基于FY-4A卫星数据反演气溶胶光学厚度及分析应用

风云四号A星（FY-4A）是我国新一代静止气象卫星,多通道扫描成像辐射计（AGRI）是风云四号静止气象卫星的主要载荷之一.为探究FY4A数据用于气溶胶光学厚度（AOD）反演的可行性,基于FY-4A/AGRI数据,利用暗像元算法对2019年2月23~26日及10月27~30日京津冀地区AOD进行反演研究,并与AERONET地基观测AOD数据进行了对比分析.结果表明,基于FY-4A数据及构建响应函数库,通过暗像元方法能较好的反演出京津冀地区气溶胶空间分布;AOD主要的高值区体现在京津冀中南部地区并向周边郊区逐渐降低,在AOD值较大时此特征较为明显;将反演值与同期AERONET地基观测数据对比验证,相关系数达到0.869,均方根误差为0.221,表明AOD反演值与观测值吻合较好,FY-4A卫星数据反演AOD具有一定可行性.     

MODIS C006气溶胶光学厚度产品在京津冀典型环境背景下的适用性

选取3个代表京津冀地区典型环境背景下的站点——北京、香河和兴隆,利用AERONET地基观测的气溶胶光学厚度(AOD)数据,研究了MODIS针对暗地表的C051暗像元法(DT C051)和C006暗像元法(DT C006),针对亮地表的C006深蓝算法(DB C006),以及融合了暗像元法和深蓝算法的融合产品(Combined C006),探讨了基于上述算法的AOD产品在京津冀地区的适应性.结果表明:(1)C006算法的改进对北京和香河站点反演AOD的精度改善较大,而在兴隆站点改善不明显;北京站点,C006深蓝算法AOD适用性最佳;位于城郊的香河站,C006暗像元法AOD最接近AERONET AOD;植被茂盛的兴隆站,Combined C006 AOD反演精度最高.(2)MODIS DT C006在北京站点的反演误差可能是由气溶胶模型与地表反照率共同造成的;MODIS DB C006在香河站点反演误差主要来源于春季的地表反照率和冬季的气溶胶模型两方面.(3)相较于DT C051AOD,DT C006有效数据覆盖率有所降低,但DB C006和Combined C006的数据覆盖率有所增加,且Combined C006 AOD产品数据覆盖率最广;结合MODIS AOD与各站点AERONET的对比验证,结果表明,Combined AOD产品在京津冀地区适用性最佳.     

MODIS C006气溶胶光学厚度产品在京津冀典型环境背景下的适用性

选取3个代表京津冀地区典型环境背景下的站点——北京、香河和兴隆,利用AERONET地基观测的气溶胶光学厚度(AOD)数据,研究了MODIS针对暗地表的C051暗像元法(DT C051)和C006暗像元法(DT C006),针对亮地表的C006深蓝算法(DB C006),以及融合了暗像元法和深蓝算法的融合产品(Combined C006),探讨了基于上述算法的AOD产品在京津冀地区的适应性。结果表明:(1)C006算法的改进对北京和香河站点反演AOD的精度改善较大,而在兴隆站点改善不明显;北京站点,C006深蓝算法AOD适用性最佳;位于城郊的香河站,C006暗像元法AOD最接近AERONET AOD;植被茂盛的兴隆站,Combined C006 AOD反演精度最高。(2)MODIS DT C006在北京站点的反演误差可能是由气溶胶模型与地表反照率共同造成的;MODIS DB C006在香河站点反演误差主要来源于春季的地表反照率和冬季的气溶胶模型两方面。(3)相较于DT C051 AOD,DT C006有效数据覆盖率有所降低,但DB C006和Combined C006的数据覆盖率有所增加,且Combined C006 AOD产品数据覆盖率最广;结合MODIS AOD与各站点AERONET的对比验证,结果表明,Combined AOD产品在京津冀地区适用性最佳。     

京津冀地区MODIS 3 km气溶胶光学厚度产品与10 km产品的对比分析

本文以京津冀为研究区,对该地区的大气气溶胶光学厚度的分布及变化进行分析.利用AERONET地基观测的气溶胶光学厚度(AOD)数据,对最新发布的MODIS/Aqua C6.1 3 km AOD产品在京津冀地区的适用性进行验证,并将3 km产品与MODIS/Aqua C6.1 10 km产品进行对比.分析结果表明:MODIS 3 km AOD产品比AERONET地基AOD的相关性高,相关系数达到了0.95;与MODIS 10 km AOD产品相比,其下垫面为城市地区的反演精度低;在时空分布上,MODIS 3 km AOD产品更好的呈现了气溶胶梯度变化,季平均结果中,四季3 km AOD值都略高于10 km产品.以上结论可为MODIS 3 km AOD产品在京津冀地区的使用提供了借鉴与参考.     

