基于遥感的中国陆地地区MODIS C6气溶胶产品验证

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。

3.3 对比MODIS其他版本产品

对比C6与C4、C5版本的精度，以匹配点落在EE的百分数作为指标，结果如表2所示。由表2可以看出，C6版本在各个区域落在EE内的百分比均有所增加，表明C6产品精度较之前版本显著提高，在东南沿海地区尤为突出，尽管在中、西部部分地区存在不确定性，但较之前版本仍有进步。

表2 不同版本MODIS AOD产品反演效果对比

4 结论

①MODIS C6 AOD产品在中国陆地地区的20个站点中，9个有高估现象，其中3个有较为严重的高估；11个站点有低估现象，其中3个低估较严重。对于相关性R，有15个站点达到强相关，3个站点属于中强相关，2个站点为弱相关。

②将站点划分为5个区域，华北和东南沿海地区反演精度高；西北和中东部地区受地貌、气候的多样性呈现出不确定性；青藏高原地区存在严重高估。

③对比C4、C5版本，C6版本在中国地区的精度有显著提高，可作为基础数据为气溶胶时空分布以及大气颗粒物反演研究提供数据支撑。