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内布拉斯加大学林肯学院

DigitalCommons@University of Nebraska-Lincoln

论文“地球与大气科学”， 地球和大气科学系

2013

从太空遥感地面能见度看美国东海岸

艾米·L·凯斯纳

内布拉斯加大学林肯分校

agehring3@Huskers.unl

Jun Wang

内布拉斯加州大学林肯分校

jwang 7@unl.edu

Robert Levy

气候和辐射实验室，代码613，NASA Goddard航天飞行中心，Robert.c.Levv@nasa.gov

Peter Colarco

大气化学和动力学实验室，代码614，NASA Goddard航天飞行中心，Peter.r.colarco@nasa.gov

请参阅以下内容和其他工作：http：/DigalCommons.unl.edu/GeociencefacPUB

Kessner，Amy L.；Wang，Jun；Levy，Robert；Colarco，Peter，“从空间遥感地表能见度：看看美国东海岸”(2013年)。地球与大气科学论文。409号文件http：/DigalCommons.unl.edu/GeociencefacPUB/409

这篇文章是由地球与大气科学系提供的免费和开放的访问方式，地址是DigitalCommons@UniversityofNebrasha-Lincoln。它已被批准列入“地球与大气科学”的论文中，由DigitalCommons@内布拉斯加大学林肯分校的一位授权管理员负责。

从太空遥感地面能见度看美国东海岸

特点

首次应用卫星（MODS）的数据估计地面无云能见度。

针对来自能见度传感器的单位面积的地面的消光系数，提出一种质量控制方法。

多年的分析表明，在夏季从空间上估测美国东海岸的地面能见度是有希望的。

边界层以上的气溶胶（aerosol）的处理是从气溶胶光学厚度（AOD）深度推导地面能见度的重要手段

文章简介

2013年3月25日收到，

2013年8月23日接受，

2013年8月27日同意

关键词：

能见度

遥感

气溶胶光学厚度

MODIS

GEOS-5

*对应作者。电话： 1 402 472 3597

电子邮件地址：Agehring 3@huskers.unl.edu(A.L.Kessner)Jwang7@unl.edu(J.Wang)Robert.c.Levy@nasa.gov(R.C.Levy)Peter.r.colarco@nasa.gov(P.R.Colarco)。

目录可在科学直接大气环境杂志主页上查阅：www.lesvier.com/find/atmosenv 1352-2310/$e参见前文2013年Elsevier有限公司版权所有。http：/dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2013.08.050

摘要

地面能见度的测量对于空气质量的管理，人体健康以及交通管制是十分重要的。目前，能见度的测量只能通过地面仪器测量，比如自动地面观测系统（ASOS），因此缺乏空间覆盖。与最近利用卫星的的气溶胶光学厚度（AOD）推导无云条件下大陆到全球尺度上面地面干气溶胶质量浓度的工作类似，本研究评估了从中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）反演得到地面能见度的可行性。为了评估这一目的，每小时天气报告中截面高度选择最大高度为16千米或者10英尺并且间隔不少于0.4千米或者1/4英尺的能见度是不合适的。必须使用ASOS测量的一分钟的原始地面消光系数（）。因此，首先开发了一种对数据进行质量控制的方法，以消除频繁出现的问题，比如无关点，校准差和格式不佳等问题，然后获得可靠的数据来估计地面能见度。随后对美国东海岸的AOD和的相关性进行分析，他们来自32个ASOS台站的平均线性相关系数（R）为0.61（2000-2011），其中夏季R值最高，秋季和冬季R值最低。将戈达德地面观测系统第5版（GEOS-5）模拟的气溶胶垂直廓线纳入从AOD导出能见度的过程中，对两种方法进行了评估，一种是用MODIS AOD与模拟的AOD的比例来缩放地面的，另外一种方法是利用MODIS AOD对边界层模拟的AOD以及全柱状的AOD的比值进行计算，并且假设边界层中存在良好的混合气溶胶消光。根据对三个夏季（2003-2004,2006）的GEOS-5和ASOS数据分析表明，第二种方法更好，并且建立了一个回归模型，经过2005年的夏季独立评估，发现该模型具有统计稳定性，R值为0.70，并且推导出来的能见度的均值偏差为0.32公里。这项研究第一次证明了在陆地上使用卫星气溶胶产品计算地面能见度的可行性。

