卫星遥感气溶胶光学厚度的对比

卫星遥感气溶胶光学厚度的对比

气溶胶和地表特征的反演与多通道遥感观测的需求流畅层气溶解颗粒来源于工业活动、生物燃烧等人类资源，以及沙子、海洋资源等自然资源。它们对太阳辐射的直接作用以及对云的微物理过程的影响、对大气化学过程的影响分别表现为对气候变化的直接强迫和间接强迫。由于大多气溶胶只有几天的生命期以及空间变化很大,利用卫星来观测全球气溶胶的分布和变化非常迫切。NASA发射的Terra卫星承载的MODIS传感器具有36个通道,覆盖了紫外、可见、近红外、红外等通道,为反演气溶胶和地表特征提供了丰富的信息。卫星接收到的辐射来源于地球大气的散射以及地表反射的复杂相互影响,卫星遥感陆地气溶胶长期以来存在地表反射率和气溶胶光学特征两方面同时未知的难题。Kaufman等通过大量飞机试验发现对于植被密集的具有较低反照率的地表存在2.13μm近红外通道反照率与0.47μm、0.66μm可见光通道反射率相关很好的结论,成功地运用于MODIS的气溶胶反演。城市气溶胶光学厚度同时反映了大气污染的污浊程度,高分辨率的卫星遥感提供了监测城市大气污染的可能性。卫星遥感弥补了一般地面观测难以反映污染物空间具体分布和变化趋向的不足。但是对于光学厚度反演过程中源于地表反照率和气溶胶模型带来的误差难以估计,卫星遥感需要同时有地面太阳光度计观测进行对比。NASA在全球几个洲的大陆部分和少数海岛海岸建立了一个包含大约70个地面太阳光度计的全球自动观测网,为MODIS遥感气溶胶提供地面多通道遥感的对比资料。我们利用多通道太阳光度计在北京的连续观测,对照了MODIS气溶胶产品,二者的相关性比较好。对于中国大陆,各地区地表植被分布、气溶胶类型具有很大差异,有必要在不同代表性地区建立这种连续观测的地面站。1气溶胶光学厚度计算首先简单回顾一下利用卫星遥感大气气溶胶的基本原理。卫星观测到的反射率Rsat可以由下式表示:Rsat=f(τ0,RSURF)=πLsat(τ0,μ,ϕ,μ0,ϕ0,)/μ0F0)(1)Rsat=f(τ0,RSURF)=πLsat(τ0,μ,ϕ,μ0,ϕ0,)/μ0F0)(1)其中,F0为大气上界太阳辐射通量密度,τ0为整层大气光学厚度,(μ0,ϕ0)为入射光的方向,(μ,ϕ)是卫星观测方向,μ0,ϕ0,μ,ϕ分别为天顶角的余弦和方位角,Lsat(τ,μ,ϕ,μ0,ϕ0)为卫星接收到的辐射,它满足辐射传输方程。如果假设下垫面是反射率为RSURF的均匀朗伯面,Rsat可表示为:Rsat(μ,ϕ‚μ0,ϕ0)=RAΤΜ(μ,ϕ‚μ0,ϕ0)+ΤAΤΜ(μ0)ΤAΤΜ(μ)RSURF1-RSURFRAΤΜ(2)Rsat(μ,ϕ‚μ0,ϕ0)=RATM(μ,ϕ‚μ0,ϕ0)+TATM(μ0)TATM(μ)RSURF1−RSURFRATM(2)RATM为整层大气反射率,TATM(μ0)和TATM(μ)分别表示从太阳到地面、从地面到卫星大气层总的透过率(直射+漫射),系数1/(1-RSURFRATM)代表地面和大气层多次散射的作用,因此卫星观测到的反射率Rsat既是气溶胶光学厚度的函数,又是下垫面反射率的函数,如果知道了下垫面的反射率RSURF,并假定一定大气气溶胶模型,可以反演得到气溶胶光学厚度。辐射传输过程一般利用辐射传输模式来完成。业务的反演算法为节省计算时间采用一个含有多维变量的查算表(LUT)。NASA的MODIS气溶胶算法中,首先为了获得较高的信噪比,将250m和500m的晴空卫星资料合成为1km分辨率的资料,以下列4个优先级进行蓝光0.47μm和红光0.66μm通道地表反射率的确定:1)如果0.01≤R*2.1≤0.05,则R0.47=R*2.1/4,R0.66=R*2.1/2;2)如果R*3.8≤0.025,则R0.47=0.01,R0.66=0.02;3)如果0.01≤R*2.1≤0.10,则R0.47=R*2.1/4,R0.66=R*2.1/2;4)如果0.01≤R*2.1≤0.15,则R0.47=R*2.1/4,R0.66=R*2.1/2在10km×10km的像素点中选择出10%~40%低地表反射率的像点进行反演并取平均,作为10km×10km的代表值。在气溶胶模型的选取上,Kaufman等采用了一种先假设为大陆型气溶胶进行反演,然后计算红光、蓝光的单次散射路径辐射的比值进一步订正气溶胶类型和光学厚度的方法。