高 玲張里陽李 俊2）陳 林孫 凌李曉靜

1）（國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081）2）（美國威斯康辛大學(xué)，威斯康辛州53706）

利用AVHRR數(shù)據(jù)反演陸地氣溶膠光學(xué)厚度

高 玲1）＊張里陽1）李 俊1）2）陳 林1）孫 凌1）李曉靜1）

1）（國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081）2）（美國威斯康辛大學(xué)，威斯康辛州53706）

開發(fā)AVHRR可見光通道反演陸地氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）的算法對于研究長時間序列AOD的變化有重要意義。AVHRR由于缺少2.1μm通道而不能采用MODIS的暗背景算法，該文利用背景合成算法進行陸地AOD反演。背景合成算法是指假設(shè)一段時間內(nèi)地表反射率變化不大且會出現(xiàn)相對清潔大氣，采用最小值合成即可得到地表反射率，再通過輻射傳輸模式6S制作的查算表查算得到AOD的反演結(jié)果。將此算法應(yīng)用到2009年AVHRR中國部分陸地區(qū)域（15°～45°N，75°～135°E）得到 AOD的時空分布，將反演結(jié)果與同期 Aqua／MODIS的MOD04AOD產(chǎn)品進行對比分析表明，華北和華東地區(qū)的反演效果較好，西北地區(qū)結(jié)果較差。以長江三角洲地區(qū)為例可知，AVHRR AOD產(chǎn)品與MODIS AOD產(chǎn)品以及AERONET觀測的AOD相比相關(guān)系數(shù)基本在0.6以上，從時間變化規(guī)律來看，AVHRR AOD和MODIS AOD產(chǎn)品年變化趨勢具有很好的一致性。該文為建立長時間序列AVHRR AOD數(shù)據(jù)集提供了一個較為可行的方法。

AVHRR；地表反射率；氣溶膠光學(xué)厚度；MODIS；AERONET

引 言

大氣氣溶膠是指由大氣和懸浮于其中的固體和液體顆粒組成的分散體系，通常所說的大氣氣溶膠則指其中的固體和液體微粒。大氣中氣溶膠的存在影響到了許多大氣物理過程，特別是影響到天氣氣候變化。King等［1］研究表明，氣溶膠通過直接輻射強迫和間接輻射強迫對氣候有重要影響。根據(jù)Solomon等［2］的IPCC第4次報告，氣溶膠的存在使得大氣層頂總輻射強迫減少了0.1W·m－2到0.9W·m－2，而此其引起的間接輻射強迫為－0.3W·m－2到－1.8W·m－2，即氣溶膠引起的輻射強迫不確定性達100%，造成這種不確定性的原因就是對氣溶膠的特性了解不夠，為了減小對氣溶膠輻射強迫評估的不確定性，需要更加精確地掌握氣溶膠時空分布特性。

近年來，利用衛(wèi)星資料反演氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）［3－5］以及利用地基儀器觀測氣溶膠的光學(xué)特性［6］是兩種非常先進的研究手段。美國宇航局（NASA）為了獲得氣溶膠的光學(xué)特性在全球建立了氣溶膠觀測網(wǎng)（AERsol Robotic NETwork，AERONET），由分布在全世界的100多個站點組成，其使用的地面太陽光度計能對氣溶膠光學(xué)厚度等進行連續(xù)觀測，時間分辨率高，但由于站點稀疏，沙漠及海洋上缺少站點，因此空間覆蓋面有很大局限性。為了得到空間覆蓋面更廣的氣溶膠產(chǎn)品，衛(wèi)星遙感被廣泛應(yīng)用。目前比較成熟的衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度業(yè)務(wù)產(chǎn)品由搭載在極軌衛(wèi)星Terra和Aqua上的MODIS提供，但運行時間較短，僅10年左右。而搭載在NOAA衛(wèi)星上的AVHRR以其能夠提供更長時間（從1981年開始）的衛(wèi)星資料在氣候變化研究中占有十分重要的地位［7］?，F(xiàn)有的AVHRR的氣溶膠業(yè)務(wù)產(chǎn)品只對海上的氣溶膠光學(xué)厚度進行反演［8］，雖然國內(nèi)外不少學(xué)者也在進行AVHRR陸地氣溶膠反演的研究［9－10］，但大多僅對單站進行研究，并未給出區(qū)域分布結(jié)果。本文研究了AVHRR陸地氣溶膠光學(xué)厚度反演算法，為獲取中國區(qū)域AVHRR長時間序列的陸地氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品開發(fā)提供參考，進而為氣溶膠的輻射強迫研究提供重要依據(jù)［11－12］。

