MODIS 北极气溶胶光学厚度的精度验证与分布特征研究

杨艳丽 常亮,2,3

(1 上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306;2 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江 杭州 310012;3 自然资源部极地科学重点实验室,中国极地研究中心,上海 200136)

0 引言

北极是北半球气候系统稳定的重要基础之一,是地球上的气候敏感地区,也是多个国际科学计划研究全球气候变化的关键地区[1]。21 世纪以来,北极增暖的趋势是全球平均水平的2 倍,北冰洋海冰覆盖面积快速减少,格陵兰岛上的冰层在夏季出现了大面积的融化现象,极地永久冻土出现融化现象,以上的种种现象都与全球气候息息相关[2-3]。研究发现,北极温度升高与大气气溶胶引起的辐射强迫变化有极大的关联[4]。北极地区降水较少,气溶胶在北极的生命期长,对北极气温影响大;随着北极增暖,经暖化的冰雪即使含有极少量的黑碳气溶胶都能产生更大的增暖效应[5]。北极地区的云多为薄云,气溶胶通过改变北极云的微物理特征,能够造成堪比温室气体加倍的冬春季节增暖效应,是温室气体以外北极快速增暖的一个重要贡献因子[6]。大气气溶胶是悬浮在大气中固体、液体和气体中的颗粒总称,粒径大小为0.001～100 μm,主要有沙尘气溶胶、海盐气溶胶、含碳气溶胶和硫酸盐气溶胶等类型[7]。气溶胶质量虽仅占整个大气质量的十亿分之一,但是对全球气候变化具有显著影响[8-9]。一方面,大气气溶胶可以通过散射、吸收和反射太阳短波辐射和大气长波辐射直接影响地球辐射平衡,进而对全球气候变化产生影响;另一方面,气溶胶粒子作为云凝结核,参与云的形成、演化和消散过程,改变云滴大小、云体寿命及其光学特性,从而间接影响全球气候[10]。气溶胶的辐射效应主要依赖于其光学特性的变化,然而气溶胶在时空上的剧烈变化,使得对气溶胶辐射效应的评估还存在很大的不确定性[11]。因此,准确估计北极地区气溶胶的光学特性,对进一步揭示北极气候变化机理具有重要意义。

气溶胶光学厚度(AOD)是大气气溶胶光学特性的关键参数之一,可反映整层大气气溶胶的消光作用,并被用于评估空气污染程度。同时,AOD 反映了大气柱中气溶胶的含量以及气溶胶对地气系统辐射平衡的影响[12]。目前,获取AOD 主要有地面遥感观测和卫星遥感两种手段。其中,地面观测是高精度获取AOD 的传统手段[13]。Rahul 等[14]利用地面观测数据分析了北极2011 年6 月和7 月期间的AOD变化,结果发现北极夏季AOD 都超过了0.1,且其粒度分布结合后向轨迹模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT)与美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料的风场分析表明,这是从北极周围的陆地远距离输送的结果。但是,地面观测成本高,北极站点分布稀疏,使得其估计的AOD 空间分辨率较差,难以反映整个北极地区的气溶胶光学特性。卫星遥感因其覆盖范围广、观测连续、空间分辨率高,近几十年来已被广泛用于北极地区气溶胶光学参数的反演。田彪[15]基于MODIS 反演的AOD 与AirFire 北极传输潜力模型,研究了俄罗斯西西伯利亚地区的火点燃烧释放污染气团对北冰洋上空黑碳气溶胶浓度的影响特点。Mei 等[16]提出一种基于先验知识的协同方法,该方法使用MODIS 数据反演了北极的AOD,结果显示利用MODIS 反演的AOD 与6 个高纬度的地面观测站数据比较,相关系数为 0.8,相对误差在10%～20%之间,这表明该方法在反演北极上空的AOD 方面具有潜力。张赛英等[17]分析了北极巴伦支海地区在2003—2009 年的MODIS AOD 和覆冰分布之间的关系,结果发现该海域AOD 春天高、夏天低、秋天稍有回升,且与覆冰之间的耦合关系存在一个滞后的关系,覆冰厚度的峰值平均会比AOD的峰值提前一个月。Glantz 等[18]对比了2003—2015年期间4—9 月MODIS C5.1 和C6.1 AOD 产品在北欧地区的适用性,指出MODIS C6.1 AOD 产品在北欧地区的适用性较好,两种产品在海岸线和岛屿之间区域反演效果较差。

