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北黄海圆岛海域MODIS气溶胶光学厚度产品有效性验证

马玉娟 陈艳拢 赵建华 姜玲玲

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北黄海圆岛海域MODIS气溶胶光学厚度产品有效性验证

    作者简介: 马玉娟(1985-), 女, 山东滨州人, 博士, 主要从事海洋大气气溶胶遥感监测及评价研究, E-mail:yjma@nmemc.org.cn;
  • 基金项目: 近岸海域生态环境重点实验室基金(201814);国家自然科学基金(41806207, 41500697);国家重点研发专项(2018YFC140707605)
  • 中图分类号: P732

Validation of MODIS aerosol optical depth over Yuandao in the North Yellow Sea

  • 摘要: 利用北黄海圆岛岛基太阳光度计气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)实测数据,在优选时空匹配窗口的基础上,对最新版本MODIS C061 AOD产品开展了有效性验证。结果表明,相对于其他尺度的采样窗口,采用30 km×30 km空间采样窗口、±0.5 h时间采样窗口可以得到更加准确的验证结果。在此时空窗口下,MODISA AOD产品(550 nm)与岛基观测数据具有非常好的一致性,相关系数达到0.98,春季、秋季和冬季AOD产品精度满足NASA的设计要求,夏季数据存在较大误差,符合NASA期望误差([(0.04+0.1*AOD),(-0.02-0.1*AOD)])的比例仅为40%,气溶胶模型假定不合理是其可能的误差来源。
  • 图 1  圆岛位置

    Figure 1.  Location of Yuandao Island

    图 2  2012—2017年圆岛岛基监测气溶胶光学厚度月均变化图

    Figure 2.  Monthly mean variation of AOD from 2012 to 2017

    图 3  不同时空窗口下MODIS AOD与CE318 AOD对比

    Figure 3.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AODin different spatial and temporal windows

    图 4  MODIS AOD与CE318 AOD对比

    Figure 4.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD

    图 5  不同季节MODIS AOD与岛基CE318 AOD线性回归分析

    Figure 5.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD in different seasons

    表 1  不同时空窗口MODIS AOD和CE318 AOD(550 nm)对比

    Table 1.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD (550 nm) in different spatial and temporal windows

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    表 2  不同季节MODIS AOD和CE318 AOD对比

    Table 2.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD in different seasons

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    表 3  不同季节误差比例(ER)对比

    Table 3.  Comparison of ER in different seasons

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-28
  • 录用日期:  2018-09-12
  • 刊出日期:  2020-02-20

北黄海圆岛海域MODIS气溶胶光学厚度产品有效性验证

    作者简介:马玉娟(1985-), 女, 山东滨州人, 博士, 主要从事海洋大气气溶胶遥感监测及评价研究, E-mail:yjma@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 中国石油大学(华东), 山东 青岛 266580
  • 3. 大连海事大学 环境科学与工程学院, 辽宁 大连 116023
基金项目: 近岸海域生态环境重点实验室基金(201814);国家自然科学基金(41806207, 41500697);国家重点研发专项(2018YFC140707605)

摘要: 利用北黄海圆岛岛基太阳光度计气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)实测数据,在优选时空匹配窗口的基础上,对最新版本MODIS C061 AOD产品开展了有效性验证。结果表明,相对于其他尺度的采样窗口,采用30 km×30 km空间采样窗口、±0.5 h时间采样窗口可以得到更加准确的验证结果。在此时空窗口下,MODISA AOD产品(550 nm)与岛基观测数据具有非常好的一致性,相关系数达到0.98,春季、秋季和冬季AOD产品精度满足NASA的设计要求,夏季数据存在较大误差,符合NASA期望误差([(0.04+0.1*AOD),(-0.02-0.1*AOD)])的比例仅为40%,气溶胶模型假定不合理是其可能的误差来源。

