中国地区MODIS气溶胶产品精度验证及融合产品改进

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最新版本的Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)Collection061(C6.1)气溶胶产品于2017年发布,由于缺少足够的地面观测数据,MODIS C6.1气溶胶光学厚度产品(Aerosol Optical Depth,AOD)在中国地区的全面验证很少。本文获取了来自中国气溶胶遥感观测网(China Aerosol Remote Sensing Network,CARSNET)和全球气溶胶自动观测网(Aerosol Robotic Network,AERONET)的大量站点数据,利用这些长期观测站点的数据首次全面评估和比较了MODIS Aqua C6和C6.1暗目标(Dark Target,DT)和深蓝(Deep Blue,DB)算法AOD在中国地区的反演效果。为了进一步提高MODIS气溶胶产品的反演精度,本文基于MODIS归一化植被指数(MYD13A3)和土地覆盖产品(MCD12Q1)对C6.1融合产品进行改进并对改进后的融合产品进行评估。近年来,河南省雾霾天气频发,空气污染严重,故利用改进后AOD融合产品分析河南省20032016年AOD的区位分布及其时序变化特征,并且通过利用Jiaozuo-HPU站点AOD地基观测数据和气象数据分别进行焦作地区气溶胶粒子类型分析和后向轨迹模式污染物潜在源分析,从而探讨河南省空气污染的来源,为河南省空气污染治理提供科学依据。主要结论如下:(1)C6.1 DB在中国西北干旱半干旱地区的整体反演效果改进程度明显弱于中东和中亚地区,Aqua C6.1 DB较C6反演准确性提高2.3%,但仅有39.85%匹配点满足期望误差(Expected Error,EE:±(0.03+20%AODground))。C6.1 DB在Gaolanshan和SACOL站点具有显著的改进,反演准确性分别由23.55%和35.99%提高到48.98%和75.04%,均方根误差(RMSE)分别由0.225和0.176下降到0.179和0.123,相对平均偏差(RMB)也由0.509和0.603提高到0.724和0.988,其中C6.1 DB在SACOL站点的反演准确性超过67%的反演目标,另外Zhurihe、Ulate和Ejina站点也具有小幅度的改进。C6.1 DB在其他站点反演效果的改进程度可以忽略,部分站点具有更低的反演精度。C6.1 DB在部分站点仍然存在着和C6相似的显著低估,说明C6.1 DB在中国西北地区反演时低估了气溶胶模型的吸收性。(2)C6.1 DT算法较C6具有更高的反演精度,RMSE降低到0.171,相关系数提高到0.901,反演准确性由54.94%提高到59.03%。C6.1 DT在城市地表采用新的地表反射率方案,反演精度明显提高,反演准确性提高11.8%,达到56.81%,尽管高估程度有所减小,但是11%的AOD高估表明C6.1 DT在中国城市地区可见光和短波红外波段之间地表反射率关系的假设仍然有待进一步改进。C6.1 DT在森林、农田和草地站点反演精度与C6相当。不同城市C6.1 DT反演效果的改进程度有所差异,就反演准确性而言,C6.1 DT在北京和北方其他站点改进的程度与站点周围下垫面城市像元所占比例呈正相关。(3)改进后的融合AOD(DTBimproved)验证结果匹配点的数量较C6.1 DTB提高13.55%,表明DTBimproved显著提高了中国地区AOD空间覆盖度。DTBimproved满足期望误差(±(0.05+15%AODground))的数据比例从64.86%增加到67.95%,增加了3.09%,达到67%的反演目标。DTBimproved在大多数站点反演精度显著改进,反演准确性提高并且均方根误差减小,特别是在城市和农田站点,DTBimproved基本实现67%以上的反演目标。DTBimproved提高了AOD的空间覆盖以及产品的精度,故更适合用来研究大尺度区域上的气溶胶时空分布特征。(4)利用C6.1 DTBimproved AOD产品进行20032016年河南省AOD长期变化趋势分析。时间变化特征方面,20032016年河南地区AOD年际变化呈先上升后下降的趋势,2011年达到最大峰值0.78;AOD季节变化明显,夏季最高,但总体呈下降趋势,冬季较低,上升趋势却最显著。空间分布特征方面,河南地区AOD分布以京广铁路为界呈东高西低的分布特征,高值区主要分布在豫中、豫东南、豫东北和豫南等丘陵平原以及豫西南的盆地地区,AOD值在0.7以上。焦作地区气溶胶类型以吸收性细粒子和吸收性混合粒子为主,主要来源于工业和农业生产产生的碳气溶胶。根据对焦作地区两次污染事件潜在源的分析,河南省大气污染不仅与当地排放有关,还可能受到周边地区细粒子气溶胶输送和西北地区长距离沙尘传输的影响。
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