目前,最新发布的MODIS C6.1 版本提供了10 km和3 km 两种不同空间分辨率的AOD 产品[19]。为了进一步评估两种AOD 产品在北极地区的反演精度,本文利用2000 年3 月—2018 年10 月的MODIS C6.1的10 km 和3 km AOD 产品对北极地区AOD 的时空分布规律进行了分析,并与时空匹配的地基AOD观测结果进行了对比验证。

1 数据和方法

1.1 MODIS AOD 产品

MODIS 是由美国国家宇航局(NASA)的地球观测系统EOS(Earth Observation System)计划中发起的Terra 和Aqua 卫星上搭载的一个重要的传感器。从 NASA 网站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search.html)可以免费下载到Terra 和Aqua 卫星的MODIS AOD 产品。Terra 和Aqua 这两个卫星相互配合,每1–2 天可覆盖全球1 次。MODIS 传感器具有36 个离散光谱段,视场宽度为2330 km,光谱范围为0.41～14.5 μm,这些功能可以有效地反演陆地和海洋上的AOD[20]。MODIS 数据产品总共分为5 级,应用于气溶胶研究较为广泛的是Level 2.0 AOD 产品。

最新C6.1 版本的MODIS 气溶胶产品提供了用于反演陆地和海洋上的气溶胶特性的精确算法,包括标准的10 km 和3 km 气溶胶产品。3 km 与10 km的产品在地表反射率的设定以及数据反演流程上没有太大的差别,但是两种数据在像元的组织和筛选上有一些不同。10 km 和3 km 的数据均不能反演有云覆盖像素的AOD,但分辨率更高的3 km 数据产品对云区边界具有更细致的分辨能力,使得3 km 数据产品更能体现云区附近的气溶胶光学特性。本文主要使用了Terra MODIS C6.1 的2000 年3 月—2018年10 月气溶胶数据Level 2.0 科学数据集“Optical_Depth_Land_And_Ocean”开展分析和研究。该科学数据集应用MODIS 气溶胶暗像元算法生产了10 km和3 km 两种不同分辨率的独立产品。

1.2 AERONET

本文使用的地基观测资料来自 AERONET(Aerosol Robot Network,https://aeronet.gsfc.nasa.gov/)。AERONET 是一个地基气溶胶观测网络,与世界上的其他气溶胶观测网络如法国气溶胶网络(PHOTONS)和一些研究所机构组成了一个观测联盟。AERONET 用CE-318 太阳光度计测量太阳直接辐射中各个光谱段的辐射强度,计算大气柱中气溶胶的光学厚度,每隔15 min 或更短时间记录各种测量值,且不确定度较低。AERONET 为所有站点提供高精度、标准化的数据处理和公开信息,其气溶胶观测数据已被广泛应用于不同卫星传感器的AOD 产品的验证。AERONET 提供了Level 1.0、1.5和2.0 三个等级的数据产品:Level 1.0 没有进行云过滤和质量检验;Level 1.5 做了滤云处理但没有进行质量验证;Level 2.0 是经过严格滤云处理和人工验证、有质量保证的高精度数据产品。为了研究北极地区AOD 的时空分布变化特征,我们在北极的33个地基观测点中筛选了AERONET 中观测记录较长的16 个站点开展进一步的研究(图1),并基于2000年3 月—2018 年10 月Level 2.0 AOD 观测数据开展后续分析。

图1 北极地区AERONET 测站位置分布图。蓝色圆点表示本文研究选取的站点,黑色圆点表示未纳入本文分析的AERONET 站点Fig.1.The locations of AERONET ground-based stations in the Arctic region.Blue dots indicate the stations selected in this study,and black dots indicate the AERONET stations not included in this study

由于MODIS AOD 产品的通道为550 nm,而AERONET 仅提供了340、380、440、500、670、870 和1020 nm 通道的AOD。为了便于比较,需要将AERONET 测站已知通道上的AOD 插值到550 nm上去,一般可使用波长插值法和二次多项式插值法。考虑到二次多项式插值法比波长指数插值法得到的AOD 精度更高,更接近真实值[21],本文使用二次多项式插值法进行AERONET AOD 的波段插值。利用二次多项式插值法获取AERONET 550 nm 通道处的AOD 的方法为

