成都地區MODIS衛星AOD產品的適用性驗證及應用

劉 昆，倪長健

(1.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都610225;2.高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都610225;3.中國人民解放軍96111部隊，陜西渭南715400)

0 引言

大氣氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)的物理意義是沿輻射傳輸路徑，單位截面上氣溶膠吸收和散射對太陽輻射產生的總削弱，它和垂直方向上大氣柱中總的氣溶膠濃度有關。因能良好地表征大氣氣溶膠狀況，評價大氣環境污染，所以在研究大氣氣溶膠輻射氣候效應方面，光學厚度是重要的參考指數[1]。因此大氣氣溶膠光學厚度的研究受到國內外學界的重視。

Fotiadi[2]分析了 Crete 島(地中海東部)Aeronet Forth站光學厚度、粒子譜等參數的變化，指出夏季細粒子譜峰值最大，春季粗粒子譜峰值最大。Adeyewa[3]研究了不同地區氣溶膠光學厚度的光譜依賴性;Angstrom近似的適用性取決于氣溶膠特性和源區。中國利用衛星遙感氣溶膠的研究始于20世紀80年代中期[4];羅云峰[5－6]利用46 個站點的資料對中國地區30年來的AOD進行分析，發現自1980年開始中國大部分地區光學厚度呈現增加趨勢;邱金桓等[7－10]對中國多個站點大氣氣溶膠的變化特征進行分析，得出北京和香港地區光學厚度的諸多分布特征。MODIS衛星作為一種新興的觀測大氣氣溶膠光學厚度的設備，近年來在監測大氣氣溶膠變化中起到越來越重要的作用。MODIS衛星AOD產品與基地觀測方式相比，具有能夠更好覆蓋研究地區，對污染物來源、污染物變化趨勢有更直觀分析等優點。在MODIS產品的適用性驗證方面，李成才等[11－12]通過地面太陽光度計觀測的結果校驗了MODIS大氣氣溶膠產品，并統計了中國東部地區和幾個主要區域的大氣氣溶膠光學厚度分布特征和季節變化特點;同時，還利用NASA給出的業務算法反演了香港地區星下點1km的氣溶膠光學厚度[13－14]。韓道文等[15]證實了衛星遙感大氣氣溶膠光學厚度在經過垂直和濕度影響兩方面訂正后，可以作為監測顆粒污染物地面分布的一個有效手段。

近幾年，成都地區空氣質量出現顯著惡化的趨勢，為具體研究該地區AOD變化特征。先對MIDIS衛星AOD產品在成都地區的適用性進行檢驗，并對該地區近10年氣溶膠光學厚度的變化進行研究分析。

1 儀器與數據介紹

1.1 CE-318太陽光度計數據

CE-318太陽光度計數據主要來自成都市氣象局大氣成分觀測站，數據采集點位于成都市一環路和大石東路交界處的一幢建筑樓頂(104°02'20″E，30°39'16″N，海拔587.0 m)的方艙中，距地面高度為81 m，四周無遮擋，主要進行氣溶膠光學特性的地基遙感觀測。選用其監測得到的地基遙感氣溶膠光學特性的CE-318太陽光度計中的4個觀測通道:1020 nm，870 nm，670 nm，440 nm的實時數據用以對比遙感數據，驗證MODIS衛星遙感數據的可用性，進而研究成都地區的光學厚度變化特征。

選用成都大氣成分站2007年2月1日至2009年12月31日的CE-318太陽光度計觀測資料，且規定日觀測次數≥10次為有效，總共獲得295個有效觀測日期，共3726次有效觀測。

表1 成都大氣成分站AOD有效觀測資料(2007年2月1日～2009年12月31日)

1.2 MODIS大氣氣溶膠產品

MODIS每日大氣氣溶膠產品(MOD04)是MODIS大氣2級數據產品，提供全球每日衛星過境時刻反演得到的氣溶膠光學厚度。MODIS大氣氣溶膠反演的業務化算法經過數次改進，可提供動態且十分豐富的地表光學影像，在對地觀測領域的海洋學、生物學和大氣科學與全球變化有廣泛的應用。

使用的AOD數據來自于EOS-TERRA/MODIS傳感器Level 2 Aerosol光學厚度產品，該產品的灰度值即為氣溶膠光學厚度值，一般值在0～3000。使用暗像元算法生成，Lambert投影，空間分辨率為10 km×10 km。時間從2003年1月1日至2013年12月31日，有效數據天數1688天。(數據來自 http://ladsweb.nascom.nasa.gov/)

