黑河流域MODIS气溶胶产品时空对比分析

宋晓春，刘兴科，孙玮婕

(1.兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070；2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省地理国情监测工程实验室，甘肃 兰州 730070；4.河南大学，河南 郑州 330029)

大气气溶胶是气候变化的重要影响因子，其作用主要是吸收和散射太阳辐射或者在云微处理过程中发挥作用影响地气系统的辐射收支平衡[1]。目前气溶胶研究主要是通过卫星遥感监测和地基观测。卫星遥感监测提供了全球范围内的气溶胶信息，但是利用卫星数据反演气溶胶时，由于受到地表发照率和气溶胶反演模型等因素的影响，使得获取的气溶胶信息必须依靠地基观测数据进行验证和校正[2]。搭载MODIS传感器的Terra和Aqua卫星的发射升空使得利用卫星数据反演气溶胶光学特性参数的质量有所提高，卫星遥感监测气溶胶也有了一定的进展[3]。气溶胶的光学厚度(AOD)是用来描述气溶胶的消光性的光学参数，表征大气气溶胶物理特性和推算大气气溶胶的含量[4]。目前，国际上用得比较多的反演气溶胶的方法主要有单通道反射率法、多通道反射率法、暗目标法、结构函数法、协同反演法、海陆对比法、多角度成像偏振反演、热辐射对比法、紫外方法等[5-9]。MODIS反演气溶胶的光学厚度主要是深蓝算法、暗目标法及深蓝和暗目标法相结合的算法等方法。

验证MODIS气溶胶产品精度的方法比较多，文献[4]在MODIS气溶胶光学厚度产品质量检验一文中的检验样本匹配的规则是以卫星过境前后30 min地基观测时间平均值匹配地基站点位置方圆10 km范围内的MODIS卫星反演结果空间平均值[10]。这也是当前用得比较多的MODIS数据精度验证方法。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

黑河是我国三大内陆河之一，发源于祁连山，位于河西走廊中部，流经内蒙古、青海、甘肃，海拔范围为875—5519 km。北与蒙古接壤，西以黑山与疏勒河为界，东至石羊河水系西大河的源头。该流域处于西北干旱区，气候类型属于非常典型的大陆性干旱气候，该气候的显著特点是夏季气候十分干燥，冬季气候又冷又干燥，降水相对集中又很少，日照时间相对充足，昼夜温差较大，而且黑河流域内的东西北气候差异性很大。其南部为祁连山区，该地区的蒸发相对较弱，降水量充沛；中部地区为河西走廊一带，这一带的气候比较干燥，降水量相对较少。其下游为额济纳平原，该平原地处内陆腹地，降水相对较少但蒸发量很强烈，风较大，而且地形在垂直高度上变化非常大，地形起伏比较大。

1.2 数据来源

1.2.1 MODIS气溶胶光学厚度产品

从2000年4月开始，MODIS正式向全球免费发布数据产品。其中M0D04/MYD04每日数据为大气2级气溶胶标准数据产品，MOD08/MYD0月数据为大气3级合成的每月气溶胶标准数据产品。NASA最初发布的MODIS气溶胶品为C002版本，后来经过多次版本更新，目前最新的版本为C006版本[11]。本次研究用的MODIS气溶胶产品为C006版本。

从NASA官网下载2007—2016年的MODIS气溶胶2级每日数据产品进行研究。

1.2.2 气溶胶光学厚度地基观测数据

黑河流域2012年的气溶胶光学厚度地基观测数据来自黑河生态水文遥感试验(HiWATER),是从西部数据中心申请得到的。本次研究使用到的数据详细情况见表1。

表1 研究区数据来源说明

2 数据处理和研究方法

2.1 数据处理

2.1.1 MODIS气溶胶光学厚度产品处理

从NASA官网下载的覆盖黑河流域的MOD04和MYD04的C006版本为10 km×10 km分辨率的Aqua和Terra卫星气溶胶光学厚度每日数据产品。先对MODIS气溶胶光学厚度产品进行几何校正，再对其进行重投影操作。同时，导出暗像元法和深蓝算法融合550 nm处的气溶胶的光学厚度。由于MODIS气溶胶光学厚度产品与西部数据中心申请获得的地基观测数据的时间是不一致的，因此需要对MODIS气溶胶光学厚度产品数据的时间进行转换，获得当地时间的MODIS产品数据，方便与黑河生态水文遥感试验(HiWATER)的地基观测数据进行时空匹配分析[12-13]。