1 引言

能见度观察和识别特定物体的最大水平距离。因此，追缺德测量和预测大气能见度对航空和地面运输以及审美都是十分重要的。能见度会因为自然条件（比如云和雾以及气溶胶的存在）而降低，气溶胶可以是天然的，也可以是人类活动产生的。因为地球表面高浓度的气溶胶（也被称作微粒物质，PM）是空气差的原因之一，准确地测量和预测水平能见度对健康非常有用。

大多数能见度低的情况往往是因为人为气溶胶造成的（Watson和Chow, 1994; Wang等人,2009; Qu等人,2013）。目前，美国能见度的标准的主要法律是依据1977年的“清洁空气法”，该法律规定在国家公园中强制执行能见度标准。然而，能见度的监测和保护对于很多城市而言也非常重要。能见度降低10%，使得非致命事故每天减少15.6件。（Mensah和OseiAdjei,1991）。同时也有经济方面的好处。研究（Trijonis等人(1985)）表明，在洛杉矶和旧金山等地区，能见度10%的改善会让每年多产生数亿美元的经济利益。此外，玫瑰环保局的报告显示，由于1990年“清洁空气法”修正案的持续实施，，能见度的提高（仅仅是能见度）为美国带来了600多亿美元的住宅和娱乐方面的收益（USEPA, 2011）。为了更好地确定某时某地的能见度，以及如何准确，全面地预测能见度成为了一个问题。这项研究是第一个是对开发算法进行可行性评估，用于从空间可见的全球测量。

1990年以前，对地面能见度的大部分观测都是有人类观测者进行的，因此具有很大的主观性。然而，20世纪90年代，ASOS在许多机场上开始取代人类观测者（NOAA等,1998）。然而，由于覆盖范围仅限于机场，ASOS的测量无法全面反映地面能见度。另外一方面，卫星的观测具有全球性，可用于反演气溶胶的特性。此外，随着ASOS自动能见度的侧联合，能见度的定义已经从水平地面的测量转化为本质上点的测量，因为ASOS不考虑ASOS样本的气溶胶空气路径长度1.0米以外的变化。这种变化有利于利用卫星数据获取地面能见度，因为卫星数据（比如AOD）经常表现为高分辨率的柱状数据。同时他们以ASOS能见度类似，他们在有限的区域里具有代表性（不如在10平方千米以上，尽管ASOS报告的能见度可能大于10千米）。

许多研究已经表明AOD和地面PM之间的关系了（Hoff和Christopher,2009）。Van Donkelaar等人的一项全球研究（2006）表明在美国上午10点到12点之间，日均AOD和（直径小于等于2.5微米）之间的线性相关性为0.58到0.69。当用化学运输模型（CTM）解释气溶胶的垂直分布时，这种相关性将会提高到0.77到0.83之间（Van Donkelaar等人,2010）。其他研究表明，美国部分地区也存在着这种相关性（Rgt;0.6），但是这种相关性因季节而异（Wang和Christopher,2003; Zhang等人,2009; Green等人,2009）。那是因为许多因素使得AOD-PM关系复杂，比如气溶胶颗粒大小、气溶胶的种类、相对湿度和气溶胶消光的垂直结构（Wang和Christopher,2003;Van Donkelaar等人,2006,2010;Gupta等人, 2006）。比如，OM质量的测量（用于空气质量的测量）同在是在干燥的条件下进行的（温度为50℃）（Watson等人,1998; Allen等人,1997），因此没有考虑到大气的环境条件。然而，相对湿度（RH）会影响到气溶胶的大小和含水量，从而影响到气溶胶散射和吸收的形势（Tang和Munkelwitz,1994; Wang等人,2008）。在研究AOD和能见度的关系式可以忽略这些因素，是因为AOD和能见度都是光学环境变量，受到RH对粒子消光同样的影响。

