毕业论文(设计)
题 目：基于MODIS数据的气溶胶时空分布特征分析
目 录
1. 引言 .........................................................................................................................- 1 - 2. 研究数据与研究区域.............................................................................................- 2 -
2.1研究数据 ....................................................................................................... - 2 - 2.2 研究区域概况 .............................................................................................. - 3 - 3. MODIS数据处理 ......................................................................................................- 4 -
3.1 重投影 .......................................................................................................... - 4 - 3.2 镶嵌 .............................................................................................................. - 4 - 3.3 裁剪 .............................................................................................................. - 4 - 3.4气溶胶光学厚度的平均 .............................................................................. - 4 - 4. 结果与分析 .............................................................................................................- 5 -
4.1 年内季节变化结果与分析 ......................................................................... - 5 - 4.2空间变化结果与分析................................................................................... - 9 - 5. 结论与展望 .............................................................................................................- 9 -
5.1 结论 .............................................................................................................. - 9 - 5.2 展望 ............................................................................................................ - 10 - 参考文献： ................................................................................................................ - 10 - Abstract: .................................................................................................................... - 12 - 致谢： ........................................................................................................................ - 12 -
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基于MODIS数据的气溶胶时空分布特征分析
段晓瞳
南京信息工程大学大气与遥感系，南京 210044
