FY-3A/MERSI、MODIS C5.1和C6气溶胶光学厚度产品在中国区域与地面观测站点的对比分析

准确获取气溶胶光学厚度对于气候变化研究和大气环境监测具有重要意义。通过波长插值和时空匹配方法,利用气溶胶自动观测站网（AERONET）观测的气溶胶光学厚度（AOD）对风云3A/中分辨率光谱成像仪（FY-3A/MERSI）、Terra（Aqua）/MODIS的C5.1（Collections 5.1）和C6（Collections 6）气溶胶光学厚度产品在中国区域的反演精度进行验证分析。结合一次发生在中国境内的沙尘天气与一次严重雾霾天气个例,分析上述卫星气溶胶光学厚度的分布特征。研究结果表明,（1）FY-3A/MERSI AOD的反演精度较高（R=0.887,RMSE=0.234）,其值低于AERONET的观测值（Bias=-0.293）。（2）在不同的下垫面下,各种卫星暗像元算法AOD产品反演精度有差异,植被覆盖情况越好,反演精度越高,而植被很少的地区,即亮地表甚至没有反演值。（3）MODIS C5.1深蓝算法产品能在亮地表地区反演AOD,但效果不佳。MODIS C6中的深蓝算法产品在不同下垫面的反演精度都很高（RMSE为0.096-0.127）。（4）在不同季节的对比中,各种卫星AOD产品在夏季的反演精度最差,而反演最好的季节各有不同。（5）在一次沙尘天气污染与一次严重雾霾天气个例中,中国西部与北部区域,MODIS C6深蓝算法AOD的监测效果优于其他算法AOD;MERSI AOD产品在此区域的分布不连续。总体而言,MODIS C6 AOD分布比MODIS C5.1产品连续,MODIS 3 km产品在相同区域的AOD值高于其他产品。以上结论可为卫星AOD产品在中国区域的使用提供参考。      

利用MODIS C6产品分析广东省气溶胶光学厚度时空特征

本文采用地面太阳光度计实测数据对MODIS C6AOD(气溶胶光学厚度)产品进行精度检验,结果表明:该产品与地面太阳光度计实测数据的相关系数为0.85,标准偏差为0.28,平均相对偏差为0.27,数据精度满足需求。利用该产品分析了广东省气溶胶光学厚度的时空分布特征,得出以下规律:(1)空间分布:珠三角粤东粤西粤北,其中,珠江三角洲西部的佛山市、东莞市、中山市是全省AOD的高值区;(2)季节变化:春季为AOD高值期,夏季、秋季次之,冬季最低;(3)年际变化:2003—2016年,广东省年均AOD呈现波动式下降趋势,2012年为高值年份,年均AOD值为0.611,2007年为次高值年份,年均AOD值为0.603,2016年为低值年份,年均AOD值为0.382,2015年为次低值年份,年均AOD值为0.440。     

黄土高原干旱半干旱地区气溶胶光学厚度遥感分析

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2006年8月-2008年10月太阳光度计(CE-318)观测资料和同期卫星MODIS(Terra和Aqua)产品资料,分析了该站气溶胶光学厚度(AOD)日变化、月变化和Angstrom波长指数(α指数)月变化特征,发现春季AOD日变幅最大,存在双峰现象,秋、冬季较小;9月AOD最小,4月和12月AOD较大;α指数在4月最小,7月最大.采用太阳光度计反演的550 nm AOD与Terra-MODIS和Aqua-MODIS AOD产品相比较,Terra-MODIS与太阳光度计AOD相关系数为0.69,大于Aqua-MODIS的0.62.并从地表反照率假设、气溶胶模型选择和云影响等方面分析了产生对比偏差的原因,进一步分析了黄土高原干旱半干旱地区AOD的分布和季节变化特征.结果表明:气溶胶光学厚度呈西低东高的分布特征;AOD高值中心与大城市有较好对应;黄土高原干旱半干旱地区AOD在春季最大,夏季有所减小,秋季最小,但冬季升高;Aqua-MODIS中深蓝算法对西北荒漠地区亮地表AOD的反演效果较好.     

