1、基于MODIS数据的气溶胶时空分布特征分析本科生毕业论文毕业论文(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 -
2、Abstract: - 12 -致谢： - 12 -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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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Grig
8、gs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
9、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
10、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(0.42-14.24m)，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37具有500m的分辨率，通道836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
11、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
12、的查找表，用于反演气溶胶光学厚度。查找表参数包括0.55m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55
13、0nm光学厚度；陆地470nm、660nm和2.1m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
14、气温 11.619.6，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2429-3004，东经11334-11828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
15、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29.030.0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1020天外，其他地方都在20天以上，赣东北和赣江中游一带多达4050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
16、因受山脉阻挡，加之位置偏南，冷空气的影响较小 12。3. MODIS数据处理3.1 重投影分析得知MOD04数据在550nm波长范围内的气溶胶数据最好，所以本文使用ENVI插件MCTK结合IDL编程语言实现550nm波长的陆地AOT的提取，并对其进行几何校正，将地理坐标系转换为投影坐标系7。在此过程中，原图像中本来的坐标系（Geographic Lat/Lon坐标系）被转化为UTM，Zone 51N坐标系，以方便我们计算。其中核心程序如下：datum = WGS-84units = ENVI_TRANSLATE_PROJECTION_UNITS(Meters)output_projection
17、 = envi_proj_create(datum=datum,/utm, zone=51,units=units)3.2 镶嵌在遥感图像处理中，为了获得更大范围的图像，通常需要将多幅遥感图像拼接成为一幅图像15。在本文的研究过程中，主要使用ENVI和与其配套的IDL语言进行整个过程的运算：通过ENVI中的Mosaic Images选项经过地理坐标定位叠加两幅或多幅有重叠区域的图像，在镶嵌时，首先要产生一个空白文件，用于放置镶嵌结果，坐标系统要和镶嵌的图像完全一致，大小能容纳镶嵌图像之和，然后使用鼠标基于地理坐标将图像一幅一幅地读入，把图像放置在镶嵌窗口中，最后对读入的图像进行编辑羽化等操作，
