基于AERONET的多源多尺度衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)

李慧娜，韓 杰，高 晶，劉博文，關(guān)小果

(1.許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院(工程訓(xùn)練中心)，河南 許昌 461000；2.許昌學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，河南 許昌 461000)

目前，衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品已經(jīng)成為大區(qū)域大氣污染監(jiān)測(cè)與治理工作的重要支撐數(shù)據(jù)之一，但受到衛(wèi)星傳感器性能衰變及反演模型等因素的影響，其精度比地面實(shí)測(cè)精度低[1].為了更好掌握衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品的精度，李忠賓等[2]利用中國區(qū)域內(nèi)56個(gè)AERONET(Aerosol Robotic NETwork)氣溶膠站點(diǎn)對(duì)MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)氣溶膠產(chǎn)品的精度進(jìn)行分析，探討不同土地覆蓋類型下產(chǎn)品精度的差異.賈臣等[3]利用京津冀地區(qū)6個(gè)AERONET站點(diǎn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)了MCD19A2氣溶膠產(chǎn)品的精度.韋海寧等[4]對(duì)中國6個(gè)AERONET站點(diǎn)數(shù)據(jù)和Himawari-8氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行分析，研究不同季節(jié)中產(chǎn)品與AERONET數(shù)據(jù)之間的變化趨勢(shì).

然而，不同類型的衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品自身誤差特性與氣溶膠自身濃度之間是否存在相關(guān)性仍需進(jìn)一步分析.因此，以北京地區(qū)為研究區(qū)，利用2020年研究區(qū)三個(gè)AERONET站點(diǎn)(Beijing_RADI、Beijing、Beijing_CAMS)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)MODIS和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)，以期為行業(yè)用戶選取更適應(yīng)需求的衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品提供信息參考.

1 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

首先從MODIS官網(wǎng)和歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心檢索下載2020年北京地區(qū)MODIS氣溶膠產(chǎn)品MOD04_L2(空間分辨率10 km)[5]和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品(空間分辨率10 m)[6].其次從AERONET官網(wǎng)檢索2020年三個(gè)站點(diǎn)(Beijing_RADI、Beijing、Beijing_CAMS)Level 1.5級(jí)云剔除后的氣溶膠數(shù)據(jù)[7].由于AERONET實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺少550 nm處氣溶膠的光學(xué)厚度，這將導(dǎo)致無法與衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品所提供的550 nm氣溶膠的光學(xué)厚度進(jìn)行比較.因此選取同一天內(nèi)衛(wèi)星過境時(shí)刻前后半小時(shí)的AERONET實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)其測(cè)量得到的440 nm與675 nm處氣溶膠的光學(xué)厚度數(shù)據(jù)，利用公式(1)插值得到550 nm處氣溶膠的光學(xué)厚度[8].

(1)

式中，τ0.44和τ0.675分別為波長440 nm和675 nm的氣溶膠的光學(xué)厚度值，τ0.55為內(nèi)插所得550 nm的氣溶膠的光學(xué)厚度值.

最后根據(jù)站點(diǎn)所在經(jīng)緯度信息，從MOD04_L2和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品中提取相應(yīng)的550 nm氣溶膠數(shù)值，進(jìn)而開展真實(shí)性檢驗(yàn).

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 氣溶膠產(chǎn)品與地基測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

經(jīng)上述數(shù)據(jù)預(yù)處理，最終從MOD04_L2和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品中提取的可用比對(duì)樣點(diǎn)數(shù)分別為395個(gè)和66個(gè).從圖1可以看出，兩種衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品在三個(gè)AERONET站點(diǎn)處的提取結(jié)果與實(shí)測(cè)AERONET數(shù)據(jù)之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，其R2分別為0.968 3和0.767 8.可見Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品與AERONET地基測(cè)量結(jié)果之間具有更高的相關(guān)系數(shù)，這可能是因?yàn)樵诨诘乩砦恢眉s束的情況下提取衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品濃度參數(shù)時(shí)，空間分辨率更高的Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品能夠更好呈現(xiàn)出三個(gè)AERONET站點(diǎn)局部范圍的氣溶膠濃度.