MODIS气溶胶光学厚度产品在西南地区林火检测中的应用

考虑到现有MODIS火灾检测算法易对低温火点产生漏判,通过研究MODIS C6-3 km、C5. 1-10 km AOD产品在西南地区不同区域森林火灾伴生烟羽扩散和分布的特性表征,对比火点中心32个方位、不同扩散范围下烟羽正、反方向AOD累积效应,以提高卫星遥感数据对火点的检测精度。结果表明:在西南中东部林区,MODIS C6-3 km AOD产品能较准确地表征该地区林火伴生烟羽的分布特征及扩散方向,且以火点为圆心,在3、6、9、15、24 km烟羽扩散半径内,当MODIS C6-3 km AOD累积AOD比值大于1. 55的特征半径存在时,该产品对烟羽检测有一定指示意义。在西南高山林区,基于暗像元法反演的MODIS C6-3 km AOD产品,由于算法中地表反射率的假定误差较大,且烟羽易识别为薄云,可能无法反演出有效数值,对林火伴生烟羽的检测能力较差,而深蓝算法反演的MODIS C5. 1-10 km AOD产品对伴生烟羽的检测具有一定优势。     

利用AVHRR数据反演陆地气溶胶光学厚度

开发AVHRR可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度 (AOD) 的算法对于研究长时间序列AOD的变化有重要意义。AVHRR由于缺少2.1 μm通道而不能采用MODIS的暗背景算法,该文利用背景合成算法进行陆地AOD反演。背景合成算法是指假设一段时间内地表反射率变化不大且会出现相对清洁大气, 采用最小值合成即可得到地表反射率,再通过辐射传输模式6S制作的查算表查算得到AOD的反演结果。将此算法应用到2009年AVHRR中国部分陆地区域 (15°~45°N,75°~135°E) 得到AOD的时空分布,将反演结果与同期Aqua/MODIS的MOD04 AOD产品进行对比分析表明,华北和华东地区的反演效果较好,西北地区结果较差。以长江三角洲地区为例可知,AVHRR AOD产品与MODIS AOD产品以及AERONET观测的AOD相比相关系数基本在0.6以上,从时间变化规律来看,AVHRR AOD和MODIS AOD产品年变化趋势具有很好的一致性。该文为建立长时间序列AVHRR AOD数据集提供了一个较为可行的方法。     

大气气溶胶光学厚度信息在林火检测中的应用研究

由于现有MODIS火点检测算法对不同区域和不同季节的适应能力有限,因此需要关注复杂地表条件下对森林火灾伴生烟羽的识别问题,以提高明火点和低温焖烧火点的检测精度。本文基于烟羽扩散对大气气溶胶分布产生的影响,通过提取火灾区域的大气气溶胶光学厚度信息来描述区域内潜在火点的烟羽扩散特征,作为判识火点的辅助手段。利用MODIS资料,借助暗像元法通过6S模式反演了多个火点及周围区域的气溶胶光学厚度(AOD),并对明火点和低温火点在不同扩散范围和不同方位角条件下AOD的累积效应对烟羽的敏感性进行实验。结果表明,利用暗像元法反演出的AOD能明显地表征火灾伴生烟羽的分布特征,指示烟羽扩散方向及大致扩散范围。当以火点为中心,取32位方位角,扩散半径为10 km时,下风向与上风向的AOD累积效应差异最为显著,其累积值之比均10,对烟羽检测最为敏感。由此建立烟羽识别条件,为判识火点提供辅助依据,有效规避了MODIS火点检测算法对离散火点,特别是低温火点的漏判。     

2010—2012年我国西北地区沙尘个例气溶胶特征分析

利用2010—2012年间中国西北地区敦煌、民勤和塔中3个站点的CE-318太阳光度计观测资料,反演获得了气溶胶440 nm波段的大气气溶胶光学厚度（AOD）及440—870 nm波长指数（Alpha）,同时结合Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)卫星L1B产品及环境颗粒物监测仪Tapered Element Oscillating Microbalance(TEOM)观测的PM10数据,挑选出2010—2012年间沙尘天气特征明显的6个日期,并对这6天的气溶胶光学特性、PM10浓度变化特征及沙尘气溶胶来源进行了分析。研究结果表明：MODIS卫星图有明显沙尘天气过境时,当天的AOD值较高,Alpha值则较低,且AOD和Alpha表现出相反的变化趋势。这表明在这3个站点沙尘气溶胶占主导,PM10浓度变化与AOD变化趋势有较好的正相关性。Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory（HYSPLIT）后向轨迹分析表明,气团大多起源于塔克拉玛干沙漠或干旱、半干旱区。     

