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Terra和Aqua MODIS气溶胶光学厚度产品在中国热带沿海地区的适用性评估

YANG Jing-Mei, QIU Jin-Huan, 与 ZHAO Yan-Liang

中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境观测重点实验室（北京100029）

摘要：本文分别将Terra、Aqua卫星上的MODIS 2级气溶胶光学厚度和Microtops II 中国热带沿海地区，三亚（18.23°N，109.52°E）的地基观测结果进行了对比分析。结果表明，在550nm波长处，Terra和Aqua卫星上反演的MODIS 气溶胶光学厚度均和Microtops II太阳光度计测量结果具有良好的相关性。其中，Terra卫星线性回归拟合的相关参数为0.83，Aqua卫星则为0.78，两个卫星的截距均接近于0（Terra卫星的截距为0.005，Aqua的卫星的截距为0.009）。Terra和Aqua卫星的斜率分别为0.805和0.767，表明两个卫星的MODIS气溶胶光学厚度均低于实测气溶胶光学厚度数值。此外，本文也对比了Terra、Aqua 卫星上MODIS月均气溶胶光学厚度与Microtops II太阳光度计的测量结果，结果表明，Terra、Aqua 卫星上MODIS气溶胶光学厚度和Microtops II太阳光度计的测量结果相匹配，但是普遍低估了实际观测值，因此，Terra、Aqua 卫星上MODIS气溶胶光学厚度可以较好地表现中国热带沿海地区的气溶胶光学厚度分布情况，但仍需消除系统误差。

关键词：气溶胶；气溶胶光学厚度；Terra和Aqua卫星；MODIS；Microtops II太阳光度计

1.引言

Terra、Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）可以观测地球，反演得到陆地和海洋上的气溶胶光学厚度（AOD）（Kaufman等，1997;Tanreacute;等，1997）。地基太阳光度计，尤其是气溶胶地基观测站网（AERONET）可以对MODIS气溶胶光学厚度进行详细验证，进而提高MODIS数据集的准确性并为气候学研究建立长时间序列的数据库（Chu等人，2002，Ichoku等人，2002a; Levy等人，2005; Remer等人，2005）。结果表明，MODIS反演气溶胶光学厚度时模型选择不当会导致2级气溶胶光学厚度产品的误差，但该误差通常在可接受的范围内。Levy等人 （2007a，b）提出了基于AERONET数据的修正算法来减少系统误差，并将该算法应用于反演MODIS 气溶胶光学厚度。最近在一些地方台站进行了MODIS气溶胶光学厚度数据的验证（Mi 等，2007; Misra 等，2008），结果表明MODIS 气溶胶光学厚度的质量显著提高，但仍有进一步提高的空间。由于中国存在各种各样的生态系统、地表条件和气溶胶性质，所以需要对代表性的实地观测资料进行评估，进而改进现有的MODIS产品。一些作者使用地面太阳光度计或太阳光雾计来验证MODIS 气溶胶光学厚度产品（Mao等，2002; Mao 与 Li，2005; Li 等，2003; Wang 等，2007），在中国的部分地区观测了地基气溶胶光学厚度，验证了MODIS 气溶胶光学厚度（Xia 等，2006; Mi 等，2007）。上述验证工作均表明，尽管MODIS 反演的气溶胶光学厚度与地面测量值相关性很好，但仍然存在系统误差。由于太阳光度计观测值和AERONET测量值在中国很少，因此没有足够的数据来验证MODIS气溶胶产品并建立气溶胶气候学。在本研究中，我们使用有五个通道的Microtops II太阳光度计（由美国费城的太阳能公司制造）进行气溶胶光学厚度测量，其中关于Microtops II仪器的细节信息可以在Morys等人的论文中找到（2001年）。该仪器校准精确，预计其气溶胶光学厚度与AERONET测量值相当（Holben等，1998; Ichoku 等，2002b）。我们于2005年7月至2006年6月在中国海南岛南部海岸三亚（18.23°N，109.52°E）进行了Microtops 气溶胶光学厚度观测，并将Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）的2级气溶胶光学深度（AOD）与该地面测量结果进行了比较。