摘要：气溶胶在地球大气辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着非常重要的角色，气溶胶光学厚度作为其最重要的参数之一，是表征大气混浊度的重要物理量，也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子。与传统的地基探测方法不同，卫星遥感反演方法具有面积覆盖广、信息获取方便、快捷等特点，能更高效地获取大气气溶胶信息，摆脱了地基探测方法只是获取空间点上的数据，不能反映大区域气溶胶时空分布的缺点，为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能。
本文在总结国内外对气溶胶光学厚度研究的基础上，对大气中的气溶胶分类已及来源做了简单综述，分析了MODIS各个通道的用途，对江西省地区的气溶胶光学厚度进行了统计，分析了江西省气溶胶从2007年到2009年这三年的季节变化以及其年际变化，探讨总结了气溶胶的时空分布特性，以及造成这种分布情况的原因。
关键词：气溶胶光学厚度（AOD）；季节变化；年际变化；时空分布特征；MODIS数据
1. 引言
气溶胶是指悬浮在大气中的各种固态和液态微粒，如尘埃、云雾、海盐和降水粒子等。气溶胶污染大气，影响人类的生存环境，严重影响大气质量，对气溶胶的监测成为迫切的重要的观测项目[1]。在地球大气的各组分中，气溶胶虽然只是微量成分，但它在地球-大气辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着重要角色[2]。气溶胶能够通过直接和间接辐射效应影响地-气系统辐射平衡，直接辐射效应指直接散射和吸收太阳辐射从而影响地气系统辐射能量收支，间接辐射效应是指气溶胶通过改变云的光学特性和分布状况而影响太阳辐射状况,进而影响地气系统额射平衡，并影响气候变化[3]。高浓度的气溶胶会降低大气能见度，严重时还会影响到飞机起飞和降落和汽车等地面交通工具的堵塞，从而导致交通事故发生，给人们的出行带来不便。此外，大气气溶胶还能破坏大气环境，引发酸性降水、形成区域灰霾天气、降低能见度等，气溶胶中的细粒子还可以进入人体导致疾病（主要为呼吸道疾病），这一切在很大程度上影响了人类的生活生产[4]。因此，气溶胶引起了人们的广泛关注，对气溶胶的研究也投入了大量的人力物力。
目前，对气溶胶的研究主要集中在对气溶胶光学厚度的探测与研究方面。而对于气溶胶光学厚度的研究主要包括以下四个方面：(1)地面太阳光度计，它是目前能够精确测量气溶胶的仪器之一，其中以全自动太阳光度计CE-318应用最为广泛[5]。如中国的气溶胶观测网络CAeroNet，是由中国气象局从2002年开始负责建设和管理，20个观测站点，监测使用的设备就是CE318-II太阳光度计，并结合能见度仪、热红外仪、气溶胶独度仪、土壤温度计、TSP等设备，对大气光学特性等进行实时观测 [5]。(2)全波段太阳福射，但是目前国内外只有几十个对全波段太阳直接福射进行测量的站点[6]。(3)激光雷达，利用激光雷达可直接获得气溶胶空间垂直分布信息，但是这种方法在大气探测领域的业务化运行并不多见，因为常规的激光雷达发射的脉冲能量很高，对人和飞行器可能造成危害；其次价格昂贵，种种不利因素使得激光雷达并不适用于气溶胶监测的业
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务化应用[7]。(4)卫星遥感，如1999年发射的Terra卫星和Aqua卫星上搭载的MODIS传感器，此传感器在很大程度上提高了气溶胶的遥感监测能力[5]。在目前的研究中，我们通常采用两种气溶胶观测手段，分别是地基观测法和卫星观测法。其中，比较大的两个地基观测网络分别为由美国和法国发起的气溶胶自动观测网AERONET和世界气象组织WMO气溶胶观测网[5]。而卫星观测主要是运用Terra卫星和Aqua卫星上搭载的MODIS传感器，MODIS可以获取海面和陆地上空的AOD和其它特性参数，被广泛应用于全球气溶胶的分布变化及其气候效应的研究[6]。同MODIS—起搭载在Terra和Aqua卫星上的MISR多波段多角度扫描仪，也能用于获得海面和陆地上空的AOD以及粒子类型等参数[7]。
20世纪70年代中期，Griggs在模拟福射传输模型时发现，在假定大气顶层为无云的平面平行大气情况下，在传感器观测的大气层顶部，可见光波段和红外波段的向上福射与气溶胶光学厚度(AOD)之间呈现出单调相关的关系，这一发现为卫星遥感反演大气气溶胶光学厚度提供了理论基础[8]。1975年Griggs又提出了可见光单通道反射率算法，用来反演海洋上空由于沙尘暴和森林火灾造成的厚气溶胶层的光学厚度[8]。1986年Roa等研究了利用AVHRR第一通道数据反演了海洋上空气溶胶光学厚度[8]。目前，AOD遥感反演的尺度有从局部、区域尺度向全球尺度发展的趋势，同时，产品精度验证方面的工作也正在全面开展[8]。国外己有许多学者利用MODIS反演的气溶胶光学厚度AOD来预报地面大气颗粒物的浓度，用于空气质量监测[8]。
随着航空航天技术的发展，利用卫星探测气溶胶光学特征的理论方法不断得到完善。目前，利用卫星资料反演AOD的方法也比较多，主要有：暗像元法、结构函数法、陆地海洋对比法、大气透过率法、反射率角度分布法和极化法等。各种反演方法均有各自的优缺点和应用局限性，如大气透过率法要求对清洁影像进行气溶胶浓度的假定，结构函数法对亮地表AOD的反演具有极大优势，黒暗像元法在浓密植被覆盖区反演精度较高而且操作相对简单。暗像元法是陆地气溶胶反演使用最广泛的算法[3]。