单次散射路径辐射定义为:Lλ=τλΡλωλ/(4μμ0)(3)其中τλ,Pλ,ωλ分别为光学厚度,相函数和散射比(单次散射反照率)。μ,μ0为观测方向和入射光方向天顶角的余弦。具体确定方法如下:1)光学厚度τred<0.15,多通道遥感难以敏感地区分此时的气溶胶类型,采用大陆型气溶胶;2)Lred/Lblue>A(θ),沙尘型气溶胶;3)Lred/Lblue<B(θ),为非沙尘型气溶胶。θ为散射角,当40°≤θ≤150°时,A(θ)=0.90,B(θ)=0.72;当150°≤θ≤168°时,A(θ)=0.9-0.01(θ-150°),B(θ)=0.72。对于非沙尘型气溶胶,采用按地域和季节来确定气溶胶模式的粗略方法。在中国大陆的东部和南部,一般取为城市和沙尘混合型气溶胶。最后按照两个通道的光学厚度,可进一步确定。Angstr¨om常数以及550nm的光学厚度。2多谱光度计气溶胶光学厚度的基本原理利用多波段光度计遥感气溶胶光学厚度是目前气溶胶遥感手段中最准确的方法,通常被用来校验卫星遥感的结果,如NOAA为验证第一代利用AVHRR遥感海洋上空气溶胶的方法,曾经在10个沿岸和岛屿观测点及观测船上进行了气溶胶多波段光度计遥感,通过比较两种遥感结果的一致性来验证卫星遥感的结果。NASA为了研究全球气溶胶的传输、气溶胶辐射效应、验证辐射传输模式以及校验卫星遥感气溶胶的结果,在全球建立了一个气溶胶自动地面遥感网(AERONET)。在北京大学物理楼楼顶,我们建立了长期连续的多波段太阳光度计观测。该仪器为北京师范大学光电仪器厂生产的BB型10波段光度计。探测器采用硅光电二极管,仪器视场为3°圆形视场,10个波段中心波长分别位于450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm附近,半波宽度10~20nm。多波段光度计遥感是以太阳为光源的被动遥感手段,自大气上界入射到地气系统的太阳辐射受到大气中气体分子以及大气气溶胶粒子的散射和吸收,在地面接收到的太阳辐射包含了大气中气溶胶信息,通过测量接收到的辐射就可以反演气溶胶的信息。多波段光度计遥感气溶胶光学厚度的基本原理如下:设日地平均距离大气上界波长为λ处太阳辐射通量密度为F0(λ),通过大气到达地面的太阳辐射为F(λ),τ(λ)为波长为λ处大气光学厚度,m(θ)为大气质量数,它表示太阳光自某一天顶角θ入射时和自天顶(θ=0)入射时整层大气的光学厚度比值,m(θ)=τ(λ,θ)τ(λ,0),α为日地距离校正因子,根据朗伯-比尔定律F(λ)=αF0(λ)exp(-mτ(λ))(4)其中,α=(rm/r)2,rm为日地平均距离,r为观测时实际的日地距离。m为大气质量数。对式(4)两边取对数,得ln(F(λ)/α)=lnF0(λ)-m(θ)τ(λ)(5)太阳光度计测得的电压正比于入射的太阳辐射,设V(λ)为太阳光度计的实测数值,V0(λ)为光度计对应于F0(λ)的测量值,则有ln(V(λ)/α)=lnV0(λ)-m(θ)τ(λ)(6)如果已知V0(λ),根据公式(6),整层大气的光学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部分组成:τ(λ)=τaero(λ)+τr(λ)+τab(λ)(8)τaero(λ)为大气气溶胶光学厚度,τr(λ)为大气分子瑞利散射光学厚度,τab(λ)为大气中吸收气体的光学厚度。如果已知波长λ处大气分子瑞利散射光学厚度和吸收气体的光学厚度,根据式(8)可以求出该波段大气气溶胶光学厚度。当地面处于标准状态,气压为p0=1013.25hPa时,单波长的大气分子瑞利散射光学厚度可由下式求出:τr,0(λ)=0.0088λ-4.05(9)在实际地面气压是p时,整层大气分子瑞利散射光学厚度按下式求出:τr(λ)=pp0τr,0(λ)(10)吸收气体的光学厚度与光度计各波段吸收气体的吸收系数有关,应根据不同的波段分别计算该波段吸收气体的光学厚度。由(8)知,为求出大气气溶胶光学厚度,必须已知大气上界波长为λ处太阳辐射通量密度F0(λ)对应的仪器响应常数V0(λ),确定V0(λ)的过程即仪器定标的过程。常用的定标方法有标准光源法和Langley法两种。我们采用了标准光源法和Langley法相结合的方法进行了仪器定标,对该台仪器分别在海拔较高,远离城市的河北兴隆天文台(海拔1000m)、西藏当雄(海拔4200m)、安徽黄山(海拔1860m)3个定标点进行Langley法定标。