1 儀器及數(shù)據(jù)簡介

搭載在NOAA18衛(wèi)星上的AVHRR／3各通道的波長范圍如表1所示，其中可見光通道的中心波長分別為0.63μm和0.83μm。由于缺乏2.1μm的近紅外通道，因此成熟的MODIS陸地氣溶膠反演算法［4］在此并不適用。

本文采用的AVHRR數(shù)據(jù)為美國威斯康辛大學(xué)空間科學(xué)與工程中心（SSEC）和氣象衛(wèi)星研究所（CIMSS）提供的Patmos－x數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)水平分辨率為0.1°×0.1°，空間覆蓋范圍為15°～45°N，75°～135°E，時間為2009年全年。包含經(jīng)度、緯度、掃描時間、太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角、相對方位角、海陸邊界、地表類型、海陸模板、冰雪分類、地表高程、通道0.65μm，0.86μm，1.6μm，3.75μm 的表觀反射率、通道3.75μm，11μm，12μm的亮溫、云掩膜等云產(chǎn)品以及大氣水汽總量等物理量。

表1 AVHRR／3通道范圍Table 1 The band ranges of AVHRR／3

2 反演理論基礎(chǔ)及敏感性試驗

2.1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)Kaufman等的研究［5］，衛(wèi)星接收到的可見光波段的信號經(jīng)過定標以后，可以得到表觀反射率Rsat，由下式表示：

式（1）中，τ0為整層大氣的光學(xué)厚度，μ0和φ0為入射光天頂角的余弦和方位角，μ和φ為衛(wèi)星天頂角的余弦和方位角，Lsat（τ0；μ，φ；μ0，φ0）為衛(wèi)星接收到的輻射，F(xiàn)0為大氣上界太陽輻射通量密度。

如果假設(shè)下墊面是反射率為Rsurf的均勻朗伯體，則Rsat可表示為

式（2）中，Ratm為整層大氣單次散射近似的反射率（或路徑輻射），Tatm（μ0）和Tatm（μ）分別表示從太陽到地面以及從地面到衛(wèi)星的大氣層總的透過率，Rsurf為地表反射率，Sλ代表大氣后向散射比，1／（1－RsurfSλ）代表大氣層多次散射作用。

由式（2）可知，衛(wèi)星觀測到的表觀反射率Rsat既是氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù)，又是地表反射率的函數(shù)。在具備了衛(wèi)星表觀反射率的觀測條件下，如果已知地表反射率Rsurf，且假定一定的氣溶膠模型，則可以得到氣溶膠光學(xué)厚度；反之，如果已知氣溶膠光學(xué)厚度和相應(yīng)的大氣參數(shù)，也可以反演得到地表反射率。

2.2 敏感性試驗

2.2.1 地表反射率

根據(jù)輻射傳輸理論基礎(chǔ)可知，衛(wèi)星接收到的表觀反射率既與氣溶膠的光學(xué)特性參數(shù)（包含光學(xué)厚度、組分等）有關(guān)，又與地表反射率有關(guān)。圖1a是利用Vermote的輻射傳輸模式6S［13］，在已知太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角、方位角之差以及假設(shè)氣溶膠模型為大陸型氣溶膠的情況下，以太陽天頂角為24°，衛(wèi)星天頂角為24°，方位角之差為60°，氣溶膠單散射反照率為0.89為例，計算衛(wèi)星0.66μm通道接收到的反射率即表觀反射率隨氣溶膠光學(xué)厚度和地表反射率的變化情況。由于目前常用的衛(wèi)星反演氣溶膠產(chǎn)品是0.55μm氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），因此本文反演的均為波長0.55μm處的（AOD）。

