金 健，盧 遠(yuǎn)，李嘉力，華 璀

（1.廣西師范學(xué)院 遙感與GIS開放實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530001）

北部灣MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的反演

金 健1，盧 遠(yuǎn)1，李嘉力1，華 璀1

（1.廣西師范學(xué)院 遙感與GIS開放實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530001）

通過IDL語言調(diào)用6S模型源碼生成相應(yīng)查找表，對(duì)北部灣及周邊區(qū)域2008年MODIS高分辨率（1 km×1 km）影像進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演。反演結(jié)果與AERONET公布的Bac_Giang、MuKdahan和Hongkong_poly站的氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證，得出北部灣地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度反演，春、秋、冬季選取大陸型氣溶膠模式,夏季選取海洋型模式能更好地貼近實(shí)際情況。運(yùn)用此方法對(duì)北部灣以及越南東北部地區(qū)2004年、2006年、2008年、2010年中晴空少云天進(jìn)行氣溶膠時(shí)空分布反演并分析結(jié)果。

MODIS;氣溶膠光學(xué)厚度;暗像元法;反演

1 方法和實(shí)驗(yàn)

1.1 研究數(shù)據(jù)來源

以2004年、2006年、2008年和2010年為研究時(shí)段，研究范圍103°43'E～115°24'E，22°35'N～ 18°20'N。氣溶膠光學(xué)厚度反演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)下載的MOD021KM Terra衛(wèi)星1B（1 km×1 km）對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，并利用ARONET地基氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)站上公布的2008年Bac_Giang（北江）站、MuKdahan（穆達(dá)漢）站和Hong_kong_poly（香港）站L2.0級(jí)550 nm陸上氣溶膠光學(xué)厚度監(jiān)測(cè)值對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證[1-5],如表1所示。ARONET監(jiān)測(cè)網(wǎng)以法國(guó)CEMEL公司的CE318太陽光度計(jì)為觀測(cè)儀器，計(jì)算得出氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)。它的反演精度可以達(dá)到0.01～0.02，足以作為真值用于檢驗(yàn)衛(wèi)星反演的AOT值[6]。

表1 ARONET觀測(cè)站點(diǎn)信息

1.2 研究原理

本次研究采用經(jīng)典暗像元法對(duì)研究區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行反演。暗像元反演方法是利用植被密集、具有較低反射率的地表（即暗像元）在近紅外與紅、藍(lán)通道反射率具有很好的線性相關(guān)性，以及短波紅外波段氣溶膠的影響和可見光波段相比可以忽略不計(jì)這2個(gè)重要性質(zhì)推算出紅、藍(lán)波段的表觀反射率[7,8]。利用6S模型計(jì)算查找表，通過輸入地表反射率、相應(yīng)幾何參數(shù)、波段表觀反射率來查找氣溶膠光學(xué)厚度。

首先假設(shè)陸地表面為均勻朗伯面，大氣垂直均勻變化，衛(wèi)星接收到的輻射值即表觀反射率L（μv） 表達(dá)為：

式中，μs=cosθs，μv=cosθv,θs與 θv分別為太陽天頂角與觀測(cè)天頂角；Lo（μv） 為觀測(cè)方向的路徑輻射項(xiàng)；r為朗伯體地表反射率；S為大氣下界的半球反射率；T為大氣透過率；μsFo為大氣層頂與太陽光垂直方向的輻射通量密度。

利用入射太陽輻射項(xiàng)Foμs對(duì)式（1）進(jìn)行歸一化可得大氣頂部反射率ρTOA的表達(dá)式為：

式中，ρo為大氣路徑輻射項(xiàng)等效反射率；ρs為地表二向反射率，當(dāng)?shù)乇頌槔什w時(shí)為r；Φ為相對(duì)方位角。從式（2）可以明顯看出， ρs、S、ρo和 T（μs）· T（μv）等參數(shù)是未知量。S、ρo和 T（μs）· T（μv） 參數(shù)本身是氣溶膠函數(shù)，ρs的估算直接影響地表反射噪聲的去除[9]。為了從表觀反射率反演氣溶膠光學(xué)厚度，需要合理假定氣溶膠模型，以提供單次散射反照率值和氣溶膠相函數(shù)。在確定了氣溶膠模式和地表反射率后，根據(jù)上述公式，可以從表觀反射率反演得到氣溶膠光學(xué)厚度。

1.3 反演步驟

本次研究選用MODIS數(shù)據(jù)的藍(lán)通道（0.47 μm），紅通道（0.65 μm）和短波紅外通道（2.13 ～3.8 μm），并利用Kaufman提出的紅、藍(lán)通道與短波紅外通道的線性關(guān)系[5,6]，以及暗像元法、6S模型反演0.55 μm波長(zhǎng)氣溶膠光學(xué)厚度。

步驟1： 進(jìn)行去云處理。本次研究采用改進(jìn)后的云檢測(cè)算法，從可見光反射率、紅外波段亮溫值以及亮溫差等方面綜合考慮，逐步建立一個(gè)云檢測(cè)掩膜[10]。