2 MODIS衛星產品與光度計產品對比

2.1 MODIS衛星資料與光度計各通道資料季節變化對比

選取2007～2009 3年中光度計和MODIS衛星同時能觀測到AOD產品的日期中的資料，并將資料中MODIS衛星數據所在位置與大氣成分觀測站距離大于30 km，兩者觀測時間間隔大于2 h的數據除去以減小誤差。最后一共得到223天的資料，按照3～5月春季、6～8月夏季、9～11月秋季、12～2月冬季的季節劃分將數據做季節平均，得到圖1。

圖1 光度計與MODIS數據光學厚度季節變化對比(2007～2009年)

該圖顯示了成都地區MODIS資料和光度計資料的季節平均值的變化特征。從3年的光度計與MODIS數據光學厚度季節變化對比可知，不同波段的光度計數據連同MODIS衛星數據的季節變化趨勢基本相同。其中在冬、春季節AOD值較大時，MODIS衛星數據的AOD值相對光度計值要小一些，而在夏、秋季節AOD值較小時，MODIS衛星數據AOD值相對光度計值要大一些，這可能與不同時期云層、溫度和濕度對遙感結果的影響有關[15]。

2.2 MODIS資料與光度計資料相關性分析

為了解MODIS產品與光度計各通道產品的相關性，將兩者進行線性擬合并進行分析。圖2～5是440 nm、670 nm、870 nm、1020 nm 4 個波段光度計觀測數據與MODIS衛星550 nm產品的對比，其中X軸為光度計不同通道觀測的AOD值，Y軸為MODIS衛星觀測得到的數據。

圖2 MODIS衛星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(440 nm)觀測的對比

圖3 MODIS衛星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(670 nm)觀測的對比

圖4 MODIS衛星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(870 nm)觀測的對比

圖5 MODIS衛星遙感的光學厚度(550 nm)與地面光度計(1020 nm)觀測的對比

表2是MODIS衛星產品550 nm通道與光度計各通道線性相關系數對比，其中相關性大小順序依次是1020 nm、440 nm、870 nm、670 nm，總體相關性較好，說明MODIS衛星遙感數據可以作為觀測成都地區AOD值的依據。

表2 MODIS衛星產品550 nm通道與光度計各通道相關性分析結果

3 近10年成都地區AOD的變化特征

以下主要分析2003～2013年成都市近10年大氣氣溶膠光學厚度年、季、月的變化特征，討論其近10年的變化關系。

3.1 近10年AOD年平均變化

將2003～2013年每年MODIS產品數據進行平均，分析其大氣氣溶膠光學厚度的逐年變化。從圖5可以看出，近10年成都地區AOD的變化總體呈現弱波動上升趨勢，可以大致分為3個時期，其中2003～2005年光學厚度逐年上升;2006年為第一個峰值，較10年平均值增加了0.13;2007～2009年AOD值有下降趨勢，并在2009年達到最低;2010年至今總體為上升趨勢，但其中2011年有一個峰值，較10年平均值增加了0.14。其原因可能與近年來成都市人口增長迅速，工業化發展、交通排放和其他因素產生的大氣氣溶膠較之前有明顯增加有關，并且由于土地荒漠化嚴重，受來自西北地區跨越秦嶺、大巴山到達中國西南地區的四川盆地的沙塵暴影響，使該地區的AOD值有明顯增長。

圖5 2003～2013年AOD年平均變化圖

圖6 2003～2013年AOD季節平均變化圖

3.2 近10年AOD季節平均變化

隨著不同季節成都地區氣象要素和人類生產活動發生明顯變化，大氣光學厚度也存在著明顯的季節變化。圖6為近10年4個季節平均的逐年變化圖。季節AOD平均在各個年份均表現為春冬較大，夏秋較小，且秋季最小，這和以前的研究成果一致[16]。春季AOD值較高的原因與成都地區有時在北方沙塵暴南下的影響和秦嶺的阻擋，冷空氣勢力較弱，在四川盆地上空形成了風場“死水區”，本地污染源排放的氣溶膠粒子擴散不利有關;加之，冬季早晨多霧，大氣氣溶膠顆粒與霧滴產生反應，同樣不利于氣溶膠稀釋、擴散[15]。這些因素均可引起春、冬季高 AOD的形成。夏季的AOD數值特征則可能是由于副熱帶高壓的影響。西太平洋副熱帶高壓在夏季控制中國大部分地區，副高內部的大部分地區溫度較高，盛行下沉氣流，且近地面風速很小，不利于將當地的大氣氣溶膠的垂直輸送和水平輸送。此外，夏季豐富的降水對成都地區AOD的減少也有貢獻。其中春、冬季AOD增長較緩，夏、秋季AOD增長較快。從各個年代的季節AOD的變化趨勢來看，各季節AOD值都有增長，但季節間差異有變小趨勢。