English Abstract

  • 大气气溶胶与气候变化和大气污染等问题密切相关,其重要性随着人们的关注而日益突出。气溶胶干湿沉降是陆源污染物向海洋输送的重要途径之一[1],在某些海域,经由海洋大气通过气溶胶干湿沉降进入海洋的营养盐总量甚至与经过河流进入海洋的营养盐总量量级相同。因此,无论从国际外交应对气候变化谈判,还是从国家海洋环境政策的制定和区域海洋环境管理来看,准确获取气溶胶的时空变化信息,具有十分重要的意义。

    近海海域气溶胶受陆地和海洋的共同影响,时空分布变化大,且海上现场观测多根据项目需求设置临时航次或短期连续观测站,长期连续观测站位较少,所获取数据时空分辨率低且覆盖范围小,而卫星监测方法很好地克服了这些缺点,为近海大气气溶胶光学特性的监测提供了可靠的技术手段。中等分辨率成像光谱仪(MODIS)是搭载在美国地球观测系统(EOS)中Terra和Aqua卫星上的重要仪器,具有36个中等分辨率水平的光谱谱段,其中的470、550、650、860、1240、1640、2130 nm波段可用于海上气溶胶反演。

    MODIS的气溶胶反演算法不断被改进,数据集也从C004、C005、C006升级到了最新版本C061。多项研究表明C004 AOD精度基本在期望误差范围内,但在气溶胶光学厚度较小时存在高估,光学厚度较大时存在低估[2]。Papadimas等[3]对比了地中海地区MODIS C004和C005的AOD产品,并评估了该产品在当地的精度,发现C005的AOD产品更接近地基观测值。随着反演算法的优化,海洋气溶胶产品的准确度逐渐提高,在全球尺度上海洋气溶胶产品落入期望误差范围的比例由C004的60%提高到C006的76%[4-6]

    MODIS气溶胶产品在中国海域的有效性也被多项研究所验证。卫星数据版本、验证海域、天气情况、时空匹配窗口都会对验证结果产生影响。与C004数据相比,C005数据在中国近海具有更高的精度[7]。渤海湾和黄海近海海域气溶胶光学厚度的反演结果偏高, 台湾周边海域、东海和日本海以南等广阔海域的反演结果较好[8-10]。亚洲海域,在无沙尘期间MODIS反演结果比较准确, 在沙尘爆发期间反演结果会出现较大的偏差[2]。在黄海和东海海域,时空窗口分别采用50 km×50 km和±0.5 h,73%的MODIS反演结果在期望误差之内[11];如果时间窗口分别采用10 km×10 km和±1 h,则39%的对比结果在期望误差之内,将误差范围扩大到(±0.05±0.05*AOD),则约有72%的对比结果在此范围内[12]

    目前,我国近海海域气溶胶的现场观测主要是搭载在轮船航次上,或根据项目需求在岛屿上设立短期观测点,时空分辨率低、时间跨度短。AERONET和中国典型区域太阳分光辐射观测网的地基连续观测站点也主要位于陆地,站点距离海洋都有一定距离,且大部分设置于楼群之间,未必能真实反映近海大气气溶胶的情况。对北黄海海域,利用岛基连续观测结果验证MODIS气溶胶产品有效性的研究尚未见报道。本文利用多年连续观测的岛基气溶胶观测数据,在优选时空匹配方案的基础上,对最新版本的MODIS C061气溶胶光学厚度产品在北黄海圆岛海域的有效性进行了验证,并探讨了数据不确定性产生的原因,可为北黄海MODIS气溶胶产品的应用提供精度参考。

    • 收集了大连圆岛气溶胶监测站2012年3月—2014年8月、2016年9月—2017年12月期间总计936 d、27652组气溶胶光学特性监测数据。圆岛是位于黄海北部海域,大连市区东南方向40 km左右的无居民孤岛,地理坐标为38°40′25″N、122°09′47″E(图 1)。本文所用数据为经过严格滤云的1.5级数据。

