MODIS土地利用数据在CALPUFF中的应用.docx

MODIS土地利用数据在CALPUFF中的应用 下垫面 ( underlying surface) 是指与大气下层直接接触的地球表面。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。在模拟区域和污染源确定的情况下，下垫面参数是影响大气扩散最重要的参数，对污染物浓度预测结果影响很大。各大气质量模型都需要土地利用数据。1. AERMOD土地利用数据介绍在AERMOD模型中，下垫面参数通过粗糙度、反照率和波文比表示，共分有8中不同的土地利用类型，还可以根据气候情况干燥、半湿润和湿润来选取不同的参数，这些参数在导则附录中已按春夏秋冬四季给出明确数值。在使用AERMOD模型预测中，由于一般情况下预测范围较小，我们手动设定其地表参数即可，将预测区域以原点为中心划分扇区，最多划分12个扇区，每个扇区的下垫面特征可以根据半径3km的情况进行确定。2. CALPUFF模型下垫面参数介绍CALPUFF模型中使用更多的参数来表述下垫面，下垫面参数采用粗糙度、反照率、反照率、土壤热通量、人类活动热通量和叶面积指数表示。土地利用类型基于美国地表土地利用分类系统，分为14种，土地利用类型及其参数见下表。土地利用类型描述粗糙度反照率波文比土壤热通量叶面积指数10城市1.050.220非灌溉农业用地0.153.0-20灌溉农业用地0.153.030草地0.050.251.00.150.540林地1.00.101.00.157.051小水体0.0010.100.01.00.054港湾/河口0.0010.010.01.00.055大水体0.0010.100.01.00.060湿地1.052.061森林湿地1.052.062非森林湿地0.251.070荒地0.050.31.00.150.0580冻原0.15090雪地0.0502.1. GLCC土地利用数据介绍CALPUFF模型中所有参数均为网格化的，下垫面参数也不例外，故需要给每个网格赋值一个下垫面参数，CALPUFF考虑到我们给每个网格设置参数，在模拟网格数很多时，实在很不方便，而且在大多情况下我们也难于判断每个网格的下垫面，故它提供了一个前处理程序，程序可以读取预定格式的土地利用数据，给出每个网格的下垫面参数，CALPUFF官方怕我们找不到预定格式的土地利用数据更是贴心的给我们提供全球范围的土地利用数据，而且数据还是免费的，数据如下：数据集覆盖范围分辨率数据日期数据集关键字Global Land Cover Characterization (GLCC)全球30秒（1km）1997 (Version 1)1999 (Version 2)GLAZNA(北美)GLAZSA(南美)GLAZEU(欧洲)GLAZAS(亚洲)GLAZAF(非洲)GLAZAP(澳洲)National Land Cover Data (NLCD)美国30m2011,2006,2001,1992NLCD92NLCDTFNLCD01USGS Land Use Land Cover (LULC)美国1:100,0001:250,000Early 1990sCTGCorine欧洲100m250m1990,2000,2006GEN石家庄庄为例，坐标采用UTM（北半球50区），范围60km*40km。采用CALPUFF提供的预处理程序CTGPROC V2.684版本，得出结果如下：2.2MODIS数据介绍鉴于以上情况。我们必须去找替代GLCC的数据来获取正确、精确而且时间节点比较新的数据，最重要的一点是数据必须是免费的。那么地球上可能就这一种选择了那就是MODIS数据。2.2.1MODIS数据特点及技术指标（1）概况MODIS全称Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，即中分辨率成像光谱仪。1998年MODIS机载模型器安装到EOS-AM（上午轨道）和PM（下午轨道）系列卫星上，从1999年12月正式向地面发送数据。MODIS是NASA地球行星使命计划中总数为15。插话啥时候能看见CNSA发布的免费数据。