由圖1a及式（3）可知，在氣溶膠類型確定的情況下，衛(wèi)星接收到的表觀反射率與地表反射率及氣溶膠光學(xué)厚度有關(guān)，衛(wèi)星探測對地面反射率非常敏感，衛(wèi)星探測的表觀反射率Rsat與氣溶膠光學(xué)厚度τ之間基本呈線性關(guān)系，地表反射率Rsurf對應(yīng)著不同的斜率。由圖1a可以看到，當(dāng)0.66μm通道地表反射率大于0.18時，表觀反射率隨AOD的增大而減小，亮地表情況下地表貢獻遠大于氣溶膠的貢獻，進而導(dǎo)致AOD反演誤差較大，而對于地表反射率小于0.18的暗背景情況，表觀反射率對氣溶膠的貢獻較敏感，因此當(dāng)?shù)乇矸瓷渎市∮?.18時才進行AOD反演。根據(jù)式（5）可估計地表反射率對AOD反演帶來的誤差。在角度信息給定情況下，若地表反射率估計值比實際偏大5%，則反演得到的AOD的相對誤差絕對值如圖2所示。

圖1 不同地表反射率（a）和不同氣溶膠類型（b）情況下，表觀反射率隨氣溶膠光學(xué)厚度的變化Fig.1 Apparent reflectance changes with the AOD under the conditions of diversity of albedo（a）and diversity of single scattering albedo（b）

由圖2可以看出，對于暗地表，若地表反射率被高估，AOD則被低估，所以圖2中反演的AOD的相對誤差為負。另外，地表反射率越大，實際的AOD越小，反演的AOD相對誤差絕對值則越大。這是因為在地表反射率小于0.18的暗背景條件下，隨著地表反射率的增大，表觀反射率對AOD越不敏感，所以地表反射率越大，反演的AOD相對誤差也越大，對應(yīng)圖1a及式（5）可知地表反射率越大，則越小，Δτ的絕對值越大。

圖2 地表反射率對反演算法的相對誤差Fig.2 Relative error on this aerosol retrieving algorithm of albedo

2.2.2 氣溶膠類型

同理，在地表反射率確定的情況下，衛(wèi)星接收到的表觀反射率與氣溶膠光學(xué)厚度以及氣溶膠類型有關(guān)，在此用單散射反照率ω的差異代表氣溶膠類型的差異：

為了更加直觀地了解單散射反照率ω對AOD反演結(jié)果的影響，文中利用輻射傳輸模式6S進行了敏感性試驗，以太陽天頂角為24°，衛(wèi)星天頂角為24°，方位角之差為60°，地表反射率為0.06為例，得到衛(wèi)星接收到的表觀反射率如圖1b所示，ω的變化范圍為0.818～0.923，由圖1b可知，若ω設(shè)定偏低，將會導(dǎo)致AOD估算偏高。通過式（8）還可估算ω給AOD反演帶來的誤差。氣溶膠類型的選定對于AOD的反演精度影響很大，因此加強對單散射反射率等參數(shù)的地面遙感觀測對于AOD反演精度的提高有重要意義。

2.2.3 衛(wèi)星觀測角度

由于缺少用于陸地氣溶膠反演的2.1μm通道，背景合成確定地表反射率的算法在靜止衛(wèi)星的AOD反演中被廣泛采用［14－15］。但AVHRR搭載在極軌衛(wèi)星上，與靜止衛(wèi)星相比，所選時間窗口內(nèi)觀測角度差別較大，10d內(nèi)變化可以從0°到60°，而實際地表為非朗伯體，背景合成將得到的是所選時間窗口內(nèi)所有觀測角度下地表反射率的最小值，這會使得對地表反射率的估計偏小，因此衛(wèi)星觀測角度的變化的考慮也是背景合成算法的難點所在。利用輻射傳輸模式6S進行衛(wèi)星觀測角度的敏感性試驗，選擇太陽高度角為24°，相對方位角之差為60°，AOD為0.5時，不同衛(wèi)星觀測角條件下，表觀反射率隨地表反射率的變化可得到如圖3所示的結(jié)果。由圖3可知，在同樣的大氣狀況下，表觀反射率相同時，衛(wèi)星觀測角不同將導(dǎo)致對應(yīng)的地表反射率有較大差別，如表觀反射率為0.1時，衛(wèi)星天頂角為24°，對應(yīng)地表反射率為0.0498；而衛(wèi)星天頂角為60°，對應(yīng)地表反射率為0.0728，差距達50%。為了減小衛(wèi)星觀測角度對地表反射率選擇的影響，背景合成法將選擇所選時間窗口內(nèi)衛(wèi)星觀測角度與當(dāng)日衛(wèi)星觀測角之差小于10°的地表反射率次小值為當(dāng)日地表反射率的真實值（最小值有可能是云污染造成的）。

