成都地区MODIS卫星AOD产品的适用性验证及应用

刘 昆，倪长健

(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都610225;2.高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都610225;3.中国人民解放军96111部队，陕西渭南715400)

0 引言

大气气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)的物理意义是沿辐射传输路径，单位截面上气溶胶吸收和散射对太阳辐射产生的总削弱，它和垂直方向上大气柱中总的气溶胶浓度有关。因能良好地表征大气气溶胶状况，评价大气环境污染，所以在研究大气气溶胶辐射气候效应方面，光学厚度是重要的参考指数[1]。因此大气气溶胶光学厚度的研究受到国内外学界的重视。

Fotiadi[2]分析了 Crete 岛(地中海东部)Aeronet Forth站光学厚度、粒子谱等参数的变化，指出夏季细粒子谱峰值最大，春季粗粒子谱峰值最大。Adeyewa[3]研究了不同地区气溶胶光学厚度的光谱依赖性;Angstrom近似的适用性取决于气溶胶特性和源区。中国利用卫星遥感气溶胶的研究始于20世纪80年代中期[4];罗云峰[5－6]利用46 个站点的资料对中国地区30年来的AOD进行分析，发现自1980年开始中国大部分地区光学厚度呈现增加趋势;邱金桓等[7－10]对中国多个站点大气气溶胶的变化特征进行分析，得出北京和香港地区光学厚度的诸多分布特征。MODIS卫星作为一种新兴的观测大气气溶胶光学厚度的设备，近年来在监测大气气溶胶变化中起到越来越重要的作用。MODIS卫星AOD产品与基地观测方式相比，具有能够更好覆盖研究地区，对污染物来源、污染物变化趋势有更直观分析等优点。在MODIS产品的适用性验证方面，李成才等[11－12]通过地面太阳光度计观测的结果校验了MODIS大气气溶胶产品，并统计了中国东部地区和几个主要区域的大气气溶胶光学厚度分布特征和季节变化特点;同时，还利用NASA给出的业务算法反演了香港地区星下点1km的气溶胶光学厚度[13－14]。韩道文等[15]证实了卫星遥感大气气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度影响两方面订正后，可以作为监测颗粒污染物地面分布的一个有效手段。

近几年，成都地区空气质量出现显著恶化的趋势，为具体研究该地区AOD变化特征。先对MIDIS卫星AOD产品在成都地区的适用性进行检验，并对该地区近10年气溶胶光学厚度的变化进行研究分析。

1 仪器与数据介绍

1.1 CE-318太阳光度计数据

CE-318太阳光度计数据主要来自成都市气象局大气成分观测站，数据采集点位于成都市一环路和大石东路交界处的一幢建筑楼顶(104°02'20″E，30°39'16″N，海拔587.0 m)的方舱中，距地面高度为81 m，四周无遮挡，主要进行气溶胶光学特性的地基遥感观测。选用其监测得到的地基遥感气溶胶光学特性的CE-318太阳光度计中的4个观测通道:1020 nm，870 nm，670 nm，440 nm的实时数据用以对比遥感数据，验证MODIS卫星遥感数据的可用性，进而研究成都地区的光学厚度变化特征。

选用成都大气成分站2007年2月1日至2009年12月31日的CE-318太阳光度计观测资料，且规定日观测次数≥10次为有效，总共获得295个有效观测日期，共3726次有效观测。

表1 成都大气成分站AOD有效观测资料(2007年2月1日～2009年12月31日)

1.2 MODIS大气气溶胶产品

MODIS每日大气气溶胶产品(MOD04)是MODIS大气2级数据产品，提供全球每日卫星过境时刻反演得到的气溶胶光学厚度。MODIS大气气溶胶反演的业务化算法经过数次改进，可提供动态且十分丰富的地表光学影像，在对地观测领域的海洋学、生物学和大气科学与全球变化有广泛的应用。

使用的AOD数据来自于EOS-TERRA/MODIS传感器Level 2 Aerosol光学厚度产品，该产品的灰度值即为气溶胶光学厚度值，一般值在0～3000。使用暗像元算法生成，Lambert投影，空间分辨率为10 km×10 km。时间从2003年1月1日至2013年12月31日，有效数据天数1688天。(数据来自 http://ladsweb.nascom.nasa.gov/)

2 MODIS卫星产品与光度计产品对比

2.1 MODIS卫星资料与光度计各通道资料季节变化对比

选取2007～2009 3年中光度计和MODIS卫星同时能观测到AOD产品的日期中的资料，并将资料中MODIS卫星数据所在位置与大气成分观测站距离大于30 km，两者观测时间间隔大于2 h的数据除去以减小误差。最后一共得到223天的资料，按照3～5月春季、6～8月夏季、9～11月秋季、12～2月冬季的季节划分将数据做季节平均，得到图1。

图1 光度计与MODIS数据光学厚度季节变化对比(2007～2009年)