（2）数据特点MODIS数据主要有四个特点：全球免费：NASA对MODIS数据实行全球免费接收的政策（TERRA卫星除MODIS外的其他传感器获取的数据均采取公开有偿接收和有偿使用的政策），这样的数据接收和使用政策对于目前我国大多数科学家来说是不可多得的、廉价并且实用的数据资源；光谱范围广：MODIS数据涉及波段范围广（共有36个波段，光谱范围从0.4um-14.4um），数据分辨率比NOAA-AVHRR有较大的进展（辐射分辨率达12bits，其中两个通道的空间分辨率达250m，5个通道为500m，另29个通道为1000m）。这些数据均对地球科学的综合研究和对陆地、大气和海洋进行分门别类的研究有较高的实用价值；数据接收简单：MODIS接收相对简单，它利用X波段向地面发送，并在数据发送上增加了大量的纠错能力，以保证用户用较小的天线（仅3m）就可以得到优质信号；更新频率高：TERRA和AQUA卫星都是太阳同步极轨卫星，TERRA在地方时上午过境，AQUA在地方时下午过境。TERRA与AQUA上的MODIS数据在时间更新频率上相配合，加上晚间过境数据，对于接收MODIS数据来说可以得到每天最少2次白天和2次黑夜更新数据。这样的数据更新频率，对实时地球观测和应急处理（例如森林和草原火灾监测和救灾）有较大的实用价值。2.2.2 MCD12Q1数据介绍MODIS三级数据土地覆盖类型产品（Land Cover data）是根据一年的Terra和Aqua观测所得的数据经过处理，描述土地覆盖的类型。该土地覆盖数据集中包含了17个主要土地覆盖类型，根据国际地圈生物圈计划（IGBP），其中包括11个自然植被类型，3个土地开发和镶嵌的地类和3个非草木土地类型定义类。MODIS Terra + Aqua三级土地覆盖类型年度全球500米产品MCD12Q1采用五种不同的土地覆盖分类方案，信息提取主要技术是监督决策树分类。下面是该数据中包含的五个数据集，五个分类方案如下：l 土地覆盖分类1：国际地圈生物圈计划IGBP的全球植被分类方案l 土地覆盖分类2：美国马里兰大学（UMD格式）方案l 土地覆盖分类3：基于MODIS叶面积指数/光合有效辐射方案l 土地覆盖分类4：基于MODIS衍生净初级生产力（NPP）方案l 土地覆盖分类5：植物功能型（PFT）方案下表为土地利用数据分类分类IGBP(类型1)UMD(类型2)LAI/fPAR(类型3)NPP(类型4)PFT（类型5）0水体水体水体水体水体1常绿针叶林常绿针叶林谷类及草本作物常绿针叶林常绿针叶林2常绿阔叶林常绿阔叶林灌木常绿阔叶林常绿阔叶林3落叶针叶林落叶针叶林阔叶作物落叶针叶林落叶针叶林4落叶阔叶林落叶阔叶林稀树草原落叶阔叶林落叶阔叶林5混交林混交林阔叶林一年生阔叶植被灌木6郁闭灌丛郁闭灌丛针叶林一年生草本植被草地7开放灌丛开放灌丛无植被覆盖区无植被覆盖区谷类作物8多树的草原多树的草原城市城市阔叶作物9稀树草原稀树草原城市和建成区10草原草原雪、冰11永久湿地贫瘠及稀疏植被区12作物作物13城市和建成区城市和建成区14作物和自然植被的镶嵌体15雪、冰16裸地或低植被覆盖地裸地或低植被覆盖地254未分类区未分类区未分类区未分类区未分类区255填充值填充值填充值填充值填充值数据的下载地址为/MOTA/MCD12Q1.051/2013.01.01/，中国区域的数据可以根据上图计算出，我们只需下载几个文件就可以。数据为HDF格式，可以用Globemapper软件打开。打开后如下图所示。2.2.3数据转换现在我们已有2013年的500米分辨率的土地利用数据，只需要将该数据读取，然后将对应数值赋予CALPUFF网格就可以。因为国际地圈生物圈计划IGBP的全球植被分类方案与CALPUFF的美国地表土地利用分类系统分类并不一致，故需要做一个转换。对应土地利用类型如下。可以看出有以下几个缺点1、 IGBP并没有冻原，不过并不影响中国，因为咱国家并没有冻原，即使有，也不会再上面建设大气污染项目2、 无法区分农业用地的灌溉用地和非灌溉用地3、 无法区分森林湿地和非森林湿地数值Land Use土地分类CALPUFFIGBP1Urban or built-up land城市或建筑物11132Agricultural land农业用地