式中,τθ表示λ通道处的AOD 值，∂i(i=0,1,2)是未知系数,可结合AERONET 其他已知通道的AOD 值采用最小二乘法进行估计。本文在估计550 nm 通道处的AOD 时,选取的已知通道为440、500 和675 nm通道。为了将MODIS AOD 值与AERONET 实测结果进行比较,两者在进行时空匹配时,设置的时间差和空间半径分别为30 min 和0.5°。此外,为了定量评估MODIS AOD 值相对于AERONET 地面观测的精度和不确定性,本文引入的统计指标主要包括相关系数(correlation coefficient,R)、均方根误差(Root-Square Error,RMSE)、相对平均偏差(Relative Mean Bias,RMB)和期望误差(Expected Error,EE)。MODIS DT 算法给出的期望误差[22]可表示为:

MODIS AOD 的精度验证结果在一定程度上取决于落在期望误差范围内(Falling Within the Expected Error,F_W)的部分,参考Levy 等[23]的研究,如果超过66%的反演结果落在期望误差范围内,则MODIS AOD 产品可被视为在地区表现良好。由于在北极极夜(11 月至次年 2 月)期间,MODIS 和AERONET 均无法测量 AOD 数据,因此本文没有比较在极夜时间的AOD 结果。

2 基于AERONET 的北极地区MODIS AOD 的精度评估

图2 给出了经过时空匹配后,MODIS 10 km、3 km AOD 产品与北极16 个AERONET 测站估计的550 nm AOD 之间的散点图。为了客观评价MODIS AOD 产品的精度,本文剔除了MODIS 和AERONET AOD 之间的偏差大于3 倍标准差的数据对。从图2 可以看出,MODIS 10 km 和3 km AOD 与AERONET 估计值具有较强的相关性,其R值分别为0.840 和0.853,RMSE值均小于0.1,表明MODIS 两种AOD 产品均能较好地描述北极大气气溶胶的光学厚度。但是,两种MODIS AOD 产品的拟合直线斜率均大于1,均呈现较明显的系统性偏差。从斜率(10 km:1.024;3 km:1.075)和截距(10 km:0.024;3 km:0.029)来看,两者均倾向于高估气溶胶负荷。

图2 北极地区2000 年3 月—2018 年10 月MODIS 10 km 和3 km AOD 与AERONET AOD 的散点图。红实线表示拟合方程,黑实线表示y=xFig.2.Scatter plot of MODIS 10 km and 3 km AOD and AERONET AOD in Arctic from March 2000 to October 2018.Red solid line represents fitting equation,and black solid line represents the one-to-one line

为了进一步分析两种MODIS AOD 产品在北极不同地区的精度差异,图3 给出了MODIS 10 km 和3 km AOD 产品与AERONET AOD 之间的相关系数、均方根误差、相对平均偏差和期望误差范围的空间分布。与AERONET估计结果相比,MODIS 10 km和3 km AOD 产品在北极东半球的R值最高,且RMSE值相对最低,说明MODIS 两种产品在北极东半球适用性更高。除了Andenes 站点(见图3 红色正方形)外,北极东半球北欧的每个站点的R都大于0.8。Andenes 站点的R异常小,与Markowicz 等[24]在Andenes 站点的精度评估结果一致。在西半球地区MODIS 两种产品的AOD 适用性相比东半球较差,但在北阿拉斯加地区表现较好,特别是ARM Oliktok AK 站点(见图3 蓝色正方形),相关系数R较高,RMSE较小,RMB接近1,但它的F_W稍低,没有超过66%。在格陵兰岛的两个站点Thule(见图3 红色三角形)和 Kangerlussuaq(见图 3 黑色三角形),MODIS 10 km 产品的精度表现完全相反,两种产品在Thule 表现较好,而在Kangerlussuaq 表现较差。MODIS 10 km 产品在北极西半球的误差结果分布整体呈现纬度越高精度越高的趋势,但3 km 产品没有显著规律。总的来说,两种产品都更适用于北极东半球地区,且在北极地区,10 km 产品的适用性高于3 km,10 km 产品整体的R和F_W更高,RMSE和RMB也更小。

