黑河流域MODIS氣溶膠產品時空對比分析

宋曉春，劉興科，孫瑋婕

(1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070；2.地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；4.河南大學，河南 鄭州 330029)

大氣氣溶膠是氣候變化的重要影響因子，其作用主要是吸收和散射太陽輻射或者在云微處理過程中發揮作用影響地氣系統的輻射收支平衡[1]。目前氣溶膠研究主要是通過衛星遙感監測和地基觀測。衛星遙感監測提供了全球范圍內的氣溶膠信息，但是利用衛星數據反演氣溶膠時，由于受到地表發照率和氣溶膠反演模型等因素的影響，使得獲取的氣溶膠信息必須依靠地基觀測數據進行驗證和校正[2]。搭載MODIS傳感器的Terra和Aqua衛星的發射升空使得利用衛星數據反演氣溶膠光學特性參數的質量有所提高，衛星遙感監測氣溶膠也有了一定的進展[3]。氣溶膠的光學厚度(AOD)是用來描述氣溶膠的消光性的光學參數，表征大氣氣溶膠物理特性和推算大氣氣溶膠的含量[4]。目前，國際上用得比較多的反演氣溶膠的方法主要有單通道反射率法、多通道反射率法、暗目標法、結構函數法、協同反演法、海陸對比法、多角度成像偏振反演、熱輻射對比法、紫外方法等[5-9]。MODIS反演氣溶膠的光學厚度主要是深藍算法、暗目標法及深藍和暗目標法相結合的算法等方法。

驗證MODIS氣溶膠產品精度的方法比較多，文獻[4]在MODIS氣溶膠光學厚度產品質量檢驗一文中的檢驗樣本匹配的規則是以衛星過境前后30 min地基觀測時間平均值匹配地基站點位置方圓10 km范圍內的MODIS衛星反演結果空間平均值[10]。這也是當前用得比較多的MODIS數據精度驗證方法。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

黑河是我國三大內陸河之一，發源于祁連山，位于河西走廊中部，流經內蒙古、青海、甘肅，海拔范圍為875—5519 km。北與蒙古接壤，西以黑山與疏勒河為界，東至石羊河水系西大河的源頭。該流域處于西北干旱區，氣候類型屬于非常典型的大陸性干旱氣候，該氣候的顯著特點是夏季氣候十分干燥，冬季氣候又冷又干燥，降水相對集中又很少，日照時間相對充足，晝夜溫差較大，而且黑河流域內的東西北氣候差異性很大。其南部為祁連山區，該地區的蒸發相對較弱，降水量充沛；中部地區為河西走廊一帶，這一帶的氣候比較干燥，降水量相對較少。其下游為額濟納平原，該平原地處內陸腹地，降水相對較少但蒸發量很強烈，風較大，而且地形在垂直高度上變化非常大，地形起伏比較大。

1.2 數據來源

1.2.1 MODIS氣溶膠光學厚度產品

從2000年4月開始，MODIS正式向全球免費發布數據產品。其中M0D04/MYD04每日數據為大氣2級氣溶膠標準數據產品，MOD08/MYD0月數據為大氣3級合成的每月氣溶膠標準數據產品。NASA最初發布的MODIS氣溶膠品為C002版本，后來經過多次版本更新，目前最新的版本為C006版本[11]。本次研究用的MODIS氣溶膠產品為C006版本。

從NASA官網下載2007—2016年的MODIS氣溶膠2級每日數據產品進行研究。

1.2.2 氣溶膠光學厚度地基觀測數據

黑河流域2012年的氣溶膠光學厚度地基觀測數據來自黑河生態水文遙感試驗(HiWATER),是從西部數據中心申請得到的。本次研究使用到的數據詳細情況見表1。

表1 研究區數據來源說明

2 數據處理和研究方法

2.1 數據處理

2.1.1 MODIS氣溶膠光學厚度產品處理

從NASA官網下載的覆蓋黑河流域的MOD04和MYD04的C006版本為10 km×10 km分辨率的Aqua和Terra衛星氣溶膠光學厚度每日數據產品。先對MODIS氣溶膠光學厚度產品進行幾何校正，再對其進行重投影操作。同時，導出暗像元法和深藍算法融合550 nm處的氣溶膠的光學厚度。由于MODIS氣溶膠光學厚度產品與西部數據中心申請獲得的地基觀測數據的時間是不一致的，因此需要對MODIS氣溶膠光學厚度產品數據的時間進行轉換，獲得當地時間的MODIS產品數據，方便與黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)的地基觀測數據進行時空匹配分析[12-13]。

