黑河流域MODIS氣溶膠產(chǎn)品時空對比分析

宋曉春，劉興科，孫瑋婕

(1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；4.河南大學(xué)，河南 鄭州 330029)

大氣氣溶膠是氣候變化的重要影響因子，其作用主要是吸收和散射太陽輻射或者在云微處理過程中發(fā)揮作用影響地氣系統(tǒng)的輻射收支平衡[1]。目前氣溶膠研究主要是通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測和地基觀測。衛(wèi)星遙感監(jiān)測提供了全球范圍內(nèi)的氣溶膠信息，但是利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演氣溶膠時，由于受到地表發(fā)照率和氣溶膠反演模型等因素的影響，使得獲取的氣溶膠信息必須依靠地基觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校正[2]。搭載MODIS傳感器的Terra和Aqua衛(wèi)星的發(fā)射升空使得利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)的質(zhì)量有所提高，衛(wèi)星遙感監(jiān)測氣溶膠也有了一定的進(jìn)展[3]。氣溶膠的光學(xué)厚度(AOD)是用來描述氣溶膠的消光性的光學(xué)參數(shù)，表征大氣氣溶膠物理特性和推算大氣氣溶膠的含量[4]。目前，國際上用得比較多的反演氣溶膠的方法主要有單通道反射率法、多通道反射率法、暗目標(biāo)法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法、協(xié)同反演法、海陸對比法、多角度成像偏振反演、熱輻射對比法、紫外方法等[5-9]。MODIS反演氣溶膠的光學(xué)厚度主要是深藍(lán)算法、暗目標(biāo)法及深藍(lán)和暗目標(biāo)法相結(jié)合的算法等方法。

驗(yàn)證MODIS氣溶膠產(chǎn)品精度的方法比較多，文獻(xiàn)[4]在MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)一文中的檢驗(yàn)樣本匹配的規(guī)則是以衛(wèi)星過境前后30 min地基觀測時間平均值匹配地基站點(diǎn)位置方圓10 km范圍內(nèi)的MODIS衛(wèi)星反演結(jié)果空間平均值[10]。這也是當(dāng)前用得比較多的MODIS數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證方法。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黑河是我國三大內(nèi)陸河之一，發(fā)源于祁連山，位于河西走廊中部，流經(jīng)內(nèi)蒙古、青海、甘肅，海拔范圍為875—5519 km。北與蒙古接壤，西以黑山與疏勒河為界，東至石羊河水系西大河的源頭。該流域處于西北干旱區(qū)，氣候類型屬于非常典型的大陸性干旱氣候，該氣候的顯著特點(diǎn)是夏季氣候十分干燥，冬季氣候又冷又干燥，降水相對集中又很少，日照時間相對充足，晝夜溫差較大，而且黑河流域內(nèi)的東西北氣候差異性很大。其南部為祁連山區(qū)，該地區(qū)的蒸發(fā)相對較弱，降水量充沛；中部地區(qū)為河西走廊一帶，這一帶的氣候比較干燥，降水量相對較少。其下游為額濟(jì)納平原，該平原地處內(nèi)陸腹地，降水相對較少但蒸發(fā)量很強(qiáng)烈，風(fēng)較大，而且地形在垂直高度上變化非常大，地形起伏比較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品

從2000年4月開始，MODIS正式向全球免費(fèi)發(fā)布數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中M0D04/MYD04每日數(shù)據(jù)為大氣2級氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，MOD08/MYD0月數(shù)據(jù)為大氣3級合成的每月氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。NASA最初發(fā)布的MODIS氣溶膠品為C002版本，后來經(jīng)過多次版本更新，目前最新的版本為C006版本[11]。本次研究用的MODIS氣溶膠產(chǎn)品為C006版本。

從NASA官網(wǎng)下載2007—2016年的MODIS氣溶膠2級每日數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行研究。

1.2.2 氣溶膠光學(xué)厚度地基觀測數(shù)據(jù)

黑河流域2012年的氣溶膠光學(xué)厚度地基觀測數(shù)據(jù)來自黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER),是從西部數(shù)據(jù)中心申請得到的。本次研究使用到的數(shù)據(jù)詳細(xì)情況見表1。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)來源說明

2 數(shù)據(jù)處理和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

2.1.1 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品處理

從NASA官網(wǎng)下載的覆蓋黑河流域的MOD04和MYD04的C006版本為10 km×10 km分辨率的Aqua和Terra衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度每日數(shù)據(jù)產(chǎn)品。先對MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品進(jìn)行幾何校正，再對其進(jìn)行重投影操作。同時，導(dǎo)出暗像元法和深藍(lán)算法融合550 nm處的氣溶膠的光學(xué)厚度。由于MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與西部數(shù)據(jù)中心申請獲得的地基觀測數(shù)據(jù)的時間是不一致的，因此需要對MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品數(shù)據(jù)的時間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得當(dāng)?shù)貢r間的MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)，方便與黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)的地基觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時空匹配分析[12-13]。

