許樂(lè)心，費(fèi) 燁，李琳琳

(1.河南省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，鄭州 450003；2.國(guó)家氣象信息中心，北京 100081；3.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北宜昌 443000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響增大，水平能見(jiàn)度日益成為一個(gè)備受人們關(guān)注的氣象要素，它與交通運(yùn)輸、空氣質(zhì)量、人類健康息息相關(guān)。目前，氣象臺(tái)站使用水平能見(jiàn)度儀觀測(cè)地面能見(jiàn)度。由于氣象站點(diǎn)只是在一定范圍內(nèi)具有代表性，觀測(cè)結(jié)果在空間上具有離散特征。而低能見(jiàn)度天氣的水平尺度變化范圍很廣，地面觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果不足以涵蓋尺度較大的低能見(jiàn)度天氣過(guò)程。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的遙感數(shù)據(jù)被應(yīng)用于天氣監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，防災(zāi)減災(zāi)之中。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)既可以做到空間上的大面積覆蓋，也可以實(shí)現(xiàn)與地面臺(tái)站觀測(cè)的同步進(jìn)行。目前在氣溶膠研究、能見(jiàn)度反演、污染物分布及輸送等方面已經(jīng)得到了很多成果[1-6]。例如，通過(guò)對(duì)Terra和Aqua的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)與地面能見(jiàn)度對(duì)比分析，證明了衛(wèi)星的氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于能見(jiàn)度的研究[7-12]，常用的研究方法包括數(shù)理統(tǒng)計(jì)、氣溶膠標(biāo)高法、數(shù)值模式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。Fu等[13]利用Terra/MODIS的AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品和AERONET數(shù)據(jù)建立混合線性效應(yīng)模型來(lái)估測(cè)PM2.5濃度，結(jié)果顯示，在冬季時(shí)， MODIS的AOD數(shù)據(jù)的空間覆蓋率約為50%，通過(guò)增加AERONET的協(xié)同作用，能將AOD數(shù)據(jù)的空間覆蓋率提高至81%。氣溶膠標(biāo)高法也常被用于建立氣溶膠光學(xué)厚度和地面能見(jiàn)度之間相互關(guān)系[14-16]。Kessner等[8]通過(guò)氣溶膠標(biāo)高建立了AOD與地面能見(jiàn)度之間的重要聯(lián)系。張倩倩等[16]利用氣溶膠標(biāo)高和乘冪公式分別建立能見(jiàn)度估算模型，提出乘冪公式對(duì)能見(jiàn)度4～10 km部分估算效果較好，在大值和小值區(qū)反演誤差較大；氣溶膠標(biāo)高法在能見(jiàn)度大值和小值區(qū)反演具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在小值區(qū)反演會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。馮沁等[17]將Terra和Aqua的MODIS和FY-2A/MERSI的AOD資料運(yùn)用到同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)，可明顯降低空?qǐng)?bào)和漏報(bào)率。不少學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于衛(wèi)星的能見(jiàn)度反演研究中，建立了AOD估算能見(jiàn)度模型，取得很好的效果[18]。

日本氣象廳在2014年7月發(fā)射了新一代靜止氣象衛(wèi)星Himawari-8，全區(qū)域的時(shí)間分辨率可以達(dá)到10 min/次，搭載的新型傳感器AHI(Advanced Himawari Imagery)波段包含了氣溶膠通道，在能見(jiàn)度反演方面潛力極大。因此本文的研究思路是利用Himawari-8的AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品，運(yùn)用線性混合效應(yīng)模型，將衛(wèi)星的AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為固定因子，將觀測(cè)時(shí)間、臺(tái)站位置等因素作為隨機(jī)因子來(lái)反演河南省地面能見(jiàn)度，以提高地面能見(jiàn)度的時(shí)空分辨率，為霾天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)、預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)和算法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 臺(tái)站數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)選用了2018年12月—2019年2月河南省119個(gè)國(guó)家地面觀測(cè)站的逐小時(shí)10 min水平能見(jiàn)度資料，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于CIMISS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口提供的中國(guó)地面逐小時(shí)資料集。臺(tái)站分布如圖1所示。

