文摘
本研究旨在评估性能的长期Terra的中分辨率成像光谱仪(MODIS)深蓝色(DB)收集6.1 (C6.1)在确定气溶胶光学厚度的时空变异(AOD)在印度尼西亚和气溶胶类型。为此,每月MODIS DB该数据集直接与气溶胶机器人网络(AERONET) 2.0版本3级(cloud-screened和质量有保证的)每月8点测量网站整个印度尼西亚。结果表明,MODIS DB AOD检索和AERONET大气气溶胶测量在苏门答腊岛(即有很高的相关性。Kototabang (r= 0.88)和占碑(r= 0.9))和加里曼丹岛(即。(广播,r= 0.89)和坤甸(r= 0.92))。然而,在万隆的相关性很低,巴鲁,Sorong。一般来说,MODIS DB AOD倾向于高估AERONET AOD网站16 - 61%,可以检测极端火灾事件在苏门答腊和加里曼丹岛很好。印尼的气溶胶类型主要包括干净的大陆,其次是生物质燃烧/城市工业和混合气溶胶。巴鲁和Sorong清洁大陆气溶胶的贡献最高(90%),而万隆最高生物量燃烧/城市-工业化气溶胶对大气成分的贡献(93.7%)。混合气溶胶,最高的贡献是发现在坤甸,比例为48.4%。空间,年平均大气气溶胶印度尼西亚西部比东部高。季节性的,最高的大气气溶胶观测期间9,这是与触发事件的出现。
1。介绍
气溶胶是一家集液体和固体颗粒测量0.001 -100微米,悬浮在大气中,除了水文气象(雨滴,云滴、冰晶和雪花)(1]。基于源气溶胶包括自然来源和人为来源(2,3]。自然来源包括浪花、矿物粉尘、植被火灾、和火山灰。人为来源,例如,燃烧化石燃料,生物燃料,或植被火灾引起的人类4]。气溶胶可以作为太阳能和地球辐射吸收和散射,以及凝结核在水滴和冰晶,潜在影响气候变化(5,6,人类健康7,8),和空气质量9]。太阳辐射散射、气溶胶(如硫酸气溶胶)相反的作用,大气中温室气体造成直接影响,如冷却地球表面和也有间接效应通过改变云的形成及其属性(10,11]。然而,一些气溶胶(如黑炭)可以作为太阳辐射吸收器,导致气候变暖的对流层和影响大气稳定和云粒子物理学(5,12]。
印尼是一个群岛国家,约17000个岛屿,与五个主要岛屿,即苏门答腊、爪哇、加里曼丹、苏拉威西和巴布亚岛。目前,印尼总人口达到2.7亿多人,最多的国家在世界上排名第四。只有约30%的印尼的领土是土地,和它有一个复杂的地形和植被以林地为主。自然,印尼产生气溶胶来自有机组成部分植被、森林火灾、海盐和火山灰。此外,人为气溶胶也由城市/工业燃烧化石燃料和生物质燃烧等活动。
气溶胶光学厚度(AOD)是一个参数用于确定大气中气溶胶的数量。大气气溶胶通过计算得到吸收或散射的光线在一个常压塔(13]。大气气溶胶可以从阳光直射获得测量地球表面使用太阳光度计和间接从地球表面反射辐射被卫星传感器(14]。提供地面大气气溶胶测量气溶胶特性在特定的地点,时间和光谱分辨率高,但空间分辨率的弱点。相比之下,高空间分辨率卫星大气气溶胶的检索提供气溶胶信息但低精度(15]。
气溶胶机器人网络(AERONET)是一个全球性的地面遥感网络建立由NASA(国家航空和宇宙航行局)和光子(Photometrie pour le Traitement Operationnel de正常化Satellitaire),旨在进行长期气溶胶观测和分析当地气溶胶光学特性。此外,AERONET数据可以用于验证卫星遥感数据(16,17]。虽然地面气溶胶测量具有较高的时间分辨率,全球范围内该卫星的数据需要更好地了解气溶胶的分布和影响,规模更大。
遥感在更广泛的范围内可以获得气溶胶属性。中分辨率成像光谱仪(MODIS)文书Aqua和Terra卫星能提供气溶胶时空上的信息在全球和区域尺度(18]。MODIS的光谱范围36乐队的波长0.4 - -1.44海里。这颗卫星是极地轨道卫星运行在705公里的高度与宽度的2230公里,1 - 2天的时间尺度。Terra宇宙飞船穿过赤道当地标准时间上午10:30 (LST)和Aqua飞船穿过赤道13:30 LST (19]。许多研究验证该卫星和地面之间的测量在世界的各个部分,发现一个高度相关(20.- - - - - -23]。
