為待求參數(shù).

2　反演原理

衛(wèi)星遙感反演大氣氣溶膠是基于衛(wèi)星探測到的大氣上界表觀反射率ρ*所計算的，可表達(dá)為

式中：L為衛(wèi)星探測到的輻亮度，W/m3；Es為大氣上界的輻射通量，W；μs=cosθs，θs為太陽天頂角.

ρ*與地表雙向反射率ρt的關(guān)系可表示為

式中：θv為傳感器天頂角；?s為太陽方位角；?v為傳感器方位角；φs- φv為相對方位角；ρa(bǔ)為路徑程輻射，J；S為大氣后向散射比；Τ（ θs）為總的大氣透射率；Τ（ θv）為地表反射率為零時歸一化后總的向下輻射通量，等價于總的向下透過率.

在單次散射近似中，程輻射與氣溶膠光學(xué)厚度τa（ λ）、氣溶膠散射相函數(shù)Ρa（ θs， θvφv）和單次散射反射率ω0成比例.

將式（4）代入式（3）中，可得

由式（5）可以知道衛(wèi)星探測的表觀反射率既是地表反射率ρa(bǔ)（ θs， θv， φs- φv），又是氣溶膠光學(xué)厚度τa（ λ）的函數(shù).表觀反射率、太陽和傳感器的幾何參數(shù)可以由衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得.若已知地表的反射率，單次散射反射率ω0及氣溶膠散射相函數(shù)Ρa（ θs， θv， φs- φv）參數(shù)有關(guān)的氣溶膠模型，則可以反演獲氣溶膠光學(xué)厚度.

3　反演步驟

根據(jù)Kaufman等［11］發(fā)現(xiàn)的在植被密集處地表具有較低反射率，且近紅外通道反射率和紅藍(lán)通道反射率具有較好的線性相關(guān)的結(jié)論，選用MODIS數(shù)據(jù)的藍(lán)波段（0.47，μm）、紅波段（0.65，μm）和近紅外波段（2.13～3.8，μm），結(jié)合暗像元法、6S大氣傳輸模型，利用IDL、ENVI5.0、Matlab2014a、ArcGIS10.0等工具，最終反演獲得北京地區(qū)夏季550，nm氣溶膠光學(xué)厚度.

步驟一：據(jù)DN值轉(zhuǎn)換得到亮溫和反射率.

步驟二：對圖像進(jìn)行幾何校正.

步驟三：去云處理.本文采用的云檢測算法為多光譜綜合去云法［12］.該算法從可見光反射率、紅外波段亮溫值以及亮溫差等方面綜合考慮，逐步建立一個云檢測掩膜.選取MODIS的B1、B6、B8、B26、B29、B31波段，通過判斷這6個波段及波段的組合，進(jìn)行云的檢測與判斷，生成云掩膜去除圖像中的云.

步驟四：生成大氣頂表觀反射率查找表.通過建立查找表可以確定大氣參數(shù)，結(jié)合暗像元法獲得的地表反射率，可以得到理論上大氣上界的表觀反射率，若與衛(wèi)星上傳感器實(shí)際收到的表觀反射率相同或相近時，則此時的對應(yīng)大氣參數(shù)下的氣溶膠光學(xué)厚度值即為實(shí)際氣溶膠光學(xué)厚度.所以查找表中大氣模式和氣溶膠類型的確定，對反演結(jié)果的影響非常大.

根據(jù)國際氣象與大氣物理學(xué)會關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)大氣輻射中氣溶膠類型的定義，對流層是由水溶性、沙塵性、海洋性、煤煙性 4 種基本氣溶膠組分組成，同時根據(jù) 4種組分體積分?jǐn)?shù)的不同，定義了大陸型、城市型及海洋型3 種氣溶膠類型.其各個組分的體積分?jǐn)?shù)見表2［13］.

表2　大陸型、海洋型、城市型3種氣溶膠模型4種粒子的體積分?jǐn)?shù)Tab.2　Volume percentages of the four basic aerosol particles with continental，marine and urban aerosol model

許多學(xué)者在研究北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度時，假設(shè)氣溶膠模型為大陸型，這種處理主要考慮到西北的沙塵對北京的影響，但忽略了夏季北京盛行東南風(fēng).故，渤海的海洋性粒子對北京的影響并不可忽略.因此，本文分別生成了大陸型、海洋型、城市型3套查找表.根據(jù)劉燦［14］所進(jìn)行的表觀反射率、氣溶膠光學(xué)厚度對太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角、相對方位角的敏感性試驗可知，當(dāng)太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角小于60°時，衛(wèi)星表觀反射率與氣溶膠光學(xué)厚度值可近似看成線性相關(guān)，而氣溶膠光學(xué)厚度對相對方位角不敏感，可適當(dāng)增加相對方位角的步長.具體的輸入?yún)?shù)：氣溶膠光學(xué)厚度為0.01～2.0，步長為0.01；太陽天頂角為0°、7°、12°、18°、30°、45°、60°；衛(wèi)星天頂角為0°、7°、12°、18°、30°、45°、60°；相對方位角為0°～180°，步長為24°；大氣模式為中緯度夏季；氣溶膠模型為iaer=1、2、3，分別代表大陸型、海洋型、城市型.

