MODIS 北極氣溶膠光學厚度的精度驗證與分布特征研究

楊艷麗 常亮,2,3

(1 上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306;2 自然資源部第二海洋研究所衛星海洋環境動力學國家重點實驗室,浙江 杭州 310012;3 自然資源部極地科學重點實驗室,中國極地研究中心,上海 200136)

0 引言

北極是北半球氣候系統穩定的重要基礎之一,是地球上的氣候敏感地區,也是多個國際科學計劃研究全球氣候變化的關鍵地區[1]。21 世紀以來,北極增暖的趨勢是全球平均水平的2 倍,北冰洋海冰覆蓋面積快速減少,格陵蘭島上的冰層在夏季出現了大面積的融化現象,極地永久凍土出現融化現象,以上的種種現象都與全球氣候息息相關[2-3]。研究發現,北極溫度升高與大氣氣溶膠引起的輻射強迫變化有極大的關聯[4]。北極地區降水較少,氣溶膠在北極的生命期長,對北極氣溫影響大;隨著北極增暖,經暖化的冰雪即使含有極少量的黑碳氣溶膠都能產生更大的增暖效應[5]。北極地區的云多為薄云,氣溶膠通過改變北極云的微物理特征,能夠造成堪比溫室氣體加倍的冬春季節增暖效應,是溫室氣體以外北極快速增暖的一個重要貢獻因子[6]。大氣氣溶膠是懸浮在大氣中固體、液體和氣體中的顆?？偡Q,粒徑大小為0.001～100 μm,主要有沙塵氣溶膠、海鹽氣溶膠、含碳氣溶膠和硫酸鹽氣溶膠等類型[7]。氣溶膠質量雖僅占整個大氣質量的十億分之一,但是對全球氣候變化具有顯著影響[8-9]。一方面,大氣氣溶膠可以通過散射、吸收和反射太陽短波輻射和大氣長波輻射直接影響地球輻射平衡,進而對全球氣候變化產生影響;另一方面,氣溶膠粒子作為云凝結核,參與云的形成、演化和消散過程,改變云滴大小、云體壽命及其光學特性,從而間接影響全球氣候[10]。氣溶膠的輻射效應主要依賴于其光學特性的變化,然而氣溶膠在時空上的劇烈變化,使得對氣溶膠輻射效應的評估還存在很大的不確定性[11]。因此,準確估計北極地區氣溶膠的光學特性,對進一步揭示北極氣候變化機理具有重要意義。

氣溶膠光學厚度(AOD)是大氣氣溶膠光學特性的關鍵參數之一,可反映整層大氣氣溶膠的消光作用,并被用于評估空氣污染程度。同時,AOD 反映了大氣柱中氣溶膠的含量以及氣溶膠對地氣系統輻射平衡的影響[12]。目前,獲取AOD 主要有地面遙感觀測和衛星遙感兩種手段。其中,地面觀測是高精度獲取AOD 的傳統手段[13]。Rahul 等[14]利用地面觀測數據分析了北極2011 年6 月和7 月期間的AOD變化,結果發現北極夏季AOD 都超過了0.1,且其粒度分布結合后向軌跡模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT)與美國國家環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析資料的風場分析表明,這是從北極周圍的陸地遠距離輸送的結果。但是,地面觀測成本高,北極站點分布稀疏,使得其估計的AOD 空間分辨率較差,難以反映整個北極地區的氣溶膠光學特性。衛星遙感因其覆蓋范圍廣、觀測連續、空間分辨率高,近幾十年來已被廣泛用于北極地區氣溶膠光學參數的反演。田彪[15]基于MODIS 反演的AOD 與AirFire 北極傳輸潛力模型,研究了俄羅斯西西伯利亞地區的火點燃燒釋放污染氣團對北冰洋上空黑碳氣溶膠濃度的影響特點。Mei 等[16]提出一種基于先驗知識的協同方法,該方法使用MODIS 數據反演了北極的AOD,結果顯示利用MODIS 反演的AOD 與6 個高緯度的地面觀測站數據比較,相關系數為 0.8,相對誤差在10%～20%之間,這表明該方法在反演北極上空的AOD 方面具有潛力。張賽英等[17]分析了北極巴倫支海地區在2003—2009 年的MODIS AOD 和覆冰分布之間的關系,結果發現該海域AOD 春天高、夏天低、秋天稍有回升,且與覆冰之間的耦合關系存在一個滯后的關系,覆冰厚度的峰值平均會比AOD的峰值提前一個月。Glantz 等[18]對比了2003—2015年期間4—9 月MODIS C5.1 和C6.1 AOD 產品在北歐地區的適用性,指出MODIS C6.1 AOD 產品在北歐地區的適用性較好,兩種產品在海岸線和島嶼之間區域反演效果較差。