18、使图像看起来更加美观17。在此过程中，遇到如下问题：第一是如何将多幅图像从几何上拼接起来，这一步通常是先对每幅图像进行几何校正，将它们规划到统一的坐标系中，然后对它们进行裁剪，去掉重叠的部分，再将裁剪后的多幅图像装配在一起，形成一幅大幅面的图像，这也是本研究之前要做重投影的原因16。第二是在几何拼接以后，图像上因灰度差异而出现了拼接缝，但是由于本研究在之后要做季节平均运算，所以这方面的问题可以忽略。由于本文所研究数据由于数据量大，则利用IDL编程语言对图像进行批处理，同样可以实现以上结果。3.3 裁剪在裁切前，需要做好以下准备：首先根据所选的图幅号，计算图幅4个角的经纬度坐标，换算成对应的UT
19、M坐标16。由于原图幅是用经纬度根据经差、纬差裁出的，可以认为是一个矩形，由于地球曲率的影响，转换成UTM投影坐标后将产生变形，但是变形是几种坐标中最小的一种，因此我们采用UTM坐标16。为保证裁切出来的图像为矩形且足够大，需要利用计算出的4个角的高斯投影坐标，采用最大化原理求出左上角和右下角的X, Y坐标18。本文利用矢量文件进行裁切，并通过与IDL编程语言相结合，以中国江西省区域（北纬2429-3004，东经11334-11828之间）作为研究区，对几何校正和拼接过后的AOT图像进行裁剪掩膜，提取江西省上空的AOT。3.4气溶胶光学厚度的平均本研究利用20072009年MOD04气溶胶产品
20、分析研究江西省气溶胶特性（气溶胶光学厚度AOD）的时空分布，统计江西省地区气溶胶光学厚度的时空分布的年变化和季节变化特征，并分析了光学厚度的来源和影响因素。对气溶胶求平均的方法是对应用对多幅图像求平均的原理进行的，多幅图像求平均法是对同一地区不同时间的图像采集多次相加后取平均值的方法。在本文所取的数据中，难免有一些象元是没有数据的，因此也必须采取对气溶胶数据求季节平均的方法来研究气溶胶季节变化和年际变化21。具体实现方法为：利用ENVI与IDL相结合的方法对图像中的象元循环处理叠加，并找出其中没有数据的象元剔除，对其他有数据的象元进行平均处理，得到季节平均后的图像22。4. 结果与分析本文利用
21、2007年到2009年江西省地区的MODIS数据分析了江西省的气溶胶光学厚度变化规律，给出了该地区气溶胶光学厚度的地域分布特征及其季节变化、年变化和空间变化的特征。根据江西省气象网站对江西省四季的划分标准，在本文中将江西省四季按35月为春季，68月为秋季，911月为夏季，122月为冬季划分。本文根据段婧、毛节泰等在2007年对长江三角洲地区气溶胶光学厚度的研究，将气溶胶光学厚度划分为以下几个等级：1.3，认为小于0.3为气溶胶光学厚度低值区，大于0.7为气溶胶光学厚度高值区，据此做出以下分析。4.1 年内季节变化结果与分析图a：2007年冬季(06.12 07.2)图b：2008年冬季(07.
22、1208.2)图c：2009年冬季(08.1209.2)图1：冬季气溶胶光学厚度图ac为20072009年冬季气溶胶光学厚度分布图表1：冬季气溶胶光学厚度象元统计AOD值 1.320071653848253671320020081251026146111501822200913842292025120300冬季（122月），AOD值不高，大多数地区都处在0.5以下（蓝绿色区域），只有江西省周围的AOD值较高，达到0.7以上的高值。从像元的变化也能看出，2007年和2009年的AOD值在冬季时，气溶胶光学厚度值大多集中在0.30.5这个范围内，能达到0.7以上的高值很少，几乎可以忽略。这是由于进
23、入冬季后冷空气开始频繁入侵，空气层结渐趋稳定，混合层高度降低，且部分地区有雪覆盖，因此AOD较低，细粒子含量亦有所下降10。冬季植被覆盖率较秋季低、土壤裸露、空气干燥，造成土壤的风化，使局地大颗粒气溶胶的产生增多10。从图21中也可以看出，2008年冬季气溶胶光学厚度明显比2007年和2009年高，达到0.7高值的像元数有150个之多。原因可能为：2008年南方雪灾，江西省就是受灾六省之一，雪灾导致长江中下游地区形成强烈降水，使大面积森林损毁，农作物大量死亡等，导致气溶胶含量不断上升，同时由于雪灾导致气温比较往年低很多，人们烧煤量增加，这也是气溶胶含量出现异常的原因之一。图d：2007年春季(
24、07.307.5)图e：2008年春季(08.308.5)图f：2009年春季(09.309.5)图2：春季气溶胶光学厚度图df为20072009年春季气溶胶光学厚度分布图表2：春季气溶胶光学厚度象元统计AOD值 1.320071368537962932916748620081407047375131671602009145158759603121000春季（35月），是全年AOD值最大的季节，图2显示，和冬季相比，江西省大部分地区AOD值增加，尤其在2007年，以南昌市为中心的地区气溶胶光学厚度达到1.3（深红色区域）以上的高值，0.7以上的高值区几乎占据江西省整个北部区域。2008年较20
