基于克里格插值法的MODIS全球氣溶膠光學(xué)厚度研究

魏云霞

(西安科技大學(xué) 陜西 西安 710000)

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基于克里格插值法的MODIS全球氣溶膠光學(xué)厚度研究

魏云霞

(西安科技大學(xué) 陜西 西安 710000)

基于MODIS全球氣溶膠光學(xué)厚度AOD大氣產(chǎn)品數(shù)據(jù)，利用IDL8.5編程語言基于變程差值的思想對全球氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)進行克里格插值處理，然后利用地基太陽輻射計觀測網(wǎng)站點實測數(shù)據(jù)(SONET/AERONET)對插值后的結(jié)果中的中國區(qū)域進行驗證分析，得出了基于克里格插值方法的全球氣溶膠光學(xué)厚度分析方法，該方法對研究大尺度觀測范圍的氣溶膠光學(xué)厚度具有一定的參考意義，并可以通過此方法來推測出未知區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)值，從而彌補站點數(shù)據(jù)缺無法實現(xiàn)大范圍、宏觀的檢測不足。

氣溶膠光學(xué)厚度；克里格插值；站點實測數(shù)據(jù)

一、引言

大氣氣溶膠是指以大氣與懸浮在其中的固體和液體共同組成的多相體系，粒子的直徑一般在0.001μm～10μm之間，主要來源于自然產(chǎn)生和人類活動，如海鹽微粒、陸地塵土、煙塵等。氣溶膠對氣候、人類健康、遙感定量研究等都有不同程度的影響。2002年我國有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的343個城市中，由于空氣污染導(dǎo)致死亡的人數(shù)達到5萬多人，有近40萬人因為空氣污染導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病。因此對氣溶膠各種性質(zhì)的研究具有重要的意義。

氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)是大氣氣溶膠的重要光學(xué)特征之一，它是指沿輻射傳輸路徑，單位截面上所有吸收和散射氣溶膠產(chǎn)生的總削弱，是無云大氣條件下，單位鉛直氣柱中氣溶膠散射造成的消光系數(shù)在垂直方向上的積分(無量綱量)，反映氣溶膠對光的衰減作用，是推算氣溶膠含量、評估大氣污染程度、研究氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵因子，因而是研究大氣氣溶膠含量的最常用指標(biāo)。

國內(nèi)外學(xué)者目前對于氣溶膠的研究主要是地基遙感和衛(wèi)星遙感兩種方式，本文是通過全球MODIS氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)，采用地統(tǒng)計學(xué)中的克里格插值方法反演全球范圍內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度，然后就中國區(qū)域與真實的站點數(shù)據(jù)的AOD進行比較，探究出基于克里格插值法的氣溶膠光學(xué)厚度分析方法對于研究氣溶膠光學(xué)厚度具有一定的意義，因此在以后研究氣溶膠光學(xué)厚度時，可以通過若干個已知點的氣溶膠光學(xué)厚度值，利用克里格插值法可以求出未知區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度。

二、數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的獲得到使用分別經(jīng)歷了MODIS數(shù)據(jù)下載，數(shù)據(jù)拼接，數(shù)據(jù)重采樣，本文所采用的MODIS數(shù)據(jù)是通過NASA的官網(wǎng)Http://ladsweb.nascom.nasa.gov/，下載的2015年全年的全球MODIS氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)，下載的數(shù)據(jù)為HDF格式。然后對下載的數(shù)據(jù)進行拼接和重采樣，最后數(shù)據(jù)的像元分辨率重采樣為0.05°，3600列*7200行。

三、克里格插值

由于云覆蓋或者茂密植被像元缺失等原因，MODIS氣溶膠產(chǎn)品含有大量的無效值像元，本文基于地統(tǒng)計學(xué)中克里格插值方法，對全球大氣氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品進行插值處理，采用變程插值思想，利用ENVI/IDL編程語言來實現(xiàn)。具體思路如圖1

圖1 克里格插值流程圖

四、氣溶膠光學(xué)厚度驗證

(一)定義投影信息

由于經(jīng)過克里格插值后的氣溶膠光學(xué)厚度時沒有地理坐標(biāo)信息，需要為其添加投影信息，最后2015年所有的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品統(tǒng)一添加WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)。

(二)地基太陽輻射計觀測網(wǎng)站點實測數(shù)據(jù)

太陽/天空輻射計(Sun/sky-radiometer)是測量太陽直射輻射信號和天空多角度散射輻射信號的遙感儀器，根據(jù)地面觀測的太陽直射及散射信號能推斷出氣溶膠的光學(xué)特性、成分含量等信息。目前，通過地基太陽輻射計觀測網(wǎng)站點觀測獲取的大氣參數(shù)精度最高，參數(shù)信息最全面，是驗證其他大氣產(chǎn)品，特別是大氣遙感衛(wèi)星獲取的氣溶膠、水汽等的基準(zhǔn)。

