MODIS 北極氣溶膠光學(xué)厚度的精度驗(yàn)證與分布特征研究

楊艷麗 常亮,2,3

(1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;2 自然資源部第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012;3 自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國極地研究中心,上海 200136)

0 引言

北極是北半球氣候系統(tǒng)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)之一,是地球上的氣候敏感地區(qū),也是多個(gè)國際科學(xué)計(jì)劃研究全球氣候變化的關(guān)鍵地區(qū)[1]。21 世紀(jì)以來,北極增暖的趨勢是全球平均水平的2 倍,北冰洋海冰覆蓋面積快速減少,格陵蘭島上的冰層在夏季出現(xiàn)了大面積的融化現(xiàn)象,極地永久凍土出現(xiàn)融化現(xiàn)象,以上的種種現(xiàn)象都與全球氣候息息相關(guān)[2-3]。研究發(fā)現(xiàn),北極溫度升高與大氣氣溶膠引起的輻射強(qiáng)迫變化有極大的關(guān)聯(lián)[4]。北極地區(qū)降水較少,氣溶膠在北極的生命期長,對(duì)北極氣溫影響大;隨著北極增暖,經(jīng)暖化的冰雪即使含有極少量的黑碳?xì)馊苣z都能產(chǎn)生更大的增暖效應(yīng)[5]。北極地區(qū)的云多為薄云,氣溶膠通過改變北極云的微物理特征,能夠造成堪比溫室氣體加倍的冬春季節(jié)增暖效應(yīng),是溫室氣體以外北極快速增暖的一個(gè)重要貢獻(xiàn)因子[6]。大氣氣溶膠是懸浮在大氣中固體、液體和氣體中的顆?？偡Q,粒徑大小為0.001～100 μm,主要有沙塵氣溶膠、海鹽氣溶膠、含碳?xì)馊苣z和硫酸鹽氣溶膠等類型[7]。氣溶膠質(zhì)量雖僅占整個(gè)大氣質(zhì)量的十億分之一,但是對(duì)全球氣候變化具有顯著影響[8-9]。一方面,大氣氣溶膠可以通過散射、吸收和反射太陽短波輻射和大氣長波輻射直接影響地球輻射平衡,進(jìn)而對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生影響;另一方面,氣溶膠粒子作為云凝結(jié)核,參與云的形成、演化和消散過程,改變?cè)频未笮?、云體壽命及其光學(xué)特性,從而間接影響全球氣候[10]。氣溶膠的輻射效應(yīng)主要依賴于其光學(xué)特性的變化,然而氣溶膠在時(shí)空上的劇烈變化,使得對(duì)氣溶膠輻射效應(yīng)的評(píng)估還存在很大的不確定性[11]。因此,準(zhǔn)確估計(jì)北極地區(qū)氣溶膠的光學(xué)特性,對(duì)進(jìn)一步揭示北極氣候變化機(jī)理具有重要意義。