基于MODIS数据的新疆大气气溶胶光学厚度时空变化分析

利用中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）大气气溶胶光学厚度产品数据，采用三角剖分算法、最近邻点搜索、插值法和趋势分析法，分析新疆气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth,AOD）时空变化。结果表明：（1）新疆AOD总体呈下降趋势且地域差异明显，南疆AOD明显高于北疆，高值区主要集中在塔里木盆地边缘和天山北坡经济带。（2）北疆AOD年际变化不明显。2014年最高，2005年最低，年均值在0.15～0.18。南疆则呈明显的年际变化。最高值出现在2006年，为0.42；最低值出现在2017年，为0.22。（3）新疆AOD呈明显季节变化特征。春季最大，秋季最小。（4）2003—2019年南疆环塔里木盆地北部、东南边缘和北疆沿天山北坡经济带AOD增量明显。     

京津冀地区气溶胶时空分布及与城市化关系的研究

利用AERONET（AErosol RObotic NETwork）数据对2008~2012年Terra MODIS（MOderate-resolutionImaging Spectroradiometer）C006 3 km卫星遥感气溶胶产品在京津冀地区的适用性进行了验证,分析京津冀地区3km分辨率气溶胶光学厚度（AOD）的时空分布和变化特征。利用DMSP（Defense Meteorological Satellite System）/OLS（Operational Linescan System）夜间灯光数据作为城市化评价手段,对京津冀地区城市化与AOD时空分布之间的关系进行了研究。结果表明:（1）MODIS 3 km气溶胶产品遥感反演数据和同期AERONET监测数据在研究区具有很好的一致性,相关系数达0.91,满足期望要求;（2）时间上,2008~2012年研究区年平均AOD值在0.361~0.453之间变化,年际间变化浮动大,总体呈下降趋势;AOD春季呈明显下降趋势,夏季总体呈微弱上升趋势,秋季和冬季呈明显上升趋势;（3）空间上,2008~2012年北京、天津和河北中南部的AOD值较高,河北北边AOD值较低;四季AOD空间分布呈现较强烈季节变化,夏季最高,冬季最低;（4）夜间灯光数据和AOD时空分布不仅在空间分布上呈现较好的一致性,且2008~2012年二者的地理权重回归（GWR）模型拟合度R2达0.8左右。研究区内AOD与夜间灯光数据二者相关性显著,城市化发展水平和人类活动对气溶胶的分布有着明显的影响。     

中国地区MODIS气溶胶产品的验证及反演误差分析

利用中国地区AERONET(AErosol RObotic NETwork)地基观测资料对Terra/Aqua MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)气溶胶产品精度进行验证,提供资料可靠性分析,并分析了各地区MODIS反演气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)的误差来源,为进一步改进算法提供依据。结果表明:(1)香河、兴隆、榆林、寿县、合肥、香港和台湾等站点MODIS AOD的质量较好。对大多数站点,Terra和Aqua MODIS AOD质量差别不大,除个别站点Terra略优于Aqua。(2)选取香河、太湖、SACOL、北京、兴隆和台湾成功大学站进行详细分析。香河站Terra和Aqua MODIS AOD质量均较好,相关系数分别为0.96和0.97,且落在期望误差内的百分数分别为72%和65%。太湖和北京站MODIS AOD存在统一高估现象,可以通过拟合直线的截距对其进行汀正,得到较接近真实值的AOD。SACOL,Terra和AquaMODISAOD与AERONETAOD的相关系数分别为0.66和0 77,且存在一定的高估。同时验证SACOL MODIS Deep Blue AOD,总体上其精度低于MODIS C005 AOD。兴隆和成功大学站反演误差均小于期望误差,数据质量较好。(3)误差分析表明香河和SACOL站的MODIS反演误差主要来自地表反射率关系的不合适;太湖和北京站的反演误差可能是由于地表和气溶胶模型两方面的共同作用导致的。个别站点随着云量增大,MODIS反演结果对AOD的高估也越大。     