图3 MODIS 10 km 和3 km AOD 产品在AERONET 地面测站的误差统计分布Fig.3.Error statistical distribution of MODIS 10 km and 3 km AOD at AERONET ground-based stations

为了比较10 km 和3 km 的MODIS AOD 在北极地区的不同月份的精度,图4 绘制了3—10 月两种AOD 产品的逐月误差统计结果。如图4 所示,两种MODIS AOD 产品的R在春季(3—5 月)至夏季(6—8 月)至秋季(9—10 月)均是先升高后降低的趋势,10 km 的AOD 产品的相关性最高出现在5 月(为0.89),3 km 的AOD 产品的相关性最高出现在5月(为0.91),且5—8 月的相关性均高于0.8,9—10月的相关性介于0.49～0.55 之间。而两种MODIS AOD 产品的RMSE在春季至夏季至秋季是明显先升高后降低的趋势,在夏季出现最高值(10 km 和3 km AOD 最高都出现在8 月,均为0.126),在秋季最低(10 km 和3 km AOD 最低均在9 月,分别为0.040和0.042)。在所有的季节里面,两种产品的RMB都大于1,且均在夏季7 月较高(10 km:1.71;3 km:1.99),在5 和9 月较低。F_W在春季至夏季至秋季大体是先升高后降低再升高的趋势,趋势呈双峰形,且10 km 产品在5、8 和9 月份均大于66%,结合前文R、RMSE以及RMB的结果,证实了两种MODIS AOD 产品在晚春5 月以及秋季误差较小。除了晚春5 月以外,春季低的相关系数结合低的F_W以及高的RMB,表明春季MODIS AOD 趋向于高估所有的气溶胶负荷,且高估范围远远超出期望误差范围。而夏季数据具有高的相关系数、高RMSE值以及高RMB值,表明夏季MODIS AOD 数据整体波动大、精度较低。从图4e、4f 来看,在3—10 月份,两种MODIS AOD 数据都偏向于高估AERONET 数据,且均呈先增大后减小的趋势,在夏季7 月达到最大值;两种MODIS AOD 产品与AERONET 的差值均在秋季9、10 月较小,其中3 km AOD 产品与AERONET AOD 数据的差值较10 km AOD 的大。R和RMSE在春季至夏季至秋季先升高后降低、呈双峰型的F_W的变化趋势以及与AERONET 的逐月均值差值表明,10 km 和3 km产品在冷干季秋季比暖湿季春夏季的反演精度高,这可能与季节性云所导致的MODIS AOD 反演误差有关[25]。

图4 两种MODIS AOD 产品与AERONET AOD 在3—10 月的比较。a)R;b)RMSE;c)RMB;d)F_W;e)10 km 及其时空匹配的AERONET 的AOD 逐月均值(NET1);f)3 km 及其时空匹配的AERONET 的AOD 逐月均值(NET2)Fig.4.Comparison of two MODIS AOD products and AERONET AOD from March to October.a) R;b) RMSE;c) RMB;d) F_W;e) 10 km and monthly AOD mean of AERONET matched by 10 km (NET1);f) 3 km and monthly AOD mean of AERONET matched by 3 km (NET2)

3 北极地区MODIS AOD 的时空分布特征

图5 给出了2000 年3 月—2018 年10 月MODIS 10 km 和3 km 多年平均AOD 以及两种产品AOD差值的空间分布。在格陵兰岛及格陵兰岛北部海域,由于冰雪和海冰常年覆盖,表面反射率高,使得MODIS 算法难以反演这些区域的AOD 结果[26]。为了保证结果的合理性,本文仅对时间序列内观测值比例大于10%的格点进行空间分布计算。从图5a、b 可以看出,北极AOD 多年均值普遍小于0.2,且部分边缘海区域AOD 值甚至小于0.1,而高值主要出现在低纬度的西伯利亚以及北美地区。MODIS 3 km AOD 产品在北极存在明显的纬度特征,随纬度降低不均匀增大,而10 km产品AOD数据没有明显的纬度特征,这说明3 km 数据能更好地体现出气溶胶变化的梯度。MODIS 10 km 和3 km AOD 多年均值均小于0.15,分别为0.125 和0.126,其差异值小于0.001。图5c 还显示,在北极海域,10 km 产品的AOD 值比3 km的数据要高约0.01～0.02,而在陆地上,3 km 产品的AOD 值通常更大。这主要由于两者反演时在像元的组织和筛选的方法有一些不同,在海洋上,3 km 产品倾向于检索更多比例的较小的气溶胶负荷,在陆地上则相反[27]。