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)是大氣氣溶膠光學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)之一,可反映整層大氣氣溶膠的消光作用,并被用于評(píng)估空氣污染程度。同時(shí),AOD 反映了大氣柱中氣溶膠的含量以及氣溶膠對(duì)地氣系統(tǒng)輻射平衡的影響[12]。目前,獲取AOD 主要有地面遙感觀測和衛(wèi)星遙感兩種手段。其中,地面觀測是高精度獲取AOD 的傳統(tǒng)手段[13]。Rahul 等[14]利用地面觀測數(shù)據(jù)分析了北極2011 年6 月和7 月期間的AOD變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)北極夏季AOD 都超過了0.1,且其粒度分布結(jié)合后向軌跡模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT)與美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析資料的風(fēng)場分析表明,這是從北極周圍的陸地遠(yuǎn)距離輸送的結(jié)果。但是,地面觀測成本高,北極站點(diǎn)分布稀疏,使得其估計(jì)的AOD 空間分辨率較差,難以反映整個(gè)北極地區(qū)的氣溶膠光學(xué)特性。衛(wèi)星遙感因其覆蓋范圍廣、觀測連續(xù)、空間分辨率高,近幾十年來已被廣泛用于北極地區(qū)氣溶膠光學(xué)參數(shù)的反演。田彪[15]基于MODIS 反演的AOD 與AirFire 北極傳輸潛力模型,研究了俄羅斯西西伯利亞地區(qū)的火點(diǎn)燃燒釋放污染氣團(tuán)對(duì)北冰洋上空黑碳?xì)馊苣z濃度的影響特點(diǎn)。Mei 等[16]提出一種基于先驗(yàn)知識(shí)的協(xié)同方法,該方法使用MODIS 數(shù)據(jù)反演了北極的AOD,結(jié)果顯示利用MODIS 反演的AOD 與6 個(gè)高緯度的地面觀測站數(shù)據(jù)比較,相關(guān)系數(shù)為 0.8,相對(duì)誤差在10%～20%之間,這表明該方法在反演北極上空的AOD 方面具有潛力。張賽英等[17]分析了北極巴倫支海地區(qū)在2003—2009 年的MODIS AOD 和覆冰分布之間的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該海域AOD 春天高、夏天低、秋天稍有回升,且與覆冰之間的耦合關(guān)系存在一個(gè)滯后的關(guān)系,覆冰厚度的峰值平均會(huì)比AOD的峰值提前一個(gè)月。Glantz 等[18]對(duì)比了2003—2015年期間4—9 月MODIS C5.1 和C6.1 AOD 產(chǎn)品在北歐地區(qū)的適用性,指出MODIS C6.1 AOD 產(chǎn)品在北歐地區(qū)的適用性較好,兩種產(chǎn)品在海岸線和島嶼之間區(qū)域反演效果較差。

目前,最新發(fā)布的MODIS C6.1 版本提供了10 km和3 km 兩種不同空間分辨率的AOD 產(chǎn)品[19]。為了進(jìn)一步評(píng)估兩種AOD 產(chǎn)品在北極地區(qū)的反演精度,本文利用2000 年3 月—2018 年10 月的MODIS C6.1的10 km 和3 km AOD 產(chǎn)品對(duì)北極地區(qū)AOD 的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了分析,并與時(shí)空匹配的地基AOD觀測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 MODIS AOD 產(chǎn)品

MODIS 是由美國國家宇航局(NASA)的地球觀測系統(tǒng)EOS(Earth Observation System)計(jì)劃中發(fā)起的Terra 和Aqua 衛(wèi)星上搭載的一個(gè)重要的傳感器。從 NASA 網(wǎng)站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search.html)可以免費(fèi)下載到Terra 和Aqua 衛(wèi)星的MODIS AOD 產(chǎn)品。Terra 和Aqua 這兩個(gè)衛(wèi)星相互配合,每1–2 天可覆蓋全球1 次。MODIS 傳感器具有36 個(gè)離散光譜段,視場寬度為2330 km,光譜范圍為0.41～14.5 μm,這些功能可以有效地反演陸地和海洋上的AOD[20]。MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品總共分為5 級(jí),應(yīng)用于氣溶膠研究較為廣泛的是Level 2.0 AOD 產(chǎn)品。

