卫星气溶胶产品对太阳光度计测量的评估文章信息：外文翻译资料

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卫星气溶胶产品对太阳光度计测量的评估文章信息：

摘要

由于大气气溶胶将太阳光散射回太空，因此我们可以使用星载辐射计的反射率来估算气溶胶负荷及其光学特性。目前，几种气溶胶产品已经以系统的方式生成，并且可用于进一步研究。在本文中，我们通过与ARONET太阳光度计网络气溶胶光学深度(AOD)的测量值进行比较，评估了从POLDER，MODIS，MERIS，SEVIRI和CALIOP测量得到的此类气溶胶产品的准确性。虽然这种方法是常用的，但据我们所知，这项研究是同类研究中最广泛的，因为它比较了5种不同传感器产品的性能，在全球范围内使用了长达五年的数据。这些卫星气溶胶数据集的选择基于它们在ICARE数据和服务中心（www.icare.univ-lille1.fr）的可用性。

我们区分了陆地和海洋上的反演，以及总模式AOD和精细模式AOD的估计值。在海洋上，POLDER和MODIS检索具有相似的质量，RMS差异小于0.1，与AERONET的相关性约为0.9。 POLDER估计会受到清洁大气的小偏正，因此削弱了其统计数据。其他气溶胶产品质量较差，而SEVIRI产品可能对某些需要高时间分辨率的应用感兴趣。 MERIS产品显示出非常高的偏差。在陆地上，只有MODIS产品可以提供对总AOD的可靠估计。另一方面，使用POLDER数据的基于偏振的检索允许比MODIS有更好的精细模式估计。这些结果表明，在陆地上需要一种产品结合POLDER和MODIS数据。

本文还分析了统计数据如何随着所使用的空间和时间阈值而变化。本文还分析了统计量随时间和空间阈值的变化规律。该文件包括全球范围内的各种统计指标，并可应作者的要求获得各个地面站的详细结果。

1.简介

大气气溶胶是气候系统的重要组成部分，被认为是目前地球上人为辐射强迫的主要不确定因素（IPCC，2007）。此外，一些大气气溶胶是对健康有重大影响的污染物（Mauderly＆Chow，2008）。最后，气溶胶可能对某些人类活动构成危害，这一点可以由2010年4月至5月Eyjafjallajokull火山灰烬造成的空中交通中断所证明（Sanderson，2010）。因此，有必要在几个小时和几公里的尺度上监测大气气溶胶的时空分布。

气溶胶可以原位测量。这样的测量允许完全表征它们的组成和粒度分布，需要评估他们的健康影响。另一种选择是使用针对太阳的太阳光度计（如果灵敏度足够高，则使用月球）。由此产生的测量可以与大气气体的微小贡献一同直接估算大气顶部与地球表面之间的物种灭绝，这与地球表面直接相关。多波长测量提供了一些关于粒度分布的信息（ONeill等，2003）。消光测量可以通过天空辐射观测来补充，天空辐射观测被反转以检索全尺寸分布和关于折射率的一些信息（Dubovik＆King，2000; Vermeulen等人2000; Li等人，2006）。

原位和太阳光度计测量为表征气溶胶，尺寸分布，形状和成分提供了补充信息。然而，基于点，它们不能提供全球监测所需的空间和时间覆盖。另一方面，凭借其全球性和可重复的覆盖范围，卫星确实具有更全球化的视野。由于气溶胶选择性地将太阳辐射散射回太空，因此测量太阳反射率的卫星仪器非常适合监测全球气溶胶特性。实际上，可以在卫星图像上轻松描绘最大的气溶胶载荷，例如火山爆发，生物量燃烧或沙漠尘埃中的羽状物。然而，气溶胶负荷的量化更加困难，因为气溶胶对反射率的贡献与云和表面的贡献混合，并且气溶胶散射不仅取决于负荷，还取决于其尺寸分布和组成。已经开发了几种方法来从卫星测量中提取关于大气气溶胶的信息。这些方法在本文的数据部分中进行了简要描述和讨论。

来自卫星观测的气溶胶产品已经针对直接日光光度计测量进行了评估（例如，Kokhanovsky等，2007; Levy等，2010; Vidot等，2008）。这些非常适合于验证工作，因为i）卫星和太阳光度计都检索相同的参数，即气溶胶光学深度; ii）太阳光度计提供近乎直接的消光测量，因此比卫星测量更可靠; iii）有一个200多个地面站的太阳光度计网络（AERONET），涵盖了广泛的地面条件和气溶胶类型.iv）该网络标准化程度高，数据限制有限（Holben等， 1998）。因此，大多数验证练习将卫星估计与太阳光度计的测量结果进行比较。

