MODIS暗目标反演算法中反演城市地表气溶胶光学厚度的表面反射方案外文翻译资料

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MODIS暗目标反演算法中反演城市地表气溶胶光学厚度的表面反射方案

Pawan Gupta,Robert C.Levy,Shana Mattoo ,Lorraine A. Remer,and Leigh A. Munchak

摘要

在两个地球观测系统(EOS)卫星Terra和Aqua上，中分辨率成像光谱仪(MODIS)仪器提供了中等空间分辨率(10和3km)的几乎每天的全球覆盖范围的气溶胶信息。如今从MODIS中可以获得近15年的气溶胶数据记录用于各种气候和空气质量的研究。然而，由于在城市表面的反演精度的降低，MODIS气溶胶产品在空气质量方面的应用受到了限制。这很大程度上是因为城市表面反射率的表现与自然表面的反射率不同。在本研究中，我们讨论了MODIS暗像元(MDT)算法在城市地区的反演算法，并通过修改算法的表面反射率方案，提出了改进的建议。通过将MODIS的地表反射率和土地覆盖类型信息整合到城市地区的气溶胶表面参数化方案中，我们的测试区域，即美国大陆(CONUS)，已经减轻了与标准算法相关的许多问题。新的地表方案考虑了下垫面类型的变化并且适用于MODIS像素的百分比大于20%的城市。在新方案已应用的城市地区(UPgt;20%)中，AOD回收率在预期误差(EE%)中下降了20%，消除了对地面太阳光的测量误差。然而，我们注意到，由于AOD在低气溶胶负荷下的表面参数化的超敏感性，新反演引入了小于0.1的AOD值的小负偏差。就全球应用前景来看，新城市表面参数化较为看好，但在全球实施之前还需要进一步的研究和分析。

1. 引言

在高浓度下，靠近地表的气溶胶（也成为可吸入颗粒物或PM）是空气污染物。随着近几十年城市化和工业化的发展，空气质量已经成为全球公共卫生关注的问题，特别是在人口密集的城市地区。在一些城市，城市PM浓度处于危险水平，比世界卫生组织(WHO)的标准高出5到10倍。虽然城市地区只占地球表面的大约一半，占地球陆地面积的3%，但一半的人口居住在这些地区。根据新的预测，到2025年，三分之二的人口将生活在城市地区，因此监测空气质量（气溶胶或PM）特别是在人口密集的区域，将是至关重要的。在经济发达的国家，如美国以及一些欧洲国家，地面PM浓度和空气质量受到数千个基于地面的监测站的监测。虽然美国的测量密度可能足以满足大都市的要求，但它们的密度不够大，不能用于地方或社区尺度。另外，美国大约30%的乡镇没有任何PM监测。并且大多数其他国家，尤其是发展中国家，很少或没有地面PM监测设施，也无法测量城市人口对PM的接触。

在过去的几十年里，越来越多的卫星用于在全球范围内提供多种大气变量。其中一种是气溶胶光学深度(AOD)，它是一种气溶胶载荷的测量方法，它是通过在电离层塔进行集成的。随着AOD的空间分辨率、覆盖范围和精度的提高，环境监测机构越发地关注卫星。为了填补气溶胶监测的空白，尽管这并不简单，许多研究（Wang and Christopher 2003;Gupta et al., 2006; Gupta and Christopher, 2009; Hoff and Christopher, 2009; van Donkelaar et al., 2010, 2015; Liu et al., 2010）试图将AOD卫星的反演与pm2.5或PM 10的表面浓度联系起来(PM空气动力直径分别为2.5微米或10微米)。

除了在空气质量和公共卫生方面的作用外，气溶胶被认为是重要的气候变量(e.g.,IPCC, 2007), 以及AOD的遥感技术也主要是为了解决与气候有关的问题。关于气溶胶产品的决定、产品的分辨率和对质量较差的产品的容忍度，都是为了使这些产品的有效性最大化，而不是空气质量和应用。例如，城市表面的质量差，代表地球表面的很少，对气候问题的影响是微不足道的，因此，最初的反演算法忽略了城市环境的特殊性。有几种基于卫星的AOD产品，每一种组合的卫星/反演算法都有其自身的优点和局限性。一种具有气候导向的气溶胶产品的卫星/算法对是中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)的暗像元(MDT)算法。MDT算法是成熟的，20年前就已经开发出来，主要用于对植被(如深色)陆地表面和偏远海洋进行反演。它现在在6通道下运行，AOD产品(名义10km空间分辨率)在全球陆地区域普遍没有偏差，这是对气候应用的要求。标准的MDT产品虽然很适合研究气候问题，但在空气质量监测中有许多不足之处。第一，也是最重要的一点，就是PM，被定义为大气中粒子的浓度，在大气中，人们可以受到污染的影响，而MDT产品测量气溶胶时，都是从表层到大气顶部一起测量。AOD和表面PM之间的相关性取决于气溶胶浓度的垂直分布，这不是由MODIS测量的。然而,另一个问题是MDT反演与在气溶胶网络（AERONET）数据库中与完整的太阳光度计（SP）测量相比，几乎没有偏差，但对特定的表面类型有强烈的偏差。