最新C6.1 版本的MODIS 氣溶膠產(chǎn)品提供了用于反演陸地和海洋上的氣溶膠特性的精確算法,包括標(biāo)準(zhǔn)的10 km 和3 km 氣溶膠產(chǎn)品。3 km 與10 km的產(chǎn)品在地表反射率的設(shè)定以及數(shù)據(jù)反演流程上沒有太大的差別,但是兩種數(shù)據(jù)在像元的組織和篩選上有一些不同。10 km 和3 km 的數(shù)據(jù)均不能反演有云覆蓋像素的AOD,但分辨率更高的3 km 數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)云區(qū)邊界具有更細(xì)致的分辨能力,使得3 km 數(shù)據(jù)產(chǎn)品更能體現(xiàn)云區(qū)附近的氣溶膠光學(xué)特性。本文主要使用了Terra MODIS C6.1 的2000 年3 月—2018年10 月氣溶膠數(shù)據(jù)Level 2.0 科學(xué)數(shù)據(jù)集“Optical_Depth_Land_And_Ocean”開展分析和研究。該科學(xué)數(shù)據(jù)集應(yīng)用MODIS 氣溶膠暗像元算法生產(chǎn)了10 km和3 km 兩種不同分辨率的獨(dú)立產(chǎn)品。

1.2 AERONET

本文使用的地基觀測資料來自 AERONET(Aerosol Robot Network,https://aeronet.gsfc.nasa.gov/)。AERONET 是一個(gè)地基氣溶膠觀測網(wǎng)絡(luò),與世界上的其他氣溶膠觀測網(wǎng)絡(luò)如法國氣溶膠網(wǎng)絡(luò)(PHOTONS)和一些研究所機(jī)構(gòu)組成了一個(gè)觀測聯(lián)盟。AERONET 用CE-318 太陽光度計(jì)測量太陽直接輻射中各個(gè)光譜段的輻射強(qiáng)度,計(jì)算大氣柱中氣溶膠的光學(xué)厚度,每隔15 min 或更短時(shí)間記錄各種測量值,且不確定度較低。AERONET 為所有站點(diǎn)提供高精度、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理和公開信息,其氣溶膠觀測數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于不同衛(wèi)星傳感器的AOD 產(chǎn)品的驗(yàn)證。AERONET 提供了Level 1.0、1.5和2.0 三個(gè)等級(jí)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品:Level 1.0 沒有進(jìn)行云過濾和質(zhì)量檢驗(yàn);Level 1.5 做了濾云處理但沒有進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)證;Level 2.0 是經(jīng)過嚴(yán)格濾云處理和人工驗(yàn)證、有質(zhì)量保證的高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。為了研究北極地區(qū)AOD 的時(shí)空分布變化特征,我們?cè)诒睒O的33個(gè)地基觀測點(diǎn)中篩選了AERONET 中觀測記錄較長的16 個(gè)站點(diǎn)開展進(jìn)一步的研究(圖1),并基于2000年3 月—2018 年10 月Level 2.0 AOD 觀測數(shù)據(jù)開展后續(xù)分析。

圖1 北極地區(qū)AERONET 測站位置分布圖。藍(lán)色圓點(diǎn)表示本文研究選取的站點(diǎn),黑色圓點(diǎn)表示未納入本文分析的AERONET 站點(diǎn)Fig.1.The locations of AERONET ground-based stations in the Arctic region.Blue dots indicate the stations selected in this study,and black dots indicate the AERONET stations not included in this study

由于MODIS AOD 產(chǎn)品的通道為550 nm,而AERONET 僅提供了340、380、440、500、670、870 和1020 nm 通道的AOD。為了便于比較,需要將AERONET 測站已知通道上的AOD 插值到550 nm上去,一般可使用波長插值法和二次多項(xiàng)式插值法。考慮到二次多項(xiàng)式插值法比波長指數(shù)插值法得到的AOD 精度更高,更接近真實(shí)值[21],本文使用二次多項(xiàng)式插值法進(jìn)行AERONET AOD 的波段插值。利用二次多項(xiàng)式插值法獲取AERONET 550 nm 通道處的AOD 的方法為

