肖鐘湧,江 洪,*,陳 健,張秀英,彭少麟 (.南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,江蘇 南京 009；.浙江林學(xué)院國(guó)際生態(tài)研究中心,浙江 杭州 00；.中山大學(xué)有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 5075)

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系.大氣氣溶膠粒子的直徑一般在 0.001～10μm之間.氣溶膠粒子中含有各種各樣的有毒化合物,如致癌物質(zhì)多環(huán)芳香烴(PAHs).研究表明,10μm以下的顆粒物可以進(jìn)入鼻腔,7μm以下的顆粒物可進(jìn)入咽喉,而＜2.5μm的顆粒物可被吸入肺部,深入肺泡并沉積,進(jìn)而加入血液循環(huán)系統(tǒng).對(duì)人類健康造成直接傷害,使人體肺部功能下降、呼吸系統(tǒng)疾病增多,而且正在逐年增加的死亡率與大氣中氣溶膠粒子濃度的上升存在著緊密的聯(lián)系[1-3].大氣氣溶膠通過吸收和散射影響太陽(yáng)輻射,進(jìn)而影響地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡[4-5],氣溶膠在地球輻射收支平衡扮演著最重要的角色[6];另一方面,氣溶膠也可以充當(dāng)生成云、霧的凝結(jié)核,影響云的反射率,從而對(duì)地-氣系統(tǒng)輻射平衡產(chǎn)生間接影響.但是這種間接輻射強(qiáng)迫大小還有很大的不確定性[7].所以,大氣氣溶膠是氣候系統(tǒng)研究的一個(gè)最重要的不確性來源[8].2004年進(jìn)行的東亞氣溶膠研究試驗(yàn)(EAST-AIRE)試圖研究中國(guó)地區(qū)氣溶膠的氣候效應(yīng)[9].

目前,已經(jīng)有大量針對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的研究,美國(guó)NASA采用太陽(yáng)分光光度計(jì)(CE-318)在全球建立了一個(gè)氣溶膠自動(dòng)地面觀測(cè)網(wǎng)(AERONET)[10];最近十幾年,很多學(xué)者通過衛(wèi)星遙感來研究氣溶膠的特性[11-12].Levy等[13]和Remer等[14]在Kaufman的暗像元算法基礎(chǔ)上開發(fā)了 NASA的 V5.2氣溶膠反演算法,并利用MODIS傳感器進(jìn)行了氣溶膠光學(xué)厚度的業(yè)務(wù)反演,為全球提供分辨率10km氣溶膠產(chǎn)品.對(duì)于研究區(qū)域尺度和全球尺度的氣溶膠污染物輸送有重要應(yīng)用價(jià)值[15].然而,對(duì)于城市地區(qū)的氣溶膠來說,分辨率 10km氣溶膠產(chǎn)品的分辨率不能滿足要求.高分辨率的衛(wèi)星遙感反演,可以更好地認(rèn)識(shí)城市氣溶膠狀況,李成才(2005)等[16]利用MODIS資料遙感香港地區(qū)高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度,并與香港地區(qū)的地面污染物 PM10質(zhì)量濃度的變化進(jìn)行了比較,結(jié)果表明氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品可以用來描繪城市尺度的氣溶膠污染分布.利用MODIS數(shù)據(jù)反演高分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度來研究城市氣溶膠的時(shí)空動(dòng)態(tài)具有可行性和應(yīng)用價(jià)值[17].然而,這方面的研究較少.本文利用MODIS L1B數(shù)據(jù)和NASA最新的V5.2氣溶膠業(yè)務(wù)反演算法,對(duì)廣州市進(jìn)行高空間分辨率氣溶膠光學(xué)厚度的反演,并分析廣州市的氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空變化特征.

1 數(shù)據(jù)

1.1 中分辨率成像光譜儀

MODIS L1B數(shù)據(jù)從NASA的LADSWEB數(shù)據(jù)中心獲得[18].該數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行了輻射校正和幾何校正.中分辨率成像光譜儀(MODIS)是 EOS衛(wèi)星TERRA和AQUA上搭載的一個(gè)重要傳感器.上午星TERRA發(fā)射于1999年12月18日,大約當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午 10:30上行飛過赤道;下午星AQUA發(fā)射于2002年5月4日,大約當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午1:30下行飛過赤道.提供了在可見光、近紅外和紅外共 36個(gè)通道的全球觀測(cè),為反演有關(guān)陸地、云、氣溶膠、水汽、臭氧、海色、浮游植物、生物地球化學(xué)等產(chǎn)品提供了豐富的信息.可見光通道1(660nm)和通道2(860nm)具有250m星下點(diǎn)的分辨率,可見和近紅外的通道3～7具有500m的分辨率,其它的分辨率為1000 km.MODIS掃描寬度 2330km,覆蓋全球只要 1d.NASA利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠特性反演,發(fā)布了氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)和其他光學(xué)特性的10km的全球分布產(chǎn)品.

