基于AERONET的多源多尺度卫星气溶胶产品真实性检验

李慧娜，韩 杰，高 晶，刘博文，关小果

(1.许昌学院 电气与机械工程学院(工程训练中心)，河南 许昌 461000；2.许昌学院 城市与环境学院，河南 许昌 461000)

目前，卫星遥感气溶胶产品已经成为大区域大气污染监测与治理工作的重要支撑数据之一，但受到卫星传感器性能衰变及反演模型等因素的影响，其精度比地面实测精度低[1].为了更好掌握卫星遥感气溶胶产品的精度，李忠宾等[2]利用中国区域内56个AERONET(Aerosol Robotic NETwork)气溶胶站点对MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)气溶胶产品的精度进行分析，探讨不同土地覆盖类型下产品精度的差异.贾臣等[3]利用京津冀地区6个AERONET站点数据，检验了MCD19A2气溶胶产品的精度.韦海宁等[4]对中国6个AERONET站点数据和Himawari-8气溶胶产品进行分析，研究不同季节中产品与AERONET数据之间的变化趋势.

然而，不同类型的卫星遥感气溶胶产品自身误差特性与气溶胶自身浓度之间是否存在相关性仍需进一步分析.因此，以北京地区为研究区，利用2020年研究区三个AERONET站点(Beijing_RADI、Beijing、Beijing_CAMS)的实测数据，对MODIS和Sentinel-2气溶胶产品进行真实性检验，以期为行业用户选取更适应需求的卫星遥感气溶胶产品提供信息参考.

1 数据获取及预处理

首先从MODIS官网和欧空局哥白尼数据中心检索下载2020年北京地区MODIS气溶胶产品MOD04_L2(空间分辨率10 km)[5]和Sentinel-2气溶胶产品(空间分辨率10 m)[6].其次从AERONET官网检索2020年三个站点(Beijing_RADI、Beijing、Beijing_CAMS)Level 1.5级云剔除后的气溶胶数据[7].由于AERONET实测数据缺少550 nm处气溶胶的光学厚度，这将导致无法与卫星遥感气溶胶产品所提供的550 nm气溶胶的光学厚度进行比较.因此选取同一天内卫星过境时刻前后半小时的AERONET实测数据，根据其测量得到的440 nm与675 nm处气溶胶的光学厚度数据，利用公式(1)插值得到550 nm处气溶胶的光学厚度[8].

(1)

式中，τ0.44和τ0.675分别为波长440 nm和675 nm的气溶胶的光学厚度值，τ0.55为内插所得550 nm的气溶胶的光学厚度值.

最后根据站点所在经纬度信息，从MOD04_L2和Sentinel-2气溶胶产品中提取相应的550 nm气溶胶数值，进而开展真实性检验.

2 数据处理与分析

2.1 气溶胶产品与地基测量数据相关性分析

经上述数据预处理，最终从MOD04_L2和Sentinel-2气溶胶产品中提取的可用比对样点数分别为395个和66个.从图1可以看出，两种卫星遥感气溶胶产品在三个AERONET站点处的提取结果与实测AERONET数据之间具有较强的线性相关性，其R2分别为0.968 3和0.767 8.可见Sentinel-2气溶胶产品与AERONET地基测量结果之间具有更高的相关系数，这可能是因为在基于地理位置约束的情况下提取卫星气溶胶产品浓度参数时，空间分辨率更高的Sentinel-2气溶胶产品能够更好呈现出三个AERONET站点局部范围的气溶胶浓度.

图1 550 nm处AERONET实测气溶胶与Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)气溶胶相关性

2.2 气溶胶产品误差分析

虽然通过上述相关性分析，可以发现两种气溶胶产品与AERONET实测数据之间具有较强的线性相关性，但是为了比较两种卫星遥感气溶胶产品与AERONET地基实测数据之间的误差大小，分别计算了AERONET数据与Sentinel-2和MOD04_L2气溶胶产品之间的差值.从图2可以看出，相比于MOD04_L2气溶胶产品，Sentinel-2气溶胶产品误差明显更小.这也进一步表明空间分辨率更高的Sentinel-2气溶胶产品比MOD04_L2气溶胶产品具有更高的反演精度.

图2 550 nm处Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)气溶胶误差

同时，通过对不同气溶胶浓度下该误差绝对值的平均值进行统计，如表1所示.可以看出：(1)相比于MOD04_L2气溶胶，Sentinel-2与AERONET实测数据之间的误差绝对值明显更小，两种卫星遥感气溶胶产品的误差绝对值的平均值分别为0.019和0.101；(2)无论在何种气溶胶浓度下，Sentinel-2气溶胶产品误差绝对值的平均值均比MOD04_L2的误差小；(3)随着气溶胶浓度的增加，Sentinel-2气溶胶产品的误差先增加后降低，而MOD04_L2气溶胶产品的误差逐渐增加；(4)当气溶胶浓度大于0.3时，MOD04_L2气溶胶产品的误差明显大于其他浓度时的误差，Sentinel-2气溶胶产品的误差明显小于其他浓度时的误差，说明当气溶胶浓度较大时，两种气溶胶产品精度差异较大.当然，可用于参与Sentinel-2气溶胶产品误差分析的数据样本(66个)比MOD04_L2的数据样本(395个)少，且在实测气溶胶较大(大于0.3)情况下的样本更少(仅为7个)，这可能会对上述分析结论带来一定影响，因此今后将进一步收集更多实测站点、更长时间序列的有效数据样本进行进一步探讨.

表1 550 nm处Sentinel-2和MOD04_L2气溶胶产品误差绝对值的平均值统计

2.3 气溶胶产品误差季度变化分析

为了更好地分析Sentinel-2和MOD04_L2两种卫星遥感气溶胶产品在不同季度的误差变化特性，对两种气溶胶误差按照日期顺序进行排序，并统计其误差绝对值的平均值.不同季度Sentinel-2和MOD04_L2气溶胶的误差绝对值统计如表2所示.

表2 不同季度Sentinel-2和MOD04_L2气溶胶误差绝对值统计

Sentinel-2和MOD04_L2气溶胶误差变化趋势如图3所示.

图3 Sentinel-2(左)和MOD04_L2(右)气溶胶误差变化趋势

从表2、图3、表1可以看出：(1)对于Sentinel-2气溶胶产品而言，其同步AERONET地基实测气溶胶平均值在第二季度最大(0.338)，因此，该气溶胶产品的误差绝对值的平均值在该季度达到最小(0.009).(2)对于MOD04_L2气溶胶产品而言，其同步AERONET地基实测气溶胶平均值在第四季度达到最小(0.212)，因此，该气溶胶产品的误差绝对值的平均值在该季度达到最小(0.077).

3 结语

以MOD04_L2和Sentinel-2气溶胶产品为例，将2020年北京地区三个AERONET地基测量数据作为基准参考，对两种气溶胶产品开展真实性检验分析.研究结果表明空间分辨率更高的Sentinel-2气溶胶产品与AERONET地基测量数据之间具备强的线性相关性，且其误差绝对值的平均值比MOD04_L2的小.接下来将进一步开展全国范围内多个站点长时间序列的卫星遥感气溶胶产品真实性检验研究.