      图  1  圆岛位置

      Figure 1.  Location of Yuandao Island

      圆岛气溶胶光学厚度逐月变化呈现双峰型,峰值出现在4月和7月,最高值出现在7月,最低值出现在12月;季节变化规律为夏>春>秋>冬,与周边陆地气溶胶(大连、沈阳等地)[13]和北黄海海域[14]气溶胶光学厚度变化规律一致。在我国北方地区当AOD小于0.2时,大气较为洁净;当AOD大于0.5时,大气将明显混浊。圆岛海域AOD均值0.31,25%的数据小于0.2,75%的数据小于0.5,与北黄海AOD[15-16]更为接近,远低于周边陆地AOD[13]。与陆地站点相比,圆岛大气更加清洁,气溶胶观测值能更好的代表北黄海海域大气气溶胶的普遍状况。

      图  2  2012—2017年圆岛岛基监测气溶胶光学厚度月均变化图

      Figure 2.  Monthly mean variation of AOD from 2012 to 2017

    • 本文从NASA官方网站收集了与岛基监测时间对应的Aqua MODIS C061的气溶胶产品,空间分辨率为10 km×10 km。Remer等[5]验证MODIS数据时发现,海洋上空Terra MODIS AOD和Aqua MODIS AOD之间存在约0.015的偏差,且Aqua数据更加准确,因此本文仅对Aqua的AOD产品进行验证。

    • 所采用的MODIS AOD产品观测波段为550 nm,而与之最接近的岛基数据的观测波段为500 nm,两者不是完全一致,需要对岛基观测数据进行插值处理。已有研究[17]表明AOD的自然对数与波长的自然对数之间存在很好的二次多项式拟合关系,拟合误差约为0.01~0.02,该算法被AERONET所采用:

      式中:τa(λ)是气溶胶光学厚度(AOD);λ为波长;α0α1α2为常数。利用岛基观测的440、500、670、870 nm波段AOD,采用上述算法求取岛基站点550 nm的AOD

    • 岛基AOD是空间上一点的时间连续观测数据,而MODIS AOD则是10 km×10 km的面上瞬时观测数据,两者的时空尺度不一致,因此必须寻求一种有意义并且稳定可靠的验证方法。由于大气气团总是处于运动过程中,某一固定点的AOD在一定时间间隔内的平均值,可以表征包含该点的某一空间范围内在一定时间范围内的AOD均值。基于这种理论,可利用一定大小的时空窗口内的数据平均来进行验证。

      国际上验证海洋AOD产品时使用的标准空间窗口为50 km×50 km,主要是考虑到大气的均一性,认为采用大空间范围的AOD均值可以减小局部云的剧烈变化引起的误差,这在天气大范围均匀的地区是可行的。但是在近海海域受到人类活动和海陆热力差异的影响,大气的分布并不像在远海那样稳定,具有很强的局部特征。所以在这种情况下,采用50 km×50 km的空间采样窗口,会引入周边区域的误差,也容易受到陆地像元的影响,因此在近海海域验证方案应该在不影响采样统计分析的基础上尽量减小空间采样窗口。

      为了得到最佳时空匹配方案,本文选择了三种空间窗口(30 km×30 km、50 km×50 km、70 km×70 km)和两种时间窗口(±0.5 h、±1 h),统计不同时空窗口下CE318 AOD和MODIS AOD的相关系数、标准偏差、一元线性回归模型的斜率和截距、满足时空匹配条件的数据量等参数,对比分析结果,并确定最佳时空匹配窗口。从表 1图 3可以看出,随着时间窗口从±1 h减小为±0.5 h,相同空间窗口CE318-MODIS AOD相关系数均明显提高,而标准偏差明显减小,因此,时间窗口应选择卫星过境前后0.5 h。当时间窗口选择±0.5 h,空间窗口从70 km×70 km缩小到30 km×30 km, CE318-MODIS AOD相关系数明显提高(从0.94提高到0.98),一些明显的奇异值被剔除,这说明空间采样窗口的缩小提高了CE318与MODIS AOD的相关性。同时,随着空间窗口的缩小,标准差减小,说明窗口越小拟合结果的离散程度越小,空间窗口的减小没有引入更大的因局部变化引起的误差。综上所述,在北黄海海域采用30 km×30 km空间窗口、±0.5 h时间窗口可以更好的降低CE318和MODIS AOD数据时空分辨率不一致的影响,得到更加准确的验证结果。