步驟五：獲取暗像元掩膜及氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果.

近紅外通道反射率和紅藍(lán)通道反射率具有較好的線性相關(guān)，且短波紅外對氣溶膠的影響相對于可見光可忽略不計［14］，由此可以從短波紅外波段的表觀反射率獲得紅光和藍(lán)光波段的地表反射率.

通過式（6）可獲得紅、藍(lán)波段的地表反射率，若假定一種大氣氣溶膠模型，就可以通過衛(wèi)星傳感器觀測到的表觀反射率反演獲得氣溶膠光學(xué)厚度.反演過程為，先從遙感圖像中讀取角度數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)，然后用濃密植被法（暗像元法）判斷暗像元，得到暗像元區(qū)域掩膜文件，進(jìn)行掩膜，并根據(jù)得到的暗像元，裁剪科學(xué)數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù).最后，根據(jù)暗像元區(qū)域的表觀反射率與地表真實(shí)反射率相等原理，求得紅藍(lán)波段的地表真實(shí)反射率.取出同一行列號對應(yīng)的地表表觀反射率和真實(shí)反射率，循環(huán)查找大氣頂表觀反射率查找表，將衛(wèi)星接收到的表觀反射率同查找表中的參數(shù)進(jìn)行對比，若與查找表中的參數(shù)相同，則對應(yīng)查找表中的氣溶膠光學(xué)厚度即為反演所得值.

4　結(jié)果驗證與分析

通過IDL程序，反演得到2014年7月、8月北京地區(qū)33，d的氣溶膠光學(xué)厚度.選取Terra-MODIS過境時刻（國際標(biāo)準(zhǔn)時間02：05—03：50 即北京時間10：05—11：50）由AERONET數(shù)據(jù)通過式（1）換算所得550，nm AOD值進(jìn)行驗證.由于AERONET的實(shí)測時刻與MODIS衛(wèi)星過境時刻存在一定的時差，所以要對數(shù)據(jù)進(jìn)行時空匹配［9］.衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)選取以AERONET站點(diǎn)為中心，5×5格點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，地面站點(diǎn)的數(shù)據(jù)選取最為接近衛(wèi)星過境時刻的數(shù)據(jù)作為驗證的數(shù)據(jù).將AERONET站點(diǎn)33，d的AOD數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，與MODIS反演的33，d AOD數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對比，結(jié)果見表3.

表3　AERONET平均值與反演平均值對比Tab.3　Average values of AERONET and MODIS

由表3可知：海洋型與大陸型的反演結(jié)果的相對誤差較小，其值更接近于真值，而城市型的反演結(jié)果與兩者相差較大，偏離真值的程度非常大.并且可以發(fā)現(xiàn)，海洋型、大陸型、城市型其反演的氣溶膠光學(xué)厚度值及反演結(jié)果與真值的相對誤差依次增大，這是因為海洋型氣溶膠模式中海洋性粒子占95%，而海洋性粒子半徑很大，散射能力主要集中在前向，故衛(wèi)星接收的后向散射量小，反演的值也低.而城市型氣溶膠模式中，以細(xì)粒的水溶性和煤煙粒子為主，其后向散射強(qiáng)，故城市型的反演值存在明顯的高估.在大陸型氣溶膠模型中沙塵性粒子占70%，而水溶性等粒子占有30%，所以其反演值介于海洋型和城市型之間.另外，對比3個站點(diǎn)的相對誤差可以發(fā)現(xiàn)，香河站的反演結(jié)果的相對誤差小于Beijing、Beijing_CAMS兩站點(diǎn)，這是因為香河站位于市郊，植被較為濃密，而北京站位于北京市區(qū)內(nèi)北三環(huán)路和北四環(huán)路之間，植被覆蓋率低于香河，地表反射率大，一定程度上不符合暗像元的條件，所以反演所得的氣溶膠光學(xué)厚度值存在高估.

將海洋型、大陸型、城市型3種氣溶膠模型反演的結(jié)果與AERONET的3個站點(diǎn)共60個數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性擬合，并計算其均方根誤差，其結(jié)果見表4.大陸型、海洋型氣溶膠模式與AERONET擬合曲線如圖1所示，海洋型AOD分布圖如圖2所示.

