衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度的對比

衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度的對比

氣溶膠和地表特征的反演與多通道遙感觀測的需求流暢層氣溶解顆粒來源于工業(yè)活動、生物燃燒等人類資源，以及沙子、海洋資源等自然資源。它們對太陽輻射的直接作用以及對云的微物理過程的影響、對大氣化學(xué)過程的影響分別表現(xiàn)為對氣候變化的直接強(qiáng)迫和間接強(qiáng)迫。由于大多氣溶膠只有幾天的生命期以及空間變化很大,利用衛(wèi)星來觀測全球氣溶膠的分布和變化非常迫切。NASA發(fā)射的Terra衛(wèi)星承載的MODIS傳感器具有36個通道,覆蓋了紫外、可見、近紅外、紅外等通道,為反演氣溶膠和地表特征提供了豐富的信息。衛(wèi)星接收到的輻射來源于地球大氣的散射以及地表反射的復(fù)雜相互影響,衛(wèi)星遙感陸地氣溶膠長期以來存在地表反射率和氣溶膠光學(xué)特征兩方面同時(shí)未知的難題。Kaufman等通過大量飛機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對于植被密集的具有較低反照率的地表存在2.13μm近紅外通道反照率與0.47μm、0.66μm可見光通道反射率相關(guān)很好的結(jié)論,成功地運(yùn)用于MODIS的氣溶膠反演。城市氣溶膠光學(xué)厚度同時(shí)反映了大氣污染的污濁程度,高分辨率的衛(wèi)星遙感提供了監(jiān)測城市大氣污染的可能性。衛(wèi)星遙感彌補(bǔ)了一般地面觀測難以反映污染物空間具體分布和變化趨向的不足。但是對于光學(xué)厚度反演過程中源于地表反照率和氣溶膠模型帶來的誤差難以估計(jì),衛(wèi)星遙感需要同時(shí)有地面太陽光度計(jì)觀測進(jìn)行對比。NASA在全球幾個洲的大陸部分和少數(shù)海島海岸建立了一個包含大約70個地面太陽光度計(jì)的全球自動觀測網(wǎng),為MODIS遙感氣溶膠提供地面多通道遙感的對比資料。我們利用多通道太陽光度計(jì)在北京的連續(xù)觀測,對照了MODIS氣溶膠產(chǎn)品,二者的相關(guān)性比較好。對于中國大陸,各地區(qū)地表植被分布、氣溶膠類型具有很大差異,有必要在不同代表性地區(qū)建立這種連續(xù)觀測的地面站。1氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算首先簡單回顧一下利用衛(wèi)星遙感大氣氣溶膠的基本原理。衛(wèi)星觀測到的反射率Rsat可以由下式表示:Rsat=f(τ0,RSURF)=πLsat(τ0,μ,?,μ0,?0,)/μ0F0)(1)Rsat=f(τ0,RSURF)=πLsat(τ0,μ,?,μ0,?0,)/μ0F0)(1)其中,F0為大氣上界太陽輻射通量密度,τ0為整層大氣光學(xué)厚度,(μ0,?0)為入射光的方向,(μ,?)是衛(wèi)星觀測方向,μ0,?0,μ,?分別為天頂角的余弦和方位角,Lsat(τ,μ,?,μ0,?0)為衛(wèi)星接收到的輻射,它滿足輻射傳輸方程。如果假設(shè)下墊面是反射率為RSURF的均勻朗伯面,Rsat可表示為:Rsat(μ,??μ0,?0)=RAΤΜ(μ,??μ0,?0)+ΤAΤΜ(μ0)ΤAΤΜ(μ)RSURF1-RSURFRAΤΜ(2)Rsat(μ,??μ0,?0)=RATM(μ,??μ0,?0)+TATM(μ0)TATM(μ)RSURF1?RSURFRATM(2)RATM為整層大氣反射率,TATM(μ0)和TATM(μ)分別表示從太陽到地面、從地面到衛(wèi)星大氣層總的透過率(直射+漫射),系數(shù)1/(1-RSURFRATM)代表地面和大氣層多次散射的作用,因此衛(wèi)星觀測到的反射率Rsat既是氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù),又是下墊面反射率的函數(shù),如果知道了下墊面的反射率RSURF,并假定一定大氣氣溶膠模型,可以反演得到氣溶膠光學(xué)厚度。輻射傳輸過程一般利用輻射傳輸模式來完成。業(yè)務(wù)的反演算法為節(jié)省計(jì)算時(shí)間采用一個含有多維變量的查算表(LUT)。