然而，很少有研究试图利用卫星资料检索的AOD来推断能见度。Kaufman和Fraser (1983)的一个早期研究表明1980年AOD和杜勒斯机场的反能见度之间的相关系数为0.85，然后1981年的相关性比较弱，R值为0.51。Vermote等人(2002)建立了AOD和能见度之间的关系，用于国家极轨运行环境卫星系统（NPOESS）上的可见光/红外图/辐射计套件（VIIRS）数据。这种关系为VIIRS发展，然后由Retalis等人(2010)使用区根据塞浦路斯的能见度数据确定AOD。 Fei等人(2006)利用主成分回归法，运用NOAA/AVHRR卫星数据，在两个红外线发射波段中反演中国沿海海域的能见度数据。Hadjimitsis等人(2010)最近的研究，利用landsat-5 TM数据上最暗的像素大气校正算法，配合辐射传输计算，产生水平能见度产品。

据我们所知，到目前为止。还没有像这项研究这样，使用遥感AOD数据和模拟的气溶胶垂直剖面来推测多年来的地面能见度。为了验证我们的结论，我们首先开发了一种针对ASOS一分钟能见度数据的质量控制方法。接下来，我们对地面遥感美国东海岸的能见度分四个部分。1）对AOD和能见度数据进行长期研究。2）利用两种方法对地球系统模型中的气溶胶垂直剖面进行多面数据结合，并且将两种方法和和不考虑气溶胶垂直剖面的基准方法进行比较，3）使用一年的数据，（第二部分没有使用过的数据）对第二部分中建立的回归模型进行开发和独立评估，4）针对美国东海岸的高AOD事件对我们最优的方案进行证明。

2 AOD 、能见度和地面PM的关系

AOD 、PM和能见度在物理上是相关的。AOD被定义为由于散射和吸收而导致气溶胶消光的积分：

ADD= （1）

其中是大气气溶胶消光系数，RH是相对湿度，Z是高度

为了将PM和AOD联系起来，其中涉及了很多复杂的因素：

AOD=H..PM().. （2）

其中为相对湿度因子，为地面高度，为干燥条件下的消光能力，为有效半径，是气溶胶质量密度，H=，气溶胶消光剖面形状（Wang和Christopher,2003; Koelemeijer等人,2006）。

能见度的科学定义是指在色温为2700K时，将准直光束的光通量从2700K降低到其原始值的5%所需要的大气路径长度（WMO,2008）。Koschmieder方程从数学上定义了能见度：

C=exp(-visibility.) （3）

当视觉对比度（C）设置为5%（0.05）时，可将能见度定义为（WMO, 2008; NCDC, 2003)）：

Visibilitu= （4）

因此，能见度和AOD之间的关系定义为：

AOD= （5）

比较方程（5）和方程（2），AOD-能见度和AOD-PM的关系相比更简单。同时气溶胶消光剖面（H）的形状是地面参数PM和能见度之间重要的联系。

3 数据

3.1 中分辨率成像光谱仪（MODIS）

本研究使用MODIS 2级AOD产品集合5.1来自Terra（上午观测；2000年至2011Ian）和Aqua（下午观测；2002至2011年）。利用MODIS在宽光谱范围内（0.47-2.13微米）测量的辐射比起以前卫星传感器更精确地反演地面AOD（Levy et al., 2007）。AOD数据的空间分辨率是10千米，在研究纬度地区时，每个卫星每天大约有一次反演（在没有云的情况下）。在检索过程中，值位于0（BAD）到3（GOOD）的质量保证（QA）信任标志分配给了AOD检索中（(Remer et al., 2009)）。本次研究中，只是用质量保证值在2或者3的AOD值。

3.2 戈达德地球观测系统模型，第5版(GEOS-5)

GEOS-5模式包括一个大气环流模式，一个气溶胶处理模块和一个数据同化模块（Rienecker等人,2008），这个研究本研究利用现代回顾性研究与应用分析（MERRA, Rienecker等人,2011))提供的气象分析驱动的GEOS-5模型的结果，并且在戈达德化学，气溶胶，辐射和传播（Colarco等人, 2010）模型的基础上，加入了一个气溶胶模板，模拟尘埃、硫酸盐、碳质的分布以及海盐气溶胶。该模型在2003-2006年期间，以水平分辨率0.625经度times;0.5纬度下运行（大约50千米大小的网

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