基于MODIS卫星传感器的全球气溶胶气候学效应研究外文翻译资料

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基于MODIS卫星传感器的全球气溶胶气候学效应研究

Lorraine A. Remer,¹Richard G. Kleidman,^1,2Robert C. Levy,^1,2Yoram J. Kaufman,^1,3Didier Tanreacute;,⁴Shana Mattoo,^1,2J. Vanderlei Martins,^1,5Charles Ichoku,^1,6Ilan Koren,⁷Hongbin Yu,^1,8and Brent N. Holben⁹

（2007.11.30收到手稿，2008.6.2修订，2008.6.9定稿，2005.7.29定稿）

摘要:[1]最近发布的5号中分辨率成像光谱仪（MODIS）气溶胶产品提供了一个对地球气溶胶系统的连续记录。与地基气溶胶遥感观测网AERONET观测的气溶胶光学厚度（AOD）相比，我们发现MODIS的C005版本气溶胶产品估计的AOD在海洋和陆地上达到预期的精度的时间分别超过60%和72%的。这个结果在海洋上与之前的结果相似，并且在陆地上比之前的结果更好。然而，这个新数据集就全球平均AOD而言，在Terra和Aqua之间引入了0.015的偏移量，这是先前所不存在的。Aqua符合以前的价值和期望，而Terra则高于预期。造成偏移的原因尚且未知，但校准的变化将是一个可能的解释。尽管Terra过高的海洋AOD是出乎意料且无法解释的，我们目前仍用来自这两个传感器的数据进行气候分析。我们发现550nm全球多年气溶胶光学厚度产品平均值在海洋上Aqua为0.13，Terra为0.14；而在陆地上，Aqua和Terra均为0.19。在云量为80%的情况下，大气气溶胶是全球平均值的两倍，尽管在海洋上只有2%且陆地上不到1%的时间出现此种情况。气溶胶颗粒的大小与这些多云情况的关联性并不会在海洋上呈现出巨大的变化，但在陆地上则较为明显。从区域上来看，类似于东亚和印度等受污染地区，它们的区域气溶胶总量比起澳大利亚和北方大陆等最干净的地区有相当大的不同。随着海洋背景下大气气溶胶的增加，除了撒哈拉沙漠上的热带大西洋顺风期以及阿拉伯海上的几个月，细模式气溶胶主导了所有海洋上的灰尘颗粒物。

Citation: Remer, L. A., et al. (2008), Global aerosol climatology from the MODIS satellite sensors, J. Geophys. Res., 113, D14S07,doi:10.1029/2007JD009661.

1.引言：

[2]NASA的Terra和Aqua卫星上的仪器自2000年年初以及2002年年中以来一直在分别观测地球。Terra项目的科学家，Dr. Yoram J. Kaufman，在Terra卫星发射的时候说过Terra和Aqua的任务是“为全面检查地球而设计”(Y. J. Kaufman,http://terra.nasa.gov/Events/First Images/, 2000)。如同对医生办公室进行检查，这些任务将会描绘出地球的健康状况。目标是使用有利的空间视角来观察互相联系的大气、陆地和海洋系统，并且表征维持地球和其人口的重要参数。

[3]被装在在Terra和Aqua卫星上的几个仪器测量的一个重要参数是大气气溶胶。这些悬浮在大气中的小固体或液体颗粒在地球的能量平衡中发挥着重要的作用，具体表现在改变云、降水和大气环流特征，为营养不足的土地和海洋区域提供养分，影响空气质量和公共卫生。

气溶胶在时空分布和组成上十分不均匀，但是，从估计人为气候强迫到预测空气质量和空气污染对健康的潜在影响方面来说，了解这些粒子的数量、组成、分布、尺度和形状对于任何关于其作用的有意义的估计是十分必要的。

[4]Terra和Aqua上其中一个用于表征大气气溶胶的仪器是中等分辨率成像光谱仪（MODIS）。来自MODIS观测的气溶胶产品目前包括来自Terra卫星的7年记录和来自Aqua卫星的5年记录。我们现在要以预期的方式使用这些信息，以进行地球全球气溶胶系统的定量“检验”。

气溶胶在大陆和海洋上如何分布？不同尺寸的分布情况如何？气溶胶负载量和气溶胶颗粒尺度在不同的方面有何联系？最后，气溶胶的区域和季节特征是什么？在本文中，我们将尝试通过MODIS气溶胶产品数据库来解答这些问题。