2.1.2 氣溶膠地基觀測數據的處理

黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)觀測得到的氣溶膠光學厚度地基觀測數據作為真值驗證MODIS氣溶膠光學厚度產品的精度。由于黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)的地基觀測數據沒有550 nm處的氣溶膠光學厚度值，為了與MODIS數據反演得到的550 nm處的氣溶膠光學厚度值進行匹配，需要對黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)觀測得到的地基觀測數據進行插值分析，得到550 nm處的氣溶膠光學厚度的地基觀測數據。

利用 Angstrom給出的氣溶膠光學厚度與波長之間的關系式(1)對氣溶膠光學厚度地基觀測數據進行插值得到550 nm處的氣溶膠光學厚度[14]。

τα(λ)=βλ-α

(1)

式中，τα(λ)為波長為λ的氣溶膠光學厚度；β為Angstrom渾濁度系數，與氣溶膠粒子指數、粒子譜分布和折射指數有關；α為Angstrom波長指數，與氣溶膠的平均半徑有關，取值為[0,4]，氣溶膠粒子越大，α值越大。由于在沒有水汽影響的波段上,氣溶膠粒子的譜分布滿足Junge分布,氣溶膠光學厚度跟波長之間滿足Angstrom關系式，故

τ∝(670)=β(670)-α

(2)

τ∝τ∝(500)=β(500)-α

(3)

式(2)和式(3)兩式聯立，得

(4)

550 nm波段處的AOD值可由下式求得

(5)

2.2 研究方法

2.2.1 MODIS氣溶膠產品精度驗證

本次研究采用Terra衛星和Aqua衛星獲取的MODIS氣溶膠光學厚度數據進行分析。由于MODIS傳感器和黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)觀測的尺度在時間上和空間上均不相同[15]，因此需要對MODIS數據和黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)觀測的地基觀測數據在時間上和空間上進行一定的處理，才能相互匹配，進行驗證分析。MODIS氣溶膠產品的驗證方法為MODIS數據以觀測站點為中心，周圍10 km范圍內的氣溶膠光學厚度值進行空間上平均，而對于觀測站點的地基觀測數據以衛星過境前后10 min內的地基觀測數據進行時間上的平均，然后將該平均值作為衛星過境時該觀測站點的地基觀測數據，再將這兩組數據利用回歸分析等方法驗證MODIS氣溶膠光學厚度產品精度。

2.2.2 MODIS氣溶膠產品精度驗證結果

黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)提供的AOD地基觀測數據是在研究區內的五星村(100.363 9E，38.855 172 22N)架設觀測點進行觀測，獲得的觀測時間段為2012年6月01日至2012年9月19日，上午星Terra的AOD值和HiWATER觀測得到的五星村AOD值構成的驗證數據對共計47對，下午星Aqua的AOD值與HiWATER觀測得到的五星村AOD構成的驗證數據對也是47個。兩組數據進行回歸分析，散點圖如圖1所示。

圖1 MODIS氣溶膠光學厚度和地基觀測數據的散點圖

圖1中以黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)提供的地基觀測數據550 nm波段處的AOD值作為散點圖的橫坐標，以MODIS反演的氣溶膠光學厚度AOD值作為散點圖的縱坐標(無單位)。MODIS陸地上空氣溶膠光學厚度AOD產品的期望誤差范圍由NASA定義(τ=±0.05±0.15τWiWATER)[5]。本次研究也采用該方法計算MODIS陸地上空氣溶膠光學厚度AOD的期望誤差。對觀測站點的MODIS氣溶膠光學厚度產品是否在期望誤差范圍內進行統計分析，分析結果發現90%以上的數據都在期望誤差范圍內。