2. 数据与方法

2.1 MODIS数据和地面观测

在本文分析中所使用的数据集是在550nm波长处，2005年7月至2006年6月的Terra和Aqua 卫星上的2级MODIS（MOD04_L2，MYD04_L2）气溶胶光学厚度日数据。三亚是海南岛南部沿海旅游城市，南临南海，具有热带季风气候，全年气候温暖。本文在三亚天文台（18.23°N，109.52°E）利用有五个通道的Microtops II太阳光度计在这一年内进行了地面气溶胶光学厚度测量。由于地面的Microtops测量是在无云条件下进行的，所以没有覆盖太阳视线的云斑。Microtops II太阳光度计在340,500,675,870和1020 nm的五个光谱波长下测量太阳辐射并得出气溶胶光学厚度。在2005年7月到2006年6月期间，从UTC 00：00到UTC 08:00每20分钟进行一次观测。 在本研究中，Microtops II太阳光度计得到的气溶胶光学厚度数据集是评估Terra和Aqua MODIS 气溶胶光学厚度的基数据。

2.2 方法

为了完成验证工作，MODIS反演的气溶胶光学厚度和Microtops测量的结果必须保持时间和空间上的匹配。本文将MODIS 反演的气溶胶光学厚度资料在三亚周围0.5°纬度times;0.5°经度的区域平均值作为三亚的MODIS 气溶胶光学厚度值，并且要求该区域至少有5次MODIS反演值。为了确定在550nm处的相应Microtops II太阳光度计气溶胶光学厚度值，将500和675nm波长的Microtops 气溶胶光学厚度测量结果以对数方式插值到550nm，并且在MODIS过境时间的plusmn;30分钟内按线性插值的方法以匹配卫星（Terra约03:30 UTC，Aqua约06:30 UTC）。在2005年7月至2006年6月期间，Terra有81个数据与特定时空窗口中的Microto ps测量相匹配，而Aqua有80个数据与之匹配。为了进一步分析，本文建立了一张Microtops 气溶胶光学厚度表格以及相应的Terra和Aqua MODIS 气溶胶光学厚度。

3. 结果与讨论

图1分别显示了Terra和Aqua MODIS 气溶胶光学厚度与Microtops 气溶胶光学厚度在整个研究期间的散点图，同时在图中给出了相应的线性回归方程和相关系数。从图1中可以明显看出Terra和Aqua 卫星上反演的MODIS 气溶胶光学厚度与Microtops测量结果有很好的相关性，图1a中Terra 气溶胶光学厚度值的散点图与图1b中Aqua 气溶胶光学厚度的散点图非常相似。Terra与Aqua MODIS 气溶胶光学厚度和地面Microtops之间的均方根误差分别为0.054和0.064。Terra和Aqua的线性回归拟合的相关参数分别为0.83和0.78，截距非常接近于零（Terra的截距为0.005和Aqua的截距为0.009）。然而，Terra和Aqua卫星的斜率分别为0.805和0.767，表明两个卫星的MODIS气溶胶光学厚度均低于实测气溶胶光学厚度数值。回归斜率的整体偏差称为系统偏差，这可能是由气溶胶光学性质的假设不准确以及其他因素造成的（Chu 等，2002; Zhao et al。，2002），对于这个问题需要进一步研究。

图1(a)Terra和(b)Aqua MODOS与Microtops II太阳光度计气溶胶光学厚度的散点图

(实线表示线性回归的斜率，虚线是1:1线zhunque，图中给出了回归方程，相关系数和样本数)

图2分别给出了Terra、Aqua MODIS和Microtops在三亚研究期间的月平均气溶胶光学厚度值的直方图，图中的误差条是指月平均气溶胶光学厚度的标准偏差。 从图2可以看出，对于每个月，Terra和Aqua MODIS都与相应的Microtops 气溶胶光学厚度值相匹配，但是MODIS反演的气溶胶光学厚度普遍低于Microtops实际观测值。Terra（图2a）和Aqua（图2b）反演的月平均气溶胶光学厚度的变化非常相似，气溶胶光学厚度的标准偏差均在0.06以下，其中Terra的小于0.04，Aqua的小于0.06。夏季南风和西南季风占主导地位，为三亚地区带来相对干净的海洋空气，故夏季的月平均气溶胶光学厚度偏低（小于0.2）。而在十月到五月的几个月里，盛行的东北季风将气溶胶携带到该地区的陆地上，故其他季节的月平均气溶胶光学厚度高于夏季月份的气溶胶光学厚度，其值在0.23〜0.65之间，偶尔也有高标准偏差。此外，数据分析表明，晴天期间的气溶胶光学厚度值通常较低，MODIS反演的气溶胶光学厚度产品与Microtops的测量结果吻合较好。在朦胧和有雾的日子里的气溶胶光学厚度值更高，MODIS和Microtops 气溶胶光学厚度之间的绝对差异可以达到0.16，但MODIS 气溶胶光学厚度仍然与Microtops测量结果相匹配，相对差异通常小于35％。 综上所述，MODIS可以很好地反映实际的气溶胶光学厚度变化，但它通常低估了三亚地区的测量值。