[5]MODIS不是唯一也不是第一个用于表征大气气溶胶的卫星仪器。 事实上，通过观察创造气溶胶气候学的首次尝试并没有使用卫星仪器。在地面和飞机上的现场测量以及基于地面的遥感观测提供了气溶胶类型和载荷分布的初步表征[drsquo;Almeida et al., 1991; Holben et al., 2001, and references therein]。通过船载卫星观测可以将主要的陆基气候学进一步汇编到海洋领域[Smirnov et al., 2002, and references therein]，并且在地面遥感和允许更详细的气溶胶特性表征的反演方法上取得进展 [Dubovik et al., 2002]。然而，卫星反演给了我们第一个关于气溶胶系统的全球性的观点。从先进的高分辨率辐射计(AVHRR)以一个波长为单位反演海洋气溶胶光学厚度开始 [Husar et al., 1997]，我们发现了主要气溶胶系统的区域性和季节性分布特征。AVHRR图像扩展到包括定量粒度等信息 [Geogdzhayev et al., 2002,2005]，但始终局限于海洋。

另一个早期的传感器，全面臭氧测绘卫星（TOMS）基于陆地和海洋测量结果提供了自己的对气溶胶系统的全球、区域和季节性描述 [Torres et al., 2002]，但是这些气溶胶光学厚度被限制在紫外光谱区域。

[6]包括地球反射极化和定向性（POLDER），多重成像光谱仪（MISR），臭氧监测仪器（OMI）和MODIS等的现代卫星传感器，现在已具有足够多的数据记录，足以支撑各自的全球性、区域性和季节性气候学研究[Liu et al., 2006; Yu et al., 2006]。所有这些数据集造就了一个与地球气溶胶系统定性相似的观点。然而，定量分析揭示了从卫星反演获得的平均气溶胶光学厚度和其他气溶胶参数存在显著差异[Mishchenko et al., 2007]。对科研界来说解决卫星衍生气溶胶产品之间的定量差异是一个持续的挑战。应对这一挑战的一个重要步骤就是对每个传感器记录数据的统计结果进行定量分析，为比较和评估提供依据。

[7]本文首先讨论了MODIS气溶胶反演，并评估了由C005算法基于地面观测得出的最近结果。然后，将C005的结果与C004的结果进行比较，以显示出Terra与Aqua不同搜集器之间的差异。C005的采集结果在上下文中都有提及，它们被用于描绘气溶胶光学厚度和粒度信息的全球性、区域性和季节性分布。

2.MODIS气溶胶产品

[8]气溶胶产品在运作上来源于由MODIS测量的光谱辐射。MODIS有36个通道，范围从410nm到14400 nm，表示三个空间分辨率：250 m（2个通道），500 m（5个通道）和1 km（29个通道）。气溶胶反演使用这些通道中的七个（470-22130nm）来反演气溶胶特征 [Remer et al., 2005]，并且在其他频谱中使用附加波长来识别和掩蔽云和悬浮的河流沉积物[Ackerman et al., 1998; Gao et al., 2002; Martins et al., 2002; Li et al., 2003]。MODIS气溶胶算法实际上是三个独立的算法，两个推导出了陆地上的气溶胶特征，另一个推导出海洋上的气溶胶特征。原始的陆地算法是基于“黑暗目标”的方法 [Kaufman and Sendra, 1988;Kaufman et al., 1997; Remer et al., 2005]，因此不会在明亮的表面上反演，包括雪，冰和沙漠。最近的贴有“深蓝”标志的MODIS产品能在明亮的表面反演[Hsu et al., 2004]。然而，本文提出的气候学观点不包括“深蓝”的结果。海洋算法掩盖了悬浮的河流沉积物，云层和太阳光辉，然后将6个波长（550〜2130 nm）的辐射反转，以获得气溶胶光学厚度（AOD）和粒度信息[Tanreacute; et al., 1996, 1997]。

[9]我们将研究两种气溶胶产品：气溶胶光学厚度（AOD）和粒度参数。AOD（也称为气溶胶光学厚度，AOT）是列整合灭绝的简单测量。MODIS产品包括在海洋（470nm，550nm，660nm，870nm，1240nm，1630nm和2130nm）上的七个波段和在陆地上的三个波段（470nm，550nm和660nm）的AOD。MODIS气溶胶产品中有几种粒径测量方法。 陆地上的指数定义为：