陆地上的MDT是为了反演植被以及其他“黑暗”的表面区域的数据而设计的，并不提供在非常明亮的表面上的气溶胶反演(即:沙漠)和冰雪地区。此外，有几项验证研究表明，在城市区域的MDTAOD反演对航空类AODs具有积极的影响。这些研究表明，MDT对城市的偏差主要来源是城市表面不像一个植被“黑暗”的目标。

另外，针对特定城市地区的MDT的表面方案进行了一些其他的研究，并为这些特定的城市提供了更好的AOD反演。我们不是只关注一个城市，而是寻求对全球城市有效的表面参数化。这将导致更精确的AOD反演，可用于空气质量的应用和研究，包括估算城市人口对气溶胶的暴露程度。在本文中，我们对美国大陆地区的城市地表进行了描述，并将其应用于MDT算法，并对结果进行了评价。在第2节中，我们介绍了MODIS, MDT算法及其在城市中的局限性。第3节讨论本研究中使用的研究区域和各种数据集。第4节描述了新的表面参数化，而新表面方案在MDT上的结果和影响。第5节讨论了在康美地区的AOD反演。第6节讨论了新地表方案对全球区域的影响及其局限性和挑战。第7节我们总结了结果和未来的方向。

1. MODIS和暗像元法

自1999年Terra卫星以及2002年Aqua卫星，MODIS就一直观测地球系统。MODIS观察了36个光谱波段的最高大气(TOA)辐射，这些波段被用来获得关于大气、陆地和海洋的地球物理信息。根据光谱波段，空间分辨率由250m到1km不等。MODIS (~2300km)的大面积宽度可以在1-2天内覆盖全球。数据以5分钟为一个单位，被称为颗粒。由于MODIS测量了地球系统的反射率，测量的辐射包含了大气特性和地球表面的信息，在一些光谱波段，地表的信号占主导地位，而大气在其他波段占主导地位。然后，我们的策略是利用光谱波段的正确组合来反演地球系统的一个特定方面。具体地说，MDT是在云/雪/冰条件下，被用来推导全球气溶胶的特性的。

MDT算法的理论基础仍然存在。虽然各个子模块一直在不断地发展，但从最初的at-launch版本到如今一直保持不变。这里提供了算法的总结，随着时间的推移版本更新我们鼓励读者阅读关于算法假设和结构的细节的参考文献，并通过不同的方法来了解它的演化过程。

MDT气溶胶反演算法的五个主要组成部分是：

(1)像素选择和聚集，包括云屏蔽和其他滤波;(2)将表面与大气分开;(3)对气溶胶的假设。(4)匹配观测到的光谱反射率到查找表;(5)推断周围气溶胶条件(模型权重和总AOD) 有两个独立的反演，一个在海洋，一个在陆地上，这些反演和相关的结果可以在单个数据文件中使用。每个反演结果和每个诊断都是在生成的文件中独立的科学数据集。在生产中，单个文件中的这些SDSs统称为MxD04产品，其中x为“O”，“Y”代表Aqua，“04”表示级别2的气溶胶产品。SDSs产品包括总AOD (0.55 m)，光谱AOD和诊断描述的反演解决方案的选择，再加上质量保证标准和对被反演的AOD的预期信任。标准的MxD04产品，被称为mxd04l2，是在10公里的名义（最低点）空间分辨率下提供的。在最近发布的MODIS Collection 6 (C6)数据版本中，还有一个MxD04_3K产品，它的空间分辨率为3km (nadir)，并在全球范围内可用。这个标准的C6产品经过初步验证。

MODIS反演代码在一个操作环境中运行，以创建C6产品。它包括用于管理文件格式的基础设施，以及处理的整个MODIS数据。在这个工作中，我们还使用了所谓的“独立”版本的MODIS暗像元(S-MDT)反演代码。S-MDT被剥离了所有常规的云屏蔽、像素选择和像素聚合，而是在像素逐像素的基础上运行。输入是一套单一的TOA光谱反射率值，加上太阳卫星的几何学和地理定位，输出是反演到的AOD和标准输出中包含的大多数诊断。由于标准C6数据(例如10公里反演)包含了每个反演到的AOD值所使用的TOA光谱反射率，C6输出文件中提供的数据(例如MxD04_L2)可以通过S-MDT算法回收，以反演C6产品中提供的相同AOD值。因此，可以很容易地修改S-MDT来测试反演中不同的假设，包括表面反射率假设。从S-MDT练习中收集到的信息可以被转移回来修改完整的(操作的)反演代码，并且可以为全局数据执行测试(和统计)。