在本文中，我们进行了类似的练习。目标是对大量卫星气溶胶产品使用一致的方法（相同的工具，协议和阈值），以便客观地比较每种产品的统计性能。我们利用ICARE数据和服务中心（www.icare.univ-lille1.fr）的计算机设施，生成或存档许多气溶胶产品。我们已经能够获得来自MODIS，MERIS，SEVIRI，POLDER和CALIOP测量的气溶胶负载产品。以下评估和讨论这些产品。虽然我们承认已生成其他卫星产品，但ICARE中心尚未收集这些产品，因此我们的评估不易获取。ICARE提供大量与气溶胶、云和水循环相关的卫星数据集以及计算设施。这些服务显著降低了在高分辨率下使用多年观测时收集和存档大型卫星数据集的负荷。

数据和检索算法在第2节中简要回顾。匹配方法在第3节中描述，结果在第4节中描述。​​第5节讨论结果并得出结论。

1. 数据

表1总结了传感器特性（发射日期，观察条带宽度，像素大小）。表2列出了本研究中使用的气溶胶产品信息以及描述检索方法的参考文献。所有无源传感器均提供柱积分气溶胶测量，而CALIOP则观测0-40 km高度范围内的气溶胶垂直剖面。

• 1. MODIS

MODIS是一种多光谱传感器，在NASA Aqua和Terra卫星上发射。在这里，我们只使用从Aqua衍生的产品，因为ICARE没有Terra数据。在海洋上，气溶胶载荷和类型是通过测量和预先计算的反射率之间的多光谱拟合来估算的（Tanre等，1997）。由于水柱在大部分太阳光谱中具有高吸收性，因此除了接近镜面方向外，表面贡献与大气相比较小。然后在多光谱反射率中有足够的信息来估计总气溶胶载荷和精细模式分数。我们使用官方的Level-2气溶胶产品（MYD04_L2），第5集，以10公里的分辨率生成。在数据产品中，有许多数据集。我们的评估基于以下内容：

bull;Angstrom_Exponent_1_Ocean

bull;Effective_Optical_Depth_Average_Ocean

bull;Optical_Depth_Small_Average_Ocean

bull;Quality_Assurance_Ocean

在陆地上检索气溶胶负荷要比在海洋上检索要困难得多，因为表面贡献很大且可变。然后很难将气溶胶信号与测量结果隔离开。MODIS陆地算法使用经验关系，该关系涉及可见光（0.47和0.66 um）和中红外（2.1 um）波段的表面反射率（Kaufman等，1997）。多光谱测量使得可以解开表面和气溶胶各自对测量的贡献并导出气溶胶负荷。经验关系仅对植被表面有效，因此无法在沙漠地区进行检索。该算法利用依赖于位置和季节的先验气溶胶模型。我们的评估基于以下数据集：

bull;Angstrom_Exponent_Land

bull;Corrected_Optical_Depth_Land

bull;Optical_Depth_Small_Land

bull;Quality_Assurance_Land

MODIS团队表示没有足够的信息来正确检索陆地上的细小部分。这意味着精细模型（无尘）光学深度不可能提供独立于陆地上的总光学深度的信息。我们在本文中测试了这个陈述。

• 1. MERIS

MERIS是一种ESA传感器，在Envisat上发射，赤道穿越时间为当地太阳时间10:00。与MODIS一样，它是一种多光谱传感器，虽然光谱覆盖范围限制在390-1040 nm，但其直接后果是它无法使用MODIS算法中使用的短波红外波段来估算陆地上的表面贡献。并且没有热红外波段可用于云筛选。ESA处理MERIS数据，以检索原始1km空间分辨率下的各种参数，包括气溶胶负荷。

在海洋上，通过比较测量和预先计算的反射来估算气溶胶负荷，假设海洋在近红外线是黑色的。该产品是865nm处的气溶胶光学深度“aero_opt_thick”，以及Angstrom指数“aero_alpha”。我们还使用质量标志仅保留有效检索。

在陆地上，使用可见光中的表面反射光谱特征的假设估计在密集植被像素上的气溶胶载荷。该产品是443nm”aero_opt_thick”的气溶胶光学深度，以及Angstrom指数“aero_alpha”。我们还使用质量标志仅保留有效检索。

2.3 POLDER/Parasol

POLDER是一种多光谱、多方向、可偏振的辐射计。它是在20世纪90年代在ADEOS平台上发布的，但两个平台都早早以失败告终（Tanre et al。，2001）。在PARASOL卫星上也发射过类似的仪器，这是A-Train的一个组成部分。在海洋上，检索算法使用红色和近红外波段来估计气溶胶负荷。使用更好的气溶胶模型的多个方向补偿了窄的光谱范围。与此同时，使用偏振信息可以区分球形和非球形颗粒（Herman等人，2005）。在此，我们使用了670nm的气溶胶载荷、埃斯指数和精细模式气溶胶产品，以及质量指数。