      表 1  不同时空窗口MODIS AOD和CE318 AOD(550 nm)对比

      Table 1.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD (550 nm) in different spatial and temporal windows

      图  3  不同时空窗口下MODIS AOD与CE318 AOD对比

      Figure 3.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AODin different spatial and temporal windows

      统计时还要求MODIS数据在30 km×30 km窗口的9个格点上至少有3个有效数据,CE318在卫星过境前后0.5 h内至少有两次观测。

    • 利用最小二乘原理对岛基数据和MODIS AOD数据进行线性拟合,计算拟合公式的斜率和截距,同时计算标准偏差(RMSE)、平均相对误差(MRE)、平均绝对误差(MAE)、符合MODIS期望误差的数据比例(Within EE)、大于MODIS期望误差的数据比例(Above EE)和小于MODIS期望误差的数据比例(Below EE)等指标,定量评价和分析气溶胶的反演精度。

    • 经过时空、波段匹配处理,符合要求的验证数据有247组,其中2012年52组、2013年73组、2014年39组、2016年17组、2017年66组。2012—2017年,落入NASA期望误差范围[(0.04+0.1*AODCE318),(-0.02-0.1*AODCE318)][6]AOD数据(550 nm)比例为68%(图 4),高于NASA公布的全球海洋AOD落入期望误差范围内的数据比例理想值66%[6],符合NASA设计的精度要求。

      图  4  MODIS AOD与CE318 AOD对比

      Figure 4.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD

      C061 AOD在北黄海圆岛海域符合期望误差的比例高于C005/C004 AOD的评估结果(56%)[4],这与Levy等[8]在全球海洋上得到的结论是一致的,精度的提高可能与气溶胶反演算法的优化有关;但圆岛海域C061 AOD数据符合期望误差的比例低于C006 AOD在全球海洋上的评估结果(76%)[6],这可能是因为北黄海圆岛海域属于中国近海,受陆地气溶胶影响,与全球海洋相比,空气更为浑浊,其气溶胶光学厚度均值(550 nm)为0.31,明显高于全球海洋气溶胶平均光学厚度0.18。

    • 将247组样本按季节分组,分别对春(3、4、5月)、夏、秋、冬四个季节CE318-MODIS AOD进行对比,夏季满足时空匹配条件的数据偏少,可能是因为因夏季天气变化迅速,卫星数据受云影响较大,这可能会给验证结果引入一定的误差。从图 5表 2可以看出,MODIS气溶胶光学厚度反演结果的精度具有明显的季节变化,春夏季MODIS AOD出现低估的比例较大,小于NASA期望误差的比例分别为23%和60%;秋冬季MODIS AOD出现高估的比例较大,大于NASA期望误差的比例分别为21%和20%;秋季符合NASA期望误差的比例(73%)最大,冬季(71%)次之,与杨东旭等[11]在黄海海域得到的结果相近;春季符合NASA期望误差的比例(69%)略小于秋冬季,但当AOD较大时(AOD>0.4),符合NASA期望误差的比例仅为37%,显著小于其在秋冬季的比例72%,主要原因是相对于秋冬季,春季受沙尘天气的影响更大。亚洲内陆频繁发生的沙尘天气每年向大气中注入大量沙尘气溶胶粒子,它们随着西风带输送,可以影响渤海、黄海、东海等中国近海[18]。赵崴[15]和董文[16]等人的研究显示北黄海海域在春季受沙尘天气影响最为明显,与此相一致的是,圆岛岛基监测数据显示,在4、5月份20%的数据Angsrom指数小于0.5,为典型的沙尘气溶胶数据。而已有研究表明沙尘天气下,MODIS AOD数据精度较低[2]。综上所述,北黄海海域MODIS AOD在春季受沙尘影响,精度较低。夏季符合NASA期望误差的比例最小,仅有40%,斜率为0.88,明显偏离1.0,因此夏季数据存在较大误差,其可能来源将在下一节中进行详细分析。

      图  5  不同季节MODIS AOD与岛基CE318 AOD线性回归分析

      Figure 5.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD in different seasons