表4　AERONET實(shí)測數(shù)據(jù)與反演結(jié)果一元線性擬合結(jié)果Tab.4　Fitting curves of AERONET and MODIS

圖1　 大陸型、海洋型AOD反演結(jié)果與AEROENT數(shù)據(jù)線性擬合Fig.1　Fitting curves of the retrieval data of AOD based on continental and marine LUT and AERONET

圖2　 2014年7月27日 11：50，550，nm 海洋型AOD分布圖Fig.2　Distribution of AOD based on ocean LUT in550，nm at 11：50，am on July 27，2014

海洋型氣溶膠模式下反演的氣溶膠光學(xué)厚度與AERONET網(wǎng)提供的地基數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)最高達(dá)到0.806，6，均方根誤差最小達(dá)到0.289，7，其擬合曲線的表達(dá)式為τMODIS=0.9045τAERONET+0.2401，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［15］的研究結(jié)果相近.Levy等［16］認(rèn)為在550，nm 處，MODIS AERONET 的回歸方程近似于τMODIS=0.9τAERONET+0.1 .結(jié)果說明，夏季北京地區(qū)海洋型氣溶膠模型所反演的結(jié)果較大陸型、城市型的好.這一結(jié)果與馬?等［13］、金健等［17］的結(jié)果相符.這是因為夏季北京地區(qū)受局部地區(qū)風(fēng)的影響，盛行的東南風(fēng)有利于東南部的渤海所帶來的海洋性粒子擴(kuò)散，其影響不可忽略.另外，夏季北京地區(qū)多雨水，相對濕度大，其水溶性粒子體積分?jǐn)?shù)增多，沙塵粒子體積分?jǐn)?shù)少，故大陸型氣溶膠模型的反演結(jié)果受到影響，反演值存在高估.但這種影響并不是長期的，而是受短暫天氣現(xiàn)象所影響.馬?等［13］利用實(shí)測的氣溶膠光學(xué)厚度分析了北京地區(qū)氣溶膠模型對大氣校正的影響，提出了北京地區(qū)在污染的天氣應(yīng)用大陸型反演，而晴朗的天氣下用海洋型氣溶膠模型更好.根據(jù)中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測平臺提供的天氣數(shù)據(jù)，分別提取出2014年7月和8月北京霧霾天與晴天AERONET所測的氣溶膠光學(xué)厚度，并分別與MODIS反演所得氣溶膠進(jìn)行一元線性擬合，結(jié)果與馬?等［13］的結(jié)果一致（見表5）.

表5　晴天和霧霾天海洋型、大陸型相關(guān)性對比Tab.5　Relativity of marine model and continental model on clear days and fog/haze days

5　結(jié) 語

從驗證分析結(jié)果來看，北京地區(qū)夏季氣溶膠光學(xué)厚度反演選擇海洋型氣溶膠模型更為準(zhǔn)確.若研究夏季某天的情況則可根據(jù)當(dāng)天當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r合理地選擇海洋型或大陸型氣溶膠模型進(jìn)行反演.對于北京地區(qū)利用6S模型生成查找表的氣溶膠光學(xué)厚度的反演，若只考慮使用大陸型氣溶膠模型，必定會造成一定的誤差.本文采用業(yè)務(wù)化的暗像元法對北京地區(qū)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度的反演，該方法簡單實(shí)用、其精度也能滿足一般遙感應(yīng)用的需求，其反演結(jié)果對于渤海周邊城市的氣溶膠光學(xué)厚度的反演具有一定的普遍性，對渤海周邊城市范圍氣溶膠光學(xué)厚度的反演意義重大.

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責(zé)任編輯：周建軍

Retrieval of Aerosol Optical Depth over the Urban Area of Beijing in Summer

ZHENG Xiaoshen1，DENG Lin1，GAO Fei2

（1.Tianjin Key Laboratory of Marine Resource and Chemistry，College of Marine and Environmental Sciences，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China；2.School of Geography & Remote Sensing，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China）

Abstract：The applicability of three kinds of atmospheric aerosol models to Beijing aerosol optical depth（i.e，AOD）inversion in summer was studied and compared based on 6S model.Firstly，the Terra-MODIS L1B data in summer were downloaded，whose spatial resolution was 1，km，and then three look-up tables（LUT）were created based on continental，marine and urban standardization aerosol models and the AOD values of Beijing in summer was retrieved using dense dark vegetation algorithm.After that，the accuracy of the retrieved results was verified against the real land AOD data from AERONET.The results showed that the AOD inversion results of marine model and continental aerosol model have the high relativity with AERONET data，and the correlation coefficient is 0.806，6 and 0.766，4，respectively.There were obvious differences between the AOD inversion results of urban model and AERONET data；the correlation coefficient was only 0.482，5.The retrieved AOD results during clear days and haze/fog days were compared with AERONET data，which showed that it was more accurate to retrieve the AOD using the marine model on clear summer days over the urban area of Beijing.

Key words：aerosol optical depth；MODIS；6S；summer in Beijing

中圖分類號：X823

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-6510（2016）02-0051-06

收稿日期：2015-06-23；修回日期：2015-11-12

基金項目：天津市自然科學(xué)基金資助項目（14JCYBJC22500）

作者簡介：鄭小慎（1973—），女，河北獻(xiàn)縣人，教授，zxs@tust.edu.cn.

DOI:10.13364/j.issn.1672-6510.20150081