圖3 不同衛(wèi)星觀測角條件下表觀反射率隨地表反射率的變化Fig.3 Apparent reflectance changes with the albedo in diversity of view zenith angle

3 AVHRR反演陸地氣溶膠光學(xué)厚度算法

由于AVHRR缺少用于陸地氣溶膠反演的2.1μm近紅外通道，因此地表反射率的確定十分困難，這里采用背景合成方式確定地表反射率，進而反演陸地的氣溶膠光學(xué)厚度。反演流程如圖4所示。

圖4 利用AVHRR反演陸地氣溶膠光學(xué)厚度流程Fig.4 Flowchart of retrieving aerosol optical depth from AVHRR over land

3.1 利用輻射傳輸模式6S建立查算表

衛(wèi)星接收到的表觀反射率與地表反射率以及氣溶膠光學(xué)特性的關(guān)系如式（2）所示，在實際的反演過程中，由輻射傳輸模式來計算大氣中的輻射傳輸過程。通常先確定相應(yīng)的大氣參數(shù)，然后根據(jù)不同的太陽天頂角、方位角和衛(wèi)星的天頂角、方位角，不同的氣溶膠光學(xué)厚度以及地表反射率，由輻射傳輸模式計算得到不同條件下衛(wèi)星接收到的輻射值，制作一個查算表（look up table，LUT）。在太陽以及衛(wèi)星的角度已知情況下，若已知AOD值則可查出地表反射率的值，反之，若知道地表反射率的值則可查出AOD的值，在本文的算法中，這兩種查找方式都將被用到。

3.2 確定地表反射率

由表1所示的AVHRR通道范圍可知，AVHRR不具有類似MODIS的2.1μm的近紅外通道，因而MODIS利用0.47μm和0.66μm通道地表反射率與2.1μm的地表反射率之間存在線性關(guān)系，來確定地表反射率，進而反演AOD的暗背景法無法應(yīng)用于AVHRR數(shù)據(jù)。本文采用背景合成地表反射率的方式來進行反演，首先假設(shè)每個觀測點在某個時間段內(nèi)（本文中為45d）地表反射率變化不大，且至少有兩天天氣非常晴朗，氣溶膠光學(xué)厚度很?。ㄟx擇MODIS AOD全年最低值為背景光學(xué)厚度），然后根據(jù)大陸型氣溶膠模型，通過查算表估算得到地表反射率。每個像元點每日均有1個表觀反射率的觀測值，在給定的背景AOD時通過查算表得到一個假地表反射率的值，將每個像元點的假地表反射率組成一個時間序列，在地表反射率小于0.18的暗背景條件下，從該時間序列中挑選出次小值（最小值有可能是由于云陰影造成），得到的即為該像元點地表反射率。

3.3 反演氣溶膠光學(xué)厚度

獲取地表反射率之后，通過輻射傳輸模式計算的查算表進行查算可得到每個像元點各個時刻AOD值，利用地表類型分類產(chǎn)品將冰雪和裸地等亮地表去除，再將每月的AOD值平均可得到如圖5所示的平均AOD的月變化圖像，其中陸上的空白處為亮地表不進行反演。

圖5 2009年中國部分區(qū)域AVHRR氣溶膠光學(xué)厚度的月平均值Fig.5 The monthly mean of aerosol optical depth from AVHRR over part of China in 2009