5 結論

利用2007～2009年成都市氣象局大氣成分觀測站的CE-318太陽光度計數據和2003～2013年MODIS衛星AOD產品數據，得出以下結論:

(1)利用2007～2009年CE-318太陽光度計資料和MODIS衛星資料相比較，光度計440 nm、870 nm、1020 nm、670 nm 4個通道與MODIS產品相關性分別為0.74、0.65、0.73、0.65，得出在成都地區兩種數據的關聯性較強，可以利用MODIS數據對成都地區AOD變化進行研究。

(2)利用2003～2013年MODIS衛星AOD產品年平均得出近10年中2006年為成都AOD值最大時期，平均為1.21，其次為2011年，平均為1.20。變化分為3個時期:2003～2005年為第1個上升期，2006～2009年為下降期，2010年至今為第2個上升期。

(3)通過對比近10年各季節AOD平均值得出近10年成都AOD值春季最大，冬季次之，秋季最小。各季節變化趨勢與年變化趨勢相符。

[1] Twomey S A.The Influence of Pollution on the Shortwave Albedo of Clouds[J].Atmos Sci，1977，34(1):1149－1152.

[2] Fotiadi A，Hatzianastassiou N，Drakakis E，et al.Aerosol physical and optical properties in theEastern Mediterranean Basin，Crete，from aerosol robotic network data[J].Atmos Chem Phys，2006，6(12):5399－5413.

[3] Adeyewa Z D，Balogun E E.Wavelength dependence of aerosol optical depth and the fit of the Angstrom law[J].Theor Appl Climatol，2003，74(1－2):105－122.

[4] 趙柏林.我國大氣氣溶膠光學厚度的特性[J].氣象學報，1986，44(2):235－242.

[5] 羅云峰，呂達仁.近30年來中國地區大氣氣溶膠光學厚度的變化特征[J].科學通報，2000，45(2):549－555.

[6] 羅云峰.20世紀80年代中國地區大氣氣溶膠光學厚度的平均狀況分析[J].氣象學報，2001，59(1):77－87.

[7] Qiu Jinhuan.Effects of Aerosol Vertical Inhomogeneity on the Upwelling Radiance and Satellite Remote Sensing of Surface Reflectance[J].Advances in Atmospheric Sciences，2011，18(4):539－553.

[8] 邱金桓.大氣氣溶膠光學厚度的寬帶消光遙感方法及其應用[J].遙感學報，1997，1(1):15－23.

[9] 宗雪梅，邱金桓，王普才.近10年中國16個臺站大氣氣溶膠光學厚度的變化特征分析[J].氣候與環境研究，2005，10(2):201－208.

[10] 許瀟鋒，牛生杰，邱金桓.蘭州1960～2003年大氣氣溶膠光學厚度和太陽輻射變化特征[J].中國沙漠，2009，29(5):966－970.

[11] 李成才，毛節泰.利用MODIS遙感大氣氣溶膠及氣溶膠產品的應用[J].北京大學學報，2003，39(增刊):108－117.

[12] 朱愛華，李成才，毛節泰.北京地區MODIS衛星遙感氣溶膠資料的檢驗與應用[J].環境科學學報，2004，24(1):86－90.

[13] 李成才，毛節泰.利用MODIS資料遙感香港地區高分辨率氣溶膠光學厚度[J].大氣科學，2005，29(3):335－343.

[14] 李成才，劉啟漢，毛節泰.利用MODIS衛星和激光雷達遙感資料研究香港地區的一次大氣氣溶膠污染[J].應用氣象學報，2004，15(6):642－653.

[15] 韓道文，劉文清.濕度和相對濕度對氣溶膠質量濃度垂直分布的影響[J].中國科學院研究生院學報，2007，24(5):619－624.

[16] 李成才，毛節泰.用MODIS遙感資料分析四川盆地氣溶膠光學厚度時空分布特征[J].應用氣象學報，2003，14(1):1－7.