• 1. MDT地表特征与城市气溶胶反演

土地表面过于多变，无法应用显式模型来描述其光谱光学性质。因此，MDT

基于三个MODIS波段使用经验参数化。Kaufman指出对大多数植物和暗土地表面而言,观察表明,表面反射蓝色波长(0.47micro;m)和红色波长(0.65micro;m)分别为约四分之一波长和一半表面反射的短波红外(短波红外成像,2.1micro;m)波长带。在理论上存在于一个全球尺度上的这样一个可旋转的表面关系，一个人可以用三种波长的卫星测量反射率来构造三个方程和三个未知量，以分离表面和气溶胶的影响。

MDT算法的当前运行版本(C6)仍然是基于涡流表面的关系，但它也可以调整对植被数量和几何的关系，由不同的标准化差异植被指数的变体来决定，这是基于SWIR波段(NDVI,SWIR)以及太阳/表面/卫星观测几何学的散射角度。

NDVI定义为

尽管SWIR- VIS假设的特点是“黑体”，但在全球范围内，它无法解释所有表面类型，特别是对自然地表的人为修改。由于从自然植被到人造建筑和道路的地表过渡，全球的SWIR- VIS关系受到了侵犯。此外，de Almeida Castanho等人(2007)分析了墨西哥城市的旋流关系，发现旋流比在MDT全局算法中所占的比例要高得多。他们还发现，SWIR- VIS的关系在很大程度上取决于城市化的差异。当城市化高得多时，利用全球表面比的数值，会低估可见的表面反射率，由此产生的气溶胶贡献率将被高估。Munchak et al.(2013)利用密集的高层大气分布的区域气雾化观测网络，在2011年在华盛顿dc -马里兰进行了研究，以确定城市的高偏差，并将偏差与城市的百分比(上升)联系起来。虽然有人曾试图在地方或区域范围内改进MDT气溶胶的反演，但迄今为止，还没有试图开发一种可以应用于全球反演的一般改进的表面反射参数化。

1. 数据和研究区域

我们探讨了MDT表面参数化是否可以对城市下垫面性质进行修正。我们从研究的S-MDT版本开始，并开发了一个包含依赖于UP的替代的SWIR- VIS参数化。为了开发替代的SWIR- VIS参数化，我们依赖于两个数据集。这些是MODIS土地覆盖类型和MODIS地表反射率产品。我们将MDT算法与替换的SWIR- VIS参数化表示为C6-Urban (C6U)版本。为了测试C6U的检索，AERONETrsquo;s DRAGONs在Mary-land部署过程中我们将检索到的AOD与标准的高层大气环境下的SP测量值进行比较，以及在“从柱状和垂直分辨观测到与空气质量相关的观测数据”实验中。

3.1 AERONET

AERONET是NASA的的全球卫星网络，在白天测量直接发射的太阳光线(Holben et al.， 1998)，从这个测量中我们得到了光谱AOD。目前全球约有300个地点，有超过1年的定期观测。此外，对城市/郊区地区进行密集测量时DRAGON在时间上更有局限性，DRAGON往往被部署在野外支持大型试验，包括DISCOVER-AQ。

从SPs的光谱测量往往被用于在衍生出AODs各自的光谱波段。典型的测量频率是每15min和光谱。波段一般以340、380、440、500、675、870和1020nm为中心。在这里，我们使用Angstrom系数来插入AOD到550nm。航空公司的数据产品是未筛选的(级别1.0)，云筛选(级别1.5)和云筛选和质量保证(级别2.0)。在本研究中，我们考虑了2.0级的高层大气环境数据，作为地面实况验证卫星检索的AOD数据，在大气环境下的不确定度为0.01-0.02。在2003年至2012年期间，大约有135个与MODIS Aqua (MODIS Aqua)合作的CONUSAERONET监测站。在2003年到2012年期间的不同时期，包括了39个DRAGON，永久的AERONET和临时的AERONET，本研究只考虑定位于陆地上的网站。

从2011年7月1日到8月15日，在马里兰州的DRAGON站点部署时间为6周，这些地点位于华盛顿 -巴尔的摩都会区。该网络为华盛顿特区的城市、农业、海岸和山地景观提供了有用的AOD测量数据。

3.2 MODIS土地覆盖类型

2011年MODIS的土地覆盖类型产品(MCD12Q1)在500

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