由圖5可知，我國東部地區(qū)AOD值比西部大，且在華北、長江中下游以及珠江三角洲等低海拔地區(qū)均有明顯的高值區(qū)，這與李成才等［16－17］利用極軌衛(wèi)星多通道光譜成像儀得到的結(jié)果相一致。因為我國東部地區(qū)人口稠密，工業(yè)比較發(fā)達，人為排放源較多；對于華北平原、長江中下游平原、珠江三角洲等低海拔地區(qū)，周圍海拔較高，不利于氣溶膠的輸送及擴散，AOD值較大。

另外，由圖5還可知，在西藏和西北等部分區(qū)域AOD出現(xiàn)了異常高值區(qū)，由敏感性試驗分析可以看出，由于這些地表為亮地表導(dǎo)致了反演誤差較大，這在MODIS的AOD反演業(yè)務(wù)算法中，可通過近紅外通道的閾值判斷對亮地表區(qū)域進行控制，而由于AVHRR缺少近紅外通道信息，因此未將西藏與西北部分區(qū)域的亮地表全部剔除。

4 氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果的驗證

4.1 與AERONET觀測的AOD對比

地基太陽光度計觀測是目前氣溶膠光學(xué)厚度探測最精確的手段［18－19］，因此本文將 AVHRR反演的AOD與AERONET站點觀測AOD進行比較（在長江三角洲地區(qū)僅太湖站有2009年全年資料，其余兩個AERONET站點位于華北地區(qū)），首先需將地基觀測和衛(wèi)星遙感進行時空匹配，時間上將衛(wèi)星過境前后半小時內(nèi)地基觀測的平均值作為衛(wèi)星觀測時刻的AOD值，空間上以地基觀測點為中心將經(jīng)向、緯向相距10km以內(nèi)的點做平均，作為該地面觀測站點的衛(wèi)星遙感結(jié)果，得到如圖6所示結(jié)果（R表示相關(guān)系數(shù)，N表示樣本量）。由圖6可知，3個站點（北京站位置：39.977°N，116.381°E；香河站位置：39.754°N，116.962°E；太湖站位置：31.421°N，120.215°E）AOD的相關(guān)系數(shù)都超過0.6，其中北京站相關(guān)系數(shù)近0.7，均達到0.05顯著性水平，但是同樣可看到AVHRR的反演結(jié)果明顯偏高。觀測角度的變化、地表反射率的確定、背景光學(xué)厚度值的假設(shè)以及氣溶膠類型均會對反演帶來一定誤差。

4.2 與MODIS AOD產(chǎn)品對比

圖6 AERONET觀測AOD與AVHRR AOD產(chǎn)品對比Fig.6 Scatterplot between the AOD of AVHRR and AERONET

目前搭載在極軌衛(wèi)星Terra和Auqa上的中分辨率成像光譜儀MODIS AOD產(chǎn)品是公認的比較準確的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品［20－21］。由于 NOAA18衛(wèi)星每日13：30（北京時）左右過境，因此這里使用了NASA發(fā)布的 Auqa／MODIS AOD 產(chǎn) 品 （Collection 5）。將AVHRR AOD產(chǎn)品與MODIS AOD產(chǎn)品進行比較，由于傳感器的空間分辨率不同，因此首先需進行空間匹配，空間匹配窗口為0.1°。以長江三角洲地區(qū)（28°～36°N，112°～122°E）為例，將每日的 AVHRR AOD及MODIS AOD產(chǎn)品進行日平均，可得到如圖7所示的散點圖。由圖7可知，AVHRR AOD與 MODIS AOD產(chǎn)品的相關(guān)性較高，但與MODIS AOD值相比AVHRR AOD值偏大。與其他3個季節(jié)相比，夏季的相關(guān)系數(shù)較差，這可能是由于夏季云較多且AOD值較大，在所選時間窗口內(nèi)一定存在晴空且清潔大氣的假設(shè)不一定能得到滿足，因此地表反射率反演誤差較大，進而導(dǎo)致AOD存在反演誤差。

圖7 長江三角洲地區(qū)AVHRR AOD產(chǎn)品與MODIS AOD產(chǎn)品日平均值對比Fig.7 Scatterplot between the AOD daily mean of AVHRR and MODIS in the Yangtze Delta