1.2 太陽(yáng)分光光度計(jì)

圖1 太陽(yáng)分光光度計(jì)(CE-318)的位置Fig.1 Location of sun photometer (CE-318)

地面數(shù)據(jù)利用法國(guó)CEMIL公司制造的自動(dòng)跟蹤掃描的太陽(yáng)分光光度計(jì)(CE-318)進(jìn)行觀測(cè).該儀器具有 10個(gè)濾光片,中心波長(zhǎng)為 340,380, 440,500,670,870,936,1020,1064nm,936nm是水汽的強(qiáng)吸收波段.它可以自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)進(jìn)行太陽(yáng)直接輻射測(cè)量、太陽(yáng)等天頂角天空掃描、太陽(yáng)主平面掃描和極化通道天空掃描.CE-318測(cè)得的太陽(yáng)直接輻射數(shù)據(jù)可用來反演計(jì)算大氣透過率、消光光學(xué)厚度、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣水汽柱總量和臭氧總量.天空掃描數(shù)據(jù)可以反演大氣氣溶膠粒子尺度譜分布及氣溶膠相函數(shù).目前,利用多波段光度計(jì)遙感氣溶膠光學(xué)厚度是目前氣溶膠遙感手段中最準(zhǔn)確的方法,通常被用來校驗(yàn)衛(wèi)星遙感的結(jié)果.AERONET(AERosol Robotic Network)提供了大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)特性的研究和衛(wèi)星反演結(jié)果的檢驗(yàn)[10].本次研究的觀測(cè)儀器CE-318架設(shè)在中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓頂,地理坐標(biāo)為23.06667°N、113.39167°E,海拔高度大約為0.04km.位置如圖1所示:

2 氣溶膠光學(xué)厚度反演算法

2.1 NASA V5.2氣溶膠反演算法

氣溶膠遙感是通過觀測(cè)到的大氣頂輻亮度和表面雙向反射率特性之間的關(guān)系來反演的,假設(shè)衛(wèi)星觀測(cè)的目標(biāo)表面為均勻朗伯表面,不考慮氣體吸收,衛(wèi)星觀測(cè)到的表觀反射率((θ0,θ,φ))可表示為:

式中:θ為觀測(cè)天頂角;θ0為太陽(yáng)天頂角;φ為太陽(yáng)光線的散射輻射的方位角;Fλ(θ0)為規(guī)一化地表反射率的下行輻射通量;(θ)為向上的總透過率;sλ為大氣后向散射比;(θ0,θ,φ)為程輻射反射率;(θ0,θ,φ)為下墊面的反射率.在單次散射近似中,(θ0,θ,φ)可用氣溶膠單次散射相函數(shù)( Pa(θ0,θ,φ))和單次散射反照率(ω0)的關(guān)系來表示,則有:

Kaufman等[11,19]研究發(fā)現(xiàn),在清潔大氣條件下,綠色植被表面的反射率在紅、藍(lán)和2.1μm通道相似,表明它們之間存在著一定的關(guān)系.由于可見光通道受氣溶膠散射的影響,而2.1μm通道不受氣溶膠的影響,反映了地面的特征,氣溶膠下方的植被覆蓋區(qū)地表的紅、藍(lán)通道的反射率可以從2.1μm通道的反射率估算出來.

觀測(cè)得到的紅、蘭通道的表觀反射率和利用2.1μm通道估算出的地面反射率之間的差異就是氣溶膠的影響.