目前,最新發布的MODIS C6.1 版本提供了10 km和3 km 兩種不同空間分辨率的AOD 產品[19]。為了進一步評估兩種AOD 產品在北極地區的反演精度,本文利用2000 年3 月—2018 年10 月的MODIS C6.1的10 km 和3 km AOD 產品對北極地區AOD 的時空分布規律進行了分析,并與時空匹配的地基AOD觀測結果進行了對比驗證。

1 數據和方法

1.1 MODIS AOD 產品

MODIS 是由美國國家宇航局(NASA)的地球觀測系統EOS(Earth Observation System)計劃中發起的Terra 和Aqua 衛星上搭載的一個重要的傳感器。從 NASA 網站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search.html)可以免費下載到Terra 和Aqua 衛星的MODIS AOD 產品。Terra 和Aqua 這兩個衛星相互配合,每1–2 天可覆蓋全球1 次。MODIS 傳感器具有36 個離散光譜段,視場寬度為2330 km,光譜范圍為0.41～14.5 μm,這些功能可以有效地反演陸地和海洋上的AOD[20]。MODIS 數據產品總共分為5 級,應用于氣溶膠研究較為廣泛的是Level 2.0 AOD 產品。

最新C6.1 版本的MODIS 氣溶膠產品提供了用于反演陸地和海洋上的氣溶膠特性的精確算法,包括標準的10 km 和3 km 氣溶膠產品。3 km 與10 km的產品在地表反射率的設定以及數據反演流程上沒有太大的差別,但是兩種數據在像元的組織和篩選上有一些不同。10 km 和3 km 的數據均不能反演有云覆蓋像素的AOD,但分辨率更高的3 km 數據產品對云區邊界具有更細致的分辨能力,使得3 km 數據產品更能體現云區附近的氣溶膠光學特性。本文主要使用了Terra MODIS C6.1 的2000 年3 月—2018年10 月氣溶膠數據Level 2.0 科學數據集“Optical_Depth_Land_And_Ocean”開展分析和研究。該科學數據集應用MODIS 氣溶膠暗像元算法生產了10 km和3 km 兩種不同分辨率的獨立產品。

1.2 AERONET

本文使用的地基觀測資料來自 AERONET(Aerosol Robot Network,https://aeronet.gsfc.nasa.gov/)。AERONET 是一個地基氣溶膠觀測網絡,與世界上的其他氣溶膠觀測網絡如法國氣溶膠網絡(PHOTONS)和一些研究所機構組成了一個觀測聯盟。AERONET 用CE-318 太陽光度計測量太陽直接輻射中各個光譜段的輻射強度,計算大氣柱中氣溶膠的光學厚度,每隔15 min 或更短時間記錄各種測量值,且不確定度較低。AERONET 為所有站點提供高精度、標準化的數據處理和公開信息,其氣溶膠觀測數據已被廣泛應用于不同衛星傳感器的AOD 產品的驗證。AERONET 提供了Level 1.0、1.5和2.0 三個等級的數據產品:Level 1.0 沒有進行云過濾和質量檢驗;Level 1.5 做了濾云處理但沒有進行質量驗證;Level 2.0 是經過嚴格濾云處理和人工驗證、有質量保證的高精度數據產品。為了研究北極地區AOD 的時空分布變化特征,我們在北極的33個地基觀測點中篩選了AERONET 中觀測記錄較長的16 個站點開展進一步的研究(圖1),并基于2000年3 月—2018 年10 月Level 2.0 AOD 觀測數據開展后續分析。

圖1 北極地區AERONET 測站位置分布圖。藍色圓點表示本文研究選取的站點,黑色圓點表示未納入本文分析的AERONET 站點Fig.1.The locations of AERONET ground-based stations in the Arctic region.Blue dots indicate the stations selected in this study,and black dots indicate the AERONET stations not included in this study

由于MODIS AOD 產品的通道為550 nm,而AERONET 僅提供了340、380、440、500、670、870 和1020 nm 通道的AOD。為了便于比較,需要將AERONET 測站已知通道上的AOD 插值到550 nm上去,一般可使用波長插值法和二次多項式插值法。考慮到二次多項式插值法比波長指數插值法得到的AOD 精度更高,更接近真實值[21],本文使用二次多項式插值法進行AERONET AOD 的波段插值。利用二次多項式插值法獲取AERONET 550 nm 通道處的AOD 的方法為