MODIS收集6.1 (C6.1)大气气溶胶数据集的最新版本气溶胶数据收集过程已得到改进。有两个著名的官方气溶胶检索算法,包括暗目标(DT)算法在陆地和海洋和深蓝(DB)算法。在这项研究中,我们使用MODIS DB C6.1大气气溶胶产品以下注意事项,和DB算法开发有良好的性能在明亮的表面如沙漠和下雪的地区还善于解读高植被表面,如在热带地区(24]。此外,DB产品优越的站点规模(25]。
几项研究检查MODIS在印尼开展大气气溶胶检索的性能,特别是加里曼丹森林火灾,2015年表明,MODIS卫星善于捕捉触发事件(26]。没有研究,进行了调查在印尼MODIS DB C6.1卫星的性能。本研究旨在检验的性能Terra MODIS DB C6.1 AOD检索在印尼通过比较它们与地面AERONET测量在长期时间内。先前的研究也利用大气气溶胶及其属性检测气溶胶类型在中东(27]。因此,MODIS DB C6.1大气气溶胶数据集分析气溶胶类型进行分类和评估他们的贡献在AERONET气溶胶成分在印尼的网站。最后,气溶胶的空间和季节性变化在印尼进行了讨论。
2。方法
AERONET措施使用Cimel太阳光度计气溶胶在地面上,这是一个多通道、自动sun-and-sky扫描辐射计测量的直接太阳辐照度和天空在地球表面的光辉。仪器用于测量直接太阳和天空漫射光芒在波长340,380,440,500,675,870,1020,1640 nm,这些测量会产生大气气溶胶和埃指数(AE) [28]。AE通常是用作气溶胶粒度的定性指标。AE值越大,气溶胶粒径越小,反之亦然(29日]。AERONET有三个级别的数据,即数据水平1.0(未屏蔽的),1.5 (cloud-screened和质量控制),和2.0 (cloud-screened和质量有保证的)水平。AERONET AERONET网站上可以下载数据(https://aeronet.gsfc.nasa.gov)。
在印度尼西亚有十AERONET网站,但只有8提供2.0级数据。八AERONET网站用于这项研究包括GAW Kototabang、占碑,万隆坤甸,广播,孟加锡GAW巴鲁,和Sorong(图1)。本研究使用月度AERONET大气气溶胶数据从2009年到2019年2.0版本3.0(11年)。然而,在几个地点,安装太阳光度计的开始在2012年和2015年,所以可用的AERONET该数据的长度是有限的。
Terra MODIS DB C6.1三级AOD月度数据(M x 08 _m3) 1°×1°水平分辨率来自一级和大气存档和分配系统(LAADS) (https://ladsweb.nascom.nasa.gov从2009年到2019年)(11年)30.]。MODIS DB C6.1有更好的空间范围,包括植被和明亮的表面(31日]。MODIS DB C6.1插值得到的大气气溶胶在550 nm波长470 nm和670 nm。在全球气候建模、550 nm波长非常重要,因为它是最分散在大气中,广泛应用于各种化学模型(32]。
在这项研究中,每月MODIS气溶胶检索来自科学数据集(SDS)“Deep_Blue_Aerosol_Optical_Depth_550_Land_Mean_Mean”和由中心最近的像素AERONET网站。相应的月度AERONET大气气溶胶测量被认为是真正的价值。SDS的MODIS AE获得“Deep_Blue_Aerosol_Optical_Depth_Land_Mean_Mean”。自从SDS只提供3可见光波(412 nm、470 nm和660 nm),然后使用方程(MODIS AE值计算1)。
此外,MODIS Terra活跃消防产品来自美国宇航局火灾信息资源管理系统(企业)(https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/active_fire)[33]80%置信水平调查火灾事件的影响(例如,森林火灾和农业残留物)大气气溶胶在印度尼西亚。