式中,τθ表示λ通道處的AOD 值，?i(i=0,1,2)是未知系數(shù),可結(jié)合AERONET 其他已知通道的AOD 值采用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。本文在估計(jì)550 nm 通道處的AOD 時(shí),選取的已知通道為440、500 和675 nm通道。為了將MODIS AOD 值與AERONET 實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較,兩者在進(jìn)行時(shí)空匹配時(shí),設(shè)置的時(shí)間差和空間半徑分別為30 min 和0.5°。此外,為了定量評(píng)估MODIS AOD 值相對(duì)于AERONET 地面觀測的精度和不確定性,本文引入的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)主要包括相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient,R)、均方根誤差(Root-Square Error,RMSE)、相對(duì)平均偏差(Relative Mean Bias,RMB)和期望誤差(Expected Error,EE)。MODIS DT 算法給出的期望誤差[22]可表示為:

MODIS AOD 的精度驗(yàn)證結(jié)果在一定程度上取決于落在期望誤差范圍內(nèi)(Falling Within the Expected Error,F_W)的部分,參考Levy 等[23]的研究,如果超過66%的反演結(jié)果落在期望誤差范圍內(nèi),則MODIS AOD 產(chǎn)品可被視為在地區(qū)表現(xiàn)良好。由于在北極極夜(11 月至次年 2 月)期間,MODIS 和AERONET 均無法測量 AOD 數(shù)據(jù),因此本文沒有比較在極夜時(shí)間的AOD 結(jié)果。

2 基于AERONET 的北極地區(qū)MODIS AOD 的精度評(píng)估

圖2 給出了經(jīng)過時(shí)空匹配后,MODIS 10 km、3 km AOD 產(chǎn)品與北極16 個(gè)AERONET 測站估計(jì)的550 nm AOD 之間的散點(diǎn)圖。為了客觀評(píng)價(jià)MODIS AOD 產(chǎn)品的精度,本文剔除了MODIS 和AERONET AOD 之間的偏差大于3 倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)對(duì)。從圖2 可以看出,MODIS 10 km 和3 km AOD 與AERONET 估計(jì)值具有較強(qiáng)的相關(guān)性,其R值分別為0.840 和0.853,RMSE值均小于0.1,表明MODIS 兩種AOD 產(chǎn)品均能較好地描述北極大氣氣溶膠的光學(xué)厚度。但是,兩種MODIS AOD 產(chǎn)品的擬合直線斜率均大于1,均呈現(xiàn)較明顯的系統(tǒng)性偏差。從斜率(10 km:1.024;3 km:1.075)和截距(10 km:0.024;3 km:0.029)來看,兩者均傾向于高估氣溶膠負(fù)荷。

圖2 北極地區(qū)2000 年3 月—2018 年10 月MODIS 10 km 和3 km AOD 與AERONET AOD 的散點(diǎn)圖。紅實(shí)線表示擬合方程,黑實(shí)線表示y=xFig.2.Scatter plot of MODIS 10 km and 3 km AOD and AERONET AOD in Arctic from March 2000 to October 2018.Red solid line represents fitting equation,and black solid line represents the one-to-one line

為了進(jìn)一步分析兩種MODIS AOD 產(chǎn)品在北極不同地區(qū)的精度差異,圖3 給出了MODIS 10 km 和3 km AOD 產(chǎn)品與AERONET AOD 之間的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差、相對(duì)平均偏差和期望誤差范圍的空間分布。與AERONET估計(jì)結(jié)果相比,MODIS 10 km和3 km AOD 產(chǎn)品在北極東半球的R值最高,且RMSE值相對(duì)最低,說明MODIS 兩種產(chǎn)品在北極東半球適用性更高。除了Andenes 站點(diǎn)(見圖3 紅色正方形)外,北極東半球北歐的每個(gè)站點(diǎn)的R都大于0.8。Andenes 站點(diǎn)的R異常小,與Markowicz 等[24]在Andenes 站點(diǎn)的精度評(píng)估結(jié)果一致。在西半球地區(qū)MODIS 兩種產(chǎn)品的AOD 適用性相比東半球較差,但在北阿拉斯加地區(qū)表現(xiàn)較好,特別是ARM Oliktok AK 站點(diǎn)(見圖3 藍(lán)色正方形),相關(guān)系數(shù)R較高,RMSE較小,RMB接近1,但它的F_W稍低,沒有超過66%。在格陵蘭島的兩個(gè)站點(diǎn)Thule(見圖3 紅色三角形)和 Kangerlussuaq(見圖 3 黑色三角形),MODIS 10 km 產(chǎn)品的精度表現(xiàn)完全相反,兩種產(chǎn)品在Thule 表現(xiàn)較好,而在Kangerlussuaq 表現(xiàn)較差。MODIS 10 km 產(chǎn)品在北極西半球的誤差結(jié)果分布整體呈現(xiàn)緯度越高精度越高的趨勢,但3 km 產(chǎn)品沒有顯著規(guī)律?？偟膩碚f,兩種產(chǎn)品都更適用于北極東半球地區(qū),且在北極地區(qū),10 km 產(chǎn)品的適用性高于3 km,10 km 產(chǎn)品整體的R和F_W更高,RMSE和RMB也更小。