式中,τθ表示λ通道處的AOD 值，?i(i=0,1,2)是未知系數,可結合AERONET 其他已知通道的AOD 值采用最小二乘法進行估計。本文在估計550 nm 通道處的AOD 時,選取的已知通道為440、500 和675 nm通道。為了將MODIS AOD 值與AERONET 實測結果進行比較,兩者在進行時空匹配時,設置的時間差和空間半徑分別為30 min 和0.5°。此外,為了定量評估MODIS AOD 值相對于AERONET 地面觀測的精度和不確定性,本文引入的統計指標主要包括相關系數(correlation coefficient,R)、均方根誤差(Root-Square Error,RMSE)、相對平均偏差(Relative Mean Bias,RMB)和期望誤差(Expected Error,EE)。MODIS DT 算法給出的期望誤差[22]可表示為:

MODIS AOD 的精度驗證結果在一定程度上取決于落在期望誤差范圍內(Falling Within the Expected Error,F_W)的部分,參考Levy 等[23]的研究,如果超過66%的反演結果落在期望誤差范圍內,則MODIS AOD 產品可被視為在地區表現良好。由于在北極極夜(11 月至次年 2 月)期間,MODIS 和AERONET 均無法測量 AOD 數據,因此本文沒有比較在極夜時間的AOD 結果。

2 基于AERONET 的北極地區MODIS AOD 的精度評估

圖2 給出了經過時空匹配后,MODIS 10 km、3 km AOD 產品與北極16 個AERONET 測站估計的550 nm AOD 之間的散點圖。為了客觀評價MODIS AOD 產品的精度,本文剔除了MODIS 和AERONET AOD 之間的偏差大于3 倍標準差的數據對。從圖2 可以看出,MODIS 10 km 和3 km AOD 與AERONET 估計值具有較強的相關性,其R值分別為0.840 和0.853,RMSE值均小于0.1,表明MODIS 兩種AOD 產品均能較好地描述北極大氣氣溶膠的光學厚度。但是,兩種MODIS AOD 產品的擬合直線斜率均大于1,均呈現較明顯的系統性偏差。從斜率(10 km:1.024;3 km:1.075)和截距(10 km:0.024;3 km:0.029)來看,兩者均傾向于高估氣溶膠負荷。

圖2 北極地區2000 年3 月—2018 年10 月MODIS 10 km 和3 km AOD 與AERONET AOD 的散點圖。紅實線表示擬合方程,黑實線表示y=xFig.2.Scatter plot of MODIS 10 km and 3 km AOD and AERONET AOD in Arctic from March 2000 to October 2018.Red solid line represents fitting equation,and black solid line represents the one-to-one line

為了進一步分析兩種MODIS AOD 產品在北極不同地區的精度差異,圖3 給出了MODIS 10 km 和3 km AOD 產品與AERONET AOD 之間的相關系數、均方根誤差、相對平均偏差和期望誤差范圍的空間分布。與AERONET估計結果相比,MODIS 10 km和3 km AOD 產品在北極東半球的R值最高,且RMSE值相對最低,說明MODIS 兩種產品在北極東半球適用性更高。除了Andenes 站點(見圖3 紅色正方形)外,北極東半球北歐的每個站點的R都大于0.8。Andenes 站點的R異常小,與Markowicz 等[24]在Andenes 站點的精度評估結果一致。在西半球地區MODIS 兩種產品的AOD 適用性相比東半球較差,但在北阿拉斯加地區表現較好,特別是ARM Oliktok AK 站點(見圖3 藍色正方形),相關系數R較高,RMSE較小,RMB接近1,但它的F_W稍低,沒有超過66%。在格陵蘭島的兩個站點Thule(見圖3 紅色三角形)和 Kangerlussuaq(見圖 3 黑色三角形),MODIS 10 km 產品的精度表現完全相反,兩種產品在Thule 表現較好,而在Kangerlussuaq 表現較差。MODIS 10 km 產品在北極西半球的誤差結果分布整體呈現緯度越高精度越高的趨勢,但3 km 產品沒有顯著規律?？偟膩碚f,兩種產品都更適用于北極東半球地區,且在北極地區,10 km 產品的適用性高于3 km,10 km 產品整體的R和F_W更高,RMSE和RMB也更小。

