中国东部气溶胶卫星产品真实性检验与时空分析

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当前,卫星气溶胶遥感理论、算法、技术都在不断的改进、完善,产品版本也在不断更新。Terra MODIS、Aqua MODIS、NPP VIIRS三种卫星均于近年发布最新版本的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)产品,但目前针对新版本产品开展的验证研究相对较少,且缺乏对反演算法误差来源的分析,不利于产品的应用推广。本文选取区域性大气复合污染问题较为突出的中国东部地区为研究区域,首先利用AERONET(Aerosol Robotic Network)地基观测资料对上述三种卫星最新版本的AOD产品进行严格而充分的精度验证,并探究卫星AOD反演可能的误差来源,为算法改进提供依据;综合第一步验证结果及数据可用的时间范围,选用Terra MODIS卫星的AOD产品分析了2000~2019年期间中国东部及典型城市区AOD的时间变化规律及空间格局分布特征。本研究的主要结论如下:(1)所有卫星产品整体上均表现出较高的精度,所有产品的相关系数R均大于0.9;NPP卫星产品在所有产品中精度最高,总是具有最高的相关系数R和决定系数R~2,最低的均方根误差RMSE和平均偏差Bias,线性拟合直线斜率最接近于1,落在期望误差EE内的比例最高;Terra和Aqua卫星具有相似的精度表现;所有卫星产品在经过质量控制后,产品精度均取得很大程度上改善,因此,推荐使用质量控制后的产品进行气溶胶研究及应用,尤其对于Terra和Aqua卫星数据。(2)对卫星AOD产品的误差进行分析,所有产品的误差均随AOD的增加而增大,尤其当AOD>1.5时,最大偏差超过±0.2;所有卫星AOD产品均对气溶胶浓度较大(AOD>0.8),且粒径较小(1<(?)ngstr(?)m指数<1.5)的情况表现出较差的反演精度,当气溶胶浓度较小时(AOD0.6),而台湾省、北京市、山西省、福建省等地的AOD相对较低(AOD<0.4)。(4)根据AOD时间变化特征可以发现,中国东部地区AOD在2000~2019年期间以2011年为时间节点,呈现先缓慢上升(+0.049/10a)后快速下降(-0.205/10a)的趋势,20年来总体呈减少趋势(-0.042/10a),表明近年来一系列的空气污染治理措施取得明显成效。空间上,下降趋势最明显的省份是湖南省(-0.077/10a)和湖北省(-0.066/10a),山东省、江苏省、海南省、上海市等地AOD几乎维持稳定。时间上,夏季的下降速率最快(-0.062/10a),冬季最慢(-0.016/10a)。中国东部AOD还具有明显的季节变化特征,通常在夏季最高,春、冬季次之,秋季最低,且最大值和最小值分别出现在6月和11月。(5)典型城市区AOD具有各自独特的空间分布特征及季节变化特征,需具体问题具体分析。总体来说,AOD高值多集中在区域内经济发达,城市化和工业化水平较高的城市,且各区域不同季节气溶胶类型存在较大差异。从长时间序列变化上看,淮海经济区年均AOD(0.749)在所有年份均远高于其他地区,大气污染形势最为严峻,其次为长江三角洲(0.569),珠江三角洲与京津冀地区AOD值则较为接近(0.493、0.489)。20年来所有地区AOD均呈现先上升后下降的变化趋势,总体上均呈微弱的下降趋势,其中下降最为明显的是珠江三角洲。(6)对“大气十条”实施前后的AOD变化分析表明,大气治理措施取得明显效果,相比2012年,中国东部AOD下降幅度在10%以上的面积占比达78.98%,降幅在30%以上的面积占比达46.53%。其中,淮海经济区的下降速度最快(-0.489/10a),其次为珠江三角洲(-0.403/10a)和京津冀地区(-0.288/10a),长江三角洲下降速度最慢(-0.261/10a)。
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