NASA的MODIS氣溶膠算法中,首先為了獲得較高的信噪比,將250m和500m的晴空衛(wèi)星資料合成為1km分辨率的資料,以下列4個優(yōu)先級進(jìn)行藍(lán)光0.47μm和紅光0.66μm通道地表反射率的確定:1)如果0.01≤R*2.1≤0.05,則R0.47=R*2.1/4,R0.66=R*2.1/2;2)如果R*3.8≤0.025,則R0.47=0.01,R0.66=0.02;3)如果0.01≤R*2.1≤0.10,則R0.47=R*2.1/4,R0.66=R*2.1/2;4)如果0.01≤R*2.1≤0.15,則R0.47=R*2.1/4,R0.66=R*2.1/2在10km×10km的像素點(diǎn)中選擇出10%~40%低地表反射率的像點(diǎn)進(jìn)行反演并取平均,作為10km×10km的代表值。在氣溶膠模型的選取上,Kaufman等采用了一種先假設(shè)為大陸型氣溶膠進(jìn)行反演,然后計(jì)算紅光、藍(lán)光的單次散射路徑輻射的比值進(jìn)一步訂正氣溶膠類型和光學(xué)厚度的方法。單次散射路徑輻射定義為:Lλ=τλΡλωλ/(4μμ0)(3)其中τλ,Pλ,ωλ分別為光學(xué)厚度,相函數(shù)和散射比(單次散射反照率)。μ,μ0為觀測方向和入射光方向天頂角的余弦。具體確定方法如下:1)光學(xué)厚度τred<0.15,多通道遙感難以敏感地區(qū)分此時(shí)的氣溶膠類型,采用大陸型氣溶膠;2)Lred/Lblue>A(θ),沙塵型氣溶膠;3)Lred/Lblue<B(θ),為非沙塵型氣溶膠。θ為散射角,當(dāng)40°≤θ≤150°時(shí),A(θ)=0.90,B(θ)=0.72;當(dāng)150°≤θ≤168°時(shí),A(θ)=0.9-0.01(θ-150°),B(θ)=0.72。對于非沙塵型氣溶膠,采用按地域和季節(jié)來確定氣溶膠模式的粗略方法。在中國大陸的東部和南部,一般取為城市和沙塵混合型氣溶膠。最后按照兩個通道的光學(xué)厚度,可進(jìn)一步確定。Angstr¨om常數(shù)以及550nm的光學(xué)厚度。2多譜光度計(jì)氣溶膠光學(xué)厚度的基本原理利用多波段光度計(jì)遙感氣溶膠光學(xué)厚度是目前氣溶膠遙感手段中最準(zhǔn)確的方法,通常被用來校驗(yàn)衛(wèi)星遙感的結(jié)果,如NOAA為驗(yàn)證第一代利用AVHRR遙感海洋上空氣溶膠的方法,曾經(jīng)在10個沿岸和島嶼觀測點(diǎn)及觀測船上進(jìn)行了氣溶膠多波段光度計(jì)遙感,通過比較兩種遙感結(jié)果的一致性來驗(yàn)證衛(wèi)星遙感的結(jié)果。NASA為了研究全球氣溶膠的傳輸、氣溶膠輻射效應(yīng)、驗(yàn)證輻射傳輸模式以及校驗(yàn)衛(wèi)星遙感氣溶膠的結(jié)果,在全球建立了一個氣溶膠自動地面遙感網(wǎng)(AERONET)。在北京大學(xué)物理樓樓頂,我們建立了長期連續(xù)的多波段太陽光度計(jì)觀測。該儀器為北京師范大學(xué)光電儀器廠生產(chǎn)的BB型10波段光度計(jì)。探測器采用硅光電二極管,儀器視場為3°圓形視場,10個波段中心波長分別位于450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm附近,半波寬度10~20nm。多波段光度計(jì)遙感是以太陽為光源的被動遙感手段,自大氣上界入射到地氣系統(tǒng)的太陽輻射受到大氣中氣體分子以及大氣氣溶膠粒子的散射和吸收,在地面接收到的太陽輻射包含了大氣中氣溶膠信息,通過測量接收到的輻射就可以反演氣溶膠的信息。多波段光度計(jì)遙感氣溶膠光學(xué)厚度的基本原理如下:設(shè)日地平均距離大氣上界波長為λ處太陽輻射通量密度為F0(λ),通過大氣到達(dá)地面的太陽輻射為F(λ),τ(λ)為波長為λ處大氣光學(xué)厚度,m(θ)為大氣質(zhì)量數(shù),它表示太陽光自某一天頂角θ入射時(shí)和自天頂(θ=0)入射時(shí)整層大氣的光學(xué)厚度比值,m(θ)=τ(λ,θ)τ(λ,0),α為日地距離校正因子,根據(jù)朗伯-比爾定律F(λ)=αF0(λ)exp(-mτ(λ))(4)其中,α=(rm/r)2,rm為日地平均距離,r為觀測時(shí)實(shí)際的日地距離。m為大氣質(zhì)量數(shù)。