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

潘一新，胡方超，汪柳红，黄纯玺

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学);2.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京210044)

0 引言

大气气溶胶是大气中直径小于10 μm的固体或液体颗粒稳定地悬浮于气体介质中组成的分散体系(杨琨等，2008)。由于其可以吸收和散射太阳短波辐射以及地球长波辐射(直接辐射强迫)，影响地气系统辐射平衡，并且可以作为凝结核影响云的辐射特性以及作为反应表面影响化学反应的速度(间接辐射强迫)，所以大气气溶胶在大气辐射和气候变化的研究中占有重要地位(马井会等，2007;石广玉等，2008)，其反演在大气校正中起重要作用(Hegg，1990)。

目前获取大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth，AOD)资料主要手段包括地基遥感和卫星遥感。卫星遥感反演方法具有覆盖面广、信息获取方便、快捷等特点，相对于地基遥感可以更高效地获取大气气溶胶消息，为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能(周著华等，2006;李亚春等，2011)。卫星反演气溶胶光学厚度主要是基于太阳反射波段的卫星观测数据和气溶胶粒子对于太阳辐射的散射机制(Remer et al.，2005)。随着Terra和Aqua的发射，MODIS传感器为气溶胶的反演提供了更加丰富的信息。毛节泰等(2002)对2001年北京地区太阳光度计观测结果和用MODIS卫星遥感气溶胶方法得到的结果进行对比，验证了MODIS产品的可靠性，并分析了气溶胶光学厚度的季节分布与能见度季节分布的关系。赵秀娟等(2005)借助6S模型对MODIS的蓝光、红光和中红外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，并通过蓝光通道与中红外通道地表反射率之间的关系进一步反演了兰州城市及其附近地区的气溶胶光学厚度分布，反演结果较为合理。

本文实例为2006年7月的太湖实验，实验期间天空晴朗无云，湖面平静。按图1所示的各采样点采集水面光谱数据，配合MODIS数据反演得到太湖地区的气溶胶光学厚度，并插值得到太湖气溶胶光学厚度的区域分布，同时分析造成这种分布的原因。此外，对两种不同方法得到的水面反射率进行对比，为太湖地区的精确大气校正提供参考。

1 算法和流程

1.1 MODIS高分辨率气溶胶光学厚度反演算法

假设地表为均匀朗伯体，传感器接收到的表观反射率R定义为

式中:L为表观辐射亮度;F0为外大气层太阳辐照度(Kaufman et al.，1997)。

传感器接收到的卫星表观反照率Rsat由路径辐射项和地表辐射项构成:

图1 太湖实验区水面采样点和大气测量点示意图Fig.1 The water sampling points and atmospheric measurement stations in Taihu Lake experimental area

式中:Ratm为整层大气反射率;Tatm(μ0)和Tatm(μ)分别表示从太阳到地面、从地面到卫星两个方向大气层的总透过率(直射和漫射);系数1/(1－RsurfRatm)代表地面和大气层多次散射的作用。卫星观测的表观反射率Rsat既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面反射率Rsurf的函数。如果已知下垫面的反射率，并确定了大气气溶胶模型，即可通过辐射传输模拟反演得到气溶胶光学厚度(唐洪钊等，2010)。

1.2 太湖地区气溶胶光学厚度反演流程

已有数据:采样点对应的经纬度、时间;光谱仪测量的每个纳米波长的反射率;MODIS影像数据。

1)计算MODIS波段对应的水面反射率。测得的水面反射率的光谱分辨率为1 nm，MODIS各个波段的光谱响应函数为f(λ)，利用式(3)可得到与MODIS各波段对应的水面反射率ρe:

式中:E0(λ)为大气层外光谱辐照度;f(λ)是各个MODIS波段对应的光谱响应函数;ρT(λ)是每个波长对应的反射率，匹配过后就可以得到对应MODIS波段的水面反射率。