图2 三亚一年研究期间的(a) Terra MODOS和(b) Aqua与Microtops II太阳光度计月平均气溶胶光学厚度的直方图(误差线表示气溶胶光学厚度的标准偏差，直方图上方的数字表示该月的数据点数)

Terra / Microtops和Aqua / Microtops的数据点的气溶胶光学厚度值的频率分布分别在图3（a）和3（b）中给出。从图3可以看出，气溶胶光学厚度概率分布较为集中，概率最大的气溶胶光学厚度值为0.15-0.25，大部分气溶胶光学厚度值小于0.25。在气溶胶光学厚度 lt;0.15的范围内，Terra和Aqua MODIS 气溶胶光学厚度的频率明显高于Microtops 气溶胶光学厚度，Terra与Microtops 气溶胶光学厚度的频率差异达到最大值19.5％，Aqua与Microtops 气溶胶光学厚度的频率差异达到最大值12.5％，而在其他气溶胶光学厚度范围， MODIS 反演的气溶胶光学厚度的频率相对低于Microtops 气溶胶光学厚度。在0.15-0.45的气溶胶光学厚度范围内，MODIS 反演的气溶胶光学厚度的频率与Microtops 气溶胶光学厚度的频率非常匹配（Terra的最大频率差异为4.9％，Aqua的最大频率差异为3.7％）。在气溶胶光学厚度gt;0.45的范围内，Terra和Aqua MODIS 气溶胶光学厚度的频率明显低于Microtops 气溶胶光学厚度的频率（Terra和Aqua的频率差异分别为7.4％和8.7％）。图3所示的频率分布模式符合在图1中发现的MODIS对Microtops的气溶胶光学厚度低估的现象。

图3 三亚一年研究期间的(a) Terra MODOS和(b) Aqua与Microtops II太阳光度计月平均气溶胶光学厚度的频率分布直方图

4. 总结

这项研究对Terra和Aqua MODIS 反演的气溶胶光学厚度与三亚Microtops的气溶胶光学厚度地面测量值进行了对比分析。结果表明，Terra和Aqua MODIS 反演的气溶胶光学厚度与Microtops的气溶胶光学厚度测量结果均具有很好的相关性。其中，Terra卫星线性回归拟合的相关参数为0.83，Aqua卫星则为0.78，两个卫星的截距均接近于0（Terra卫星的截距为0.005，Aqua的卫星的截距为0.009）。然而，Terra与Aqua卫星的线性回归斜率k分别为0.805、0.767，表明两个卫星的MODIS气溶胶光学厚度均低于实测气溶胶光学厚度数值。此外，Terra和Aqua MODIS月平均的气溶胶光学厚度都与相应的Microtops的测量结果相匹配，但MODIS反演的气溶胶光学厚度均低于Microtops的测量结果。在夏季月份（6月至9月），由于南/西南季风，月平均气溶胶光学厚度值较低（小于0.2），Terra MODIS反演的气溶胶光学厚度和Microtops测量的绝对差异小于0.04，Aqua的绝对差异小于0.06。其他月份（10月至5月）的月平均气溶胶光学厚度相对于夏季月份相对较高，MODIS和Microtops 气溶胶光学厚度之间的标准偏差、绝对差异较大，但两者气溶胶光学厚度结果仍然相近，相对差异通常小于35％。本文表明，Terra和Aqua MODIS 反演的气溶胶光学厚度能够有效表征中国热带沿海地区的气溶胶光学厚度分布，但需要消除MODIS产品中的系统误差。

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