圖3 MODIS 10 km 和3 km AOD 產品在AERONET 地面測站的誤差統計分布Fig.3.Error statistical distribution of MODIS 10 km and 3 km AOD at AERONET ground-based stations

為了比較10 km 和3 km 的MODIS AOD 在北極地區的不同月份的精度,圖4 繪制了3—10 月兩種AOD 產品的逐月誤差統計結果。如圖4 所示,兩種MODIS AOD 產品的R在春季(3—5 月)至夏季(6—8 月)至秋季(9—10 月)均是先升高后降低的趨勢,10 km 的AOD 產品的相關性最高出現在5 月(為0.89),3 km 的AOD 產品的相關性最高出現在5月(為0.91),且5—8 月的相關性均高于0.8,9—10月的相關性介于0.49～0.55 之間。而兩種MODIS AOD 產品的RMSE在春季至夏季至秋季是明顯先升高后降低的趨勢,在夏季出現最高值(10 km 和3 km AOD 最高都出現在8 月,均為0.126),在秋季最低(10 km 和3 km AOD 最低均在9 月,分別為0.040和0.042)。在所有的季節里面,兩種產品的RMB都大于1,且均在夏季7 月較高(10 km:1.71;3 km:1.99),在5 和9 月較低。F_W在春季至夏季至秋季大體是先升高后降低再升高的趨勢,趨勢呈雙峰形,且10 km 產品在5、8 和9 月份均大于66%,結合前文R、RMSE以及RMB的結果,證實了兩種MODIS AOD 產品在晚春5 月以及秋季誤差較小。除了晚春5 月以外,春季低的相關系數結合低的F_W以及高的RMB,表明春季MODIS AOD 趨向于高估所有的氣溶膠負荷,且高估范圍遠遠超出期望誤差范圍。而夏季數據具有高的相關系數、高RMSE值以及高RMB值,表明夏季MODIS AOD 數據整體波動大、精度較低。從圖4e、4f 來看,在3—10 月份,兩種MODIS AOD 數據都偏向于高估AERONET 數據,且均呈先增大后減小的趨勢,在夏季7 月達到最大值;兩種MODIS AOD 產品與AERONET 的差值均在秋季9、10 月較小,其中3 km AOD 產品與AERONET AOD 數據的差值較10 km AOD 的大。R和RMSE在春季至夏季至秋季先升高后降低、呈雙峰型的F_W的變化趨勢以及與AERONET 的逐月均值差值表明,10 km 和3 km產品在冷干季秋季比暖濕季春夏季的反演精度高,這可能與季節性云所導致的MODIS AOD 反演誤差有關[25]。

圖4 兩種MODIS AOD 產品與AERONET AOD 在3—10 月的比較。a)R;b)RMSE;c)RMB;d)F_W;e)10 km 及其時空匹配的AERONET 的AOD 逐月均值(NET1);f)3 km 及其時空匹配的AERONET 的AOD 逐月均值(NET2)Fig.4.Comparison of two MODIS AOD products and AERONET AOD from March to October.a) R;b) RMSE;c) RMB;d) F_W;e) 10 km and monthly AOD mean of AERONET matched by 10 km (NET1);f) 3 km and monthly AOD mean of AERONET matched by 3 km (NET2)

3 北極地區MODIS AOD 的時空分布特征

圖5 給出了2000 年3 月—2018 年10 月MODIS 10 km 和3 km 多年平均AOD 以及兩種產品AOD差值的空間分布。在格陵蘭島及格陵蘭島北部海域,由于冰雪和海冰常年覆蓋,表面反射率高,使得MODIS 算法難以反演這些區域的AOD 結果[26]。為了保證結果的合理性,本文僅對時間序列內觀測值比例大于10%的格點進行空間分布計算。從圖5a、b 可以看出,北極AOD 多年均值普遍小于0.2,且部分邊緣海區域AOD 值甚至小于0.1,而高值主要出現在低緯度的西伯利亞以及北美地區。MODIS 3 km AOD 產品在北極存在明顯的緯度特征,隨緯度降低不均勻增大,而10 km產品AOD數據沒有明顯的緯度特征,這說明3 km 數據能更好地體現出氣溶膠變化的梯度。MODIS 10 km 和3 km AOD 多年均值均小于0.15,分別為0.125 和0.126,其差異值小于0.001。圖5c 還顯示,在北極海域,10 km 產品的AOD 值比3 km的數據要高約0.01～0.02,而在陸地上,3 km 產品的AOD 值通常更大。這主要由于兩者反演時在像元的組織和篩選的方法有一些不同,在海洋上,3 km 產品傾向于檢索更多比例的較小的氣溶膠負荷,在陸地上則相反[27]。