圖1 550 nm處AERONET實(shí)測(cè)氣溶膠與Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)氣溶膠相關(guān)性

2.2 氣溶膠產(chǎn)品誤差分析

雖然通過上述相關(guān)性分析，可以發(fā)現(xiàn)兩種氣溶膠產(chǎn)品與AERONET實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，但是為了比較兩種衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品與AERONET地基實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差大小，分別計(jì)算了AERONET數(shù)據(jù)與Sentinel-2和MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品之間的差值.從圖2可以看出，相比于MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品，Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品誤差明顯更小.這也進(jìn)一步表明空間分辨率更高的Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品比MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品具有更高的反演精度.

圖2 550 nm處Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)氣溶膠誤差

同時(shí)，通過對(duì)不同氣溶膠濃度下該誤差絕對(duì)值的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示.可以看出：(1)相比于MOD04_L2氣溶膠，Sentinel-2與AERONET實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差絕對(duì)值明顯更小，兩種衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品的誤差絕對(duì)值的平均值分別為0.019和0.101；(2)無論在何種氣溶膠濃度下，Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品誤差絕對(duì)值的平均值均比MOD04_L2的誤差??；(3)隨著氣溶膠濃度的增加，Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品的誤差先增加后降低，而MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品的誤差逐漸增加；(4)當(dāng)氣溶膠濃度大于0.3時(shí)，MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品的誤差明顯大于其他濃度時(shí)的誤差，Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品的誤差明顯小于其他濃度時(shí)的誤差，說明當(dāng)氣溶膠濃度較大時(shí)，兩種氣溶膠產(chǎn)品精度差異較大.當(dāng)然，可用于參與Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品誤差分析的數(shù)據(jù)樣本(66個(gè))比MOD04_L2的數(shù)據(jù)樣本(395個(gè))少，且在實(shí)測(cè)氣溶膠較大(大于0.3)情況下的樣本更少(僅為7個(gè))，這可能會(huì)對(duì)上述分析結(jié)論帶來一定影響，因此今后將進(jìn)一步收集更多實(shí)測(cè)站點(diǎn)、更長時(shí)間序列的有效數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行進(jìn)一步探討.

表1 550 nm處Sentinel-2和MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品誤差絕對(duì)值的平均值統(tǒng)計(jì)

2.3 氣溶膠產(chǎn)品誤差季度變化分析

為了更好地分析Sentinel-2和MOD04_L2兩種衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品在不同季度的誤差變化特性，對(duì)兩種氣溶膠誤差按照日期順序進(jìn)行排序，并統(tǒng)計(jì)其誤差絕對(duì)值的平均值.不同季度Sentinel-2和MOD04_L2氣溶膠的誤差絕對(duì)值統(tǒng)計(jì)如表2所示.

表2 不同季度Sentinel-2和MOD04_L2氣溶膠誤差絕對(duì)值統(tǒng)計(jì)

Sentinel-2和MOD04_L2氣溶膠誤差變化趨勢(shì)如圖3所示.

圖3 Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)氣溶膠誤差變化趨勢(shì)

從表2、圖3、表1可以看出：(1)對(duì)于Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品而言，其同步AERONET地基實(shí)測(cè)氣溶膠平均值在第二季度最大(0.338)，因此，該氣溶膠產(chǎn)品的誤差絕對(duì)值的平均值在該季度達(dá)到最小(0.009).(2)對(duì)于MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品而言，其同步AERONET地基實(shí)測(cè)氣溶膠平均值在第四季度達(dá)到最小(0.212)，因此，該氣溶膠產(chǎn)品的誤差絕對(duì)值的平均值在該季度達(dá)到最小(0.077).

3 結(jié)語

以MOD04_L2和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品為例，將2020年北京地區(qū)三個(gè)AERONET地基測(cè)量數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)參考，對(duì)兩種氣溶膠產(chǎn)品開展真實(shí)性檢驗(yàn)分析.研究結(jié)果表明空間分辨率更高的Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品與AERONET地基測(cè)量數(shù)據(jù)之間具備強(qiáng)的線性相關(guān)性，且其誤差絕對(duì)值的平均值比MOD04_L2的小.接下來將進(jìn)一步開展全國范圍內(nèi)多個(gè)站點(diǎn)長時(shí)間序列的衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)研究.