本文利用NASA的V5.2氣溶膠反演算法是Levy等[13]和Remer等[14]在Kaufman的暗像元算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是目前陸地上空氣溶膠反演應(yīng)用最為廣泛的算法.該算法主要做了兩個(gè)方面的改進(jìn):第一,可見光和中紅外通道的反射率比值不再是常量,而是一個(gè)函數(shù)關(guān)系;第二,該方法考慮了植被指數(shù)(NDVI)的影響.進(jìn)行了VIS/SWIR(可見光和中紅外通道的反射率比值)表面反射率比的參數(shù)化,如式(4)所示:

該方法 VIS/SWIR表面反射率比的變化與植被狀況有關(guān).Remer等[20]和Gatebe等[21]的研究表明,VIS/SWIR表面反射率比跟角度(太陽(yáng)天頂角、傳感器方位角、散射角)有關(guān),在這些角度的影響中,散射角最為明顯,散射角(Θ)可以表示為:

式中:θ為觀測(cè)天頂角;0θ為太陽(yáng)天頂角;φ為太陽(yáng)光線的散射輻射的方位角,在 NASA的 V5.2氣溶膠反演算法中,VIS/SWIR表面反射率比參數(shù)化為NDVISWIR和散射角(Θ)的函數(shù),根據(jù)式(4)擴(kuò)展如下:

式中:

當(dāng)NDVISWIR＜0.25,

MODIS的植被指數(shù)可以通過下式求得:

確定了可見光通道的地表反射率,合理假定氣溶膠模型之后,通過大氣輻射傳輸模型確定反演需要的其他參數(shù).就可以用實(shí)際觀測(cè)的衛(wèi)星表觀反射率來反演氣溶膠的光學(xué)特性.本文假設(shè)該地是工業(yè)、城市氣溶膠,為非吸收型氣溶膠,單次反照率為 0.95.氣溶膠相函數(shù)用非吸收型氣溶膠模式來計(jì)算[13].通過0.47和0.66μm處的氣溶膠光學(xué)厚度插值生成 0.55μm處的氣溶膠光學(xué)厚度.

獲取到MODIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算前,必須先對(duì)水汽、臭氧和和二氧化碳等數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正[22].校正后的表觀反射率(mλρ )為:

式中:gasTλ為總氣體透過率,主要有三部分組成:

式中:0θ和θ分別為太陽(yáng)天頂角和傳感器天頂角.氣體吸收系數(shù)見表1.

表1 氣體吸收系數(shù)[13]Table 1 Gas absorbing coefficients

2.2 CE-318氣溶膠光學(xué)厚度的計(jì)算

根據(jù) Beer-Bouguer-Lambert 定律,在給定地點(diǎn)和一年中的給定時(shí)間測(cè)量的給定波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻照度可表示為:

求對(duì)數(shù)得:

式中:I0()λ為日地平均距離處大氣上界太陽(yáng)直接輻射輻照度;τtot()λ大氣總光學(xué)厚度;0θ為太陽(yáng)天頂角.根據(jù)當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)的時(shí)角、地理經(jīng)緯度、太陽(yáng)赤緯可以計(jì)算出太陽(yáng)高度角;d )2為日—地距離修正因子.采用近似公式:

式中:J為一年中的第幾天;m(θ0)為大氣質(zhì)量:

大氣總光學(xué)厚度[τtot()λ]包括氣溶膠光學(xué)厚度[τa()λ]、瑞利分子散射光學(xué)厚度[τR()λ],氣體吸收光學(xué)厚度[τg()λ].在不受水汽影響的波段大氣總光學(xué)厚度表示為:

瑞利分子散射光學(xué)厚度可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為:

式中:Z為海拔高度(km).氣體吸收光學(xué)厚度可表示為:

氣體吸收光學(xué)厚度主要是臭氧、二氧化氮、二氧化硫和甲烷等各個(gè)分量的貢獻(xiàn)的總和.利用CE-318觀測(cè)結(jié)果對(duì)遙感反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),由于波長(zhǎng)不是一一對(duì)應(yīng)的,所以運(yùn)用埃斯屈朗方程對(duì)太陽(yáng)分光光度計(jì)的結(jié)果進(jìn)行插值.埃斯屈朗認(rèn)為氣溶膠光學(xué)厚度可表示為大氣濁度參數(shù)β和波長(zhǎng)指數(shù)α的函數(shù),其中大氣濁度參數(shù)β是波長(zhǎng)等于1μm時(shí)的氣溶膠光學(xué)厚度.埃斯屈朗公式可表示為:

通過對(duì)CE-318觀測(cè)的440,500,670,870nm處氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行插值,生成與 MODIS對(duì)應(yīng)波段(550nm)的氣溶膠光學(xué)厚度值進(jìn)行比較.