2)利用 HDF Explore软件处理 MODIS影像Bnad1中的数据，根据经、纬度信息，找到采样点所对应像元，获取每个采样点所对应的太阳—地表—卫星的观测几何关系(太阳天顶角、太阳高度角、卫星天顶角、卫星高度角)。通过ENVI软件对MODIS遥感影像进行校正，提取校正后的MODIS影像的卫星表观反射率信息(姚薇等，2011)。

3)运用6S辐射传输模式，反演得到550 nm处的气溶胶光学厚度(τ550)。

为了确定太湖区域的气溶胶光学厚度分布，使用了反距离加权插值方法，计算得到MODIS遥感影像上各个像元相对应的气溶胶光学厚度。算法过程如图2所示。

图2 太湖区域气溶胶光学厚度反演流程图Fig.2 The flow chart of aerosol optical depth retrieval in Taihu Lake area

2 结果分析

气溶胶模式的假定是MODIS反演气溶胶光学厚度的主要误差来源之一。太湖地区的气溶胶类型受到太湖所处地理位置以及周边环境的影响，导致其与常用的大陆型气溶胶和城市型气溶胶相比，为两者的混合型。为了使MODIS反演得到的气溶胶光学厚度更精确，选取了自定义的气溶胶类型(胡方超等，2009);并通过6S对2006年7月29日的MODIS影像数据进行大气校正，获取不同气溶胶类型下的水面反射率(Liu and Zhao，2002)。

图3是通过6S进行大气校正所得到的水面反射率和实测水面反射率的散点图。图3a采用了自定义气溶胶类型，图3b采用了大陆型气溶胶类型。测定系数R2分别为0.947 9和0.893 5，说明自定义的气溶胶类型更有利于大湖地区的大气校正和气溶胶光学厚度的反演。

通过反演得到各采样点的气溶胶光学厚度，对其进行插值得到整个太湖区域相对于MODIS影像上各像元的气溶胶光学厚度。

图4为2006年7月31日太湖地区大气气溶胶光学厚度的平均分布。其中太湖以北地区大气气溶胶光学厚度显著高于其他湖区，高值中心AOD达0.8以上，整个太湖地区AOD由北往南呈递减趋势，低值出现在湖中心。这是由于太湖沿岸人为活动较多，导致气溶胶光学厚度高于湖中心区域，尤其在太湖北部梅梁湾区域，由于位于太湖北岸的无锡、常州等地区生产、生活排放出大量粉尘、烟尘，从而使得北部湖区的气溶胶颗粒物增加幅度明显，这是该区域气溶胶光学厚度较高的主要原因。太阳光度计在南岸测量得到τ550为0.696 0，在北岸测量得到τ550为0.857 8，与反演得到的太湖南、北部地区的气溶胶光学厚度较接近，整个区域内气溶胶光学厚度的分布也较合理。

图3 实测水面反射率与自定义气溶胶类型(a)、大陆型气溶胶类型(b)反演的水面反射率的散点图Fig.3 Comparison between the water reflectivity retrieved by(a)the self-defined aerosol model and(b)the continental aerosol model and the measured water reflectivity

图4 2006年7月31日太湖地区气溶胶光学厚度的分布Fig.4 Distribution of aerosol optical depth in Taihu Lake area on 31 July 2006

张运林等(2005，2006)、张运林(2011)研究表明，在大多数情况下太湖北部湖区梅梁湾的颗粒物吸收对总吸收的贡献率超过70%，而在675 nm附近，由于叶绿素a的特征吸收会出现明显峰值。乐成峰等(2008a，2008b)研究表明，太湖叶绿素a在夏季北部湖区特别是梅梁湾附近的浓度最高，向湖心区逐渐减小。MODIS Band1的波长为620～670 nm，在此波段内叶绿素a浓度越高，水面吸收率越大，并导致水面反射率越低。该结果与由水面光谱数据得到的水面反射率关系基本一致。图5a为太湖各点水面反射率(其中采样点第17—22、27、28数据缺失)。已有研究(Li et al.，2003;Xia，2006;郑有飞等，2011)表明，MODIS反演气溶胶光学厚度、地面反射率偏小，卫星反演的气溶胶光学厚度偏大。太湖的水面反射率越低，根据辐射传输计算反演得到的气溶胶光学厚度就越高。因此，太湖颗粒物的吸收特性可能是导致反演得到的气溶胶光学厚度分布不均匀的主要原因之一。