對式(4)兩邊取對數(shù),得ln(F(λ)/α)=lnF0(λ)-m(θ)τ(λ)(5)太陽光度計(jì)測得的電壓正比于入射的太陽輻射,設(shè)V(λ)為太陽光度計(jì)的實(shí)測數(shù)值,V0(λ)為光度計(jì)對應(yīng)于F0(λ)的測量值,則有l(wèi)n(V(λ)/α)=lnV0(λ)-m(θ)τ(λ)(6)如果已知V0(λ),根據(jù)公式(6),整層大氣的光學(xué)厚度可以由下式求出:τ(λ)=1m(θ)ln(αV0(λ)V(λ))(7)τ(λ)主要由3部分組成:τ(λ)=τaero(λ)+τr(λ)+τab(λ)(8)τaero(λ)為大氣氣溶膠光學(xué)厚度,τr(λ)為大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度,τab(λ)為大氣中吸收氣體的光學(xué)厚度。如果已知波長λ處大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度和吸收氣體的光學(xué)厚度,根據(jù)式(8)可以求出該波段大氣氣溶膠光學(xué)厚度。當(dāng)?shù)孛嫣幱跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài),氣壓為p0=1013.25hPa時(shí),單波長的大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度可由下式求出:τr,0(λ)=0.0088λ-4.05(9)在實(shí)際地面氣壓是p時(shí),整層大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度按下式求出:τr(λ)=pp0τr,0(λ)(10)吸收氣體的光學(xué)厚度與光度計(jì)各波段吸收氣體的吸收系數(shù)有關(guān),應(yīng)根據(jù)不同的波段分別計(jì)算該波段吸收氣體的光學(xué)厚度。由(8)知,為求出大氣氣溶膠光學(xué)厚度,必須已知大氣上界波長為λ處太陽輻射通量密度F0(λ)對應(yīng)的儀器響應(yīng)常數(shù)V0(λ),確定V0(λ)的過程即儀器定標(biāo)的過程。常用的定標(biāo)方法有標(biāo)準(zhǔn)光源法和Langley法兩種。我們采用了標(biāo)準(zhǔn)光源法和Langley法相結(jié)合的方法進(jìn)行了儀器定標(biāo),對該臺儀器分別在海拔較高,遠(yuǎn)離城市的河北興隆天文臺(海拔1000m)、西藏當(dāng)雄(海拔4200m)、安徽黃山(海拔1860m)3個定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行Langley法定標(biāo)。訂正后總誤差在光學(xué)厚度比較小的情況下應(yīng)小于10%,在中等渾濁度情況下,相對誤差在2%左右。3衛(wèi)星遙感與地面光度計(jì)我們?nèi)〉昧薔ASA發(fā)布的2000年8~12月MODIS遙感陸地氣溶膠的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為10km×10km?；久刻?0:00到11:00(北京時(shí),下同)衛(wèi)星經(jīng)過北京。我們提取出距離北京大學(xué)地面光度計(jì)觀測點(diǎn)15km以內(nèi)最近的像點(diǎn)的數(shù)值,兩者的對比如圖1所示。從圖1可見對于太陽光度計(jì)所測的光學(xué)厚度小于0.5的情況,二者具有比較好的相關(guān)。如果去除了距離大于10km并且時(shí)間差距3h以上的數(shù)據(jù),擬合線的斜率更接近1.0。同時(shí)我們得出一般情況下衛(wèi)星遙感的10km×10km分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度小于地面光度計(jì)遙感的結(jié)果。由于太陽光度計(jì)的觀測時(shí)間一般在午后1:00到2:00,晚于衛(wèi)星觀測時(shí)間2~3h,地面光度計(jì)遙感的結(jié)果較大的結(jié)論也與我們利用光度計(jì)觀測氣溶膠發(fā)現(xiàn)中午大于上午的結(jié)論相符。圖2為這兩組數(shù)據(jù)的時(shí)間序列。圖中可見主要在第307、318和341天的3個數(shù)據(jù)點(diǎn)光度計(jì)觀測遠(yuǎn)大于衛(wèi)星遙感值。雖然我們從理論上說,太陽光度計(jì)的測量具有較高的精度,由于太陽光度計(jì)的觀測更代表局地性,衛(wèi)星觀測結(jié)果代表10km×10km的平均,所以這種差異可能是由于氣溶膠在小尺度上空間和時(shí)間上的局地變化引起。