根據(jù)云檢測(cè)原理中不同波段對(duì)云的敏感特性，以及MODIS數(shù)據(jù)各通道的波譜特性，結(jié)合大氣窗口和云的輻射傳輸特點(diǎn)，分別選擇了B1、B6、B8、B26、B29、B31波段，從可見光到熱紅外6個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢測(cè)[10]。并利用所選擇的6個(gè)波段及波段組合進(jìn)行逐像元檢查，完成云檢測(cè)處理工作，從而達(dá)到云和晴空分離的目的。

步驟2： 進(jìn)行暗像元的選取并確定地表反射率。已有研究表明，當(dāng)波長(zhǎng)2.1 μm處的像元表觀反射率ρ*2.1滿足大于0.01小于0.4時(shí)，該像元可以認(rèn)為是暗像元，但濃密植被2.1 μm波長(zhǎng)處的反射率和0.47 μm、0.66 μm波長(zhǎng)處的反射率之間的關(guān)系不僅與散射角有關(guān)，而且與植被的茂密程度有關(guān)[10]。其中散射角可以由觀測(cè)幾何參數(shù)獲得：

式中，θs為太陽天頂角；θv為觀測(cè)天頂角；Φ為相對(duì)方位角。

步驟3：確定氣溶膠模式。 由于一個(gè)地區(qū)的氣溶膠類型取決于氣溶膠源涉及的氣溶膠類型，因此關(guān)鍵要考慮氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)到反演區(qū)域之前所在地區(qū)的地面狀況。根據(jù)國(guó)際氣象與大氣物理學(xué)會(huì)定義的標(biāo)準(zhǔn)輻射大氣中的氣溶膠類型，在對(duì)流層是由水溶性、沙塵性、海洋性、煤煙性4種基本氣溶膠組分組成，同時(shí)根據(jù)4種組分含量的不同，定義了大陸型、城市型及海洋型3種氣溶膠類型[9]。標(biāo)準(zhǔn)輻射大氣氣溶膠模式及各組分粒子的含量如圖1所示。

由于北部灣北連我國(guó)大陸，西鄰越南，南與南海相連，為中越兩國(guó)陸地與中國(guó)海南島所環(huán)抱，這種特殊的地理位置使得四季氣候變化以及大氣活動(dòng)極為頻繁。為了考慮大氣活動(dòng)對(duì)氣溶膠空間分布的影響，本次研究對(duì)北部灣地區(qū)四季分別采用城市型、大陸型、海洋型大氣模式進(jìn)行反演。

步驟4：生成6S查找表。首先確定所需的大氣參數(shù)，然后根據(jù)不同的太陽入射角和衛(wèi)星觀測(cè)角以及其他參數(shù)建立查找表。本次研究通過IDL語言調(diào)用6S輻射模型循環(huán)輸入?yún)?shù)，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置步長(zhǎng)，讀取每一個(gè)影像的角度信息后建立相應(yīng)的查找表，從而提高反演精度[11]。分別設(shè)置參數(shù)為:

圖1 氣溶膠類型各組分所占百分比

氣溶膠光學(xué)厚度：taer55=0.005～2.000,step=0.05

太陽天頂角：asol=0～60,step=12

衛(wèi)星天頂角：avis=0～60,step=12

衛(wèi)星和太陽相對(duì)方位角：phiv=0～180,step=24

大氣模式：iastm=2,為中緯度夏季

光譜參數(shù)：iwave=45

在反演過程中，假定特定的大氣條件，根據(jù)輻射的入射和接收角度以及衛(wèi)星測(cè)得的輻射或反射率，由查找表查出對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度。即進(jìn)行逐像元查找，當(dāng)某一個(gè)像元的表觀反射率值、衛(wèi)星與太陽天頂角、方位角值與查找表一樣的時(shí)候，就選取那一列的氣溶膠光學(xué)厚度值，并對(duì)反演出的結(jié)果進(jìn)行均值化處理，得到各個(gè)季節(jié)的氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果處理

2.1 結(jié)果驗(yàn)證

將反演的結(jié)果與AERONET（aerosol robotic network）國(guó)際氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)站Bac_Giang站、MuKdahan站和Hongkong_poly站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。選取0.55 μm處的光學(xué)厚度值進(jìn)行比較，用衛(wèi)星過境前后半小時(shí)地基觀測(cè)結(jié)果的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，并以地基站點(diǎn)為中心在該站點(diǎn)位置0.5°×0.5°范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果的空間平均值作為反演結(jié)果樣本，如表2～表5將AERONET網(wǎng)站上3個(gè)站點(diǎn)的四季觀測(cè)平均值與MODIS反演的四季平均值進(jìn)行對(duì)比[12-14]。