（1）

在海洋上有两个Angstrom（埃：光谱线波长单位）指数，定义为

（2）

和

（3）

其中AOD470，AOD550，AOD660，AOD870和AOD2130分别是470nm,550nm,660nm,870nm和2130nm波长处的气溶胶光学厚度。埃指数是代表气溶胶光学厚度的光谱依赖性和气溶胶大小的度量单位。较大的指数表示较小粒子的优势，反之亦然。MODIS气溶胶产品定义了波长为470 nm和660 nm波长的土地上的埃斯特朗指数，因为这些指数代表了陆地上AOD反演的光谱范围，其范围仅限于可见光的三个波段。MODIS反演的海洋AOD光谱范围涵盖从可见光到短波红外线的七个波段。该产品包括两个海洋埃斯特朗指数，以便检测光谱曲率，并有助于识别粒径和类型[Eck et al., 1999]。

[10]MODIS气溶胶产品中还有另外两种粒径测量方法，它们是细小的气溶胶光学厚度（细AOD）和精细模式分数（FMF）。精细AOD是归因于亚微米颗粒的气溶胶光学厚度。这些颗粒有时被描述为堆积模式颗粒，通常来自燃烧过程。精细模式分数是细AOD与总AOD的比率，并且它描述了由精细模式尺寸的颗粒贡献的AOD的分数。陆地和海洋的MODIS算法精确地确定了AOD和FMF的细微差别[Levy et al., 2007a; Remer et al., 2006]，这些定义可能与其他数据系统如何定义相同或相似的参数有所不同[Orsquo;Neill et al., 2003; Kleidman et al., 2005]。但是，这些细节在上面引用的文献中有详细记载，这里不再重复。

[11]衍生的气溶胶产品经过严格的测试和验证。这些算法是在Terra发布之前创建的，并使用来自机载图像的数据进行测试[Kaufman et al., 1997; Tanreacute; et al., 1997, 1999; Chu et al.,1998]。这些与敏感性研究相结合的现场测试的结果[Kaufman et al., 1997; Tanreacute; et al., 1997]表明1个标准偏差（1sigma;）在海洋中将处于plusmn;（0.03 0.05 t）以内，而在土地上为plusmn;（0.05 0.15 t），其中t为AOD。派生预启动的这些误差范围被称为“预期误差”。

[12]在Terra发射后，产品通过与来自于Aerosol Robotics Network（AERONET）的基于地面观测结果的比较进行了验证。AERONET网络由数百种将气溶胶光学厚度（AOD）测量精度达到0.01以内的自动仪器组成[Holben et al., 1998; Eck et al., 1999; Smirnov et al., 2000]，并反演包括粒度信息在内的其他气溶胶特征[Dubovik and King, 2000;Orsquo;Neill et al., 2003]。MODIS衍生AOD与并行AERONET测量数据的比较评估了在上述定义误差范围内的MODIS反演的百分比 [Ichoku et al., 2002,2005; Remer et al., 2002, 2005; Levy et al., 2003, 2005]。根据波长，仅限于预期的误差范围内的海洋AOD反演次数介于60％至70％之间。利用美国宇航局艾姆斯机载跟踪太阳光度计额外的验证确认，在预期误差范围内反演到超过1sigma;的MODIS海洋AOD值[Russell et al., 2007; Livingston et al., 2003; Redemann et al., 2005, 2006]。在陆地上，比较产生不同的结果。某些情况下，陆上AOD反演量在预期的不确定性（plusmn;0.05plusmn;0.15 t）之内 [Chu et al., 2002; Ichoku et al., 2002; Remer et al., 2005]，但是在过度土地恢复中，纽约州低AOT情况下似乎是一个强烈的正面偏差，而在高AOT时则呈现负偏差 [Ichoku et al., 2003, 2005; Levy et al., 2005; Remer et al., 2005]。海洋MODIS颗粒尺度信息与AERONET反演有很好的相关性，但倾向于以大粒子为代价来预测小粒子的发生[Kleidman et al., 2005]。

[13]为了解决气溶胶产品中这些挥之不去的问题，新的规范被制定。陆地算法经历了重大变化，同时保持了基本的黑暗目标方法[Levy et al., 2007a, 2007b]。海洋算法只在假定表征海盐粒子的反演中保持几乎相同的变化。这些新算法在操作上应用于校准辐射的完整记录，以产生气溶胶产品的新“集合”。这些再处理的数据被称为C005，它们可用于Terra和

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