李慧娜，韓 杰，高 晶，劉博文，關小果

(1.許昌學院 電氣與機械工程學院(工程訓練中心)，河南 許昌 461000；2.許昌學院 城市與環(huán)境學院，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，其精度比地面實測精度低[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AERONET(Aerosol Robotic NETwork)氣溶膠站點對MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)氣溶膠產(chǎn)品的精度進行分析，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AERONET站點數(shù)據(jù)，檢驗了MCD19A2氣溶膠產(chǎn)品的精度.韋海寧等[4]對中國6個AERONET站點數(shù)據(jù)和Himawari-8氣溶膠產(chǎn)品進行分析，研究不同季節(jié)中產(chǎn)品與AERONET數(shù)據(jù)之間的變化趨勢.

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性仍需進一步分析.因此，以北京地區(qū)為研究區(qū)，利用2020年研究區(qū)三個AERONET站點(Beijing_RADI、Beijing、Beijing_CAMS)的實測數(shù)據(jù)，對MODIS和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品進行真實性檢驗，以期為行業(yè)用戶選取更適應需求的衛(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年三個站點(Beijing_RADI、Beijing、Beijing_CAMS)Level 1.5級云剔除后的氣溶膠數(shù)據(jù)[7].由于AERONET實測數(shù)據(jù)缺少550 nm處氣溶膠的光學厚度，這將導致無法與衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品所提供的550 nm氣溶膠的光學厚度進行比較.因此選取同一天內(nèi)衛(wèi)星過境時刻前后半小時的AERONET實測數(shù)據(jù)，根據(jù)其測量得到的440 nm與675 nm處氣溶膠的光學厚度數(shù)據(jù)，利用公式(1)插值得到550 nm處氣溶膠的光學厚度[8].

(1)

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

最后根據(jù)站點所在經(jīng)緯度信息，從MOD04_L2和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品中提取相應的550 nm氣溶膠數(shù)值，進而開展真實性檢驗.

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 氣溶膠產(chǎn)品與地基測量數(shù)據(jù)相關性分析

經(jīng)上述數(shù)據(jù)預處理，最終從MOD04_L2和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品中提取的可用比對樣點數(shù)分別為395個和66個.從圖1可以看出，兩種衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品在三個AERONET站點處的提取結果與實測AERONET數(shù)據(jù)之間具有較強的線性相關性，其R2分別為0.968 3和0.767 8.可見Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品與AERONET地基測量結果之間具有更高的相關系數(shù)，這可能是因為在基于地理位置約束的情況下提取衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品濃度參數(shù)時，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AERONET站點局部范圍的氣溶膠濃度.

圖1 550 nm處AERONET實測氣溶膠與Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)氣溶膠相關性

2.2 氣溶膠產(chǎn)品誤差分析

雖然通過上述相關性分析，可以發(fā)現(xiàn)兩種氣溶膠產(chǎn)品與AERONET實測數(shù)據(jù)之間具有較強的線性相關性，但是為了比較兩種衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品與AERONET地基實測數(shù)據(jù)之間的誤差大小，分別計算了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，通過對不同氣溶膠濃度下該誤差絕對值的平均值進行統(tǒng)計，如表1所示.可以看出：(1)相比于MOD04_L2氣溶膠，Sentinel-2與AERONET實測數(shù)據(jù)之間的誤差絕對值明顯更小，兩種衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品的誤差絕對值的平均值分別為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)當氣溶膠濃度大于0.3時，MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品的誤差明顯大于其他濃度時的誤差，Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品的誤差明顯小于其他濃度時的誤差，說明當氣溶膠濃度較大時，兩種氣溶膠產(chǎn)品精度差異較大.當然，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)比MOD04_L2的數(shù)據(jù)樣本(395個)少，且在實測氣溶膠較大(大于0.3)情況下的樣本更少(僅為7個)，這可能會對上述分析結論帶來一定影響，因此今后將進一步收集更多實測站點、更長時間序列的有效數(shù)據(jù)樣本進行進一步探討.

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

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，對兩種氣溶膠誤差按照日期順序進行排序，并統(tǒng)計其誤差絕對值的平均值.不同季度Sentinel-2和MOD04_L2氣溶膠的誤差絕對值統(tǒng)計如表2所示.

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

Sentinel-2和MOD04_L2氣溶膠誤差變化趨勢如圖3所示.

圖3 Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)氣溶膠誤差變化趨勢

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

3 結語

以MOD04_L2和Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品為例，將2020年北京地區(qū)三個AERONET地基測量數(shù)據(jù)作為基準參考，對兩種氣溶膠產(chǎn)品開展真實性檢驗分析.研究結果表明空間分辨率更高的Sentinel-2氣溶膠產(chǎn)品與AERONET地基測量數(shù)據(jù)之間具備強的線性相關性，且其誤差絕對值的平均值比MOD04_L2的小.接下來將進一步開展全國范圍內(nèi)多個站點長時間序列的衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品真實性檢驗研究.