長江三角洲地區(qū)不同AOD產(chǎn)品年變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，與MODIS AOD產(chǎn)品相比本文的反演結(jié)果雖然整體偏大，但變化趨勢一致，這對AVHRR陸地氣溶膠光學(xué)厚度長時間數(shù)據(jù)集的建立具有重要意義。造成這種整體偏大的最主要原因是相鄰日衛(wèi)星觀測角度不同，由于地表是非朗伯體，因此背景合成得到的是所有角度下地表反射率的最小值，因此會使得對地表反射率的估計偏小，進而導(dǎo)致反演得到AOD值偏大。另外，NOAA／AVHRR和Aqua／MODIS的過境時間也有差異，所以兩者的AOD值也有一定差異。

4.3 反演誤差分析

雖然AVHRR AOD和MODIS AOD產(chǎn)品時間變化趨勢一致性較好，但是AVHRR AOD值明顯偏大，造成誤差的原因如下：

①觀測角度變化的影響。同一像元點相鄰兩日衛(wèi)星觀測角度不同，由于地表是非朗伯體，因此背景合成得到是相近角度（差別在10°以內(nèi)）下地表反射率的最小值，因此會使得對地表反射率的估計偏小，進而導(dǎo)致反演得到AOD值偏大。盡管在挑選地表反射率最小值時已經(jīng)考慮衛(wèi)星天頂角的變化，但為了能夠滿足所選時間窗口內(nèi)晴空且清潔大氣，仍然只能選擇相近觀測角度，這也會對地表反射率的確定帶來誤差。

圖8 長江三角洲地區(qū)AVHRR AOD及MODIS AOD產(chǎn)品年變化Fig.8 The annual variation of AOD from AVHRR and MODIS in the Yangtze Delta

②地表反射率的確定。本文選取45d內(nèi)清潔大氣時表觀反射率反演得到的地表反射率代表整月中該時刻的地表反射率，由于地表反射率以及氣溶膠特性是變化的，導(dǎo)致了這種確定方式有很大誤差。

③氣溶膠類型。氣溶膠模型的選擇是所有衛(wèi)星遙感氣溶膠均會遇到的難題，因為不同地點氣溶膠模型的差異也會給反演帶來誤差。若單散射反照率設(shè)定偏低將會導(dǎo)致反演結(jié)果偏高。通過加強對單散射反照率等參數(shù)的地面遙感觀測，按氣溶膠類型分別制作查算表，將會得到更為合理的遙感結(jié)果。

④背景氣溶膠光學(xué)厚度。背景氣溶膠的給定將直接影響地表反射率的確定，在背景氣溶膠值給定偏高時，會導(dǎo)致合成的地表反射率偏低，進而造成氣溶膠反演結(jié)果偏高。

5 小 結(jié)

本文介紹了用于反演AVHRR陸地氣溶膠光學(xué)厚度的背景合成算法，并利用2009年NOAA18／AVHRR數(shù)據(jù)得到了中國部分區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品，將反演產(chǎn)品進行驗證，得到如下結(jié)論：

1）2009年中國部分區(qū)域AVHRR AOD產(chǎn)品的空間分布結(jié)果與同期Aqua／MODIS的MOD04 AOD產(chǎn)品對比，華北和華東地區(qū)的反演效果較好，西北地區(qū)反演結(jié)果較差。

2）區(qū)域AVHRR AOD產(chǎn)品日平均值與MODIS AOD產(chǎn)品對比，春、秋、冬季的相關(guān)系數(shù)均在0.6以上，對于夏季，有云日數(shù)較多且AOD較高，所選時間窗口內(nèi)晴空且清潔大氣的假設(shè)不一定能得到滿足，對于春、秋植被快速變化的季節(jié)，地表狀況變化較快，45d內(nèi)地表反射率變化不大的假設(shè)條件不一定滿足，這些均會導(dǎo)致AVHRR AOD與MODIS的AOD相關(guān)性較差。

3）AVHRR AOD產(chǎn)品與AERONET觀測的AOD在北京站、香河站、太湖站相關(guān)系數(shù)達0.6以上。

4）從AVHRR AOD產(chǎn)品與MODIS AOD產(chǎn)品的年變化趨勢來看，兩者獲得了較為一致的年變化規(guī)律，說明AVHRR的反演結(jié)果能夠很好地反映氣溶膠的時間變化規(guī)律。