AERONET(Aerosol Robotic Network)是由美國宇航局(NASA)聯(lián)合全球多個區(qū)域太陽輻射計觀測網(wǎng)建立的地基氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)，在全球范圍內(nèi)擁有500多個站點，是目前全球分布最廣泛的觀測網(wǎng)。旨在研究全球范圍內(nèi)的氣溶膠傳輸、輻射效應(yīng)，監(jiān)測氣溶膠特性以及驗證衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品。AERONET觀測網(wǎng)統(tǒng)一采用法國CIMEL公司生產(chǎn)的全自動CE318太陽光度計為觀測儀器，利用不同的站點的實測數(shù)據(jù)可反演氣溶膠光學(xué)厚度、柱水汽含量等大氣參數(shù)產(chǎn)品。AERONET數(shù)據(jù)主要分為三個處理等級：1.0級數(shù)據(jù)為未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)；1.5級數(shù)據(jù)為經(jīng)過云掩膜處理的數(shù)據(jù)；2.0級數(shù)據(jù)是做過云掩膜處理且經(jīng)過人工審查的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。本文采用AERONET 2.0級氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品對MODIS氣溶膠產(chǎn)品進行驗證。

(三)精度驗證

由于MODIS氣溶膠產(chǎn)品提供470、550、660 nm 3個波段處的氣溶膠光學(xué)厚度，而地基太陽輻射計觀測網(wǎng)AERONET/SONET中使用的CE318太陽光度計觀測的太陽輻射可以反演340、380、440、500、670、870、1020 nm 7個波段的氣溶膠光學(xué)厚度，兩者沒有相對應(yīng)的波段；且地基觀測網(wǎng)的氣溶膠產(chǎn)品是空間上某些點固定間隔時間的連續(xù)觀測，而MODIS大氣產(chǎn)品是空間上以10 km×10 km為觀測單位的面上瞬時觀測，兩者具有不同的時空尺度；因此為了利用地基觀測網(wǎng)的實測數(shù)據(jù)對MODIS大氣產(chǎn)品進行比較，需要對地基觀測網(wǎng)實測氣溶膠產(chǎn)品進行波長插值。

1.波長插值

1929年，?ngstr?m提出了?ngstr?m指數(shù)，建立了氣溶膠光學(xué)厚度與波長之間的?ngstr?m關(guān)系式，即在沒有水汽影響的波段上,氣溶膠粒子的譜分布滿足Junge分布：

τa(λ)=βλ-α

3-11

其中，τa(λ)表示波長為λ的氣溶膠光學(xué)厚度，β表示?ngstr?m渾濁度系數(shù)，與氣溶膠粒子總數(shù)和譜分布等有關(guān)；α表示?ngstr?m波長指數(shù)，其數(shù)值與氣溶膠平均半徑有關(guān)，氣溶膠粒子越大，α越小，參數(shù)α和β可以通過2個不同波長處的氣溶膠光學(xué)厚度計算得出。本文基于500和670nm處氣溶膠光學(xué)厚度利用式3-12、3-13插值計算550nm處的氣溶膠光學(xué)厚度：

3-12

3-13

2.時空匹配

如前所述，AERONET地基觀測的氣溶膠光學(xué)厚度是以觀測站點為觀測單位的點上連續(xù)觀測，而MODIS氣溶膠光學(xué)厚度是以10km×10km為觀測單元的面上瞬時觀測。為了使兩者具有可比性，本文采用NASA檢驗全球陸地上空MODIS氣溶膠產(chǎn)品的辦法，即選取以站點為中心50km×50km范圍內(nèi)的MODIS氣溶膠產(chǎn)品的空間平均與衛(wèi)星過境前后30min的氣象站點實測數(shù)據(jù)時間平均進行匹配。

按照上述方法選取MODIS大氣產(chǎn)品和地基實測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，驗證MODIS氣溶膠產(chǎn)品在中國區(qū)域的適用性。收集全球范圍內(nèi)的AERONET/SONET氣象站點數(shù)據(jù)，經(jīng)過波長插值、時空匹配以及MOIDS氣溶膠產(chǎn)品無效值去除后，獲取時間和空間相匹配的氣溶膠樣然后對樣本進行線性擬合分析來驗證全球氣溶膠產(chǎn)品

τMODIS=aτAERONET/SONET+b

其中τMODIS為MODIS大氣產(chǎn)品，τAERONET/SONET為AERONET實測的大氣產(chǎn)品

圖中實線表示兩者擬合線，虛線表示1:1線，從散點圖中可看出，MODIS大氣產(chǎn)品與氣象站點實測數(shù)據(jù)擬合線接近于1:1線，兩者具有良好的統(tǒng)計相關(guān)關(guān)系，氣溶膠產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)R2達到0.77，RMSE為0.125；水汽產(chǎn)品相關(guān)系數(shù)R2達到0.98，RMSE為0.26；。除個別站點(如民勤)外，MODIS大氣產(chǎn)品在中國區(qū)域與氣象站點實測數(shù)據(jù)一致性較好。

四、結(jié)語

本文研究利用了MODIS的氣溶膠光學(xué)厚度AOD值數(shù)據(jù)，基于地統(tǒng)計學(xué)中的克里格插值的方法對全球氣溶膠光學(xué)厚度AOD的值進行了反演，對反演的結(jié)果的中國區(qū)域與真實的站點數(shù)據(jù)進行了擬合分析，結(jié)果表明，插值后MODIS氣溶膠光學(xué)厚度在中國區(qū)域與氣象站點實測數(shù)據(jù)一致性較好.，從而可以證實基于克里格插值法的氣溶膠光學(xué)厚度分析法對于研究氣溶膠具有一定的意義，該方法可用于彌補MODIS數(shù)據(jù)由于云覆蓋等原因引起的AOD值的缺失的區(qū)域，反演出的的AOD值可以代替空缺地區(qū)的AOD值進行研究分析和大范圍大氣監(jiān)測。

魏云霞(1993-)，女，漢族，山西大同人，理學(xué)碩士，西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，研究方向：地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。