2.1.2 氣溶膠地基觀測數(shù)據(jù)的處理

黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)觀測得到的氣溶膠光學(xué)厚度地基觀測數(shù)據(jù)作為真值驗(yàn)證MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品的精度。由于黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)的地基觀測數(shù)據(jù)沒有550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚度值，為了與MODIS數(shù)據(jù)反演得到的550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚度值進(jìn)行匹配，需要對黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)觀測得到的地基觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，得到550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚度的地基觀測數(shù)據(jù)。

利用 Angstrom給出的氣溶膠光學(xué)厚度與波長之間的關(guān)系式(1)對氣溶膠光學(xué)厚度地基觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚度[14]。

τα(λ)=βλ-α

(1)

式中，τα(λ)為波長為λ的氣溶膠光學(xué)厚度；β為Angstrom渾濁度系數(shù)，與氣溶膠粒子指數(shù)、粒子譜分布和折射指數(shù)有關(guān)；α為Angstrom波長指數(shù)，與氣溶膠的平均半徑有關(guān)，取值為[0,4]，氣溶膠粒子越大，α值越大。由于在沒有水汽影響的波段上,氣溶膠粒子的譜分布滿足Junge分布,氣溶膠光學(xué)厚度跟波長之間滿足Angstrom關(guān)系式，故

τ∝(670)=β(670)-α

(2)

τ∝τ∝(500)=β(500)-α

(3)

式(2)和式(3)兩式聯(lián)立，得

(4)

550 nm波段處的AOD值可由下式求得

(5)

2.2 研究方法

2.2.1 MODIS氣溶膠產(chǎn)品精度驗(yàn)證

本次研究采用Terra衛(wèi)星和Aqua衛(wèi)星獲取的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于MODIS傳感器和黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)觀測的尺度在時間上和空間上均不相同[15]，因此需要對MODIS數(shù)據(jù)和黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)觀測的地基觀測數(shù)據(jù)在時間上和空間上進(jìn)行一定的處理，才能相互匹配，進(jìn)行驗(yàn)證分析。MODIS氣溶膠產(chǎn)品的驗(yàn)證方法為MODIS數(shù)據(jù)以觀測站點(diǎn)為中心，周圍10 km范圍內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度值進(jìn)行空間上平均，而對于觀測站點(diǎn)的地基觀測數(shù)據(jù)以衛(wèi)星過境前后10 min內(nèi)的地基觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時間上的平均，然后將該平均值作為衛(wèi)星過境時該觀測站點(diǎn)的地基觀測數(shù)據(jù)，再將這兩組數(shù)據(jù)利用回歸分析等方法驗(yàn)證MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品精度。

2.2.2 MODIS氣溶膠產(chǎn)品精度驗(yàn)證結(jié)果

黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)提供的AOD地基觀測數(shù)據(jù)是在研究區(qū)內(nèi)的五星村(100.363 9E，38.855 172 22N)架設(shè)觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測，獲得的觀測時間段為2012年6月01日至2012年9月19日，上午星Terra的AOD值和HiWATER觀測得到的五星村AOD值構(gòu)成的驗(yàn)證數(shù)據(jù)對共計(jì)47對，下午星Aqua的AOD值與HiWATER觀測得到的五星村AOD構(gòu)成的驗(yàn)證數(shù)據(jù)對也是47個。兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，散點(diǎn)圖如圖1所示。

圖1 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度和地基觀測數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖

圖1中以黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)提供的地基觀測數(shù)據(jù)550 nm波段處的AOD值作為散點(diǎn)圖的橫坐標(biāo)，以MODIS反演的氣溶膠光學(xué)厚度AOD值作為散點(diǎn)圖的縱坐標(biāo)(無單位)。MODIS陸地上空氣溶膠光學(xué)厚度AOD產(chǎn)品的期望誤差范圍由NASA定義(τ=±0.05±0.15τWiWATER)[5]。本次研究也采用該方法計(jì)算MODIS陸地上空氣溶膠光學(xué)厚度AOD的期望誤差。對觀測站點(diǎn)的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品是否在期望誤差范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)90%以上的數(shù)據(jù)都在期望誤差范圍內(nèi)。