5）由于西藏和西北部分區(qū)域為亮地表，反演誤差較大，反演結(jié)果不可信。

從上述結(jié)論可以看出，利用背景合成的算法進行AVHRR陸地氣溶膠光學(xué)厚度的反演具有可行性，這也為建立長時間序列AVHRR氣溶膠光學(xué)厚度的數(shù)據(jù)集提供了一個較為可行的方法。在今后的工作中，將進一步消除觀測角度變化的影響，通過地基觀測獲取更準確的氣溶膠模型，并將此背景合成算法應(yīng)用于30年的AVHRR資料，以獲取中國區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度長時間序列的變化趨勢。

致 謝：本研究使用了美國威斯康辛大學(xué)提供的AVHRR數(shù)據(jù)、美國國家宇航局NASA提供的MODIS數(shù)據(jù)及我國北京、香河、太湖AERONET站點的觀測數(shù)據(jù)，作者在此對上述機構(gòu)和維護AERONET站點的中國科學(xué)院大氣物理研究所王普才研究員、陳洪濱研究員及中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所馬榮華教授表示衷心感謝！

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Retrieval of Atmospheric Aerosol Optical Depth over Land from AVHRR

Gao Ling1）Zhang Liyang1）Li Jun1）2）Chen Lin1）Sun Ling1）Li Xiaojing1）

1）（National Satellite Meteorological Center，CMA，Beijing100081）
2）（University of Wisconsin－Madison，Madison WI，USA，53706）

The moderate－resolution imaging spectroradiometer（MODIS）onboard NASA EOS Terra and Aqua satellites，advanced very high resolution radiometer（AVHRR）onboard NOAA series provide important aerosol measurements.MODIS provides atmosphere aerosol optical depth（AOD）product since 2000，and AVHRR also provides AOD product since 1981but only over ocean.Developing AOD retrieval algorithm which can also obtain AOD from AVHRR over land is very important for establishing a long term AOD data record for climate studies.As 2.1μm band is absent，an algorithm which is different from MODIS is introduced to retrieve AOD over land from AVHRR.With this method，the surface target is assumed to remain radiometrically invariant over a certain time period and some of observations are made under clear－sky background aerosol conditions.When background aerosol conditions are given，surface reflectance can be estimated by extracting the second minimum reflectance during the previous 22days and the future 22 days.The second darkest reflectance is chosen to reduce cloud shadow contamination.After surface reflectance is selected，AOD is retrieved from a look up table（LUT）generated with the second simulation of the satellite signal in the solar spectrum （6S）radiative transfer model.The AOD over part of China（15°—45°N，75°—135°E）from AVHRR in 2009is obtained based on this algorithm.The distribution pattern of AOD from this work is consistent with that of MYDO04from MODIS in North China and East China，but has some difference in Northwest China.The daily regional mean AOD from AVHRR in the Yangtze Delta（28°—36°N，112°—122°E）agrees well with MODIS AOD with all correlation coefficients larger than 0.5 for four seasons，even up to 0.8in winter.The correlation coefficients are 0.70in Beijing，0.63in Xianghe and 0.61in Taihu when AOD from AERONET are used to validate the AVHRR AOD retrievals.To compare temporally varying AERONET data with spatially varying AVHRR，the time match window is limited within 30minutes and the spatial distance is limited within 0.10.The monthly variation of AOD from AVHRR in the Yangtze River Delta is consistent with that from MODIS，but the former is larger.Error sources about this retrieving algorithm are also discussed，including different satellite zenith angles in the selected period，surface reflectance，aerosol types，background AOD，calibration and sensor noise and so on.According to these results，this algorithm has the potential for deriving long－term AOD climate data record over land from AVHRR although some uncertainties still exist.Quality control and error characterization will be further investigated in the future.

AVHRR；surface albedo；aerosol optical depth；MODIS；AERONET

高玲，張里陽，李俊，等.利用AVHRR數(shù)據(jù)反演陸地氣溶膠光學(xué)厚度.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（1）：42－51.

2012－11－16收到，2013－11－06收到再改稿。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2010CB950802）

＊email：gaoling＠cma.gov.cn