基于AGRI颗粒物浓度遥感反演及季节变化分析

基于AGRI数据反演区域PM_2.5浓度.利用6S辐射传输模式,分析气溶胶光学厚度AOD与能见度相关性,建立AOD、气溶胶标高和能见度模型;通过对大气柱AOD垂直订正,构建AOD与近地面PM_2.5浓度关系的物理模型;同时引入了地面相对湿度数据.结果表明,FY-4A遥感的PM_2.5浓度与地面空气质量监测站的PM_2.5浓度变化趋势一致,算法计算效率较高.利用AGRI估算近地面PM_2.5与地面观测网对比分析,其结果不亚于于MODIS以及VIIRS的对比结果,AGRI估算的均方根误差和相对误差较小.从季节分析,冬季近地面颗粒物浓度是影响整层大气柱AOD值的主要因素,AGRI反演结果精度较好,夏季相关系数相对于其他三个季节偏低.总体而言,采用FY-4A/AGRI反演颗粒物浓度精度可靠,有利于实现区域气溶胶全天候实时监测.     

台湾岛高分一号卫星WFV数据气溶胶反演与验证

针对国产中等分辨率遥感数据的特性,集成暗像元和深蓝算法的优势,提供了一种能够同时对低反射率和高反射率地表类型实现AOD反演的方法.基于该方法,以台湾岛为例,利用高分一号卫星(GF-1)WFV数据反演得到550 nm处的AOD.与MODIS气溶胶产品(MOD04)进行比较,二者空间分布具有很好的一致性,总体相关系数r优于0.9.利用全球气溶胶自动观测网(AERONET)站点数据进行反演结果的验证.反演结果与AERONET实测值具显著的相关性(r0.85),70%的反演结果满足误差精度要求.通过与暗像元法、深蓝算法的反演结果进行对比,本文方法在结果精度和空间覆盖度方面具有独特的优势.在台湾岛地区,夏、冬季分别采用海洋型和大陆型气溶胶模式比较适合;随着GF-1卫星数据空间分辨率的降低,气溶胶反演结果与地基观测值的相关性系数呈现先降低、后平稳的趋势,但整体变化不是太大.     

基于多传感器融合的时空连续AOD重构模型

气溶胶光学厚度（AOD）是气溶胶最重要的参数之一,现有的遥感AOD产品受云、积雪等因素的影响空间缺失严重,因此,生成空间覆盖完整的AOD具有重要意义.本文融合MODIS的MAIAC AOD和Himawari-8的AHI AOD,结合气象数据和高程数据,提出一种集成反距离权重插值（IDW）和CatBoost模型的时空连续AOD重构方法（命名为IDW-CatBoost）.将此方法应用于京津冀和台湾岛的AOD重构,并与IDW、CatBoost方法对比,重构结果利用地基监测AERONET AOD进行验证,其中,京津冀的验证数为352个,台湾岛的验证数为641个.结果表明：在空间分布上,IDW AOD存在星点状特征,CatBoost、IDW-CatBoost的AOD具有空间连续分布的纹理特征;精度上,经地基监测AERONET AOD验证,京津冀地区IDW AOD与IDW-CatBoost AOD接近;台湾岛IDW-CatBoost AOD相比于IDW、CatBoost结果,R2分别提高了10%和5%.经过多传感器AOD融合,与单传感器AHI L2、L3、MAIAC AOD相比,IDW-CatBo...     

基于GF-4卫星的长三角城市群PM2.5遥感反演

基于静止卫星高分四号（GF-4）遥感数据,利用6SV辐射传输模型与暗目标算法进行高空间分辨率气溶胶光学厚度（AOD）遥感反演;在此基础上,结合地面监测站大气细颗粒物（PM_2.5）浓度、气象资料等数据,采用物理订正方法及线性混合效应模型,实现长三角城市群区域大尺度空间连续的PM_2.5浓度遥感反演;最后利用十折交叉验证法对反演精度进行验证.结果表明：GF-4反演的AOD结果分辨率较高,空间连续性好,与AERONET地基监测相关性R达到0.82;利用GF-4 AOD的PM_2.5估算模型精度较高,模型估算PM_2.5浓度与地面实测数据拟合度R²为0.74;在分春夏秋冬4个季节建模情景下,交叉验证R²依次为0.67,0.59,0.63和0.72,平均绝对误差MAE为10.40,7.42,10.10,13.34μg/m³,表明GF-4卫星适用于区域PM_2.5浓度监测.     