订正后总误差在光学厚度比较小的情况下应小于10%,在中等浑浊度情况下,相对误差在2%左右。3卫星遥感与地面光度计我们取得了NASA发布的2000年8~12月MODIS遥感陆地气溶胶的数据,该数据集的空间分辨率为10km×10km。基本每天10:00到11:00(北京时,下同)卫星经过北京。我们提取出距离北京大学地面光度计观测点15km以内最近的像点的数值,两者的对比如图1所示。从图1可见对于太阳光度计所测的光学厚度小于0.5的情况,二者具有比较好的相关。如果去除了距离大于10km并且时间差距3h以上的数据,拟合线的斜率更接近1.0。同时我们得出一般情况下卫星遥感的10km×10km分辨率的气溶胶光学厚度小于地面光度计遥感的结果。由于太阳光度计的观测时间一般在午后1:00到2:00,晚于卫星观测时间2~3h,地面光度计遥感的结果较大的结论也与我们利用光度计观测气溶胶发现中午大于上午的结论相符。图2为这两组数据的时间序列。图中可见主要在第307、318和341天的3个数据点光度计观测远大于卫星遥感值。虽然我们从理论上说,太阳光度计的测量具有较高的精度,由于太阳光度计的观测更代表局地性,卫星观测结果代表10km×10km的平均,所以这种差异可能是由于气溶胶在小尺度上空间和时间上的局地变化引起。另外一个可能的原因是太阳光度计遥感过程中,太阳直射路径中是否有云,现在完全凭观测人员的肉眼和多次读数是否稳定来判断。MODIS的10km×10km的气溶胶产品建立在250m和500m分辨率多通道的晴空、云量识别算法的基础上。微量卷云的影响,将造成气溶胶光学厚度的较大误差。(星点处代表北京大学地面观测点所在位置,圆点代表卫星观测数据的覆盖区域和分辨率,左图为2000年12月12日(day347),光度计遥感结果为0.152,时间迟后175min;右图为2000年12月15日(day350),光度计遥感结果为0.116,时间迟后134min)图3向我们展示了2000年12月12日(day347)和2000年12月15日(day350)卫星遥感与地面光度计遥感的对比,两者基本相吻合。卫星遥感给出的空间变化使我们更好地理解地面光度计得到的在空间上孤立的数据的代表性。由卫星遥感我们看到,在北京的西北部山区向东南部平原方向,气溶胶分布一般呈递增趋势。北京大学处于北京城区的西北,处于郊区向城区过渡的地带,气溶胶空间变化梯度也常常较大。由于气溶胶的时间变化也比较迅速,所以这种对比观测对时间和空间的匹配应有更严格的要求。表1给出图1中3种情况的相关系数分别为:0.327,0.474和0.538,在经过了空间选择和时间选择后,数据相关性明显提高,超过95%置信度要求。这说明气溶胶时间和空间变化性比较大。而去除太阳光度计测量的3个“野点”的数据以后,相关系数提高到:0.490,0.643和0.724,都远超过99%置信度要求。说明对于参与这种比较的数据质量非常重要。对于我们今后地面光度计观测的启示是:第1在时间上和卫星过境时间尽量匹配;第2注意观测时刻的云的影响,是否绝对晴空,或采取其他手段同时监测太阳直射路径是否有微小云量存在。从卫星遥感的角度来看,地表反照率通过近红外方法确定带来一定的误差,按照Kaufman等的估计,这种误差与地表植被的密集程度有关。暗背景密集植被地区误差较小。另外气溶胶模型的选择存在一定的误差,而且往往是光学厚度反演过程中的最大误差。4气溶胶光学厚度分布从以上的地面观测与卫星遥感的对比分析,我们可以认为MODIS气溶胶遥感产品达到相应的质量要求。卫星遥感的优势在于提供气溶胶的区域分布,我们选取了两天的如下个例,与北京地区的地形分布叠加在同一张图上,来分析北京地区气溶胶的分布和区域污染特征。(左图为2000年8月31日(doy244),北京大学太阳光度计观测值0.723(延迟144min);当日空气污染指数为69(良好),主要污染物为可吸入颗粒物。右图为2000年9月28日(doy272),北京大学太阳光度计观测值0.265(延迟138min),当日空气污染指数为45(优))图4为2000年8月31日和9月28日两天由MODIS卫星遥感所给出的气溶胶光学厚度分布。空气污染指数分别为69(良好)、45(优),分别相当于国家空气质量II级和I级标准。从图中可见以下特征:(1)气溶胶的区域分布强烈受到地形的影响。在海拔较高的山区,气溶胶光学厚度明显低于平原地区。主要因为二者在边界层热力和动力结构上具有显著的不同,其次工业和交通等