圖3 MODIS 10 km 和3 km AOD 產(chǎn)品在AERONET 地面測站的誤差統(tǒng)計(jì)分布Fig.3.Error statistical distribution of MODIS 10 km and 3 km AOD at AERONET ground-based stations

為了比較10 km 和3 km 的MODIS AOD 在北極地區(qū)的不同月份的精度,圖4 繪制了3—10 月兩種AOD 產(chǎn)品的逐月誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如圖4 所示,兩種MODIS AOD 產(chǎn)品的R在春季(3—5 月)至夏季(6—8 月)至秋季(9—10 月)均是先升高后降低的趨勢,10 km 的AOD 產(chǎn)品的相關(guān)性最高出現(xiàn)在5 月(為0.89),3 km 的AOD 產(chǎn)品的相關(guān)性最高出現(xiàn)在5月(為0.91),且5—8 月的相關(guān)性均高于0.8,9—10月的相關(guān)性介于0.49～0.55 之間。而兩種MODIS AOD 產(chǎn)品的RMSE在春季至夏季至秋季是明顯先升高后降低的趨勢,在夏季出現(xiàn)最高值(10 km 和3 km AOD 最高都出現(xiàn)在8 月,均為0.126),在秋季最低(10 km 和3 km AOD 最低均在9 月,分別為0.040和0.042)。在所有的季節(jié)里面,兩種產(chǎn)品的RMB都大于1,且均在夏季7 月較高(10 km:1.71;3 km:1.99),在5 和9 月較低。F_W在春季至夏季至秋季大體是先升高后降低再升高的趨勢,趨勢呈雙峰形,且10 km 產(chǎn)品在5、8 和9 月份均大于66%,結(jié)合前文R、RMSE以及RMB的結(jié)果,證實(shí)了兩種MODIS AOD 產(chǎn)品在晚春5 月以及秋季誤差較小。除了晚春5 月以外,春季低的相關(guān)系數(shù)結(jié)合低的F_W以及高的RMB,表明春季MODIS AOD 趨向于高估所有的氣溶膠負(fù)荷,且高估范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出期望誤差范圍。而夏季數(shù)據(jù)具有高的相關(guān)系數(shù)、高RMSE值以及高RMB值,表明夏季MODIS AOD 數(shù)據(jù)整體波動(dòng)大、精度較低。從圖4e、4f 來看,在3—10 月份,兩種MODIS AOD 數(shù)據(jù)都偏向于高估AERONET 數(shù)據(jù),且均呈先增大后減小的趨勢,在夏季7 月達(dá)到最大值;兩種MODIS AOD 產(chǎn)品與AERONET 的差值均在秋季9、10 月較小,其中3 km AOD 產(chǎn)品與AERONET AOD 數(shù)據(jù)的差值較10 km AOD 的大。R和RMSE在春季至夏季至秋季先升高后降低、呈雙峰型的F_W的變化趨勢以及與AERONET 的逐月均值差值表明,10 km 和3 km產(chǎn)品在冷干季秋季比暖濕季春夏季的反演精度高,這可能與季節(jié)性云所導(dǎo)致的MODIS AOD 反演誤差有關(guān)[25]。

