京津冀地区气溶胶光学厚度反演及其空间分布特征

利用2014年9月1日至2015年5月31日Terra/MODIS MOD 021KM数据,以京津冀地区为研究区域,采用深蓝算法和查找表法反演京津冀地区1 km分辨率的气溶胶光学厚度,并将反演的气溶胶光学厚度与NASA产品和CE-318观测的气溶胶光学厚度进行比较。结果表明:反演的气溶胶光学厚度与NASA MOD 04_L2(10 km×10 km)和MOD 04_3K(3 km×3 km)两种气溶胶产品的空间分布具有高度的一致性,且空间分辨率更高;反演的气溶胶光学厚度与石家庄站CE-318观测气溶胶光学厚度的平均绝对误差为0.07左右,二者之间的相关系数R~2=0.956。卫星过境时,1 km反演的气溶胶光学厚度与MOD 04_L2气溶胶产品的平均误差约为0.06,反演的气溶胶光学厚度与MOD 04_3K气溶胶产品的平均误差约为0.03。对反演的气溶胶光学厚度与河北省PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的空间分布进行相关性分析表明,气溶胶光学厚度AOD与PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的相关系数分别为0.745、0.663,说明1 km反演的AOD可以有效反映区域PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的空间分布。     

利用MODIS卫星资料对比反演兰州地区气溶胶光学厚度

Kaufman的暗像元方法是目前利用MODIS卫星资料反演气溶胶光学厚度的方法之一,但在获取可见光通道地表反射率时存在局限性。我们用一种对比方法进行了反演试验,研究了反演粒径较大的气溶胶光学厚度的可行性。用6S辐射传输模式模拟了两天的表观反射率差异对气溶胶光学厚度的敏感性;利用两天(“清洁日”和“污染日”)MODIS的红、蓝和近红外通道表观反射率资料,通过查算表反演了水面上空的气溶胶光学厚度和几何平均质量粒径;在此基础上反演了兰州地区气溶胶光学厚度的分布情况。反演结果与地面光度计观测作了比较,两者比较接近,说明反演方法是可行的。     

利用AVHRR数据反演陆地气溶胶光学厚度

开发AVHRR可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度 (AOD) 的算法对于研究长时间序列AOD的变化有重要意义。AVHRR由于缺少2.1 μm通道而不能采用MODIS的暗背景算法,该文利用背景合成算法进行陆地AOD反演。背景合成算法是指假设一段时间内地表反射率变化不大且会出现相对清洁大气, 采用最小值合成即可得到地表反射率,再通过辐射传输模式6S制作的查算表查算得到AOD的反演结果。将此算法应用到2009年AVHRR中国部分陆地区域 (15°~45°N,75°~135°E) 得到AOD的时空分布,将反演结果与同期Aqua/MODIS的MOD04 AOD产品进行对比分析表明,华北和华东地区的反演效果较好,西北地区结果较差。以长江三角洲地区为例可知,AVHRR AOD产品与MODIS AOD产品以及AERONET观测的AOD相比相关系数基本在0.6以上,从时间变化规律来看,AVHRR AOD和MODIS AOD产品年变化趋势具有很好的一致性。该文为建立长时间序列AVHRR AOD数据集提供了一个较为可行的方法。     

福建三大城市群气溶胶遥感监测及时空变化分析

气溶胶对城市环境质量的影响越来越受到人们的关注。利用2001—2007年MODIS卫星数据,借助6S辐射传输模式,采用目前较为成熟的暗像元方法,在分析MODIS红光、蓝光和近红外波段对气溶胶敏感性的基础上,反演福建三大城市群福州、厦门和泉州的气溶胶光学厚度,将反演结果与大气环境观测数据进行对比,并分析了三大城市群气溶胶光学厚度的时空分布与变化特征。结果表明:MODIS红光和蓝光波段均对气溶胶敏感,只是在不同季节表现出不同的敏感程度;遥感反演的气溶胶光学厚度与现场观测的PM_(10)数据相关系数为0.604;在时空分布上气溶胶光学厚度高值区与城区分布相一致,秋冬季气溶胶光学厚度明显大于其他季节。基于MODIS数据反演得到的福建三大城市群气溶胶光学厚度产品精度是可靠的,能客观反映该区域气溶胶光学厚度的时空分布与变化特征。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演Ⅰ.理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性, 而偏振反射只对大气气溶胶敏感, 对地表不敏感.根据这个原理并结合POLDER (POLarization and Directionality of Earth Reflectance) 资料的特点, 作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演.首先, 利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数, 再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正, 同时获得地表反射率.数值模拟试验结果证明, 仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息, 而且其结果误差较大, 特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大, 但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善, 气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上.为提高查找表的计算效率, 提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表, 利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法.     