圖1 河南省119個(gè)國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站分布

1.1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品 衛(wèi)星數(shù)據(jù)是由日本Himawari-8衛(wèi)星觀測(cè)，由國(guó)家氣象衛(wèi)星中心定標(biāo)、反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)集產(chǎn)品。數(shù)據(jù)時(shí)段同為2018年12月—2019年2月。該氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為10 min，空間分辨率約為2 km。數(shù)據(jù)通過(guò)ftp方式從國(guó)家氣象衛(wèi)星中心獲取。

為驗(yàn)證該套數(shù)據(jù)的可靠性，利用2018年12月美國(guó)Aqua衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)Himawari-8數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。從NASA官網(wǎng)下載Aqua衛(wèi)星L2級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品時(shí)間分辨率為5 min，空間分辨率約為3 km(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/order/1)。

1.2 反演算法

本文使用的算法是線性混合效應(yīng)模型，這個(gè)模型的特點(diǎn)是在進(jìn)行建模時(shí)既包含固定因子又包含隨機(jī)因子?，F(xiàn)實(shí)中有很多數(shù)據(jù)問(wèn)題是不能簡(jiǎn)單地采用普通線性回歸處理的。固定效應(yīng)一般是那些可以預(yù)測(cè)的因素，能夠完整地劃分總體；而隨機(jī)效應(yīng)則更多是因?yàn)閭€(gè)體差異導(dǎo)致，并且同一個(gè)體在不同的重復(fù)測(cè)量中也存在組內(nèi)隨機(jī)差異。

假設(shè)能見(jiàn)度和1/AOD存在線性關(guān)系[8]，不同的臺(tái)站，這兩者之間的線性關(guān)系會(huì)存在差異，即線性方程的斜率項(xiàng)和截距項(xiàng)是不同的。不同的日期、相對(duì)濕度、甚至于大氣環(huán)流形勢(shì)等等都會(huì)對(duì)能見(jiàn)度有影響。線性混合效應(yīng)模型能夠綜合考慮這些因素的影響，可以將時(shí)間、相對(duì)濕度、臺(tái)站經(jīng)緯度信息作為隨機(jī)因子，建立如下模型。

(1)

其中，i代表站點(diǎn)，j代表時(shí)間，Vi,j代表不同臺(tái)站不同時(shí)間的地面水平能見(jiàn)度，τi,j代表不同臺(tái)站不同時(shí)間的AOD，α和β分別為截距和斜率項(xiàng)，μj，υj分別代表時(shí)間隨機(jī)因子對(duì)截距和斜率產(chǎn)生的隨機(jī)效應(yīng)，si代表臺(tái)站經(jīng)緯度信息、相對(duì)濕度等因素產(chǎn)生的隨機(jī)截距項(xiàng)，εi,j為隨機(jī)誤差項(xiàng)。

2 Himawari-8衛(wèi)星氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)證

大量研究成果證明，Terra和Aqua的MODIS的AOD產(chǎn)品精度相對(duì)可靠[19-20]。由于Himawari-8為地球同步衛(wèi)星，其氣溶膠產(chǎn)品的時(shí)間分辨率可以達(dá)到10 min，空間分辨率約為2 km。與Terra和Aqua極軌衛(wèi)星相比，Himawari-8在時(shí)間分辨率上有很大的優(yōu)勢(shì)，將Himawari-8的氣溶膠數(shù)據(jù)應(yīng)用到研究中，可提高大氣能見(jiàn)度反演的時(shí)間精度。為驗(yàn)證Himawari-8氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品的可靠性，先利用Aqua/MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)Himawari-8的AOD數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量對(duì)比。

圖2給出了兩套衛(wèi)星數(shù)據(jù)AOD產(chǎn)品在2018年12月16日14時(shí)的分布情況。通過(guò)對(duì)比可以看出，Himawari-8衛(wèi)星的AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間覆蓋率要比Aqua衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品的高，Aqua衛(wèi)星由于其極軌衛(wèi)星的特點(diǎn)，受到AOD反演方法的限制，在河南東北部地區(qū)和西部地區(qū)靠近圖像邊緣沒(méi)有反演得到AOD數(shù)據(jù)。