2.1.2 气溶胶地基观测数据的处理

黑河生态水文遥感试验(HiWATER)观测得到的气溶胶光学厚度地基观测数据作为真值验证MODIS气溶胶光学厚度产品的精度。由于黑河生态水文遥感试验(HiWATER)的地基观测数据没有550 nm处的气溶胶光学厚度值，为了与MODIS数据反演得到的550 nm处的气溶胶光学厚度值进行匹配，需要对黑河生态水文遥感试验(HiWATER)观测得到的地基观测数据进行插值分析，得到550 nm处的气溶胶光学厚度的地基观测数据。

利用 Angstrom给出的气溶胶光学厚度与波长之间的关系式(1)对气溶胶光学厚度地基观测数据进行插值得到550 nm处的气溶胶光学厚度[14]。

τα(λ)=βλ-α

(1)

式中，τα(λ)为波长为λ的气溶胶光学厚度；β为Angstrom浑浊度系数，与气溶胶粒子指数、粒子谱分布和折射指数有关；α为Angstrom波长指数，与气溶胶的平均半径有关，取值为[0,4]，气溶胶粒子越大，α值越大。由于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,气溶胶光学厚度跟波长之间满足Angstrom关系式，故

τ∝(670)=β(670)-α

(2)

τ∝τ∝(500)=β(500)-α

(3)

式(2)和式(3)两式联立，得

(4)

550 nm波段处的AOD值可由下式求得

(5)

2.2 研究方法

2.2.1 MODIS气溶胶产品精度验证

本次研究采用Terra卫星和Aqua卫星获取的MODIS气溶胶光学厚度数据进行分析。由于MODIS传感器和黑河生态水文遥感试验(HiWATER)观测的尺度在时间上和空间上均不相同[15]，因此需要对MODIS数据和黑河生态水文遥感试验(HiWATER)观测的地基观测数据在时间上和空间上进行一定的处理，才能相互匹配，进行验证分析。MODIS气溶胶产品的验证方法为MODIS数据以观测站点为中心，周围10 km范围内的气溶胶光学厚度值进行空间上平均，而对于观测站点的地基观测数据以卫星过境前后10 min内的地基观测数据进行时间上的平均，然后将该平均值作为卫星过境时该观测站点的地基观测数据，再将这两组数据利用回归分析等方法验证MODIS气溶胶光学厚度产品精度。

2.2.2 MODIS气溶胶产品精度验证结果

黑河生态水文遥感试验(HiWATER)提供的AOD地基观测数据是在研究区内的五星村(100.363 9E，38.855 172 22N)架设观测点进行观测，获得的观测时间段为2012年6月01日至2012年9月19日，上午星Terra的AOD值和HiWATER观测得到的五星村AOD值构成的验证数据对共计47对，下午星Aqua的AOD值与HiWATER观测得到的五星村AOD构成的验证数据对也是47个。两组数据进行回归分析，散点图如图1所示。

图1 MODIS气溶胶光学厚度和地基观测数据的散点图

图1中以黑河生态水文遥感试验(HiWATER)提供的地基观测数据550 nm波段处的AOD值作为散点图的横坐标，以MODIS反演的气溶胶光学厚度AOD值作为散点图的纵坐标(无单位)。MODIS陆地上空气溶胶光学厚度AOD产品的期望误差范围由NASA定义(τ=±0.05±0.15τWiWATER)[5]。本次研究也采用该方法计算MODIS陆地上空气溶胶光学厚度AOD的期望误差。对观测站点的MODIS气溶胶光学厚度产品是否在期望误差范围内进行统计分析，分析结果发现90%以上的数据都在期望误差范围内。