太湖地区气溶胶光学厚度的分布及其在大气校正中的应用

采用太湖地区水面光谱数据以及MODIS遥感影像数据,利用辐射传输模式6S,选择自定义气溶胶类型,反演得到太湖地区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)分布,将其与太阳光度计CE318实测气溶胶光学厚度分别应用于太湖区域的大气校正中,得到不同的水面反射率,并参考实测水面反射率进行对比分析。结果表明:反演的太湖地区气溶胶光学厚度分布较为合理,造成此分布的原因可能是太湖北岸工业较发达,污染较严重。太湖颗粒物的吸收特性和卫星接收到的表观反射率导致反演数据的差异,是反演气溶胶光学厚度分布不均匀的主要原因。使用MODIS数据反演得到的太湖地区AOD进行大气校正,更加精确。该研究方法和结果可为气溶胶光学厚度反演、精确卫星数据大气校正提供参考。     

利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究

基于 6S辐射传输模式 ,文中同时采用暗像元法和结构函数法建立了利用EOS Terra/MODIS 0 .6 6和 0 .4 7μm通道数据反演陆地气溶胶光学厚度的遥感模型 ,用于获取北京及其周边地区的气溶胶光学厚度。同时 ,利用与卫星观测同步的地基太阳光度计观测资料估计的气溶胶光学厚度数据验证卫星资料反演结果。研究结果给出了如何选择算法、卫星通道数据和气溶胶模型的最佳组合获取理想气溶胶光学厚度的方法。采用 4种气溶胶模型供反演计算选择。在研究中发现 ,暗像元法不适用于城市地区气溶胶光学厚度反演 ,这不仅与亮地表条件的限制有关 ,而且具有强吸收特性的城市气溶胶也是重要影响因素。两种算法由相同气溶胶模型假定误差造成的气溶胶光学厚度反演误差方向 (增加或减小 )相反。反演试验获取的气溶胶光学厚度分布指出 ,石家庄—北京—天津一线易出现气溶胶光学厚度高值带。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 I. 理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性,而偏振反射只对大气气溶胶敏感,对地表不敏感。根据这个原理并结合POLDER(POLarization and Directionality of Earth Reflectance)资料的特点,作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演。首先,利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数,再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正,同时获得地表反射率。数值模拟试验结果证明,仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息,而且其结果误差较大,特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大,但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善,气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上。为提高查找表的计算效率,提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表,利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法。     

利用MODIS资料反演兰州地区气溶胶光学厚度

借助6S模式对MODIS的蓝光(0.46μm)、红光(0.66μm)和中红外(2.1μm)通道进行了行星反照率对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性试验, 并对蓝光和红光通道的路径辐射对行星反照率的贡献做了数值试验; 计算了MODIS的蓝光、红光和中红外通道在兰州市及其周围地区的地表反射率, 检验了Kaufman给出的三个通道地表反射率之间的关系。检验结果表明, 在兰州周围地区蓝光通道与中红外通道地表反射率之间的关系与Kaufman给出的关系比较符合, 对于兰州周围大范围区域都是适用的。利用此关系通过6S模式进一步反演了兰州城市及其附近地区 1×104 km2 范围内的气溶胶光学厚度, 反演结果较为合理。     