C006版本550 nm波段處氣溶膠光學厚度AOD值的擬合方程式分別是：y=1.003 1x-0.002 7和y=1.007 9x-0.000 4。通過精度驗證分析可知，MODIS氣溶膠產品的光學厚度與黑河生態水文遙感試驗(HiWATER)550 nm波段處AOD地基觀測數據的線性擬合結果非常好。因此，MODIS反演得到的氣溶膠產品的光學厚度的精度比較高，可信度高，適用性廣。

氣溶膠產品的誤差來源主要包括以下4個方面，一是觀測數據，二是用于反演的MODIS視場殘留云的影響，三是地表反射率估計誤差，四是氣溶膠模式設定誤差[16-20]。本次研究中的誤差來源還有可能是黑河流域地區有云覆蓋的時間較多，造成數據中的無效值比較多，這對于MODIS氣溶膠光學厚度產品的精度驗證有一定的影響。

3 結果分析

3.1 2008年MODIS氣溶膠光學厚度時空變化對比分析

選取研究區質量較好的2008年上午星Terra和下午星Aqua的MODIS氣溶膠光學厚度日產品數據對比分析黑河流域地區氣溶膠光學厚度上午和下午的變化情況，如圖2所示，其中圖2(a)、(c)、(e)是用上午星Terrra的數據做的研究區上午的氣溶膠光學厚度分布圖，圖2(b)、(d)、(f)則是同一天對應的用下午星Aqua的數據做的研究區下午的氣溶膠光學厚度分布圖。

圖2 2008年黑河流域氣溶膠光學厚度AOD分布

通過分析2008年第154天(6月12日)、161天(6月19日)和168天(6月26日)的上午星Terra與下午星Aqua的氣溶膠光學厚度的最低值、最高值及上午星Terra與下午星Aqua的AOD的差值及分布情況發現，總體而言，研究區的AOD值中下游地區比上游地區高，高值基本都集中在中下游地區，下午星Aqua的AOD最低值比上午星Terra高。由于上游地區的空值比較多，因此對研究結果的客觀性有一定的影響。此外，研究區的氣溶膠光學厚度時空分布還受衛星拍攝時當地的天氣狀況和空氣質量的影響。

3.2 2012年MODIS氣溶膠光學厚度時空變化對比分析

從2012年的MODIS氣溶膠光學厚度數據中選取質量比較好、空值相對較少的影像分析黑河流域的氣溶膠光學厚度時空變化分布特征(如圖3所示)。圖3(a)為2012年第44天，即2月13日的MODIS氣溶膠光學厚度分布，AOD的最高值為0.414，最低值為0.023，高值分布在下游地區額濟納旗和肅北蒙古族自治縣境內，中上游地區的氣溶膠光學厚度處于低值和中間值。而在第二季度的第115天，中上游地區的氣溶膠光學厚度值相對于第一季度的第44天明顯提高了很多，并且最高值由0.414增加至1.348，最低值也由0.023增加至0.034。下游額濟納旗和肅北蒙古族自治縣地區的氣溶膠光學厚度值相對于第44天降低了。第三季度的第261天氣溶膠光學厚度的范圍是[0.029,0.354],與前兩個季度的氣溶膠光學厚度相比，該天氣溶膠光學厚度比較低且高值分布也比較均勻。第四季度的第323天氣溶膠光學厚度最高值為0.28，最低值僅為0.02，相比前3個季度低了很多，該天西部地區的氣溶膠光學厚度值比東部地區高。

圖3 2012年黑河流域氣溶膠光學厚度AOD分布

4 結 論

550 nm處的MODIS氣溶膠光學厚度的精度較高，具有一定的可信度，并且擁有比較顯著的適用性，因此可以用來研究大范圍的MODIS氣溶膠的時空分布變化特征，以及結合PM2.5和PM10.0等反映氣候變化效應的因子分析研究區的氣候變化特征，同時也可以分析研究氣溶膠光學厚度與PM2.5和PM10.0等的關系。

本文研究發現，研究區下午的氣溶膠光學厚度值比上午的高，并且中下游氣溶膠光學厚度值比上游地區較高。夏季的氣溶膠光學厚度比其他季節的氣溶膠光學厚度值高，春季氣溶膠光學厚度高值區域集中分布在下游地區，夏季的高值區域分布在上游區域，秋季的高值區域分布比較均勻，冬季的高值則主要分布在西部地區。