圖5 MODIS AOD 多年均值的空間分布圖。a)10 km;b)3 km;c)10 km 和3 km 兩種產品的差值Fig.5.Spatial distribution of multiyear average for MODIS AOD.a) 10 km;b) 3 km;c) the difference between the two products of 10 km and 3 km

為了進一步研究北極AOD 在空間上的逐月變化與分布特征,圖6 和圖7 分別給出了MODIS 10 km 和3 km AOD 產品在北極3—10 月的月平均空間分布。從圖6 和圖7 可以看出,在春季,兩種MODIS AOD產品在北極的有效觀測范圍逐月增大,值范圍介于0.1～0.5,且AOD 普遍介于0.1～0.3。春季時北極兩種AOD 產品均在4 月北極北歐區域達到最高值,這可能與來自歐亞大陸工業活動來源的污染和低濕清除率有關[28-30]。與春季5 月相比,夏季6 月的AOD值迅速減小,AOD 值介于0.05～0.1 的范圍變大,這可能由于夏季降水量增大,使得北極氣溶膠濕移除過程更加有效地降低了污染物濃度(在北極濕移除過程是氣溶膠去除的主要機制[26])。在7 月和8 月,AOD 高值范圍逐漸在北極較低緯度區域增大,與北美和西伯利亞輸送的北方森林火災煙霧導致的污染物負荷大大增加有關[31-32]。在秋季9—10 月份,北極AOD 普遍較小(低于0.1),空氣整體上較為清潔,主要原因可能是秋季時從中緯度到北極的氣溶膠傳輸效率較低[33],使得北極地區受到外來氣溶膠的影響較小。

圖6 MODIS 10 km AOD 逐月均值空間變化圖Fig.6.Spatial variation of monthly average of MODIS 10 km AOD

圖7 MODIS 3 km AOD 逐月均值空間變化圖Fig.7.Spatial variation of monthly average MODIS 3 km AOD

4 結論

本文利用北極地區AERONET 的16 個地面觀測點的氣溶膠觀測數據,評估了MODIS 最新發布的C6.1 版本的Level 2.0 10 km 和3 km AOD 產品在北極地區的反演精度,并基于2000 年3 月—2018年10 月MODIS AOD 產品分析了北極AOD 的時空分布特征。主要結論如下。

(1)MODIS 10 km 和3 km AOD 與AERONET 地面觀測點的符合性較好,相關性可達0.840 和0.853,且RMSE值均小于0.1,表明MODIS 10 km 和3 km AOD 氣溶膠產品適用于分析北極大氣氣溶膠時空分布狀況,且兩者均傾向于高估氣溶膠負荷。

(2)在空間上,MODIS 10 km 和3 km AOD 兩種產品均適用于北極東半球地區,F_W幾乎都在期望誤差范圍內,R值最高,RMB接近1,RMSE值最低。MODIS 10 km 產品在西半球呈現出緯度越高、精度越高的特點,但3 km 產品沒有顯示這一規律。整體上,北極地區MODIS 10 km AOD 產品精度略高于3 km 產品。在時間上,兩種MODIS AOD 產品在5、9 和10 月份精度評估較高。R和RMSE在春、夏、秋季先升高后降低,呈雙峰型的F_W的變化趨勢以及與AERONET 的逐月均值差值表明,MODIS兩種AOD 產品在秋季冷干季的精度比春夏季暖濕季的精度高。

(3)基于北極地區MODIS AOD 產品發現,低緯度和高緯度AOD 之間存在顯著差異,AOD 隨緯度降低不均勻增大。MODIS 10 km 和3 km 兩種產品的AOD 在空間分布上高度相似,但在細節上有所不同:在北極洋面上,MODIS 10 km 的AOD 值通常更大,而在北極陸面上,MODIS 3 km 的AOD 值更大。

(4)在北極地區,MODIS AOD 產品的季節性分布特征不同。在春季,MODIS 10 km 和3 km 兩種產品的AOD 均在4 月份的北極北歐區域達到最高值。夏季6—8 月的AOD 高值范圍逐漸增大。在秋季9—10 月份,北極大部分地區的AOD 均值都在0.1以下,說明秋季時北極受到中低緯度地區的氣溶膠影響小。