圖4 兩種MODIS AOD 產(chǎn)品與AERONET AOD 在3—10 月的比較。a)R;b)RMSE;c)RMB;d)F_W;e)10 km 及其時(shí)空匹配的AERONET 的AOD 逐月均值(NET1);f)3 km 及其時(shí)空匹配的AERONET 的AOD 逐月均值(NET2)Fig.4.Comparison of two MODIS AOD products and AERONET AOD from March to October.a) R;b) RMSE;c) RMB;d) F_W;e) 10 km and monthly AOD mean of AERONET matched by 10 km (NET1);f) 3 km and monthly AOD mean of AERONET matched by 3 km (NET2)

3 北極地區(qū)MODIS AOD 的時(shí)空分布特征

圖5 給出了2000 年3 月—2018 年10 月MODIS 10 km 和3 km 多年平均AOD 以及兩種產(chǎn)品AOD差值的空間分布。在格陵蘭島及格陵蘭島北部海域,由于冰雪和海冰常年覆蓋,表面反射率高,使得MODIS 算法難以反演這些區(qū)域的AOD 結(jié)果[26]。為了保證結(jié)果的合理性,本文僅對(duì)時(shí)間序列內(nèi)觀測值比例大于10%的格點(diǎn)進(jìn)行空間分布計(jì)算。從圖5a、b 可以看出,北極AOD 多年均值普遍小于0.2,且部分邊緣海區(qū)域AOD 值甚至小于0.1,而高值主要出現(xiàn)在低緯度的西伯利亞以及北美地區(qū)。MODIS 3 km AOD 產(chǎn)品在北極存在明顯的緯度特征,隨緯度降低不均勻增大,而10 km產(chǎn)品AOD數(shù)據(jù)沒有明顯的緯度特征,這說明3 km 數(shù)據(jù)能更好地體現(xiàn)出氣溶膠變化的梯度。MODIS 10 km 和3 km AOD 多年均值均小于0.15,分別為0.125 和0.126,其差異值小于0.001。圖5c 還顯示,在北極海域,10 km 產(chǎn)品的AOD 值比3 km的數(shù)據(jù)要高約0.01～0.02,而在陸地上,3 km 產(chǎn)品的AOD 值通常更大。這主要由于兩者反演時(shí)在像元的組織和篩選的方法有一些不同,在海洋上,3 km 產(chǎn)品傾向于檢索更多比例的較小的氣溶膠負(fù)荷,在陸地上則相反[27]。

圖5 MODIS AOD 多年均值的空間分布圖。a)10 km;b)3 km;c)10 km 和3 km 兩種產(chǎn)品的差值Fig.5.Spatial distribution of multiyear average for MODIS AOD.a) 10 km;b) 3 km;c) the difference between the two products of 10 km and 3 km

為了進(jìn)一步研究北極AOD 在空間上的逐月變化與分布特征,圖6 和圖7 分別給出了MODIS 10 km 和3 km AOD 產(chǎn)品在北極3—10 月的月平均空間分布。從圖6 和圖7 可以看出,在春季,兩種MODIS AOD產(chǎn)品在北極的有效觀測范圍逐月增大,值范圍介于0.1～0.5,且AOD 普遍介于0.1～0.3。春季時(shí)北極兩種AOD 產(chǎn)品均在4 月北極北歐區(qū)域達(dá)到最高值,這可能與來自歐亞大陸工業(yè)活動(dòng)來源的污染和低濕清除率有關(guān)[28-30]。與春季5 月相比,夏季6 月的AOD值迅速減小,AOD 值介于0.05～0.1 的范圍變大,這可能由于夏季降水量增大,使得北極氣溶膠濕移除過程更加有效地降低了污染物濃度(在北極濕移除過程是氣溶膠去除的主要機(jī)制[26])。在7 月和8 月,AOD 高值范圍逐漸在北極較低緯度區(qū)域增大,與北美和西伯利亞輸送的北方森林火災(zāi)煙霧導(dǎo)致的污染物負(fù)荷大大增加有關(guān)[31-32]。在秋季9—10 月份,北極AOD 普遍較小(低于0.1),空氣整體上較為清潔,主要原因可能是秋季時(shí)從中緯度到北極的氣溶膠傳輸效率較低[33],使得北極地區(qū)受到外來氣溶膠的影響較小。