3 結(jié)果

3.1 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果的驗(yàn)證

由于云對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果的精度影響很大,所以選取無云的MODIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行反演.上午過境(10:30)TERRA 衛(wèi)星的MODIS數(shù)據(jù)32d,下午過境(13:30)AQUA衛(wèi)星的MODIS數(shù)據(jù)38d.太陽(yáng)分光光度計(jì)(CE-318)的氣溶膠光學(xué)厚度用與衛(wèi)星過境的時(shí)間對(duì)應(yīng)的值,衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度取與地面觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)單個(gè)像元的值進(jìn)行回歸分析.由于(CE-318)沒有和MODIS對(duì)應(yīng)的550nm波長(zhǎng),通過埃斯屈朗方程進(jìn)行插值,求得550nm波長(zhǎng)處的氣溶膠光學(xué)厚度.10:00～11:00的氣溶膠光學(xué)厚度的平均值與TERRA衛(wèi)星的MODIS反演的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較;13:00～14:00的氣溶膠光學(xué)厚度的平均值與AQUA衛(wèi)星的MODIS反演數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.

圖2 地基(CE-318)和遙感(TERRA、AQUA)的氣溶膠光學(xué)厚度的線性擬合Fig.2 Linear fitting for AOT derived from ground-based measurement (CE-318) and remote sensing observation (TERRA, AQUA)

TERRA/CE-318和AQUA/CE-318的氣溶膠光學(xué)厚度的均方根誤差(RMSE)分別為0.26和0.18.與李成才等[26]利用 MODIS資料遙感香港地區(qū)高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度的均方根誤差(0.12)相比較大.然而,李成才等[27]的研究認(rèn)為:在植被密集的地表,均方根誤差小于 0.1,而在靠近海岸的地區(qū)均方根誤差達(dá) 0.3.所以,TERRA/ CE-318和 AQUA/CE-318均方根誤差(RMSE)結(jié)果比較合理.用AQUA的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度的反演精度略高于 TERRA.TERRA/ CE-318和AQUA/CE-318的回歸分析表明,氣溶膠較小時(shí),MODIS反演結(jié)果高估了氣溶膠光學(xué)厚度,反之亦然.這與其他研究結(jié)果相一致[14,23,28].但是,MODIS的值普遍大于CE-318,說明本次研究 MODIS反演的氣溶膠光學(xué)厚度偏高,由于空間分辨率高,增大了氣溶膠光學(xué)厚度反演的不確定性.

3.2 氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空動(dòng)態(tài)

由于大氣中的氣溶膠變化較快,在不同的時(shí)刻氣溶膠光學(xué)厚度的變化也比較大.圖3和圖4分別是2008～2009年冬季CE-318觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度和其相對(duì)應(yīng) MODIS(TERRA、 AQUA)反演的氣溶膠光學(xué)厚度的變化,從 2008年11月開始,氣溶膠光學(xué)厚度逐漸增大;2008年12月的氣溶膠光學(xué)厚度較低,平均大約為 0.65,到2009年2月平均大約為1.35.總體上冬季的氣溶膠光學(xué)厚度較大.TERRA的平均值為0.87,對(duì)應(yīng)的CE-318為0.81,差值為0.06;AQUA的平均值為0.81;對(duì)應(yīng)的CE-318為0.69,差值為0.12.遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度略高于 CE-318觀測(cè)值.

圖3 CE-318和TERRA氣溶膠光學(xué)厚度的變化Fig.3 Variation of AOT derived from CE-318 and TERRA

圖4 CE-318和AQUA氣溶膠光學(xué)厚度的變化Fig.4 Variation of AOT derived from CE-318 and AQUA

圖5為廣州市2008～2009年冬季平均氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布.從圖 5中可以看出氣溶膠光學(xué)厚度空間差異顯著,在 0.1～1之間變化,呈現(xiàn)東北低西南高的特征.較小的氣溶膠光學(xué)厚度分布在增城市、從化市.因?yàn)檫@些地區(qū)人為活動(dòng)較小,且有大片森林覆蓋,空氣較為清潔,是氣溶膠光學(xué)厚度較小的主要原因[28];廣州市氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布下午觀測(cè)的AQUA氣溶膠光學(xué)厚度低于上午觀測(cè)的TERRA.這和其他地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的日變化相似[29-30].原因可能是廣州地區(qū)冬季早上大氣水汽含量較大,出現(xiàn)了薄霧,但到中午時(shí)分薄霧逐漸散去,天空比較晴朗,大氣狀況穩(wěn)定.所以,中午時(shí)分(13:00～14:00)的氣溶膠光學(xué)厚度較小[28].