C006版本550 nm波段处气溶胶光学厚度AOD值的拟合方程式分别是：y=1.003 1x-0.002 7和y=1.007 9x-0.000 4。通过精度验证分析可知，MODIS气溶胶产品的光学厚度与黑河生态水文遥感试验(HiWATER)550 nm波段处AOD地基观测数据的线性拟合结果非常好。因此，MODIS反演得到的气溶胶产品的光学厚度的精度比较高，可信度高，适用性广。

气溶胶产品的误差来源主要包括以下4个方面，一是观测数据，二是用于反演的MODIS视场残留云的影响，三是地表反射率估计误差，四是气溶胶模式设定误差[16-20]。本次研究中的误差来源还有可能是黑河流域地区有云覆盖的时间较多，造成数据中的无效值比较多，这对于MODIS气溶胶光学厚度产品的精度验证有一定的影响。

3 结果分析

3.1 2008年MODIS气溶胶光学厚度时空变化对比分析

选取研究区质量较好的2008年上午星Terra和下午星Aqua的MODIS气溶胶光学厚度日产品数据对比分析黑河流域地区气溶胶光学厚度上午和下午的变化情况，如图2所示，其中图2(a)、(c)、(e)是用上午星Terrra的数据做的研究区上午的气溶胶光学厚度分布图，图2(b)、(d)、(f)则是同一天对应的用下午星Aqua的数据做的研究区下午的气溶胶光学厚度分布图。

图2 2008年黑河流域气溶胶光学厚度AOD分布

通过分析2008年第154天(6月12日)、161天(6月19日)和168天(6月26日)的上午星Terra与下午星Aqua的气溶胶光学厚度的最低值、最高值及上午星Terra与下午星Aqua的AOD的差值及分布情况发现，总体而言，研究区的AOD值中下游地区比上游地区高，高值基本都集中在中下游地区，下午星Aqua的AOD最低值比上午星Terra高。由于上游地区的空值比较多，因此对研究结果的客观性有一定的影响。此外，研究区的气溶胶光学厚度时空分布还受卫星拍摄时当地的天气状况和空气质量的影响。

3.2 2012年MODIS气溶胶光学厚度时空变化对比分析

从2012年的MODIS气溶胶光学厚度数据中选取质量比较好、空值相对较少的影像分析黑河流域的气溶胶光学厚度时空变化分布特征(如图3所示)。图3(a)为2012年第44天，即2月13日的MODIS气溶胶光学厚度分布，AOD的最高值为0.414，最低值为0.023，高值分布在下游地区额济纳旗和肃北蒙古族自治县境内，中上游地区的气溶胶光学厚度处于低值和中间值。而在第二季度的第115天，中上游地区的气溶胶光学厚度值相对于第一季度的第44天明显提高了很多，并且最高值由0.414增加至1.348，最低值也由0.023增加至0.034。下游额济纳旗和肃北蒙古族自治县地区的气溶胶光学厚度值相对于第44天降低了。第三季度的第261天气溶胶光学厚度的范围是[0.029,0.354],与前两个季度的气溶胶光学厚度相比，该天气溶胶光学厚度比较低且高值分布也比较均匀。第四季度的第323天气溶胶光学厚度最高值为0.28，最低值仅为0.02，相比前3个季度低了很多，该天西部地区的气溶胶光学厚度值比东部地区高。

图3 2012年黑河流域气溶胶光学厚度AOD分布

4 结 论

550 nm处的MODIS气溶胶光学厚度的精度较高，具有一定的可信度，并且拥有比较显著的适用性，因此可以用来研究大范围的MODIS气溶胶的时空分布变化特征，以及结合PM2.5和PM10.0等反映气候变化效应的因子分析研究区的气候变化特征，同时也可以分析研究气溶胶光学厚度与PM2.5和PM10.0等的关系。

本文研究发现，研究区下午的气溶胶光学厚度值比上午的高，并且中下游气溶胶光学厚度值比上游地区较高。夏季的气溶胶光学厚度比其他季节的气溶胶光学厚度值高，春季气溶胶光学厚度高值区域集中分布在下游地区，夏季的高值区域分布在上游区域，秋季的高值区域分布比较均匀，冬季的高值则主要分布在西部地区。