此外,由于AERONET不直接测量大气气溶胶在550海里,然后在550 nm波长AERONET该插值使用中给出的幂律方程(2)。α在方程(2)代表AERONET AE的价值在440 - 870海里。
MODIS大气气溶胶的检索的性能评估通过计算相对平均偏差(元)(方程(3))、根均方误差(RMSE)(方程(4)),平均绝对误差(MAE)(方程(5))、皮尔森相关系数(r)。定量评价大气气溶胶的检索使用预期的不确定性描述错误(EE)信封包含的和绝对和相对误差如方程所示(6)[34,35]。配置之间的斜率和截距MODIS大气气溶胶和AERONET AOD计算使用减少主轴(RMA)方法,结合独立(AERONET)中的错误和依赖(MODIS)变量(36]。 在哪里EE的绝对值。元> 0元< 0代表,和低估MODIS大气气溶胶的检索与AERONET该相比,分别。RMSE = 0表示并列的点1:1 (x=y)线,RMSE > 0代表配置点分散离开1:1线。
多项研究表明,大气气溶胶550海里和AE之间的关系可以用来确定气溶胶类型如表所示1。在这项研究中,气溶胶清洁大陆分为(1),(2)生物质燃烧/城市工业,(3)清洁海洋,(4)沙尘,(5)混合气溶胶类型。这种分类方法是基于以前的研究(37,38]。
3所示。结果和讨论
图2说明了月度AOD 550海里的比较从地面观察(AERONET)和MODIS AERONET网站在印尼。观察的数量(n)在每个AERONET网站不同由于太阳光度计的不同安装日期和数据质量不佳。MODIS气溶胶检索表现出良好的相关性与AERONET AOD苏门答腊和加里曼丹岛。在苏门答腊岛,在Kototabang相关性(r= 0.88,n= 23)是在占碑(略低于r= 0.90,n= 46)。但MODIS气溶胶Kototabang表现出52.17%的检索在EE平均下降0.09和0.21的RMSE美,显示稍微更好的性能相比,在占碑(50%的检索在EE下降,美= 0.22,和RMSE = 0.42)。在加里曼丹,MODIS气溶胶在坤甸(r= 0.92,n= 59,42.37%的检索在EE下降,美= 0.08,RMSE = 0.237)表示在广播相比更好的性能(r= 0.89,n= 52岁,28.85%的检索在EE下降,美= 0.134,RMSE = 0.38)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
低MODIS气溶胶之间的相关性和AERONET大气气溶胶在万隆(被发现r= 0.30,n= 90)下降52.81%的检索在EE, GAW巴鲁(r= 0.23,n= 24)20.83%的检索EE以上,下降和Sorong (r= 0.35)下降10%的检索EE之上。而孟加锡相关有点高(r= 0.64,n= 15),但只有26.67%的检索属于情感表达。表现不佳的MODIS气溶胶GAW巴鲁,望加锡和Sorong可能是由于小数量的观察,但它不是在万隆。然而,如果我们看细节,相似的四个网站有低大气气溶胶变化,和AERONET AOD值小于1。这可能表明,MODIS无法捕捉低大气气溶胶的变化,这可能是由于粗糙的空间分辨率。人民币价值总是超过0 AERONET网站,意义高估的MODIS气溶胶检索相比AERONET大气气溶胶。一般来说,MODIS气溶胶倾向于高估AERONET AOD 16.28% (Sorong) 61.11% (GAW巴鲁)。