圖5 遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度平均值的空間分布Fig.5 Spatial distribution of mean AOT of remote sensing retrieval

通過計(jì)算圖像的相似度來分析兩個(gè)傳感器反演結(jié)果在空間分布的差異,圖像的相似度計(jì)算可轉(zhuǎn)化為直方圖的距離來計(jì)算,相似度的定量度量描述公式可表示為:

式中:G,S分別為圖像的直方圖;N為像元樣本數(shù).gi,si為兩個(gè)圖像的像元.從圖6和圖7也可以看出氣溶膠光學(xué)厚度的分布頻率相似,呈現(xiàn)雙峰分布,TERRA的峰值分別大約為 0.37和 0.72; AQUA的峰值分別大約為0.29和0.61.兩個(gè)反演結(jié)果的相似度為 0.90,相似度較高,說明 TERRA和AQUA的氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果的空間分布很相似.反演結(jié)果的空間分布相似性也可以用相關(guān)系數(shù)來衡量,TERRA和AQUA平均氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99.

圖6 TERRA氣溶膠光學(xué)厚度平均值的直方圖分布Fig.6 Histogram distribution of mean AOT derived from TERRA

圖7 AQUA氣溶膠光學(xué)厚度平均值的直方圖分布Fig.7 Histogram distribution of mean AOT derived from AQUA

圖8 遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布Fig.8 Spatial distribution of AOT’s standard deviation of remote sensing retrieval

圖 8為氣溶膠光學(xué)厚度的標(biāo)準(zhǔn)差分布, TERRA衛(wèi)星反演的氣溶膠光學(xué)厚度的標(biāo)準(zhǔn)差集中在 0.19～0.72之間;AQUA的標(biāo)準(zhǔn)差集中在0.05～0.35之間,AQUA的標(biāo)準(zhǔn)差整體低于TERRA,也就是說氣溶膠光學(xué)厚度較小的下午波動(dòng)也較小;AQUA的標(biāo)準(zhǔn)差分布與平均值一致,呈東北低西南高;而TERRA卻不然.這說明AQUA反演的氣溶膠光學(xué)厚度在不同時(shí)間的空間分布相似,而TERRA在不同時(shí)間的空間分布變化較大.

4 結(jié)論

4.1 在廣州市利用地面太陽(yáng)光度計(jì)進(jìn)行了氣溶氣光學(xué)厚度觀測(cè)和利用MODIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行了高空間分辨率(1km)氣溶膠光學(xué)厚度的反演.通過利用地面多波段太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)衛(wèi)星反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,MODIS衛(wèi)星遙感高空間分辨率氣溶膠光學(xué)厚度達(dá)到了較高的精度,TERRA/CE-318的線性回歸方程的斜率和截距分別為 0.90和 0.14,R為 0.91;AQUA/ CE-318的線性回歸方程的斜率和截距分別為0.98和0.14,R為0.93;CE-318觀測(cè)的10:00～11:00和13:00～14:00氣溶膠光學(xué)厚度的平均值分別為0.81和0.69,對(duì)應(yīng)的TERRA和AQUA反演的平均值分別為 0.87和 0.81.氣溶膠較小時(shí),MODIS反演結(jié)果高估了氣溶膠光學(xué)厚度,反之亦然.遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度略高于CE-318觀測(cè)得到的氣溶膠光學(xué)厚度;利用AQUA的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演精度高于 TERRA;AQUA的標(biāo)準(zhǔn)差整體低于 TERRA,也就是說較小的氣溶膠光學(xué)厚度的下午波動(dòng)也較小.

4.2 利用 MODIS衛(wèi)星遙感反演高空間分辨率氣溶膠光學(xué)厚度可以反映廣州市氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空變化特征.2008年 12月的氣溶膠光學(xué)厚度較低,平均大約為0.65;隨后氣溶膠光學(xué)厚度逐漸增大,到2009年2月,氣溶膠光學(xué)厚度平均大約為1.35.廣州市氣溶膠光學(xué)厚度空間差異顯著,在 0.1～1之間變化,呈東北低西南高的空間分布特征.即森林覆蓋率比較高的地區(qū)氣溶膠較低.

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