结合MODIS与MISR观测资料在气胶单次散射反照率反演之应用

1、航測及遙測學刊 第十七卷 第3期 第203 220頁 民國102年11月 203 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume17 No3 November 2013 pp 203 220 1國 中央大學遙測科技碩士學位學程 碩士 收到日期 民國 102 03 月 12 日 2國 中央大學太空科學研究所 博士生 修改日期 民國 102 07 月 03 日 3國 中央大學太空及遙測研究中心 副教授 接受日期 民國 102 07 月 18 日 通訊作者 電話 03 4227151 ext 57633 E mail thlin csrs ncu edu tw 結合 MODIS 與 MISR 觀測資料在氣膠單次散射反照率 反演之應用 李國揚 1 連偉宏2 張國恩3 林唐煌3 摘 要 本研究主要目的是結合衛星資料與地面觀測資料反演單次散射反照率 並針對東南亞生質燃燒產生 的煙塵與西非地區的沙塵探討不同氣膠種類的吸收及散射特性 主要的概念是使用一組同一地區時間相 近的衛星影像 以乾淨大氣的地表反射特性作為參考基準 來反演受氣膠影響事件的單次

2、散射反照率 研究結果顯示 當受氣膠影響事件的氣膠光學厚度高於 0 5 時 單次散射反照率反演的誤差可在 3 以內 其中由生質燃燒產生的煙塵 泰國西北邊 單次散射反照率分別為 0 88 藍光頻道 0 84 紅光頻道 0 84 近 紅外光頻道 吸收特性相當明顯 而在泰國東南邊的單次散射反照率為 0 94 0 91 0 88 吸收特性相對 較弱 透過氣流軌跡的分析顯示 吸收特性之強弱主要與氣膠的來源地區有關 而非洲西部地區沙塵反 演各頻道的單次散射反照率則分別為 0 91 0 95 0 94 相對於生質燃燒具有較強的散射特性 但在夏季 期間則具有較低值 由於該季節北風盛行 推估可能受到來自海洋地區吸收較強氣膠的影響 如海鹽等 整體研究結果顯示 不同地區氣膠吸收及散射特性可具有明顯的差異 主要與氣膠源區和盛行季風有關 而準確地計算氣膠吸收 散射的特性對於地球能量收支相關研究將有很大的助益 關鍵詞 MOSID MISR AERONET 單次散射反照率 氣膠光學厚度 1 前言 1 1 研究動機 氣候變遷現今是國際上重要的議題之一 影響 全球氣候變遷的主要驅動力分別來自溫室氣體的 增溫效應 以及存在

3、於大氣中的氣膠 Aerosol 所造 成的降溫效應 根據 IPCC 在 2007 年的報告中指 出 在 1750 至 2005 年之間 溫室氣體的輻射驅動 力 Radiative Forcing 約為 2 5 W m 2 而氣膠對於 輻射驅動力的總貢獻約為 1 2 W m 2 但輻射驅動 力為因為氣膠種類不同或是氣膠的光學特性不同 而有很大的改變 在同樣濃度下 顆粒較大的氣膠 對輻射驅動力的影響較顆粒小的氣膠明顯 而氣膠 的吸收特性也會直接影響輻射驅動力 當氣膠擁有 強吸收特性時 其消光能力比起若吸收特性要強 氣膠對輻射驅動力的影響較為複雜 因此探討不同 氣膠種類的光學特性能對輻射驅動力的計算有很 大的幫助 Bodhaine et al 1995 單次散射反照 率 single scattering albedo 是散射與消光 散射與吸 收 的比例 能反應出一地區氣膠的吸收強弱 是 模擬氣候系統的一個很重要參數 Hansen et al 1997 指出當雲中含有單次散射反照率高於0 91 的氣膠時 會冷卻氣候系統 而低於 0 91 時會加 熱氣候系統 雖然此參數可由 AERONET A