基于MODIS数据反演江浙皖地区气溶胶光学厚度

气溶胶是气候变化和大气污染的重要影响因素。人们发现卫星遥感为大面积获取气溶胶光学厚度提供了手段,同时卫星遥感的气溶胶光学厚度弥补了地面观测空间覆盖不足的缺陷。文章首先介绍了使用暗像元法反演气溶胶光学厚度的算法和计算流程,利用传统的暗像元法和改进的暗像元法(即V5.2算法)反演江浙皖地区(29～33°N;116～120°E)气溶胶光学厚度的空间分布,并对两种算法所得结果进行比较与分析。结果表明:暗像元法基本可以反映出该区域气溶胶光学厚度的空间分布特点,尤其是在浓密植被区卫星反演得到的结果与(AERONET)太阳光度计的观测值基本相近。但是在城市地区,该算法得到的结果与观测值存在一定的偏差,有待于进一步改善。     

利用风云四、MODIS及CALIPSO卫星资料分析西北沙尘过程的垂直和水平分布特征

FY-4A提供的高时间分辨率沙尘强度产品为分析沙尘过程中气溶胶分布提供了新的思路.本研究使用MODIS暗像元/深蓝/合成算法的AOD产品以及FY-4A沙尘强度产品,分析了2018年春季中国西北地区的两次典型沙尘过程,并使用CALIPSO后向散射系数产品研究了这两次事件中气溶胶的垂直分布特征.研究结果表明：①风云四号沙尘强度产品与MODIS深蓝算法产品以及合成算法产品在西北沙漠地区的沙尘分布情况上具有很好的空间一致性;②对于沙尘有明显向东输送的沙尘过程而言（如2018年4月4—6日）,沙尘主要分布在2~6 km,有些地区甚至只有4 km以上才存在沙尘,在沙尘输送的下游地区,沙尘主要分布在2 km以下的低空;而对于沙尘没有向外扩散的沙尘过程（如2018年5月21—23日）,沙尘粒子则主要分布在0~5 km高度处.     

中国地区MODIS气溶胶光学厚度产品综合验证及分析

讨论了2000年02月~2019年08月不同分辨率、算法中等分辨率成像光谱仪（MODIS）气溶胶光学厚度（AOD）产品在不同季节、区域、下垫面条件下中国区域的精度和适用性,在像元尺度上对比了重采样降低分辨率后的多角度大气校正（MAIAC）AOD数据与其他产品的精度.研究表明：在同等验证条件下,相较于暗目标算法（DT）、深蓝算法（DB）和暗目标与深蓝结合算法（DTB）,1km MAIAC AOD产品在中国地区与AERONET站点AOD观测数据整体一致性最高,R²达到0.891,均方根误差（RMSE）仅为0.126,超过75%的验证样本落在期望误差线（EE）范围内;同时,该产品受季节、区域和下垫面变化影响也最小,其中秋季R²达到0.917,RMSE为0.111,样本落在EE内的比例达到80.11%.3km DT算法AOD产品在植被覆盖率较大的森林和农田区域优于1km MAIAC AOD产品,在植被覆盖率较小的草地和城市区域则差于1km MAIAC AOD产品,且该产品在不同季节均存在AOD高估问题,其中,夏季高估程度最高（平均相对误差（RMB）=1.622,AOD值高估62.2%）.DB在长三角和珠三角地区存在AOD被低估的现象.DTB算法兼顾了DT算法和DB算法的优缺点,DTB算法AOD产品的相关性一般高于DB算法AOD产品,样本被高估程度一般低于DT算法AOD产品.通过重采样方法降低1km MAIAC AOD产品分辨率后,相同尺度下的MAIAC AOD数据精度优于DT算法、DB算法和DTB算法AOD产品,因此,MAIAC算法更适用于小尺度城市群集中区域的大气环境监测.     