表2 春季AERONET觀測(cè)數(shù)據(jù)與反演結(jié)果平均值對(duì)比

由此可見，大陸型和海洋型氣溶膠模式的反演結(jié)果與AERONET網(wǎng)站公布的觀測(cè)結(jié)果有一定的相似性，主要是因?yàn)榇箨懶蜌馊苣z由鄉(xiāng)村氣溶膠組成，而海洋型氣溶膠由海鹽粒子和鄉(xiāng)村氣溶膠組成，兩者的組成成分中絕大部分相同，而城市型氣溶膠反演的結(jié)果與前兩者相差很大，這是因?yàn)槌鞘行蜌馊苣z中沙塵類占了很大一部分。

分別對(duì)四季反演的多天數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，反演結(jié)果與觀測(cè)站值的相關(guān)系數(shù)與擬合優(yōu)度值統(tǒng)計(jì)如表6。

表6 四季氣溶膠光學(xué)厚度反演值與ARONET觀測(cè)數(shù)據(jù)一元線性擬合統(tǒng)計(jì)結(jié)果

春、秋、冬季使用大陸型氣溶膠模式反演結(jié)果與AERONET網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)擬合優(yōu)度是3類氣溶膠模式中最高的，說明北部灣地區(qū)受鄉(xiāng)村類氣溶膠影響較大，這是由于北部灣及周邊地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r使得實(shí)際存在的大氣污染物類型和含量多屬于沙塵型，極少量的煤煙型，并且受到海水環(huán)流、氣旋以及降水等因素的影響，使得水溶性粒子增加。

夏季海洋型氣溶膠模式反演結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性最高，說明北部灣夏季受海鹽粒子等海風(fēng)影響較大。這是由于夏季北部灣地區(qū)降水強(qiáng)，風(fēng)從熱帶海上來，多西南風(fēng)，并受熱帶氣旋影響，進(jìn)入北部灣后強(qiáng)度增加，同時(shí)還產(chǎn)生多次回旋的氣流，使得海鹽粒子擴(kuò)散。

2.2 年際變化分析

運(yùn)用上述的反演方法對(duì)2004年、2006年、2008年以及2010年北部灣地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。選擇一年中云量較少的天數(shù)合成的影像數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。春、秋、冬季氣溶膠模式選擇大陸型，夏季選擇海洋型。反演結(jié)果如圖2、圖3。

3 結(jié) 語

從四季反演的結(jié)果來看，春、夏、秋季氣溶膠厚度較大，而由于城市地表的復(fù)雜性和冬季無植被區(qū)地表噪聲去除的誤差使得冬季反演值較小[13,14]。綜上所述，本研究所采用的大陸型氣溶膠模式反演的北部灣春、秋、冬季氣溶膠光學(xué)厚度與AERONET網(wǎng)站上公布的結(jié)果具有較好的相似性，而采用海洋型氣溶膠模式反演的北部灣夏季氣溶膠光學(xué)厚度與AERONET網(wǎng)站上公布的結(jié)果能更好地吻合，可用于區(qū)域內(nèi)大氣顆粒物污染評(píng)價(jià)等相關(guān)研究。

對(duì)比年際反演結(jié)果可看出，廣西南部的氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)在2006年有南移的現(xiàn)象，并在2008年和2010年呈現(xiàn)向周邊擴(kuò)散的趨勢(shì)。從反演結(jié)果可以看出防城港、欽州以及北海地區(qū)為較高值區(qū)，尤其與越南交界處的東興、憑祥等地的氣溶膠光學(xué)厚度值由2004～2012年不斷增大。而百色南部、貴港南部均為低值區(qū)。廣東湛江的氣溶膠也呈現(xiàn)擴(kuò)散趨勢(shì)，而東部的廣州、中山一帶為高值區(qū)。海南省的?？?、三亞地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度也有較明顯增加。越南北部與我國(guó)接壤的部分地區(qū)，尤其是北江及周邊區(qū)域在2006年明顯呈現(xiàn)小范圍的高值區(qū)，而在2010年高值范圍明顯擴(kuò)散至高平、宣光等省。其沿海地區(qū)的清化、河靜的氣溶膠光學(xué)厚度值也增加非常迅速。這是由于近年北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的飛速發(fā)展，與包括越南、老撾、泰國(guó)在內(nèi)的周邊國(guó)家進(jìn)行大量進(jìn)出口貿(mào)易從而推動(dòng)了各國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，促進(jìn)城市化進(jìn)程，加快了工業(yè)化，加大各種染料的消耗、廢氣排放等。

文中使用經(jīng)典暗像元法對(duì)北部灣及周邊區(qū)域進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度的反演，該反演方法簡(jiǎn)單實(shí)用、適應(yīng)性強(qiáng)，其精度也能滿足一般遙感應(yīng)用研究，對(duì)研究北部灣及周邊區(qū)域的氣溶膠時(shí)空分布有很大的意義。

圖2 北部灣夏季氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果

圖3 北部灣春、秋、冬季氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果

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P237.9

B

1672-4623（2015）01-0008-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.003

金健，碩士，研究方向?yàn)檫b感定量反演。

2013-12-09。