C006版本550 nm波段處氣溶膠光學(xué)厚度AOD值的擬合方程式分別是：y=1.003 1x-0.002 7和y=1.007 9x-0.000 4。通過精度驗(yàn)證分析可知，MODIS氣溶膠產(chǎn)品的光學(xué)厚度與黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)550 nm波段處AOD地基觀測數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果非常好。因此，MODIS反演得到的氣溶膠產(chǎn)品的光學(xué)厚度的精度比較高，可信度高，適用性廣。

氣溶膠產(chǎn)品的誤差來源主要包括以下4個方面，一是觀測數(shù)據(jù)，二是用于反演的MODIS視場殘留云的影響，三是地表反射率估計(jì)誤差，四是氣溶膠模式設(shè)定誤差[16-20]。本次研究中的誤差來源還有可能是黑河流域地區(qū)有云覆蓋的時間較多，造成數(shù)據(jù)中的無效值比較多，這對于MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品的精度驗(yàn)證有一定的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 2008年MODIS氣溶膠光學(xué)厚度時空變化對比分析

選取研究區(qū)質(zhì)量較好的2008年上午星Terra和下午星Aqua的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度日產(chǎn)品數(shù)據(jù)對比分析黑河流域地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度上午和下午的變化情況，如圖2所示，其中圖2(a)、(c)、(e)是用上午星Terrra的數(shù)據(jù)做的研究區(qū)上午的氣溶膠光學(xué)厚度分布圖，圖2(b)、(d)、(f)則是同一天對應(yīng)的用下午星Aqua的數(shù)據(jù)做的研究區(qū)下午的氣溶膠光學(xué)厚度分布圖。

圖2 2008年黑河流域氣溶膠光學(xué)厚度AOD分布

通過分析2008年第154天(6月12日)、161天(6月19日)和168天(6月26日)的上午星Terra與下午星Aqua的氣溶膠光學(xué)厚度的最低值、最高值及上午星Terra與下午星Aqua的AOD的差值及分布情況發(fā)現(xiàn)，總體而言，研究區(qū)的AOD值中下游地區(qū)比上游地區(qū)高，高值基本都集中在中下游地區(qū)，下午星Aqua的AOD最低值比上午星Terra高。由于上游地區(qū)的空值比較多，因此對研究結(jié)果的客觀性有一定的影響。此外，研究區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度時空分布還受衛(wèi)星拍攝時當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r和空氣質(zhì)量的影響。

3.2 2012年MODIS氣溶膠光學(xué)厚度時空變化對比分析

從2012年的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)中選取質(zhì)量比較好、空值相對較少的影像分析黑河流域的氣溶膠光學(xué)厚度時空變化分布特征(如圖3所示)。圖3(a)為2012年第44天，即2月13日的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度分布，AOD的最高值為0.414，最低值為0.023，高值分布在下游地區(qū)額濟(jì)納旗和肅北蒙古族自治縣境內(nèi)，中上游地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度處于低值和中間值。而在第二季度的第115天，中上游地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值相對于第一季度的第44天明顯提高了很多，并且最高值由0.414增加至1.348，最低值也由0.023增加至0.034。下游額濟(jì)納旗和肅北蒙古族自治縣地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值相對于第44天降低了。第三季度的第261天氣溶膠光學(xué)厚度的范圍是[0.029,0.354],與前兩個季度的氣溶膠光學(xué)厚度相比，該天氣溶膠光學(xué)厚度比較低且高值分布也比較均勻。第四季度的第323天氣溶膠光學(xué)厚度最高值為0.28，最低值僅為0.02，相比前3個季度低了很多，該天西部地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值比東部地區(qū)高。

圖3 2012年黑河流域氣溶膠光學(xué)厚度AOD分布

4 結(jié) 論

550 nm處的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的精度較高，具有一定的可信度，并且擁有比較顯著的適用性，因此可以用來研究大范圍的MODIS氣溶膠的時空分布變化特征，以及結(jié)合PM2.5和PM10.0等反映氣候變化效應(yīng)的因子分析研究區(qū)的氣候變化特征，同時也可以分析研究氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5和PM10.0等的關(guān)系。

本文研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)下午的氣溶膠光學(xué)厚度值比上午的高，并且中下游氣溶膠光學(xué)厚度值比上游地區(qū)較高。夏季的氣溶膠光學(xué)厚度比其他季節(jié)的氣溶膠光學(xué)厚度值高，春季氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)域集中分布在下游地區(qū)，夏季的高值區(qū)域分布在上游區(qū)域，秋季的高值區(qū)域分布比較均勻，冬季的高值則主要分布在西部地區(qū)。