MODIS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比毛节泰.docxVIP

第13 卷特刊应用气象学报Vol. 13, Suppl. 2002 年1 月JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGICAL SCIENCE January 2002MODIS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比毛节泰1) 李成才1) 2) 张军华1) 3) 刘晓阳1) 刘启汉2)( 北京大学物理学院大气科学系, 北京100871)( 香港科技大学海岸与大气研究中心)3)( Department of Physics, Dalhousie University, Canada)提要介绍MODIS 卫星遥感气溶胶的方法, 利用北京大学地面多波段太阳光度计的观测进行了对比, 二者的相关性比较好。给出了描述北京地区气溶胶光学厚度分布的几幅图片。卫星遥感对于更好地研究空气污染提供了一种新手段, 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。卫星遥感的气溶胶资料不仅对全球和区域气候研究而且对城市污染分析提供了丰富的资料。关键词: 卫星遥感气溶胶光学厚度地面光度计引言对流层气溶胶粒子来源于工业活动、生物燃烧等人为源以及沙尘、海洋粒子等自然源。它们对太阳辐射的直接作用以及对云的微物理过程的影响、对大气化学过程的影响分别表现为对气候变化的直接强迫和间接强迫[ 1~ 5] 。由于大多气溶胶只有几天的生命期以及空间变化很大, 利用卫星来观测全球气溶胶的分布和变化非常迫切[6, 7] 。NASA 发射的Terra 卫星承载的M ODIS 传感器具有36 个通道, 覆盖了紫外、可见、近红外、红外等通道, 为反演气溶胶和地表特征提供了丰富的信息[8, 9] 。卫星接收到的辐射来源于地球大气的散射以及地表反射的复杂相互影响, 卫星遥感陆地气溶胶长期以来存在地表反射率和气溶胶光学特征两方面同时未知的难题。Kaufman 等通过大量飞机试验发现对于植被密集的具有较低反照率的地表存在2. 13 m 近红外通道反照率与0. 47 m、0. 66 m 可见光通道反射率相关很好的结论, 成功地运用于MODIS 的气溶胶反演[10, 11] 。城市气溶胶光学厚度同时反映了大气污染的污浊程度, 高分辨率的卫星遥感提供了监测城市大气污染的可能性。卫星遥感弥补了一般地面观测难以反映污染物空间具体分布和变化趋向的不足。但是对于光学厚度反演过程中源于地表反照率和气溶胶模型带来的误差难以估计, 卫星遥感需要同时有地面太阳光度计观测进行对比。NASA 在全球几个洲的大陆部分和少数海岛海岸建立了一个包含大约70 个地面太阳光度计的全球自动观测网, 为M ODIS 遥感气溶胶提供地面多通道遥感的对比资料[12, 13] 。我们利用多通道太阳光度计在北京的连续观测, 对照了MODIS 气溶胶产品, 二者的相关性比较好。对于中国大陆, 各地区地表植被分布、气溶胶类型具有很大差异, 有必要在不同代表性地区建立这种连续观测的地面站。MODIS 陆地气溶胶遥感首先简单回顾一下利用卫星遥感大气气溶胶的基本原理[ 14, 15] 。卫星观测到的反射率R sat可以由下式表示:satSURFsatR = f ( 0, R ) = L ( 0, , , 0, 0, )/ 0F 0) (1) 其中, F 0 为大气上界太阳辐射通量密度, 0 为整层大气光学厚度, ( 0, 0) 为入射光的方向, ( , )是卫星观测方向, 0, 0, , 分别为天顶角的余弦和方位角, L sat( , , , 0,0)为卫星接收到的辐射, 它满足辐射传输方程。如果假设下垫面是反射率为R SU RF的均匀朗伯面, R sat可表示为:ATMATMSURFR sat(,,0,0) =R ATM(,,0,0) + T(0) TSURF ( ATM) RR ATM为整层大气反射率, T ATM ( 0) 和T ATM ( ) 分别表示从太阳到地面、从地面到卫星大气层总的透过率(直射+ 漫射), 系数1/ (1- R SU RF RATM ) 代表地面和大气层多次散射的作用, 因此卫星观测到的反射率R sat既是气溶胶光学厚度的函数, 又是下垫面反射率的函数, 如果知道了下垫面的反射率R SURF, 并假定一定大气气溶胶模型, 可以反演得到气溶胶光学厚度。辐射传输过程一般利用辐射传输模式来完成。业务的反演算法为节省计算时间采用一个含有多维变量的查算表( LU T) 。NASA 的M ODIS 气溶胶算法中, 首先为了获得较高的信噪比, 将250 m 和500 m 的晴空卫星资料合成为1 km 分辨率的资料, 以下列4 个优先级进行蓝光0. 47 m 和红光0. 66m 通道地表反射率的确定[ 10] :如果0. 01R*2. 10. 05, 则R 0. 47=R *2. 1/ 4,