圖2 2018-12-16T14 Himawari-8(a)和Aqua(b)衛(wèi)星AOD產(chǎn)品對(duì)比

為了定量討論Himawari-8衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量，這里需要先對(duì)兩套衛(wèi)星資料進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。Aqua是極軌衛(wèi)星，相對(duì)太陽(yáng)靜止，Aqua的過(guò)境時(shí)間為地方時(shí)13:30。因Himawari-8衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為10 min，Aqua衛(wèi)星氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為5 min，以Aqua過(guò)境時(shí)間為時(shí)間基點(diǎn)，選擇和Aqua過(guò)境時(shí)間最近的Himawari-8衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品匹配。另Himawari-8衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品的空間分辨率為2 km，Aqua衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品的的空間分辨率為3 km，因而以Aqua衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)經(jīng)緯度為中心，±1.5 km范圍內(nèi)所有的Himawari-8的AOD數(shù)據(jù)做空間平均，得到空間分辨率為3 km的Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)。

通過(guò)匹配得到2018年12月兩套AOD產(chǎn)品關(guān)系(圖3)。兩套衛(wèi)星數(shù)據(jù)2018年12月在河南地區(qū)共有41 194對(duì)匹配數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.87(通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn))。圖中散點(diǎn)的顏色代表在對(duì)應(yīng)位置散點(diǎn)出現(xiàn)頻率的大小，顏色越接近紅色，表示該數(shù)值出現(xiàn)頻率越高。兩套衛(wèi)星AOD產(chǎn)品數(shù)值分布相近，一致性很好，大部分?jǐn)?shù)值均集中在AOD=1以內(nèi)。通過(guò)和理想的y=x曲線對(duì)比，AOD=0.61是兩條直線的交點(diǎn)，在AOD小于0.61時(shí)，相比于Aqua，Himawari-8的AOD數(shù)值略微偏??；在AOD大于0.61時(shí)，Himawari-8的AOD數(shù)值略微偏大。兩套數(shù)據(jù)產(chǎn)品最大差異不超過(guò)0.11，因此Himawari-8的AOD數(shù)值產(chǎn)品是可靠的。

圖3 Aqua衛(wèi)星和Himawari-8衛(wèi)星的AOD數(shù)據(jù)的散點(diǎn)密度及相關(guān)性分析

3 能見(jiàn)度反演模型驗(yàn)證與應(yīng)用

使用線性混合效應(yīng)模型對(duì)Himawari-8的AOD和河南省臺(tái)站觀測(cè)的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)臺(tái)站觀測(cè)的1 min水平能見(jiàn)度和10 min水平能見(jiàn)度在數(shù)值上差別不大，因此使用10 min水平能見(jiàn)度。采用交叉驗(yàn)證的方法，隨機(jī)挑選80%的AOD數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，將剩余20%的數(shù)據(jù)計(jì)算得到能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，通過(guò)和臺(tái)站觀測(cè)的能見(jiàn)度對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型效果。由于AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品是格點(diǎn)數(shù)據(jù)，臺(tái)站數(shù)據(jù)是離散型的，因而需先進(jìn)行空間匹配，將AOD格點(diǎn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)插值到臺(tái)站。采用平均插值算法，即以臺(tái)站位置作為中心，±5 km范圍Himawari-8的AOD的算術(shù)平均值來(lái)進(jìn)行空間匹配，得到與臺(tái)站數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的逐小時(shí)的AOD數(shù)據(jù)用于建模。通過(guò)多次參數(shù)試驗(yàn)，當(dāng)臺(tái)站位置和觀測(cè)時(shí)間作為影響斜率的隨機(jī)因子時(shí)模型效果最優(yōu)。