4、Erosol RObotic NETwork 地面觀測站提供 但地面測站能 提供的資訊有空間上的限制 而氣膠的種類及光學 特性有很大的區域性 在計算各個地區的輻射驅動 力時 如果只由地面測站的觀間上的分佈 對氣候 模式的模擬有很大的限制 而衛星資料能提供大範 圍地區的觀測資料 因此能提供氣膠吸收特性在空 間上的分佈 對計算輻射驅動力有很大的幫助 生 204 航測及遙測學刊 第十七卷 第三期 民國 102 年 11 月 質燃燒會釋放出很多的強吸收粒子 而沙塵 dust 因為粒徑較大 在短波有較強的吸收 東南亞地區 在春季常常有生質燃燒事件的發生 透過氣流傳送 可以到達東亞 特別是嚴重的生質燃燒事件發生 時 對亞洲地區的氣候系統有顯著的影響 西非地 區因鄰近東邊的撒哈拉沙漠 在各個季節都常遭受 沙塵的侵襲 且西非地區在冬季與春季時會受到來 自非洲赤道地區生質燃燒產生的煙塵 smoke 影 響 不同種類的氣膠會有不同的吸收特性 會對這 兩地區輻射驅動力造成不一樣的結果 因此探討這 兩地區氣膠的吸收特性是重要的工作 本篇研究目的在於應用衛星資料針對兩種不 同氣膠類型去反演單次散射反照率 並探討

5、其反演 的準確性與適用性 由於沙塵與煙塵在地球上有廣 大分佈的特性 煙塵來自生質燃燒 森林火災或人 為排放等 沙塵則來自沙漠或半乾燥地區 這些氣 膠不僅會影響當地的氣候系統 透過長程傳輸也會 影響到其他地區 且沙塵與煙塵的光學特性會因為 來源地區不同有很大的差異 因此探討煙塵與沙塵 的吸收特性是本篇研究的主要工作 並歸結這兩地 區的氣膠吸收特性 對研究地球氣候模式有很大的 幫助 1 2 文獻回顧 1 2 1 單次散射反照率反演方法 單次散射反照率是計算全球氣候模式的一個 重要參數 可表示氣膠在吸收與散射的比例 衛星 所觀測的輻射強度由地表與大氣所貢獻 在可見光 頻道 地表所貢獻的輻射強度是由地表的反射特性 地表反射率 所決定 大氣又可分為空氣粒子與氣 膠粒子 空氣粒子在大氣中的混合比是固定的 由 空氣粒子貢獻的輻射強度能夠準確的被估算 而氣 膠所貢獻的輻射強度要考慮散射與吸收的多寡 可 由氣膠光學厚度表示 以及散射與吸收的比例 可 由單次散射反照率表示 因此對於衛星觀測資料 來說 由衛星所觀測的輻射量值 同時要提供地表 的反射特性 氣膠光學厚度與單次散射反照率較為 困難 以下敘述一些使

6、用衛星資料反演單次散射反 照率的方法 Kaufman et al 1990 使用一組 AVHRR 影像反 演單次散射反照率 氣膠光學厚度與粒徑大小 size distribution 該組影像包含晴空事件與受氣膠影響 事件 其中受氣膠影響事件的氣膠光學厚度要大於 0 4 以晴空事件的地表反射特性作為參考依據 當單次散射反照率趨近於 1 時 其誤差約 0 03 當單次散射反照率趨近於 0 8 時 其誤差約 0 03 0 07 此方法依賴地表的反射特性 兩個事 件的地表反射特性需一致才能減少反演的誤差 由 MODIS 提供的 Deep Blue algorithm Hsu et al 2004 2006 能反演高反射率地區 如沙塵 的氣膠光 學厚度與單次散射反照率 先使用兩個藍光頻道建 立地表反射率資料庫 再配合輻射傳送方程式計 算 而沙塵在藍光頻道有較強的吸收特性 因此可 以反演單次散射反照率 但缺點是事前需要建立地 表反射率資料 且大多使用在高反射率地區 而主 要的氣膠對象為沙塵 Kaufman et al 2002a 針對海 洋sunglint區域的特性來反演海洋上的單次散射反 照率

7、 氣膠在海洋 sunglint 區域的反射率 可由氣 膠的吸收與散射特性來影響 而氣膠的散射特性是 可以在非 sunglint 區域反演得到 且 sunglint 的反 射特性可以由特定波段 氣膠不吸收的波段 決 定 因此最後可以得到氣膠的吸收特性 其誤差約 為 0 02 缺點是只能反演在海上的氣膠 且需要 特定的觀測角度才能觀測到sunglint區域 Torres et al 2005 使用 TOMS 的 UV 波段反演氣膠光學厚 度與單次散射反照率 其誤差分別為 30 與 0 03 缺點是 TOMS 的解析度差 無法提供區域詳 細的空間分佈 1 2 2 煙塵光學特性 煙塵對當地的輻射收支有很大的影響 進而影 響到天氣系統 Hobbs et al 1997 生質燃燒 Biomass Burning 會產生大量的煙塵 在燃燒的過 程中會釋放 出含碳的氣 膠粒子 Carbonaceous Aerosol 而黑碳粒子 Black Carbon 的吸收能力最 為顯著 黑碳粒子對全球輻射驅動力的影響約為 李國揚 連偉宏 張國恩 林唐煌 結合 MODIS 與 MISR 觀測資料在氣膠單次散射反照