在陆地上，气溶胶回收仅使用偏振反射。基于半经验模型（Maignan等人，2009）假设表面对测量的贡献，并且推断气溶胶贡献从而检索气溶胶负荷和模型。气溶胶散射的太阳光是高度偏振的，但这仅在颗粒很小时才会发生。相反，粗糙模式气溶胶极化很少。因此，陆地上的POLDER算法仅检索精细模式（FM）光学深度，而没有检索关于总光学深度的可靠信息。为了验证，我们使用670 nm的FM AOD、FM Angstrom指数和质量指数。

2.4 SEVIRI

SEVIRI辐射计飞行在0°经度以上的第二代气象卫星地球静止卫星上，并每隔15分钟提供一部分地球的图像。通过ICARE检索测量结果并近乎实时地处理以估计海洋上的气溶胶负荷。来自635和810nm通道的测量结果用于检索算法（Thieuleux等，2005），以得到550nm处的AOD和埃指数。检索以原始SEVIRI分辨率（最低点3公里）进行，并且可以在www.icare univ-lille1.fr上浏览近实时的检索结果。

在陆地上，这个估计是根据对信号的时间分析得出的，假设在前15天内可以得到清晰的场景图像。然后使用清晰的场景来估计表面反射率，然后将其应用于辐射传递模型以估计场景的AOD（Jolivet等人，2008，Bernard等人，2009）。在撰写本文时，SEVIRI AOD的土地产品仍处于开发阶段。此处提供的结果是初步的，并定义了可以预期的最低质量，因为潜在的改进已经在实施和测试中（Bernard等，2011）。

陆地和海洋SEVIRI产品都不是Eumetsat的官方产品，并且已经开发了其他类似的“研究”算法（例如Brindley＆Ignatov，2006; Popp等，2007）。但是，据我们所知，这些算法不会用于长时间生成产品，也不适用于广泛的社区。

2.5 CALIOP

CALIOP激光雷达于2006年4月在CALIPSO卫星上发射，从那时起就是所谓的A-Train的一部分。与前面提到的仪器相反，CALIOP是一种有源仪器。激光雷达数据的处理使气溶胶和云的垂直分布能够恢复，对于被动传感器，这是不可能实现的。虽然这对气溶胶源和传输的研究有很大的好处，但我们在这里关注垂直积分值，即算法估计的总AODas。CALIOP的另一个特点是它没有跨轨道成像能力。测量仅限于卫星子轨道，因此与验证站点重合的观察频率低于无源仪器。激光雷达信号可以穿透薄的云层，但是通过密集的散射层（气溶胶或云层）后将完全消失。因此，当存在厚层阻止完整的观察时，我们排除了这种情况。在下文中，我们使用官方级别—2“5 km-Resolution Aerosol Layers”产品，该产品可估算AODat 532和1064 nm。请注意，阳光会对测量产生很大的噪音，因此夜间产品的质量要优于白天。但是，夜间没有太阳光度计数据可用于验证。因此，我们不能使用最优质的CALIOP产品，这对各种产品的相互比较有些不公平。在本文中，我们使用2010年推出的第3版产品。

2.6 太阳光度计（AERONET网络）

气溶胶机器人网络（AERONET）（Holbenetal。，1998,2001）是一个完善的网络，在全球范围内拥有约200个半永久性地基日光光度计。它们提供标准化的高质量气溶胶测量，在此用作参考数据。我们使用截至2010年6月的全球Level 2.0数据存档（即云屏蔽和质量保证以及最新校准）。这些数据是从AERONET网页（aeronet.gsfc.nasa.gov）下载的。可以获得可见光和近红外AOD测量，精度约为0.01-0.02。此外，我们使用AERONET光谱AOD，使用ONeill等人的光谱反卷积方法得到550 nm处的精细模式AOD（FM AOD）。（2003年）。

图1显示了由共址方法产生的AERONET站点的位置（见下一节）。虽然AERONET站点的很大一部分位于北美和西欧，但它们的分布涵盖了所有大陆，所有气溶胶类型都经过抽样，可以进行全面评估。另请注意，许多站点位于海岸附近，这使得它们非常适合与陆地和海洋检索进行比较。我们在此假设AOD在陆地/海洋边界上没有显著变化。我们还注意到，我们使用的海洋检索靠近海岸，由于浊度和水平梯度高于开阔海域，因此增加了检索的难度。因此，AOD估算的海洋开放性能可能比陆基太阳光度计的比较更好。最后，我们没有使用任何选择标准，例如高程，以排除一些站点，而它应该适合某些地点，例如Mauna Loa，其中日光光

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