圖6 MODIS 10 km AOD 逐月均值空間變化圖Fig.6.Spatial variation of monthly average of MODIS 10 km AOD

圖7 MODIS 3 km AOD 逐月均值空間變化圖Fig.7.Spatial variation of monthly average MODIS 3 km AOD

4 結(jié)論

本文利用北極地區(qū)AERONET 的16 個(gè)地面觀測點(diǎn)的氣溶膠觀測數(shù)據(jù),評(píng)估了MODIS 最新發(fā)布的C6.1 版本的Level 2.0 10 km 和3 km AOD 產(chǎn)品在北極地區(qū)的反演精度,并基于2000 年3 月—2018年10 月MODIS AOD 產(chǎn)品分析了北極AOD 的時(shí)空分布特征。主要結(jié)論如下。

(1)MODIS 10 km 和3 km AOD 與AERONET 地面觀測點(diǎn)的符合性較好,相關(guān)性可達(dá)0.840 和0.853,且RMSE值均小于0.1,表明MODIS 10 km 和3 km AOD 氣溶膠產(chǎn)品適用于分析北極大氣氣溶膠時(shí)空分布狀況,且兩者均傾向于高估氣溶膠負(fù)荷。

(2)在空間上,MODIS 10 km 和3 km AOD 兩種產(chǎn)品均適用于北極東半球地區(qū),F_W幾乎都在期望誤差范圍內(nèi),R值最高,RMB接近1,RMSE值最低。MODIS 10 km 產(chǎn)品在西半球呈現(xiàn)出緯度越高、精度越高的特點(diǎn),但3 km 產(chǎn)品沒有顯示這一規(guī)律。整體上,北極地區(qū)MODIS 10 km AOD 產(chǎn)品精度略高于3 km 產(chǎn)品。在時(shí)間上,兩種MODIS AOD 產(chǎn)品在5、9 和10 月份精度評(píng)估較高。R和RMSE在春、夏、秋季先升高后降低,呈雙峰型的F_W的變化趨勢以及與AERONET 的逐月均值差值表明,MODIS兩種AOD 產(chǎn)品在秋季冷干季的精度比春夏季暖濕季的精度高。

(3)基于北極地區(qū)MODIS AOD 產(chǎn)品發(fā)現(xiàn),低緯度和高緯度AOD 之間存在顯著差異,AOD 隨緯度降低不均勻增大。MODIS 10 km 和3 km 兩種產(chǎn)品的AOD 在空間分布上高度相似,但在細(xì)節(jié)上有所不同:在北極洋面上,MODIS 10 km 的AOD 值通常更大,而在北極陸面上,MODIS 3 km 的AOD 值更大。

(4)在北極地區(qū),MODIS AOD 產(chǎn)品的季節(jié)性分布特征不同。在春季,MODIS 10 km 和3 km 兩種產(chǎn)品的AOD 均在4 月份的北極北歐區(qū)域達(dá)到最高值。夏季6—8 月的AOD 高值范圍逐漸增大。在秋季9—10 月份,北極大部分地區(qū)的AOD 均值都在0.1以下,說明秋季時(shí)北極受到中低緯度地區(qū)的氣溶膠影響小。