Evaluating aerosol optical properties observed by ground-based and satellite remote sensing over the Mediterranean and the Middle East in 2006

This study evaluates the spatial and temporal variation of the aerosol optical depth (AOD), the particle size characteristics (Ångström coefficients) and single scattering albedos during selected episodes over the Mediterranean area in 2006, based on independent observational datasets. We compare the satellite data of MODIS and MISR with those of the ground-based AERONET and in situ measurements. In general the yearly mean MODIS and MISR AODs as well as their temporal variation are in good agreement with AERONET. The highest AODs are caused by mineral dust outbreaks and the accumulation of anthropogenic aerosols during stagnant meteorological conditions. The comparison of MODIS with MISR aerosol optical properties for June corroborates that the AODs, Ångström coefficients and single scattering albedos agree well, and indicates the presence of high dust loads over the Mediterranean. Later in summer, however, MISR AOD is generally lower than MODIS, which is consistent with previous studies that show that MISR tends to underestimate and MODIS tends to overestimate AOD over land when compared to AERONET observations. Comparing MODIS Aqua Deep Blue with MISR for June over the Saharan desert reveals some differences in the location and the maxima of the AODs. Over the eastern Mediterranean highest dust loads occur during spring and autumn. Biomass burning activities around the Black Sea during July and August cause high AODs (e.g. by agricultural waste burning), and the particulate pollution is transported to the eastern Mediterranean and the Middle East by the prevailing northerly Etesian winds.     

Can MODIS Detect Trends in Aerosol Optical Depth over Land?

The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) sensor onboard NASA's Aqua satellite has been collecting valuable data about the Earth system for more than 14 years, and one of the benefits of this is that it has made it possible to detect the long-term variation in aerosol loading across the globe. However, the long-term aerosol optical depth(AOD)trends derived from MODIS need careful validation and assessment, especially over land. Using AOD products with at least 70 months' worth of measurements collected during 2002–15 at 53 Aerosol Robotic Network(AERONET) sites over land,Mann–Kendall(MK) trends in AOD were derived and taken as the ground truth data for evaluating the corresponding results from MODIS onboard Aqua. The results showed that the AERONET AOD trends over all sites in Europe and North America, as well as most sites in Africa and Asia, can be reproduced by MODIS/Aqua. However, disagreement in AOD trends between MODIS and AERONET was found at a few sites in Australia and South America. The AOD trends calculated from AERONET instantaneous data at the MODIS overpass times were consistent with those from AERONET daily data, which suggests that the AOD trends derived from satellite measurements of 1–2 overpasses may be representative of those from daily measurements.     

利用MODIS资料监测京津冀地区近地面PM2.5方法研究

为建立京津冀地区冬季近地面细颗粒物浓度监测方法模型,利用气象模式资料对2013年1-3月MODIS的AOD二级深蓝算法产品进行湿度和垂直订正,与同期观测的地面细颗粒物PM_2.5资料进行相关分析。结果表明：AQUA的MODIS深蓝算法AOD产品更适用于建立冬季AOD-PM2.5遥感监测模型,其R²为0.33;以气象模式资料中边界层高度代替气溶胶标高对MODIS的AOD进行垂直订正,并结合IMPROVE观测的气溶胶吸湿增长特征构建分区湿度订正方法,可以提高AOD-PM_2.5模型结果的精度,建立较为理想的京津冀地区冬季遥感反演综合模型,模型结果与地面监测结果R²达0.5以上。根据建立的模型计算了2013年1-3月的京津冀地区PM_2.5月平均浓度,京津冀地区1月的PM_2.5浓度较高,南部大部分地区空气质量已经达到重度污染水平。     