图5 MODIS AOD 多年均值的空间分布图。a)10 km;b)3 km;c)10 km 和3 km 两种产品的差值Fig.5.Spatial distribution of multiyear average for MODIS AOD.a) 10 km;b) 3 km;c) the difference between the two products of 10 km and 3 km

为了进一步研究北极AOD 在空间上的逐月变化与分布特征,图6 和图7 分别给出了MODIS 10 km 和3 km AOD 产品在北极3—10 月的月平均空间分布。从图6 和图7 可以看出,在春季,两种MODIS AOD产品在北极的有效观测范围逐月增大,值范围介于0.1～0.5,且AOD 普遍介于0.1～0.3。春季时北极两种AOD 产品均在4 月北极北欧区域达到最高值,这可能与来自欧亚大陆工业活动来源的污染和低湿清除率有关[28-30]。与春季5 月相比,夏季6 月的AOD值迅速减小,AOD 值介于0.05～0.1 的范围变大,这可能由于夏季降水量增大,使得北极气溶胶湿移除过程更加有效地降低了污染物浓度(在北极湿移除过程是气溶胶去除的主要机制[26])。在7 月和8 月,AOD 高值范围逐渐在北极较低纬度区域增大,与北美和西伯利亚输送的北方森林火灾烟雾导致的污染物负荷大大增加有关[31-32]。在秋季9—10 月份,北极AOD 普遍较小(低于0.1),空气整体上较为清洁,主要原因可能是秋季时从中纬度到北极的气溶胶传输效率较低[33],使得北极地区受到外来气溶胶的影响较小。

图6 MODIS 10 km AOD 逐月均值空间变化图Fig.6.Spatial variation of monthly average of MODIS 10 km AOD

图7 MODIS 3 km AOD 逐月均值空间变化图Fig.7.Spatial variation of monthly average MODIS 3 km AOD

4 结论

本文利用北极地区AERONET 的16 个地面观测点的气溶胶观测数据,评估了MODIS 最新发布的C6.1 版本的Level 2.0 10 km 和3 km AOD 产品在北极地区的反演精度,并基于2000 年3 月—2018年10 月MODIS AOD 产品分析了北极AOD 的时空分布特征。主要结论如下。

(1)MODIS 10 km 和3 km AOD 与AERONET 地面观测点的符合性较好,相关性可达0.840 和0.853,且RMSE值均小于0.1,表明MODIS 10 km 和3 km AOD 气溶胶产品适用于分析北极大气气溶胶时空分布状况,且两者均倾向于高估气溶胶负荷。

(2)在空间上,MODIS 10 km 和3 km AOD 两种产品均适用于北极东半球地区,F_W几乎都在期望误差范围内,R值最高,RMB接近1,RMSE值最低。MODIS 10 km 产品在西半球呈现出纬度越高、精度越高的特点,但3 km 产品没有显示这一规律。整体上,北极地区MODIS 10 km AOD 产品精度略高于3 km 产品。在时间上,两种MODIS AOD 产品在5、9 和10 月份精度评估较高。R和RMSE在春、夏、秋季先升高后降低,呈双峰型的F_W的变化趋势以及与AERONET 的逐月均值差值表明,MODIS两种AOD 产品在秋季冷干季的精度比春夏季暖湿季的精度高。

(3)基于北极地区MODIS AOD 产品发现,低纬度和高纬度AOD 之间存在显著差异,AOD 随纬度降低不均匀增大。MODIS 10 km 和3 km 两种产品的AOD 在空间分布上高度相似,但在细节上有所不同:在北极洋面上,MODIS 10 km 的AOD 值通常更大,而在北极陆面上,MODIS 3 km 的AOD 值更大。

(4)在北极地区,MODIS AOD 产品的季节性分布特征不同。在春季,MODIS 10 km 和3 km 两种产品的AOD 均在4 月份的北极北欧区域达到最高值。夏季6—8 月的AOD 高值范围逐渐增大。在秋季9—10 月份,北极大部分地区的AOD 均值都在0.1以下,说明秋季时北极受到中低纬度地区的气溶胶影响小。