基于克里格插值法的MODIS全球气溶胶光学厚度研究

魏云霞

(西安科技大学 陕西 西安 710000)



基于克里格插值法的MODIS全球气溶胶光学厚度研究

魏云霞

(西安科技大学 陕西 西安 710000)

基于MODIS全球气溶胶光学厚度AOD大气产品数据，利用IDL8.5编程语言基于变程差值的思想对全球气溶胶光学厚度数据进行克里格插值处理，然后利用地基太阳辐射计观测网站点实测数据(SONET/AERONET)对插值后的结果中的中国区域进行验证分析，得出了基于克里格插值方法的全球气溶胶光学厚度分析方法，该方法对研究大尺度观测范围的气溶胶光学厚度具有一定的参考意义，并可以通过此方法来推测出未知区域的气溶胶光学厚度(AOD)值，从而弥补站点数据缺无法实现大范围、宏观的检测不足。

气溶胶光学厚度；克里格插值；站点实测数据

一、引言

大气气溶胶是指以大气与悬浮在其中的固体和液体共同组成的多相体系，粒子的直径一般在0.001μm～10μm之间，主要来源于自然产生和人类活动，如海盐微粒、陆地尘土、烟尘等。气溶胶对气候、人类健康、遥感定量研究等都有不同程度的影响。2002年我国有统计数据的343个城市中，由于空气污染导致死亡的人数达到5万多人，有近40万人因为空气污染导致呼吸系统疾病。因此对气溶胶各种性质的研究具有重要的意义。

气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)是大气气溶胶的重要光学特征之一，它是指沿辐射传输路径，单位截面上所有吸收和散射气溶胶产生的总削弱，是无云大气条件下，单位铅直气柱中气溶胶散射造成的消光系数在垂直方向上的积分(无量纲量)，反映气溶胶对光的衰减作用，是推算气溶胶含量、评估大气污染程度、研究气溶胶气候效应的关键因子，因而是研究大气气溶胶含量的最常用指标。

国内外学者目前对于气溶胶的研究主要是地基遥感和卫星遥感两种方式，本文是通过全球MODIS气溶胶光学厚度数据，采用地统计学中的克里格插值方法反演全球范围内的气溶胶光学厚度，然后就中国区域与真实的站点数据的AOD进行比较，探究出基于克里格插值法的气溶胶光学厚度分析方法对于研究气溶胶光学厚度具有一定的意义，因此在以后研究气溶胶光学厚度时，可以通过若干个已知点的气溶胶光学厚度值，利用克里格插值法可以求出未知区域的气溶胶光学厚度。

二、数据处理

数据的获得到使用分别经历了MODIS数据下载，数据拼接，数据重采样，本文所采用的MODIS数据是通过NASA的官网Http://ladsweb.nascom.nasa.gov/，下载的2015年全年的全球MODIS气溶胶光学厚度数据，下载的数据为HDF格式。然后对下载的数据进行拼接和重采样，最后数据的像元分辨率重采样为0.05°，3600列*7200行。

三、克里格插值

由于云覆盖或者茂密植被像元缺失等原因，MODIS气溶胶产品含有大量的无效值像元，本文基于地统计学中克里格插值方法，对全球大气气溶胶光学厚度产品进行插值处理，采用变程插值思想，利用ENVI/IDL编程语言来实现。具体思路如图1

图1 克里格插值流程图

四、气溶胶光学厚度验证

(一)定义投影信息

由于经过克里格插值后的气溶胶光学厚度时没有地理坐标信息，需要为其添加投影信息，最后2015年所有的气溶胶光学厚度产品统一添加WGS84经纬度坐标。

(二)地基太阳辐射计观测网站点实测数据

太阳/天空辐射计(Sun/sky-radiometer)是测量太阳直射辐射信号和天空多角度散射辐射信号的遥感仪器，根据地面观测的太阳直射及散射信号能推断出气溶胶的光学特性、成分含量等信息。目前，通过地基太阳辐射计观测网站点观测获取的大气参数精度最高，参数信息最全面，是验证其他大气产品，特别是大气遥感卫星获取的气溶胶、水汽等的基准。