25、07年情况稍好，但在南昌市附近也出现了1.11.3的高值。2009年是三年中春季情况最好的一年，但是气溶胶光学厚度低于0.3的低值区（蓝色区域）也非常少。从表2中可以清楚的看到，AOD值主要集中在0.50.7这一范围内，这样气溶胶光学厚度均值将会明显高于冬季。这是因为春季北方沙尘、扬沙、浮尘等天气的频繁，通过气溶胶的输送，带来大量的沙尘粒子，以及植被覆盖率低、土壤裸露、强冷大风天气，将地面的尘土带入空中，导致局地气溶胶含量增加10。同时，春季天气转暖，人们出行量增多，人类活动日益频繁，这也是导致春季气溶胶光学厚度增加的原因之一。图g：2007年夏季(07.607.8)图h：2008年夏季(08
26、.608.8)图i：2009年夏季(09.609.8)图3：夏季气溶胶光学厚度图gi为20072009年夏季气溶胶光学厚度分布图表3：夏季气溶胶光学厚度象元统计AOD值 1.3200712193439857191710200813128563240717760319200913937690629828100夏季（68月），江西省全省的气溶胶厚度相对春季总体普遍降低，从图3中看出，在江西省南部气溶胶光学厚度低于0.5的区域（蓝色和绿色区域）明显增多，而在南昌市周边地区相对春季而言，在0.7以上的高值区也明显减少。从表3数据分析，从春季到夏季的每个阶段的像元可以发现，高值区像元明显减少，而相对低值
27、区也在减少，像元主要集中在气溶胶光学厚度不高也不低的范围内。造成以上情况的原因是：江西省南部主要是森林用地，人类活动并不活跃，且夏季降水较多，雨水对气溶胶粒子有冲刷的作用，特别是对大粒子的气溶胶，除尘效果更为明显23，导致气溶胶光学厚度降低。后者为由于夏季气温较高，人类活动增多，人类出行产生的烟尘，灰霾等也大幅度增加，其中汽车尾气中的碳氢化合物、氮氧化合物、CO、SO2等在大气中的排放量也大大的加强，导致硫酸盐气溶胶也增加，由降水增加的湿沉降量并不足以抵消硫酸盐气溶胶的净生成24。因此，气溶胶光学厚度较大，且主要以颗粒较小的工业型城市型气溶胶为主。图j：2007年秋季(07.907.11)图k
28、：2008年秋季(08.908.11)图l：2009年秋季(09.909.11)图4：秋季气溶胶光学厚度图jl为20072009年秋季气溶胶光学厚度分布图表4：秋季气溶胶光学厚度象元统计AOD值 1.32007145118713658151411200814245685727526210200913843179736940100秋季（911月），AOD值整体减小，从图4中可以看到，全省的AOD值几乎都下降到0.7以下，只要少部分地区（南昌市周围）仍然处于大于0.7（亮蓝色和粉红色的区域）的高值区，但相比较春季和夏季已经下降了很多了。从表4的象元统计中也可以看出，AOD值处于0.7以上的高值区像
29、元数量减少明显，处于0.3以下的低值区像元开始增多，但是主要的气溶胶高学厚度仍然集中在0.30.5范围内。其原因是：江西省地处南方，南方秋季的降水仍然较多，湿沉降可以减少大气中的气溶胶，尤其是粒子较大的气溶胶；由于江西省处于南方地区，虽然入秋，植被覆盖度仍然很大，大量的植被可以很好的抑制气溶胶产生。而2007年秋季的气溶胶不仅没有减少，反而有所上升，可能是因为：2007年秋季气温骤降，降水减少，空气干燥，造成土壤的风化，使的局地大颗粒气溶胶的产生增多10。4.2空间变化结果与分析由图14均可以看出江西省上空气溶胶光学厚度的空间分布情况，气溶胶光学厚度的高值区主要分布在江西省北部区域，图中呈暖色，其中以北方中间地区（南昌市周边）的气溶胶光学厚度较大，AOD值不论在春夏秋冬哪一个季节都是处于最大值，气溶胶光学厚度往往在0.7以上，尤其在南昌附近，气溶胶光学厚度达到0.9以上13。而南部及江西省周边地区气溶胶光学厚度普遍较小，AOD值一般不会超过0.5。另外，江西省的南昌市和赣州市附近一些较发达的地区在一年四季中都呈现气溶胶高值区，气溶胶光学厚度的低值区分布在江西省的周边一些较不发达的地区，在图中这些地区呈绿色或蓝色，气溶胶光学厚度在0.10.5之间9。造成以上情况的原因：主要是由于南部部地区以林地为主，植被覆盖率较高且远离城区，且
