中国地区MODIS气溶胶光学厚度产品综合验证及分析

讨论了2000年02月~2019年08月不同分辨率、算法中等分辨率成像光谱仪(MODIS)气溶胶光学厚度(AOD)产品在不同季节、区域、下垫面条件下中国区域的精度和适用性,在像元尺度上对比了重采样降低分辨率后的多角度大气校正(MAIAC)AOD数据与其他产品的精度.研究表明:在同等验证条件下,相较于暗目标算法(DT)、深蓝算法(DB)和暗目标与深蓝结合算法(DTB),1km MAIAC AOD产品在中国地区与AERONET站点AOD观测数据整体一致性最高,R 2达到0.891,均方根误差(RMSE)仅为0.126,超过75%的验证样本落在期望误差线(EE)范围内;同时,该产品受季节、区域和下垫面变化影响也最小,其中秋季R 2达到0.917,RMSE为0.111,样本落在EE内的比例达到80.11%.3km DT算法AOD产品在植被覆盖率较大的森林和农田区域优于1km MAIAC AOD产品,在植被覆盖率较小的草地和城市区域则差于1km MAIAC AOD产品,且该产品在不同季节均存在AOD高估问题,其中,夏季高估程度最高(平均相对误差(RMB)=1.622,AOD值高估62.2%).DB在长三角和珠三角地区存在AOD被低估的现象.DTB算法兼顾了DT算法和DB算法的优缺点,DTB算法AOD产品的相关性一般高于DB算法AOD产品,样本被高估程度一般低于DT算法AOD产品.通过重采样方法降低1km MAIAC AOD产品分辨率后,相同尺度下的MAIAC AOD数据精度优于DT算法、DB算法和DTB算法AOD产品,因此,MAIAC算法更适用于小尺度城市群集中区域的大气环境监测.

利用AERONET数据分析北京城乡气溶胶光学特性

选取气溶胶自动观测网(AERONET)北京站和香河站2006-2017年第3版的数据,对比气溶胶光学厚度(AOD)、波长指数A_(E)、可降水量、单次散射反照率、气溶胶散射光学厚度、气溶胶吸收光学厚度、激光雷达比L_(R)、退偏比D_(R)和球形分数S_(F)的季节变化与日变化.香河站的AOD、A_(E)和可降水量均大于北京站,两站在气溶胶吸收特性上表现出夏季北京站大于香河站.受沙尘影响,两站春季L_(R)<60 sr,其他季节均大于60 sr,表现为人为污染和生物质燃烧气溶胶主导. D_(R)在春季最高,夏季和冬季较小,除五月外,北京站的D_(R)均大于香河站. S_(F)在春季为20%~40%,其他季节>50%,且北京站的S_(F)均小于香河站.在A_(E)、D_(R)、S_(F)的日变化中观察到明显具有城乡差异的交通早高峰影响.北京地区在早高峰时段的气溶胶颗粒更大且非球形程度更高,反映出北京市区在早高峰时段会产生更多的机动车扬尘气溶胶.

FY-3A/MERSI气溶胶光学厚度资料在北京及其周围地区的精度评价

采用波长插值和时空匹配的方法,对气溶胶自动观测网(aerosol robotic network,AERONET)和风云三号卫星中分辨率光谱成像仪(FY-3A/MERSI)气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)产品进行匹配,并进一步使用AERONET AOD数据对北京以及周围地区的FY-3A/MERSI AOD产品精度进行验证分析。实验结果表明:(1)FY-3A AOD与AERONET AOD具有较高的相关性(R=0.733),总体偏低于AERONET AOD(bias=-0.012);(2)下垫面植被覆盖度越高,FY-3A AOD反演精度越高;气溶胶浓度较低精度越高,反之反演精度越低;并且在春冬季节的反演精度高于夏秋季节。此结论可为北方地区的FY-3A/MERSI气溶胶产品使用提供参考。

亚洲3个AERONET站点沙尘特性及大气含沙量对比分析

选取全球气溶胶自动观测网在东亚、中亚和南亚地区观测记录最长的兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)、杜尚别站和斋浦尔站的数据,通过沙尘和污染沙尘的有效分离,对比分析了3站的沙尘特性和大气含沙量.结果表明,3站沙尘天气出现频次的季节差异显著,且污染沙尘明显高于沙尘,SACOL站多发于3-4月,杜尚别站多发于6-10月,出现频率最高的斋浦尔站集中于3-7月.3站沙尘和污染沙尘的光学厚度变化特征与其出现频次一致,斋浦尔站由于人为污染的影响,污染沙尘具有较高的吸收性.沙尘和污染沙尘体积谱均以粗模态为主,且浓度峰值差异显著.3站沙尘质量消光系数一致且介于0.3~0.5 m^(2)/g,大气含沙量差异显著,其月平均最大值分别为0.33(3月)、0.24(7月)和0.42 g/m^(2)(7月).

中国地区MODIS Terra/Aqua MAIAC气溶胶光学厚度(AOD)产品反演误差对比分析

最新的多角度大气校正(MAIAC)气溶胶光学厚度(AOD)反演算法已应用于Terra和Aqua两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS),在优化反演精度的同时将AOD产品的空间分辨率提高到1 km级.本研究将2003—2020年重叠期间Terra和Aqua中国地区MAIAC AOD产品与全球气溶胶自动观测网络(AERONET)AOD数据进行对比验证,分析该产品在中国地区的适用性和两颗卫星产品间的差异性,并探讨邻近云像元与观测几何对MAIAC AOD产品的影响.结果表明:MAIAC AOD产品在中国地区有较好的适用性,Terra和Aqua两颗卫星性能表现基本相近,整体验证结果有超过70%的数据落在期望误差(EE)范围内(EET=73.12%,EEA=70.83%).研究发现邻近云像元是影响AOD产品精度的重要因素之一,邻近云像元会造成AOD反演高估,且这种现象随着邻近云像元的数量而增加.经过质量控制剔除邻近云像元的影响,发现观测几何也会引起产品间的偏差,过小或过大的太阳天顶角会造成更大的平均偏差.总体而言,中国地区MODIS Terra/Aqua MAIAC AOD产品间差异较小,Aqua AOD数据平均偏差更小(MBT=0.0111,MBA=0.0048),年际间变化也更加稳定,更适合应用于长时序分析研究,但产品使用过程中应考虑临近云像元和观测几何对产品精度的影响.

海洋大气气溶胶光学模型参数的相关性研究

气溶胶光学模型参数在气溶胶遥感和气候强迫研究中都具有重要的作用。通过对全球近90个气溶胶自动观测网(AERONET)的海洋站点数据进行筛选、分类和分析,发现了气溶胶模型的中值半径及其标准偏差间的负相关性,并给出了经验关系。利用该关系对现行中分辩率成像光谱仪(MODIS)海洋气溶胶模型进行了评估,并指出了该模型存在的不足。