AERONET(Aerosol Robotic Network)是由美国宇航局(NASA)联合全球多个区域太阳辐射计观测网建立的地基气溶胶监测网，在全球范围内拥有500多个站点，是目前全球分布最广泛的观测网。旨在研究全球范围内的气溶胶传输、辐射效应，监测气溶胶特性以及验证卫星遥感气溶胶产品。AERONET观测网统一采用法国CIMEL公司生产的全自动CE318太阳光度计为观测仪器，利用不同的站点的实测数据可反演气溶胶光学厚度、柱水汽含量等大气参数产品。AERONET数据主要分为三个处理等级：1.0级数据为未经处理的原始数据；1.5级数据为经过云掩膜处理的数据；2.0级数据是做过云掩膜处理且经过人工审查的高质量数据。本文采用AERONET 2.0级气溶胶光学厚度产品对MODIS气溶胶产品进行验证。

(三)精度验证

由于MODIS气溶胶产品提供470、550、660 nm 3个波段处的气溶胶光学厚度，而地基太阳辐射计观测网AERONET/SONET中使用的CE318太阳光度计观测的太阳辐射可以反演340、380、440、500、670、870、1020 nm 7个波段的气溶胶光学厚度，两者没有相对应的波段；且地基观测网的气溶胶产品是空间上某些点固定间隔时间的连续观测，而MODIS大气产品是空间上以10 km×10 km为观测单位的面上瞬时观测，两者具有不同的时空尺度；因此为了利用地基观测网的实测数据对MODIS大气产品进行比较，需要对地基观测网实测气溶胶产品进行波长插值。

1.波长插值

1929年，Ångström提出了Ångström指数，建立了气溶胶光学厚度与波长之间的Ångström关系式，即在没有水汽影响的波段上,气溶胶粒子的谱分布满足Junge分布：

τa(λ)=βλ-α

3-11

其中，τa(λ)表示波长为λ的气溶胶光学厚度，β表示Ångström浑浊度系数，与气溶胶粒子总数和谱分布等有关；α表示Ångström波长指数，其数值与气溶胶平均半径有关，气溶胶粒子越大，α越小，参数α和β可以通过2个不同波长处的气溶胶光学厚度计算得出。本文基于500和670nm处气溶胶光学厚度利用式3-12、3-13插值计算550nm处的气溶胶光学厚度：

3-12

3-13

2.时空匹配

如前所述，AERONET地基观测的气溶胶光学厚度是以观测站点为观测单位的点上连续观测，而MODIS气溶胶光学厚度是以10km×10km为观测单元的面上瞬时观测。为了使两者具有可比性，本文采用NASA检验全球陆地上空MODIS气溶胶产品的办法，即选取以站点为中心50km×50km范围内的MODIS气溶胶产品的空间平均与卫星过境前后30min的气象站点实测数据时间平均进行匹配。

按照上述方法选取MODIS大气产品和地基实测数据进行相关性分析，验证MODIS气溶胶产品在中国区域的适用性。收集全球范围内的AERONET/SONET气象站点数据，经过波长插值、时空匹配以及MOIDS气溶胶产品无效值去除后，获取时间和空间相匹配的气溶胶样然后对样本进行线性拟合分析来验证全球气溶胶产品

τMODIS=aτAERONET/SONET+b

其中τMODIS为MODIS大气产品，τAERONET/SONET为AERONET实测的大气产品

图中实线表示两者拟合线，虚线表示1:1线，从散点图中可看出，MODIS大气产品与气象站点实测数据拟合线接近于1:1线，两者具有良好的统计相关关系，气溶胶产品的相关系数R2达到0.77，RMSE为0.125；水汽产品相关系数R2达到0.98，RMSE为0.26；。除个别站点(如民勤)外，MODIS大气产品在中国区域与气象站点实测数据一致性较好。

四、结语

本文研究利用了MODIS的气溶胶光学厚度AOD值数据，基于地统计学中的克里格插值的方法对全球气溶胶光学厚度AOD的值进行了反演，对反演的结果的中国区域与真实的站点数据进行了拟合分析，结果表明，插值后MODIS气溶胶光学厚度在中国区域与气象站点实测数据一致性较好.，从而可以证实基于克里格插值法的气溶胶光学厚度分析法对于研究气溶胶具有一定的意义，该方法可用于弥补MODIS数据由于云覆盖等原因引起的AOD值的缺失的区域，反演出的的AOD值可以代替空缺地区的AOD值进行研究分析和大范围大气监测。

魏云霞(1993-)，女，汉族，山西大同人，理学硕士，西安科技大学测绘科学与技术学院，研究方向：地图学与地理信息系统。