中国地区MODIS气溶胶光学厚度产品综合验证及分析

讨论了2000年02月~2019年08月不同分辨率、算法中等分辨率成像光谱仪（MODIS）气溶胶光学厚度（AOD）产品在不同季节、区域、下垫面条件下中国区域的精度和适用性,在像元尺度上对比了重采样降低分辨率后的多角度大气校正（MAIAC）AOD数据与其他产品的精度.研究表明：在同等验证条件下,相较于暗目标算法（DT）、深蓝算法（DB）和暗目标与深蓝结合算法（DTB）,1km MAIAC AOD产品在中国地区与AERONET站点AOD观测数据整体一致性最高,R²达到0.891,均方根误差（RMSE）仅为0.126,超过75%的验证样本落在期望误差线（EE）范围内;同时,该产品受季节、区域和下垫面变化影响也最小,其中秋季R²达到0.917,RMSE为0.111,样本落在EE内的比例达到80.11%.3km DT算法AOD产品在植被覆盖率较大的森林和农田区域优于1km MAIAC AOD产品,在植被覆盖率较小的草地和城市区域则差于1km MAIAC AOD产品,且该产品在不同季节均存在AOD高估问题,其中,夏季高估程度最高（平均相对误差（RMB）=1.622,AOD值高估62.2%）.DB在长三角和珠三角地区存在AOD被低估的现象.DTB算法兼顾了DT算法和DB算法的优缺点,DTB算法AOD产品的相关性一般高于DB算法AOD产品,样本被高估程度一般低于DT算法AOD产品.通过重采样方法降低1km MAIAC AOD产品分辨率后,相同尺度下的MAIAC AOD数据精度优于DT算法、DB算法和DTB算法AOD产品,因此,MAIAC算法更适用于小尺度城市群集中区域的大气环境监测.     

高分辨率气溶胶光学厚度在珠三角及香港地区区域颗粒物监测中的应用研究

利用最新的MODlS(中分辨率成像光谱仪)气溶胶光学厚度(AOD)反演算法,反演珠江三角洲及香港地区2008年高分辨率(1 km x1 km)AOD分布,并与AERONET观测数据进行了验证(r=0.917).分析了2008年珠江三角洲及香港地区5个站点地面监测PM10质量浓度与反演的AOD数据相关性.结果表明:两者直...     

京津冀地区气溶胶季节变化及与云量的关系

利用2000年3月—2008年2月中分辨率成像光谱仪(MODIS)的卫星资料,分析了京津冀平原地区大气气溶胶光学厚度(AOD)和气溶胶细粒子组分比率(FMF)的时空分布特征. 结果表明:通过AOD与FMF的组合特征可判别气溶胶季节变化特征.冬、春季以粗粒子为主,但冬季AOD偏小,而在春季急剧增大;夏、秋季均以细粒子为主,但夏季AOD达到最大,秋季较小. 大气环流和气流后向轨迹分析表明,冬季到达北京的气流以西北冷空气为主,西北路径的气流轨迹占冬季气流轨迹总数的67%;春季主要受偏西、西北及偏北气流影响,这3类对沙尘天气有贡献的气流轨迹占春季气流轨迹总数比例之和达到60%;夏季主要以偏南气流和局地环流占优,这2类气流轨迹分别占夏季气流轨迹总数的52%和34%;秋季气流轨迹与春季的相似,但途经沙源的气流传输速度较春季慢.京津冀平原地区夏季AOD与云量(CF)呈正相关,AOD增加,特别是细粒子增加可能导致局地云量增多.      

基于MODIS_C061的长三角地区AOD与Angström指数时空变化分析

以长三角为研究区,利用AERONET地基观测的气溶胶光学厚度(AOD)数据,验证了基于MODIS_C061深蓝算法(DB)的AOD产品适用于长三角地区.并利用2000～2018年MOD04_L2产品,分析研究区AOD和Angstr?m指数(AE)的时空变化特征.结果表明,长三角地区AOD呈现东部和北部平原地区高、南部和西部山区低的空间分布,AE呈现南部地区高北部地区低的空间分布. 2003～2007年,AOD年均值增长显著,增长率为23%, 2011年以后逐渐下降; 2001～2003年,AE年均值增长迅速, 2012年以后逐渐下降.AOD在长三角地区呈现夏季最高、冬季最低的显著季节性变化,月均值6月最高达0.84, 8月最低为0.40;AE呈现秋季最高,春季最低的季节性变化,月均值9月最高达1.47, 3月最低为1.08.根据AOD与AE的关系,对长三角地区气溶胶类型进行了研究,结果表明人为产生的城市工业气溶胶是该地区主要的气溶胶类型,其次为混合型和清洁大陆型.     

环境一号卫星CCD相机应用于陆地气溶胶的监测

环境一号卫星CCD相机应用在陆地气溶胶的监测中,因缺少短波红外通道,使地表反射的去除变得异常困难.应用改进的暗目标法,利用辐射传输方程(6S)构建查找表,对CCD相机数据进行图像重采样和辐射定标处理,进而对查找表进行插值,获得气溶胶光学厚度(AOD)分布.通过AERONET地基数据的验证及与MODIS气溶胶产品的对比表明,环境一号卫星CCD相机对陆地气溶胶的监测结果在AOD较大(>0.2)时,精度与MODIS相近;在AOD较小(<0.2)时,结果欠理想.