8、率反演之應用 205 0 5 0 8 W m 2 對全球暖化的貢獻約為溫室氣體貢 獻的三分之一 Haywood Prospero et al 2002 也會嚴重影響空氣品質而危害到人類 健康 西非地區因靠近東邊的撒哈拉沙漠 此地區長 期遭受沙塵的影響 但靠近大西洋 因此也會受到 海洋氣膠的汙染 南邊的非洲草原與作物燃燒產生 的煙塵也會隨著氣流飄散到此處 此地區的氣膠較 為複雜且有季節性的變化 Husar et al 1997 和 Diaz et al 2001 指出西非地區在春季除了會受到 沙塵的影響 如果當地遭受強力的南風時 也會受 到來自非洲赤道地區的生質燃燒產生的煙塵影 響 會嚴重影響當地的輻射驅動力 Christopher Schaaf et al 2002 提到如果地表在這 16 天之內地 表沒有太大的改變 其地表反射率相對誤差百分比 約在 5 以內 另外晴空事件總會有氣膠的存在 反演地表反射率時 如果輸入的氣膠參數不符合當 時的大氣狀況 便會得到誤差較大的地表反射率 在決定折射指數虛部時 以地表反射率殘差最小值 所對應的折射指數虛部為理想值 以圖 15a 為示意 圖 殘差最

9、小表示晴空事件與受氣膠影響事件的 地表反射率最接近 但作為參考標準的地表反射率 有一定的誤差 這會造成殘差最小未必是兩者最接 近 所以在決定折射指數虛部時 未必是地表反射 率殘差最小值所對應的折射指數虛部為理想值 而 是接近這個理想值的射指數虛部都有可能符合當 時的氣膠特性 以圖 15b 為示意圖 而這段範圍是 會隨著晴空事件的地表反射率誤差增大而增大 212 航測及遙測學刊 第十七卷 第三期 民國 102 年 11 月 a b 圖 15 決定折射指數虛部示意圖 a 在決定折射指 數虛部時 以地表反射率殘差最小值所對應 的折射指數虛部為理想值 黑色實線 b 在 兩條黑色虛線內的折射指數虛部都有可能符 合當時的氣膠特性 4 2 2 不適當的氣膠參數 MODIS 和 MISR 感測器皆搭載於 Terra 衛星 上 觀測時間差最大約 7 分鐘 由於時間差小 可 視為同時觀測 而 AERONET 所提供的氣膠參數 和衛星觀測的時間差平均為 30 40 分鐘 因此這些 氣膠參數可能與當時衛星觀測的氣膠特性有些落 差 折射指數實部是決定單次散射反照率的參數 之一 因此在此探討折射指數實部的變動對反

10、演單 次散射反照率的影響 而同類型氣膠的輻射特性大 致上不會差太多 因此先挑選東南亞地區煙塵與西 非地區沙塵代表性個案 符合氣膠光學厚度在 550 nm 波長為 0 5 以上作為代表性個案 一方面 是因為氣膠光學厚度高表示氣膠的濃度高 另一方 面是因為反演單次散射反照率的誤差百分比較小 約在 3 以內 挑選出來的代表性個案約 16 個 煙 塵 和 18 個 沙塵 經由 6S 模式運算後可以得到一 組 單 次 散 射 反 照 率 再 去 計 算 這 組 與 原 本 AERONET 單次散射反照率之間的變動率 其煙塵 結果約為 1 9 藍光頻道 2 1 紅光頻道 2 3 近紅外光頻道 而沙塵結果為 0 2 0 2 0 6 煙塵的折射指數虛部為 0 017 0 016 0 016 比起沙塵 0 009 0 007 0 009 大得 多 而單次散射反照率是吸收特性與消光特性 吸 收和散射特性 的比例 如果幾乎無吸收特性時 即使散射特性的變化大 比例幾乎沒什麼變化 因 此折射指數實部的變動對沙塵單次散射反照率的 影響較低 因為沙塵的折射指數虛部較小所造成 除了地面測站提供的氣膠參數可能會導致反演

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