该图显示了成都地区MODIS资料和光度计资料的季节平均值的变化特征。从3年的光度计与MODIS数据光学厚度季节变化对比可知，不同波段的光度计数据连同MODIS卫星数据的季节变化趋势基本相同。其中在冬、春季节AOD值较大时，MODIS卫星数据的AOD值相对光度计值要小一些，而在夏、秋季节AOD值较小时，MODIS卫星数据AOD值相对光度计值要大一些，这可能与不同时期云层、温度和湿度对遥感结果的影响有关[15]。

2.2 MODIS资料与光度计资料相关性分析

为了解MODIS产品与光度计各通道产品的相关性，将两者进行线性拟合并进行分析。图2～5是440 nm、670 nm、870 nm、1020 nm 4 个波段光度计观测数据与MODIS卫星550 nm产品的对比，其中X轴为光度计不同通道观测的AOD值，Y轴为MODIS卫星观测得到的数据。

图2 MODIS卫星遥感的光学厚度(550 nm)与地面光度计(440 nm)观测的对比

图3 MODIS卫星遥感的光学厚度(550 nm)与地面光度计(670 nm)观测的对比

图4 MODIS卫星遥感的光学厚度(550 nm)与地面光度计(870 nm)观测的对比

图5 MODIS卫星遥感的光学厚度(550 nm)与地面光度计(1020 nm)观测的对比

表2是MODIS卫星产品550 nm通道与光度计各通道线性相关系数对比，其中相关性大小顺序依次是1020 nm、440 nm、870 nm、670 nm，总体相关性较好，说明MODIS卫星遥感数据可以作为观测成都地区AOD值的依据。

表2 MODIS卫星产品550 nm通道与光度计各通道相关性分析结果

3 近10年成都地区AOD的变化特征

以下主要分析2003～2013年成都市近10年大气气溶胶光学厚度年、季、月的变化特征，讨论其近10年的变化关系。

3.1 近10年AOD年平均变化

将2003～2013年每年MODIS产品数据进行平均，分析其大气气溶胶光学厚度的逐年变化。从图5可以看出，近10年成都地区AOD的变化总体呈现弱波动上升趋势，可以大致分为3个时期，其中2003～2005年光学厚度逐年上升;2006年为第一个峰值，较10年平均值增加了0.13;2007～2009年AOD值有下降趋势，并在2009年达到最低;2010年至今总体为上升趋势，但其中2011年有一个峰值，较10年平均值增加了0.14。其原因可能与近年来成都市人口增长迅速，工业化发展、交通排放和其他因素产生的大气气溶胶较之前有明显增加有关，并且由于土地荒漠化严重，受来自西北地区跨越秦岭、大巴山到达中国西南地区的四川盆地的沙尘暴影响，使该地区的AOD值有明显增长。

图5 2003～2013年AOD年平均变化图

图6 2003～2013年AOD季节平均变化图

3.2 近10年AOD季节平均变化

随着不同季节成都地区气象要素和人类生产活动发生明显变化，大气光学厚度也存在着明显的季节变化。图6为近10年4个季节平均的逐年变化图。季节AOD平均在各个年份均表现为春冬较大，夏秋较小，且秋季最小，这和以前的研究成果一致[16]。春季AOD值较高的原因与成都地区有时在北方沙尘暴南下的影响和秦岭的阻挡，冷空气势力较弱，在四川盆地上空形成了风场“死水区”，本地污染源排放的气溶胶粒子扩散不利有关;加之，冬季早晨多雾，大气气溶胶颗粒与雾滴产生反应，同样不利于气溶胶稀释、扩散[15]。这些因素均可引起春、冬季高 AOD的形成。夏季的AOD数值特征则可能是由于副热带高压的影响。西太平洋副热带高压在夏季控制中国大部分地区，副高内部的大部分地区温度较高，盛行下沉气流，且近地面风速很小，不利于将当地的大气气溶胶的垂直输送和水平输送。此外，夏季丰富的降水对成都地区AOD的减少也有贡献。其中春、冬季AOD增长较缓，夏、秋季AOD增长较快。从各个年代的季节AOD的变化趋势来看，各季节AOD值都有增长，但季节间差异有变小趋势。

5 结论

利用2007～2009年成都市气象局大气成分观测站的CE-318太阳光度计数据和2003～2013年MODIS卫星AOD产品数据，得出以下结论:

(1)利用2007～2009年CE-318太阳光度计资料和MODIS卫星资料相比较，光度计440 nm、870 nm、1020 nm、670 nm 4个通道与MODIS产品相关性分别为0.74、0.65、0.73、0.65，得出在成都地区两种数据的关联性较强，可以利用MODIS数据对成都地区AOD变化进行研究。

(2)利用2003～2013年MODIS卫星AOD产品年平均得出近10年中2006年为成都AOD值最大时期，平均为1.21，其次为2011年，平均为1.20。变化分为3个时期:2003～2005年为第1个上升期，2006～2009年为下降期，2010年至今为第2个上升期。

(3)通过对比近10年各季节AOD平均值得出近10年成都AOD值春季最大，冬季次之，秋季最小。各季节变化趋势与年变化趋势相符。

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