基于遥感的中国陆地地区MODIS C6气溶胶产品验证

2023-02-13张天棋

河南科技 2023年2期

张天棋

（西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010）

0 引言

气溶胶是指悬浮在大气中的固态或液态微小颗粒，其不仅影响地气系统的辐射平衡，还会对环境和人类健康产生重要危害。气溶胶光学厚度（AOD）是气溶胶的重要参数［1］。AOD的常规监测方法是地面站点的观测，其优点是时间连续、精度高，然而地面监测站点数量有限，空间分布不均，无法获得大范围连续的AOD空间分布情况。利用遥感手段反演气溶胶具有大范围、连续的特点，可以有效弥补常规监测手段的不足。中分辨率成像光谱仪MODIS具有空间分辨率高、覆盖范围广、重访周期短的优势，被广泛应用于气溶胶反演研究［2］。

MODIS的气溶胶产品先后经历了六个版本（C1-C6）。主要运用暗目标法（DT）与深蓝算法（DB）进行反演［3］。许多学者针对MODIS AOD产品在中国地区的适用性进行了验证。周春艳等对比了C4和C5产品的精度，表明C5版本产品在低反射地区精度好，而在高反射地区效果较差［4］。王宏斌等验证了C5产品在中国地区的精度并分析了不同地区的反演误差原因［5］。2014年MODIS团队推出了C6版本产品，由于C6版本发布时间不长，缺乏在中国地区大范围的验证工作。

1 数据来源

1.1 MODIS AOD产品

C6版本AOD数据从LAADS网站下载。数据范围为东经72°～136°、北纬18°～54°，覆盖我国的陆地区域。时间范围是2006—2015年，空间分辨率为10 km，卫星重访周期1天，下载每天的AOD影像，从中提取了DT、DB融合数据。

1.2 地基AOD数据

AERONET是由美国航空宇航局（NASA）和法国国家科学研究中心（CNRS）联合建立的全球地基气溶胶监测网络，提供长时间的连续气溶胶光学特征数据，观测频率为15 min，现已普遍被应用于验证卫星反演气溶胶光学特征。AERONET AOD产品包含3个不同级别的版本，其中1级为原始观测数据，1.5级经过了去云处理但没有进行校正，2级产品经过了去云处理和校正［6］。本研究从AERONET官网下载了中国陆地地区所有站点的2级产品。

2 研究方法

2.1 波长匹配

MODIS气溶胶产品的中心波长为470 μm、550 μm、660 μm，本研究所用的是550 μm数据，由于AERONET AOD产品的波长与MODIS产品波长不一致，利用式（1）对AERONET AOD的波长进行插值运算，得到550 μm处的AOD［7］。

式中：λ1、λ2为波长，λ′位于λ1～λ2之间，αλ1～λ2为λ1～λ2处的波长指数。

2.2 空间匹配与时间匹配

MODIS AOD产品是分辨率10 km的栅格影像，AERONET产品是站点的观测值，通常以文本或表格形式存储。空间匹配是以AERONET站点位置为中心，对其周围一定范围内的MODIS像元取均值，本研究选取的是以站点为中心的3×3像素；时间匹配是选取MODIS影像获取时刻前后一定时间范围的AERONET数据取均值，本研究选取的时间范围为30 min。按照这个原则，研究范围内共有20个站点匹配成功。

3 结果与讨论

3.1 站点匹配结果

匹配结果以线性拟合的方式表示，拟合直线为式（2）。

式中：s、i表示拟合直线的斜率、截距，评价结果优劣的统计量有相关系数R、均方根误差RMSE和期望误差EE区间，落在EE区间内的匹配点越多代表质量越好，C6版本DT、DB的EE区间分别为±（0.05+0.15AODAERONET）、±（0.05+0.2AODAERONET）［8］，本研究的研究对象是DT、DB融合数据，选取±（0.05+0.2AODAERONET）为EE区间。站点的匹配散点图如图1所示。

图1 MODIS与AERONET AOD匹配散点图

图1中，深灰色直线为MODIS与AERONET的拟合直线，黑色线为y=x直线，浅灰色直线为EE区间，N为匹配点个数。从图1可以看出，大多数站点的相关性较好，拟合直线在EE区间内，但各站点的匹配点分布、拟合直线的斜率、截距又有较大差别，表1列出了各站点拟合直线的统计参数。

表1 各站点的拟合直线统计参数

表1中“M-A”代表MODIS与AERONET之间AOD的差值；“>EE”“EE”“

3.2 区域精度分析

根据站点的分布和拟合统计结果，发现站点位置的MODIS AOD精度具有明显的地域特点，故将位置靠近的站点作为一个整体来分析。按站点分布将研究区域划分为华北、西北、青藏高原、中东部、东南沿海5个区域。

①华北地区。包含Beijing、Xianghe2个站点，两站点的R均值为0.934，RMSE为0.230。表明二者相关性较高；“M-A”为+0.112，表明MODIS有高估的情况。匹配点位于EE区间内占总点数的百分比分别为60%和67%，位于“>EE”范围的百分比为38%和31%，说明高估并不严重。总体而言，华北地区的MODIS AOD产品反演精度较好。

②西北地区。自西向东有6个站点，R均值为0.696，RMSE均值为0.252，相关性只符合中强相关；“M-A”均值-0.173，且全部站点的“M-A”均为负值，表明在西北地区存在普遍低估；根据站点的

③青藏高原地区。只有QOMS_CAS 1个站点，AOD反演精度较差，存在严重高估现象。青藏高原海拔较高，空气质量好，站点处AOD值较低，这表明在AOD低值地区MODIS精度不高。

④中东部地区。包括5个站点，其中Taihu、Hefei高估较为严重，它们分别有56%和50%的匹配点位于“>EE”范围；NUIST、Hangzhou-ZFU和Shouxian站点的情况良好，表明MODIS AOD在中国中东部地区也有较大不确定性。

⑤东南沿海地区。包含6个站点，位于台湾地区、香港地区和广东省，统计结果表明除了Chen-Kung_Univ存在高估（39%的点落在“>EE”）外，其余站点的反演精度均较好。