另外一個可能的原因是太陽光度計(jì)遙感過程中,太陽直射路徑中是否有云,現(xiàn)在完全憑觀測人員的肉眼和多次讀數(shù)是否穩(wěn)定來判斷。MODIS的10km×10km的氣溶膠產(chǎn)品建立在250m和500m分辨率多通道的晴空、云量識別算法的基礎(chǔ)上。微量卷云的影響,將造成氣溶膠光學(xué)厚度的較大誤差。(星點(diǎn)處代表北京大學(xué)地面觀測點(diǎn)所在位置,圓點(diǎn)代表衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的覆蓋區(qū)域和分辨率,左圖為2000年12月12日(day347),光度計(jì)遙感結(jié)果為0.152,時(shí)間遲后175min;右圖為2000年12月15日(day350),光度計(jì)遙感結(jié)果為0.116,時(shí)間遲后134min)圖3向我們展示了2000年12月12日(day347)和2000年12月15日(day350)衛(wèi)星遙感與地面光度計(jì)遙感的對比,兩者基本相吻合。衛(wèi)星遙感給出的空間變化使我們更好地理解地面光度計(jì)得到的在空間上孤立的數(shù)據(jù)的代表性。由衛(wèi)星遙感我們看到,在北京的西北部山區(qū)向東南部平原方向,氣溶膠分布一般呈遞增趨勢。北京大學(xué)處于北京城區(qū)的西北,處于郊區(qū)向城區(qū)過渡的地帶,氣溶膠空間變化梯度也常常較大。由于氣溶膠的時(shí)間變化也比較迅速,所以這種對比觀測對時(shí)間和空間的匹配應(yīng)有更嚴(yán)格的要求。表1給出圖1中3種情況的相關(guān)系數(shù)分別為:0.327,0.474和0.538,在經(jīng)過了空間選擇和時(shí)間選擇后,數(shù)據(jù)相關(guān)性明顯提高,超過95%置信度要求。這說明氣溶膠時(shí)間和空間變化性比較大。而去除太陽光度計(jì)測量的3個“野點(diǎn)”的數(shù)據(jù)以后,相關(guān)系數(shù)提高到:0.490,0.643和0.724,都遠(yuǎn)超過99%置信度要求。說明對于參與這種比較的數(shù)據(jù)質(zhì)量非常重要。對于我們今后地面光度計(jì)觀測的啟示是:第1在時(shí)間上和衛(wèi)星過境時(shí)間盡量匹配;第2注意觀測時(shí)刻的云的影響,是否絕對晴空,或采取其他手段同時(shí)監(jiān)測太陽直射路徑是否有微小云量存在。從衛(wèi)星遙感的角度來看,地表反照率通過近紅外方法確定帶來一定的誤差,按照Kaufman等的估計(jì),這種誤差與地表植被的密集程度有關(guān)。暗背景密集植被地區(qū)誤差較小。另外氣溶膠模型的選擇存在一定的誤差,而且往往是光學(xué)厚度反演過程中的最大誤差。4氣溶膠光學(xué)厚度分布從以上的地面觀測與衛(wèi)星遙感的對比分析,我們可以認(rèn)為MODIS氣溶膠遙感產(chǎn)品達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量要求。衛(wèi)星遙感的優(yōu)勢在于提供氣溶膠的區(qū)域分布,我們選取了兩天的如下個例,與北京地區(qū)的地形分布疊加在同一張圖上,來分析北京地區(qū)氣溶膠的分布和區(qū)域污染特征。(左圖為2000年8月31日(doy244),北京大學(xué)太陽光度計(jì)觀測值0.723(延遲144min);當(dāng)日空氣污染指數(shù)為69(良好),主要污染物為可吸入顆粒物。右圖為2000年9月28日(doy272),北京大學(xué)太陽光度計(jì)觀測值0.265(延遲138min),當(dāng)日空氣污染指數(shù)為45(優(yōu)))圖4為2000年8月31日和9月28日兩天由MODIS衛(wèi)星遙感所給出的氣溶膠光學(xué)厚度分布?？諝馕廴局笖?shù)分別為69(良好)、45(優(yōu)),分別相當(dāng)于國家空氣質(zhì)量II級和I級標(biāo)準(zhǔn)。從圖中可見以下特征:(1)氣溶膠的區(qū)域分布強(qiáng)烈受到地形的影響。在海拔較高的山區(qū),氣溶膠光學(xué)厚度明顯低于平原地區(qū)。主要因?yàn)槎咴谶吔鐚訜崃蛣恿Y(jié)構(gòu)上具有顯著的不同,其次工業(yè)和交通等