基于AVHRR数据的陆地气溶胶参数反演

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为了利用AVHRR传感器可见光通道反演陆地上空气溶胶光学厚度,充分发挥AVHRR数据的优势,本文基于辐射场分解提出了陆地卫星气溶胶反演算法ALAD(An algorithm over land for the retrieval of the aerosol optical depth)。该算法采用植被遥感中冠层辐射场分解的办法,根据与大气发生散射消光作用的次数,将传感器接收到的辐射亮度分解为三个分量:零次散射、单次散射和多次散射,然后对各个分量进行参数化进而来求解辐射传输方程。  首先,利用以高质量的SeaWiFS数据为基础开发的辐射定标算法,通过定标衰减模型计算任意一颗卫星任意时刻的定标系数。利用计算得到的定标系数,对自1978年至今30多年16颗搭载AVHRR传感器的卫星的前两通道数据重定标,生产AVHRR重定标数据集。  其次,假设3.75μm波段气溶胶的影响可以忽略不计,利用MODIS数据,基于统计方法获取3.75μm波段和0.64μm波段两个通道之间的线性关系,应用于AVHRR数据对应通道,得到AVHRR数据0.64μm波段的地表反射率,借助气溶胶类型先验知识,反演不同陆地下垫面的气溶胶光学厚度。  再次,选取华北和中欧两个地区来测试ALAD算法对不同下垫面、不同AVHRR卫星数据的实用性,生产了自1983年至今30多年长时间序列的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)数据集。为了验证ALAD算法的精度,将反演的结果与地基实测数据及其他卫星产品进行对比分析,一方面是通过ALAD反演结果与地面实测数据的散点图,利用数理统计计算统计参数来定量评价反演结果。另一方面,对比ALAD算法反演结果、MOD04、MYD04及站点数据的时间序列图,定性的分析不同AOD产品在时间变化趋势上的一致性。  华北地区的反演结果与AERONET站点的对比结果表明,ADAT产品反演结果整体偏低,回归方程为τAVHRR=0.61τAERONET+0.11,相关系数为0.77,均方根误差为0.15,53%的匹配点落在15%的误差线范围内,58%的匹配点落在20%的误差线范围内;中欧地区与ACTRIS的对比结果显示,两者的相关系数为0.66,均方根误差为0.06,回归方程为τAVHRR=0.66τACTRIS+0.02,在所有匹配的1019个点中,79%的点落在了Δτ=±0.05±0.15τ,75%的点落在了Δτ=±0.05±0.2τ。相对误差基本落在±0.1范围内。通过与MODIS的AOD产品对比发现,两者在气溶胶宏观分布趋势上相一致,但是ALAD产品整体偏低。  两个研究区域的季节变化时间序列图显示ALAD反演结果与站点观测结果及MODIS产品的一致性较好。AOD最小值基本出现在秋季(9-11月)和冬季(12-2月),在夏季(6-8月)AOD达到最大值。AOD的季节变化性明显,AOD值高达1.5。两个研究区域的年变化时间序列图显示,四种气溶胶产品的年变化趋势相一致。ALAD结果相对于其他AOD产品来说,存在明显的低估问题。  最后,我们尝试生产整个中国地区的2007年的气溶胶光学厚度产品,通过月平均和季平均产品来分析中国地区的气溶胶分布特征。与AERONET和CARSNET站点数据的直接验证显示,基于AVHRR数据和ALAD算法生产的中国陆地气溶胶光学厚度日产品普遍存在低估现象,这可能由气溶胶类型选择和地表反射率估计引起的;与MOD08_M3月平均产品的交叉验证表明,两种产品的气溶胶宏观分布特征一致,但AOD值仍存在较大差异,回归方程的斜率最大只有0.74,截距基本都在0.2以内。两者的相关系数R最大值为0.73。
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