中国区域MODIS陆上气溶胶光学厚度产品检验

以我国MODIS共享网站积累的MODIS L1B数据和美国威斯康辛大学提供的IMAPP软件包气溶胶产品软件为基础, 经过产品运行本地化改进处理, 在国家卫星气象中心建立了气溶胶产品业务化生成和发布机制。为支持气溶胶遥感产品算法改进以及潜在用户对产品的合理应用, 给出对国家卫星气象中心运行的MODIS气溶胶遥感产品质量检验分析结果。利用2005年1月— 2007年5月AERONET地基气溶胶监测网的L2.0级气溶胶光学厚度产品作为真值, 用它匹配MODIS陆上气溶胶光学厚度产品开展检验。检验结果表明:以卫星过境前后30min地基观测时间平均值匹配地基站点位置10 km半径范围内的卫星反演结果空间平均值开展检验, 总体样本的气溶胶光学厚度均方根误差约为0.25;满足产品误差要求 (±0.05±0.20τ) 的样本占总样本数的44%; 气溶胶光学厚度反演结果精度具有季节和地域差异, 干季(秋、冬、春)的气溶胶光学厚度误差较小, 而雨季气溶胶光学厚度误差较大, 云是雨季气溶胶光学厚度反演结果误差较大的主要影响因素。     

Retrieval of aerosol optical properties over a vegetation surface using multi-angular,multi-spectral,and polarized data

An algorithm to retrieve aerosol optical properties using multi-angular,multi-spectral,and polarized data without a priori knowledge of the land surface was developed.In the algorithm,the surface polarized reflectance was estimated by eliminating the atmospheric scattering from measured polarized reflectance at 1640 nm.A lookup table （LUT） and an iterative method were adopted in the algorithm to retrieve the aerosol optical thickness （AOT,at 665 nm） and the （A）ngstr（o）m exponent （computed between the AOTs at 665 and 865 nm）.Experiments were performed in Tianjin to verify the algorithm.Data were provided by a newly developed airborne instrument,the Advanced Atmosphere Multi-angle Polarization Radiometer （AMPR）.The AMPR measurements over the target field agreed well with the nearby ground-based sun photometer.An algorithm based on Research Scanning Polarimeter （RSP） measurements was introduced to validate the observational measurements along a flight path over Tianjin.The retrievals were consistent between the two algorithms.The AMPR algorithm shows potential in retrieving aerosol optical properties over a vegetation surface.     

从宽带太阳直接辐射小时或日曝辐量反演气溶胶光学厚度研究

从宽带的太阳直接辐射1天或1小时累计量(曝辐量)气象观测资料反演气溶胶光学厚度的一个有效方法是很有用的.作者把太阳曝辐量与"等效"的瞬时太阳直接辐射关联起来,建立了一个与曝辐量"等效"的瞬时太阳直接辐射的模式;应用该模式和一个"等效"波长模式,发展了一个从太阳直接曝辐量反演气溶胶光学厚度的方法.作者还从试验上比较分析了由某时刻的宽带太阳直接辐射、每小时或1天的太阳直接辐射曝辐量反演得到的气溶胶光学厚度以及由太阳光度计探测的气溶胶光学厚度.试验结果表明,由日太阳直接辐射曝辐量反演得到的气溶胶光学厚度可理解为辐射加权的日平均光学厚度.     

利用多通道MODIS遥感资料反演沙尘气溶胶尺度分布的个例试验

为了利用水面进行大气气溶胶粒子尺度分布的反演,需要水体光谱反射率资料;本文利用水库上空MODIS观测的表观反射率资料来订正出实际的水体光谱反射率。假设在干旱的春季水库水面反射率变化不大,用订正的水库水面光谱反射率平均值进行大气气溶胶尺度分布的反演。从两天个例研究来看,利用多通道MODIS资料可以反演出大气气溶胶粒子的尺度变化。结合天气分析2002年4月11日水库上空气溶胶光学厚度增加、粒子变粗,是由于上游区域的沙尘在高空强西北气流引导下到达本地区。     