將所獲取的2018年整個(gè)冬季能見(jiàn)度和衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行逐小時(shí)匹配、逐小時(shí)建模，考慮到能見(jiàn)度的演變?cè)跁r(shí)間上具有連續(xù)性，添加建模時(shí)次的前兩個(gè)小時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為模型的時(shí)間隨機(jī)因子，當(dāng)模型可用站點(diǎn)數(shù)超過(guò)30時(shí)，進(jìn)行建模并計(jì)算該模型的決策系數(shù)。在回歸模型中，決定系數(shù)越高，代表可以被解釋的程度越高，回歸模型的效果越好。由于靜止衛(wèi)星在夜間時(shí)段沒(méi)有數(shù)據(jù)，且AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品在反演時(shí)受到云等的影響，可建模時(shí)段主要集中在10—15時(shí)。從建模的統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看，決策系數(shù)的數(shù)值范圍為0.24到0.96。通過(guò)繪制箱線圖(圖4)可以看出，去除部分異常數(shù)據(jù)，模型的決策系數(shù)大部分集中在0.4以上，逐小時(shí)的決策系數(shù)中值均在0.7以上，證明模型是可靠的。

圖4 2018年冬季數(shù)據(jù)模型決策系數(shù)箱線

為了驗(yàn)證模型的反演效果，選取2018年12月16日06UTC數(shù)據(jù)所建模型，將空間匹配后的AOD數(shù)據(jù)代入模型，得到各臺(tái)站的反演能見(jiàn)度數(shù)據(jù)集，并與臺(tái)站觀測(cè)能見(jiàn)度進(jìn)行對(duì)比。如圖5所示，能見(jiàn)度的計(jì)算值與臺(tái)站觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.82，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。觀測(cè)能見(jiàn)度和反演能見(jiàn)度的數(shù)值大部分集中在5～20 km之間，能見(jiàn)度的觀測(cè)平均值為11.3 km，衛(wèi)星反演平均值為11.8 km，絕對(duì)平均誤差為1.69，均方根誤差為3.72 km。模型計(jì)算的能見(jiàn)度與觀測(cè)能見(jiàn)度具有很好的一致性。

圖5 觀測(cè)能見(jiàn)度與模型計(jì)算能見(jiàn)度的散點(diǎn)密度及相關(guān)性分析

應(yīng)用上述模型，將分辨率為2 km的Himawari-8衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)代入到模型中，即可計(jì)算得到空間分辨率為2 km的河南省格點(diǎn)能見(jiàn)度產(chǎn)品。選取2018年12月16日14時(shí)個(gè)例來(lái)說(shuō)明反演效果，模型反演的格點(diǎn)能見(jiàn)度與觀測(cè)能見(jiàn)度對(duì)比如圖6所示。通過(guò)模型計(jì)算得到的能見(jiàn)度(圖6 a)與臺(tái)站觀測(cè)能見(jiàn)度(圖6 b)分布基本一致，河南省的西北部地區(qū)能見(jiàn)度較大，空氣質(zhì)量較好；在安陽(yáng)、濮陽(yáng)、新鄉(xiāng)、焦作等豫北地區(qū)有一片區(qū)域能見(jiàn)度較小；重污染地區(qū)主要位于豫南。反演的能見(jiàn)度空間分布要比臺(tái)站觀測(cè)精細(xì)很多，能見(jiàn)度的空間分辨率得到了顯著提高。

4 結(jié)論

利用Himawari-8衛(wèi)星的AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品和河南省地面氣象觀測(cè)資料，分析了Himawari-8的AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品與Aqua衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品的一致性， 并建立了能見(jiàn)度的線性混合效應(yīng)模型。

圖6 2018-12-16T14河南省能見(jiàn)度分布(a：模型反演；b：臺(tái)站觀測(cè))

模型選取衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為模型的固定因子，將臺(tái)站位置和觀測(cè)時(shí)間作為隨機(jī)因子，利用模型反演得到河南省高分辨率的能見(jiàn)度圖。主要結(jié)論如下。

(1)Himawari-8衛(wèi)星的AOD產(chǎn)品與Aqua 的AOD產(chǎn)品一致性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.87，通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

(2)通過(guò)建立線性混合效應(yīng)模型，反演得到的能見(jiàn)度與觀測(cè)的能見(jiàn)度相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.82，通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，觀測(cè)能見(jiàn)度的平均值為11.3 km，反演能見(jiàn)度的平均值偏差僅為0.5 km。

(3)根據(jù)模型反演了2018年12月16日14時(shí)的地面能見(jiàn)度。結(jié)果表明，模型的模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)分布特征基本一致，空間分辨率明顯提高，可達(dá)2 km。