本文以MOD04气溶胶数据为基础，对其进行重投影，镶嵌，裁切，掩膜等预处理运算，对所得江西省区域的气溶胶图像进行季节平均运算，以得到良好的气溶胶图像，来分析气溶胶分布特性。
2. 研究数据与研究区域
2.1研究数据
为了对全球变化进行观测研究美国国家宇航局（NASA）建立了为期20年的EOS计划，先后发射了一系列卫星系统，对太阳辐射、大气、海洋和陆地进行全面综合的整体观测。MODIS是EOS的一个重要设备，是新一代“图谱合一”的光学遥感仪器，也是EOS上唯一的一个以X波段向地面直接发布观测数据的系统[9]。MODIS具有36个波段(0.42-14.24μm)，扫描宽度为2330km，为反演有关陆地、云、气溶胶、水汽、臭氧、海色、浮游植物、生物地球化学等产品提供了丰富的信息[9]。MODIS数据空间分辨率有三个尺度，可见光通道1（660nm）和通道2（860nm）具有250m星下点的分辨率，可见和近红外的通道3—7具有500m的分辨率，通道8—36具有1000m的分辨率[10]。因此MODIS数据适合于气溶胶、地表和云的高分辨率监测[9]。其中，1- 9通道都可以探测到气溶胶信息，对气溶胶进行研究分析。表2.1所示为MODIS-N在太阳天顶角为?0=22.50时的特征及其各个通道的主要用途。
本文所使用的数据位ID号为MOD04的气溶胶产品（Aerosol Protuct）。MOD04数据为大气2级标准数据气溶胶产品，10公里空间分辨率，提供每日数据。包含整个海洋和部分陆地（湿润地区）上空的气溶胶光
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学厚度空间分布，并且还提取了海洋上空的气溶胶粒径分布以及陆地上空气溶胶类型。该产品所得的陆地和海洋上空气溶胶反演算法是不同的，海洋上空气溶胶的反演以通道反射率法以查找表为基础，考虑了5种小粒子模式和6种大粒子模式。针对MODIS 光谱通道计算卫星观测辐射，分别生成各类模式的查找表，用于反演气溶胶光学厚度。查找表参数包括0.55μm的光学厚度、太阳天顶角、卫星天顶角以及由太阳和卫星方位角确定的相对相位角[11]。陆地上空气溶胶的反演方法在晴空无云的暗像元上空，卫星观测反射率随大气气溶胶光学厚度单调增加，利用这种关系反演大气气溶胶光学厚度的算法（暗像元算法）[11]。利用大多数陆表在红和蓝波段反射率低的特性，根据植被指数NDVI或短波红外波段观测值进行暗像元判识，并依据一定的关系假定这些暗像元在可见光红或蓝波段的地表反射率，用于反演气溶胶光学厚度[11]。该算法基于表观反射率的大气贡献项，即利用卫星观测的路径辐射反演气溶胶光学厚度。
MODIS气溶胶产品的内容包括陆地和海洋的550nm光学厚度；陆地470nm、660nm和2.1μm的光学厚度；陆地气溶胶类型；海洋7个波段的气溶胶光学厚度；海洋气溶胶的有效粒子半径等。本文利用MODIS气溶胶数据，通过分析我国江西省气溶胶的时空分布特征从而有助于了解江西省的气溶胶的季节性变化情况，为研究气溶胶的基本规律提供依据。本文使用的MODIS产品主要是MOD04的气溶胶月数据集，550nm波段的陆地 AOD，时间段为2006年12月至2009年11月。
2.2 研究区域概况
江西地处亚热带季风气候区，四季分明，光照充足，雨量丰沛[9]。春季阴冷多雨，偶有桃花汛；夏季高温多雨，间有台风影响；秋季风和日丽，秋高气爽；冬季湿冷，多偏北大风。年平均气温 11.6℃～19.6℃，无霜期长达240-307天，降水季节分配不均，全年降水50%以上集中在4-7月，该时期为江西的雨季[12]。
江西地域广，南北跨越 5个多纬距，东西相隔5个多经度，地处北纬24°29′-30°04′，东经113°34′-118°28′之间。境内东、西、南三面环山，中间丘陵起伏，北部为鄱阳湖及其平原[10]。复杂的地形、地貌分布，使得江西气候资源分布复杂多样；光资源北多南少；热量资源南多北少；水分资源东多西少；风能资源湖区、山区多，其他地区少[12]。
江西省全省四季主要特点、气候资源分布如下：
春季：受大陆冷高压和南支槽的共同影响，多过程性天气，主要的灾害性天气是低温阴雨和强对流[12]。 夏季：受西太平洋副热带高压控制，晴旱酷热[12]。全省 7月平均气温除周边地区外，南北各地相差甚小，都在29.0～30.0℃之间，极端最高气温都在40℃以上[12]。全年日最高气温≥35℃的天数，除鄱阳湖受湖水调节和龙南、全南、定南等地植被条件较好的山区为10～20天外，其他地方都在20天以上，赣东北和赣江中游一带多达40～50天，可算是我国的“火炉”之一[12]。
秋季：雨季结束之后，西太平洋副高北跳，多处太平洋副高脊区之中，使得江西省多晴好天气，且湿度较小，主要灾害性天气是干旱与寒露风[12]。
冬季：受大陆季风影响，不断有冷空气侵入，特别是鄱阳湖区域为向北开口的盆地，冷空气长驱直入，使北部平原气温显著下降，有时伴有雨雪或冰冻[12]。赣南盆地因受山脉阻挡，加之位置偏南，冷空气的影响较小 [12]。
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