一种反演气溶胶光学厚度的改进方法

该文提出了一种简单快速反演气溶胶光学厚度的方法,该算法对地表反照率的处理与MODIS V5.2算法相同,但气溶胶谱分布假定为Junge谱,设置了新的气溶胶参数。应用2006年9月6日—2008年6月10日太湖MODIS观测资料和2008年5月20日—2009年7月6日香河MODIS观测资料进行反演,并将反演结果与AERONET (AErosol RObotic NETwork) 站点资料进行对比,以检验算法的适用性和精度。对比结果显示:该算法在太湖的反演结果与AERONET太湖站反演结果对比的标准偏差为0.429,而MODIS卫星AOD产品与AERONET太湖站反演结果对比的标准偏差为0.693;相应在香河的两种反演结果与地面观测对比的标准偏差分别为0.493和0.542。该算法的反演误差小于MODIS现行算法,反演结果合理,具有较好的适用性,说明这种方法在这两个区域具有更高的反演精度。     

利用静止卫星MTSAT反演大气气溶胶光学厚度

卫星遥感是获取气溶胶光学特性的重要手段,利用静止卫星可见光通道资料反演气溶胶光学厚度(AOD)的算法使用日本静止气象卫星MTSAT可见光通道资料反演了2008年5月中国地区陆地上的气溶胶光学厚度,将得到的结果分别与AERONET站点的地面观测值进行比较,得到了较好的线性相关关系,再将其与相应的MODIS气溶胶光学厚度产品进行比较,也得到了较为一致的分布,表明MTSAT反演的气溶胶光学厚度产品可以反映大气气溶胶光学厚度的日变化信息。最后对这种反演算法的误差来源进行了分析。     

2008年北京奥运会期间大气气溶胶物理特征分析

应用MODIS卫星的气溶胶产品资料和地面的光学粒子计数器的资料,对比分析了北京地区2006、2007、2008年7～9月的气溶胶光学厚度、细粒子光学厚度、Angstrom指数、气溶胶粒子数浓度谱及体积谱,发现2008年北京奥运会期间(7月20日～9月20日)的气溶胶光学厚度比2006、2007年同期明显降低,气溶胶细模态光学厚度占总光学厚度的比上升,Angstrom指数上升,气溶胶细粒子数浓度没有明显相对变化,而粗粒子数浓度则减少约50%.利用大气标高,将MODIS反演的气溶胶柱的质量浓度转化为地面气溶胶质量浓度.用粒子计数器得到的体积谱,在假定气溶胶粒子密度的情况下,计算出其质量浓度.将这两种方法得到的气溶胶质量浓度与国家环境保护部公布的空气质量指数换算得到的可吸入颗粒物(PM10)质量浓度进行比较.结果表明:北京奥运期间空气质量总体达到了国家二级空气质量标准;与2006、2007年同期相比,2008年气溶胶PM10质量浓度明显下降,而这主要是由气溶胶粗粒子的减少引起的.     

Retrieval of aerosol optical thickness for desert conditions using MERIS observations during the SAMUM campaign

Approximately 30% of the land surface is arid, having desert or semi-desert conditions. Aerosol originating from these regions plays a significant role in climate and atmospheric chemistry of the atmosphere. Retrieving aerosol properties from space-borne platforms above desert conditions, where the surface reflectance is usually very bright, is a challenging task. The proportion of the surface to top of atmosphere (TOA) reflectance can reach values over 90%, especially for wavelength above 500 nm. For these reasons detailed knowledge of aerosol and surface optical properties from these regions is required to separate atmosphere from intrinsically bright surfaces.
An approach to retrieve aerosol properties over arid and semi-arid regions based on the Bremen Aerosol Retrieval (BAER) has been developed and validated within the Dust Aerosol Retrievals from Space-Born Instruments (DREAMS) Project, which is part of the Saharan Mineral Dust Experiment ( SAMUM, 2006 ). Combining measurements of the backscattered radiation from the Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) instrument aboard Environmental Satellite (ENVISAT) and ground-based measurements in Morocco in radiation closure experiments yields the aerosol optical properties of mineral dust at selected locations.     

联合反演大气气溶胶光学特性和地面反照率

利用一种直接由天空亮度的相对分布反演气溶胶光学特性的方法。数值试验表明天空亮度相对分布的变化对地面反照率并不敏感,这样通过地基多个方向天空亮度的测量,并与模式计算结果相比较,定出大气气溶胶的光学厚度和相函数。在得到大气气溶胶的相函数和光学厚度的基础上,用GMS-5气象卫星可见光通道的资料求出了北京地区可见光波段的地面反照率。