时间序列的月度MODIS大气气溶胶和AERONET大气气溶胶是描绘在图3。结果表明,MODIS气溶胶可以捕捉AOD高峰,代表AERONET观测数据的极端事件。一个极端的事件可能导致大气气溶胶在印度尼西亚显著增加,如森林火灾。在印度尼西亚,森林火灾是很少引起的自然但主要由当地社区清理农业或种植土地。森林火灾经常发生在苏门答腊(占碑)和加里曼丹(坤甸和广播),导致区域空气污染(39]。印度尼西亚的季节性主要是由亚洲季风(雨季)和澳大利亚季风(旱季)[40]。在旱季(June-November),大气气溶胶在印度尼西亚增加了在一些地区,如占碑、坤甸,广播(图3)。这可能是有关森林火灾发生在该地区,因为它是有利于引发森林火灾在旱季在潮湿的季节。此外,大气气溶胶的高峰值3 - 4发生在2015年9 ~ 10月记录在占碑,坤甸,广播。这种极端事件密切相关的森林火灾是强烈的厄尔尼诺事件加剧了2015/2016。
在Kototabang低大气气溶胶的变化被发现,GAW巴鲁,Sorong,万隆,望加锡。前三个位置(Kototabang,巴鲁,和Sorong)是全球大气的位置看(衣服上的破处)站,位于偏远地区。尽管在印度尼西亚万隆是大城市,万隆仍有低的大气气溶胶变化。这种情况可能受到潮湿和凉爽的高原气候,防止污染物的扩散。类似于万隆孟加锡在印度尼西亚也是一个大城市,但是AERONET大气气溶胶测量在这个城市仍然是非常有限的。高大气气溶胶变化在印尼一般森林火灾造成的(41]。大气气溶胶的增加价值在2019年9月Kototabang受到森林大火在苏门答腊发生在那段时间42]。尽管缺乏时间序列数据,图3表明MODIS通常能够在印度尼西亚捕获大气气溶胶的时间模式,特别是MODIS很擅长发现极端值的观测站点。
为了根据表的气溶胶类型进行分类1,图4显示了MODIS大气气溶胶和MODIS AE之间的关系从2009年到2019年。的x设在是大气气溶胶在从MODIS DB C6.1获得550海里,虽然y设在埃指数(AE)值的MODIS DB C6.1。每个气溶胶类型的贡献在每个站点然后计算百分比,如图5。
在印度尼西亚的贡献在AERONET气溶胶类型网站是描绘在图5。大部分的气溶胶是干净的大陆(CC),其次是生物质燃烧/城市-工业化(BB / UI)。CC气溶胶被发现的最高贡献GAW巴鲁和Sorong的贡献超过90%,而最高的BB / UI气溶胶的贡献被发现在万隆的贡献93.7%。混合气溶胶,最高的贡献是在坤甸,贡献的48.4%,厘米和弟弟气溶胶观测站点也不见了。
CC气溶胶是自然气溶胶来自地区,仍然有很多的森林或城市地区大型发电厂或石化炼油(43,44]。观察站GAW巴鲁和Sorong CC气溶胶的主要贡献。两个地点都位于偏远地区热带森林包围在人类活动较少的地方与化石燃料燃烧、工业和汽车等产生空气污染。
BB / UI气溶胶气溶胶来自化石燃料燃烧在工业领域(45,46]。这些气溶胶进入一个有用的能量平衡对散射太阳辐射直接送入太空(直接影响)或通过增加云反照率通过微观物理学的过程(间接影响)47- - - - - -49]。这些气溶胶也间接影响云的辐射和微观物理学的属性,一起影响降水的形成(50]。大气含高浓度的气溶胶与弱降水减少和增加温和和暴雨51]。
GAW巴鲁,Sorong,孟加锡最低的三个地方是BB / UI的贡献,即1.6%,2%,和11.4%,分别。这意味着工业或化石燃料燃烧活动在这些领域仍然是最小的。同时,衣服上的破处Kototabang BB / UI的贡献为16.7%,表明该地区已经开始受化石燃料燃烧或工业活动的影响。另一方面,广播这样的首都城市,万隆坤甸,和占碑有BB / UI的贡献为52.9%,93.7%,34.4%,和82.6%,分别受到工业活动和化石燃料的燃烧。
根据年平均MODIS气溶胶在550 nm从2009年到2019年,数字6说明了印度尼西亚的西部地区,包括苏门答腊、加里曼丹、和部分西方Java, AOD值高于其他地区的印度尼西亚,达成AOD值为0.6。与此同时,中部和东部的Java,努沙登卡拉省相接,苏拉威西岛,马鲁古群岛,和巴布亚(印度尼西亚东部地区)有AOD值相对较低,只有在0 - 0.2的范围。这可能是由于两个主要因素。首先,苏门答腊和加里曼丹是季节性森林火灾事件在印尼可以显著增加大气气溶胶。第二,城市和工业发展集中在西部印尼在过去的几十年,所以AOD值高于印度尼西亚东部的。