      表 2  不同季节MODIS AOD和CE318 AOD对比

      Table 2.  Comparison of MODIS AOD and CE318 AOD in different seasons

    • 根据已有的研究可知[19], MODIS反演AOD的误差来源主要有两项:①气溶胶模型假设产生的误差, 即气溶胶单次散射反照率(single scattering albedo, SSA)选取不合理造成的误差;当AOD>0.4,此时气溶胶的信号较强,而地面的信号相对较弱,气溶胶模型假设的不合理是主要的误差来源。当MODIS高估SSA时,卫星反演AOD将偏小,用卫星反演结果与真值进行线性拟合获得的斜率小于1.0。②地表反射率估计不合理产生的误差,当AOD < 0.15时,此时地表的信号较强而气溶胶的信号较弱,地表反射率假设不合理是主要的误差来源。据此我们定义误差比例ER为真实误差与期望误差之比[20]并讨论以上两种情况下的ER,即:

      AODMODIS>AODCE318,

      ER=(AODMODIS- AODCE318)/(0.04+0.1×AODCE318)

      AODMODIS < AODCE318,

      ER=(AODMODIS- AODCE318)/(0.02+0.1×AODCE318)

      当-1.0≤ER≤1.0,说明真实误差小于期望误差,反演结果较好;当|ER|>1,则反演结果较差。ER < 0说明MODIS反演低估AOD,而ER>0说明高估。

      表 3列出了各季节当AOD < 0.15和AOD>0.4时的误差,春、秋、冬季两种情况下MODIS AOD误差比率ER平均值均小于1,说明在春、秋、冬三季总体反演效果较好。当AOD>0.4时,夏季|ER|=1.40>1,说明MODIS反演算法中的气溶胶模型在夏季不合适,反演误差较大。因为ER < 0,MODIS AOD产品出现明显低估,用卫星反演结果与真值进行线性拟合获得的斜率小于1.0,说明夏季MODIS AOD产品误反演时高估了单次散射反照率SSA。

      表 3  不同季节误差比例(ER)对比

      Table 3.  Comparison of ER in different seasons

      圆岛夏季的典型气候特征是高温高湿、海雾频发。温度升高会加快大气化学反应,利于二次气溶胶的生成,从而使气溶胶浓度增加[21]。而在高湿度条件下, 不仅会有粒子谱的相对变化, 粒子的折射指数也会相应改变, 相对湿度从60%增至97%,大气水平能见度会相应降低4~7倍[22]。此外,圆岛周边的陆地(大连、沈阳等),夏季为大气污染最严重的季节[13],气溶胶吸收性较强。受以上因素影响,夏季圆岛气溶胶光学厚度较大(0.46)而Angstrom指数较大(0.97),单次散射反照率SSA较小,相对于大洋气溶胶,主控粒径较小且呈现较强的吸收性,MODIS气溶胶假定模型与实际气溶胶模型存在差异,从而导致夏季MODIS AOD产品误差较大。因此,在原有MODIS全球海洋气溶胶反演算法基础上引进该海区的夏季气溶胶模式,建立区域局地气溶胶反演算法是提高该海区MODIS气溶胶光学厚度反演精度的有效方法。

    • (1) 时空采样窗口大小对于验证效果具有较大的影响, 在北黄海圆岛海域采用30 km ×30 km的空间采样窗口、±0.5 h的时间采样窗口可以降低CE318和MODIS AOD数据时空分辨率不一致的影响,得到更加准确的验证结果;

      (2) MODIS C061 AOD数据在北黄海圆岛海域与岛基观测的AOD在550 nm波段具有非常好的一致性,相关系数达到0.98,落入NASA期望误差范围的数据比例为0.68,明显高于MODIS C005和C004 AOD数据在北黄海海域的精度,但低于MODIS C006 AOD数据在全球海洋上的精度。

      (3) 2012—2017年,在北黄海圆岛海域MODIS AOD产品精度具有明显的季节变化,春、秋、冬季数据精度较高,夏季数据精度较低,气溶胶模型假定不合理是其可能的误差来源。

参考文献 (22)

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