根据式(2)可知，卫星观测的表观反射率既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面反射率的函数。如果已知下垫面的反射率，并确定了大气气溶胶模型，即可通过辐射传输方程反演得到气溶胶光学厚度。在反演过程中选择的自定义气溶胶模型是改进的大陆型气溶胶模型(胡方超等，2009)。在一般的大陆气溶胶模型中，当下垫面反射率较小时，模拟得到的卫星表观反射率随气溶胶光学厚度的增加而增加(毛节泰等，2011)。图5b给出了各采样点的表观反射率，可以看出北部湖区大多数点的表观反射率要略高于其他湖区的大多数点。这也是造成反演得到的气溶胶光学厚度高于其他区域的原因。

太湖北部湖区的水面反射率普遍偏低而表观反射率略高于其他地区，因此，通过辐射传输方程反演得到的气溶胶光学厚度高于其他湖区。

图5 各采样点水面反射率(a)和表观反射率(b)Fig.5 (a)The water reflectivity and(b)apparent reflectivity at all sampling points

为更好地研究太湖区域的水面反射率，运用了两种不同的方法反演太湖区域水面反射率。选择太湖梅梁湾湖区为研究对象。方案1:当TERRA卫星过境时，太阳光度计测得7月31日τ550平均值为0.716 0，将此值作为输入参数，运行6S程序，得到MODIS波段1的大气校正参数，通过ENVI的通道运算(band math)和大气校正参数得到太湖区域各像元点的水面反射率。方案2:各像元点的气溶胶光学厚度已经得到，结合卫星遥感数据进行大气校正，得到各像元点的水面反射率。比较两种方法得到的水面反射率和实测水面反射率，结果如图6所示。

由图6可以看出，方案1得到的水面反射率要略高于方案2的水面反射率，实际采样得到的水面反射率更加接近于方案2。这是由于方案1中太阳光度计测得的太湖区域气溶胶光学厚度是平均值，无法很好地反映太湖各个点气溶胶光学厚度，通过图2流程反演得到的气溶胶光学厚度可以更好地反映太湖地区实际情况，以弥补太阳光度计测得的数据在该区域上的不足。方案2得到的水面反射率更加接近实际值，大气校正的精度更高。由于大气的Rayleigh散射和气溶胶的散射作用在可见光波段比臭氧的吸收作用强，导致反射率值在大气校正后显著小于校正前，越是精确的大气校正，越能更有效地降低气溶胶粒子对各波段反射率的影响(刘朝顺等，2008;姚薇等，2011)，大气校正后的反射率值越小越精确，这与图6的结果一致。

3 结论和讨论

1)气溶胶的区域分布受到人为活动的影响较大，太湖沿岸由于工业和交通等人为气溶胶的影响，是反演的太湖气溶胶光学厚度分布不均匀的主要原因。本文根据卫星接收到的表观反射率和水面光谱数据来反演太湖地区气溶胶光学厚度分布，结果显示，测点的实测值与附近的反演值较接近，整个区域内气溶胶光学厚度的分布也较合理，可以反映该地区气溶胶分布特征。

2)利用MODIS和水面光谱数据反演得到的太湖区域气溶胶光学厚度分布，相较于太阳光度计测得的值，能够更好地反映整个太湖区域的气溶胶浓度和分布情况。

3)分别使用MODIS和水面光谱数据反演得到的气溶胶光学厚度、太阳光度计CE318测得的气溶胶光学厚度进行大气校正，得到不同的水面反射率。参考ASD实测水面反射率可知，前一种方法得到的反射率小于后一种，并更加接近实测值，表明使用MODIS和水面光谱数据进行大气校正可以提高精度。

本文假设地表为朗伯体表面，在大气校正过程中没有考虑方向性对精度的影响，只考虑了瑞利散射。实测水面反射率与MODIS数据不同步，导致水面反射率存在误差。

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