Terra和Aqua MODIS气溶胶光学厚度产品在中国热带沿海地区的适用性评估

This study compares the aerosol optical depth (AOD) Level 2 Collection 5 products from the Terra and Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers (MODIS) with ground-based measurements from a Microtops II sun photometer over Sanya (18.23°N, 109.52°E), a tropical coastal site in China, from July 2005 to June 2006. The results indicate that the Terra and Aqua MODIS AOD retrievals at 550 nm have good correlations with the measurements from the Microtops II sun photometer. The correlation coefficients for the linear regression fits (R²) are 0.83 for Terra and 0.78 for Aqua, and the regressed intercepts are near zero (0.005 for Terra, 0.009 for Aqua). However, the Terra and Aqua MODIS are found to consistently underestimate AOD with respect to the Microtops II sun photometer, with slope values of 0.805 (Terra) and 0.767 (Aqua). The comparison of the monthly mean AOD indicates that for each month, the Terra and Aqua MODIS retrievals are matched with corresponding Microtops measurements but are systematically less than those of the Microtops. This validation study indicates that the Terra and Aqua MODIS AOD retrievals can adequately characterize the AOD distributions over the tropical coastal region of China, but further efforts to eliminate systematic errors are needed.     

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318, 在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性, 并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明, 此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条： 一条起源于青海西北经西宁抵兰州, 另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州; 沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内; 沙尘气溶胶消光系数随高度先增加, 到0.2 km左右高度达到最大, 然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型, 最高峰出现在28日12:00, 次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近; 雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。     

Vulnerability of and risk to water resources in arid and semi-arid regions of West China under a scenario of climate change

This paper quantifies the vulnerability of and risk to water resources (VRWR) under a scenario of climate change in the arid and semi-arid region of West China. A new approach integrating hazard, sensitivity, resilience, exposure and risk is developed to assess the VRWR from climate change. Drought is regarded as the key hazard, with its frequency and severity defined using a surface humidity index. Exposure is quantitatively linked with indicators of population and social and economic characteristics using statistical and Geographical Information System (GIS) methodologies. Risk is defined as the product of hazard, exposure and vulnerability, while vulnerability is treated as a function of sensitivity and adaptation. Vulnerability and risk in the water resources system in the coming 20 years are assessed for the RCP 4.5 scenario. The results reveal that both hazard and exposure of water resources display strong spatial variation in the study area. High hazard and exposure are found in the northern Tianshan Mountain as well as the eastern part of Hexi Corridor. Water resources are particularly sensitive to variation in precipitation and potential evapotranspiration in the upstream areas of Hexi Corridor, rivers in Central Asia, headwater streams of Tarim River and most of Chang Tang Plateau. Our assessment shows that there is high vulnerability of and risk to water resources in the study area, especially in the areas of Hexi Corridor, northern Tianshan Mountain and Tarim River. Under the RCP 4.5 climate change scenario, the vulnerability and risk decline over the entire area but remain at a serious level in inland rivers in Hexi Corridor, northern Tianshan Mountain and headwater streams of Tarim River. Thus, these areas are the highest priority for strengthening policy measures to adapt to climate change and reduce exposure and vulnerability and their risk to water resources.     

兰州春季沙尘过程PM10输送路径及其潜在源区

将2001-2008年分为沙尘天气相对多年和相对少年,计算兰州市春季逐日4个时次的4d气团后向轨迹。通过聚类分析得到春季到达兰州市区的主要气团轨迹组,结合可吸入颗粒物PM10日均质量浓度资料,通过计算潜在源贡献因子PSCF（potential source contribution function）和浓度权重轨迹CWT（concentration-weighted trajectory）,得到影响兰州市春季PMlo质量浓度的潜在源区以及不同源区对兰州市春季PM10质量浓度贡献的差异。结果表明,在沙尘天气相对多年,西路径和西北路径发生比例最高,分别占总轨迹的33％和19．4％,其中有50％以上为污染轨迹,是造成兰州市春季高质量浓度PM10污染的主要输送路径。沙尘天气相对少年的主要输送路径是西路径,其次是北路径,分别占23．6％和18％。影响兰州市春季大气PM10质量浓度的潜在源区分布在新疆塔里木盆地、吐鲁番盆地、青海柴达木盆地、甘肃河西走廊、内蒙古中部和西部的沙漠戈壁地区。