MODIS大气气溶胶的空间和季节性变化在550纳米是描绘在图7对该型号(DJF),高于3(老妈),6(环流),和9(儿子)。aod低,均匀地分布在印尼DJF期间土地,这是与印尼的大部分地区的雨季。先前的研究表明,弱降水减少暴雨时空气质量改善空气质量(52,53]。同时,AOD值最高的观察期间的儿子(干雨季)的过渡时期,尤其是对苏门答腊、加里曼丹和Java的大部分地区。这种情况的出现有关森林火灾事件引起大气气溶胶的增加在苏门答腊和加里曼丹8月,9月和10月(图8)。在Java中,建立了城市和工业的发展,大气气溶胶的空间平均持续高在所有季节,但似乎大气气溶胶的空间平均高的过渡时期(老妈和儿子)比其他季节。同样值得注意的是,一些大气气溶胶在环流和儿子在巴布亚岛的南部也可能与森林火灾和土地有关。
图8显示了火事件源自MODIS Terra积极火的季节性产品在印度尼西亚从2009到2019年。最高的活跃火数发生在9月,11月紧随其后。最低的月活跃的大火是辛普森和4。这个图阐明了积极的火灾事件的数量之间的关系和大气气溶胶在印尼。可能期间,主动触发事件的增加可能会引起大气气溶胶和大气气溶胶变化值,增加的主要贡献来自火灾发生在苏门答腊和加里曼丹。这支持一项研究的结果发现高大气气溶胶变化在印尼一般森林火灾造成的(41]。
4所示。结论
本研究的目的是调查的性能Terra MODIS深蓝(DB)收集6.1 (C6.1)大气气溶胶在印度尼西亚从2009 - 2019年的时期。为此,每月MODIS DB AOD检索收集和比较对地面每月AERONET大气气溶胶测量从8 AERONET网站同期在印尼。这些网站规模的月度AOD检索的性能和决心的年平均大气气溶胶空间分布和季节性变化以及气溶胶类型是首次进行。
结果说明MODIS DB AOD检索和AERONET大气气溶胶测量在苏门答腊岛(即有很高的相关性。Kototabang (r= 0.88)和占碑(r= 0.9))和加里曼丹岛(即。(广播,r= 0.89)和坤甸(r= 0.92))。然而,万隆的相关性很低,巴鲁,Sorong,可能是由于低大气气溶胶变化和缺乏观测数据。一般来说,MODIS DB AOD倾向于高估AERONET AOD网站16 - 61%,可以检测极端火灾事件苏门答腊和加里曼丹岛很好。空间分布,年平均大气气溶胶印度尼西亚西部比东部高。此外,季节性变化,最高的大气气溶胶期间观察到9,这是与触发事件的出现,特别是那些发生在苏门答腊和加里曼丹。
印尼的气溶胶类型主要包括干净的大陆,其次是生物质燃烧/城市工业和混合气溶胶。最高的清洁大陆气溶胶的贡献(90%)被发现在巴鲁Sorong,位于偏远地区,而最高的生物质燃烧/城市-工业化气溶胶的贡献(93.7%)被发现在万隆,印尼的大城市之一。
数据可用性
MODIS深蓝6.1数据收集可以找到https://ladsweb.nascom.nasa.gov。AERONET数据是可用的https://aeronet.gsfc.nasa.gov。MODIS Terra活跃的大火是可用的https://earthdata.nasa.gov/earth-observation-data/near-real-time/firms。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢国家航空和宇宙航行局(NASA)提供MODIS二级气溶胶产品从泰拉和阿卡卫星收集6.1,气溶胶机器人网络(AERONET),印度尼西亚的主要调查者AERONET网站允许我们使用地面二级气溶胶数据产品。观察和全球大气数据和信息工作人员看传说Lindu Bariri巴鲁的支持和动力来完成这项研究。作者承认气候研究分工和协调,研发中心主管BMKG的有用的意见和支持。这项研究是由全球大气看传说Lindu Bariri站和印尼机构研发中心气象气候学和地球物理学(BMKG)。