1. 标题

基于多角度遥感的东亚地区气溶胶类型观测：初步结果和总体精度

Characterization of aerosol type over East Asia by 4.4 km Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) product: first insight and general performance

2. 成果信息

    Tao M, Wang J, Li R, et al. Characterization of Aerosol Type Over East Asia by 4.4 km MISR Product: First Insight and General Performance[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2020, 125(13): e2019JD031909.

https://doi.org/10.1029/2019JD031909

本研究得到国家自然科学基金(资助项目41830109、41871262、41601472)的资助

3. 成果团队成员

陶明辉，教授，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，博士生导师，主要研究方向为大气环境遥感。（邮箱：taomh@cug.edu.cn）

王俊，教授，美国爱荷华大学，化学与环境工程系

王伦澈，教授，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，博士生导师

陈良富，研究员，中国科学院遥感与数字地球研究所，遥感科学国家重点实验室，博士生导师，主要研究方向为大气环境遥感。

4. 成果介绍

气溶胶是指悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，不仅可以散射和部分吸收太阳辐射，影响整个地球和大气系统的辐射能量平衡，同时也是形成云的凝结核，可改变云的特性，影响区域降水；同时，近地面高浓度的颗粒物是大气污染的主要来源，对人体健康具有显著危害。目前卫星遥感主要基于多波段的探测方式反演陆地上空的气溶胶光学厚度，以MODIS为代表的气溶胶业务产品，可实现每天全球覆盖；但是由于多波段遥感观测需同时反演地表和大气两个未知对象，需要较多经验假设和简化，目前主要提供的AOD产品，难以获取与气溶胶来源和影响紧密相关的气溶胶类型信息。多角度成像仪（MISR）除多波段光谱信息外，还提供额外的多角度观测信息，对气溶胶的粒径、形状和吸收等微物理特性具有显著的敏感性；最新23版本的MISR气溶胶产品空间分辨率由17.6km提高到了4.4 km，为探索区域尺度的气溶胶类型和污染过程提供了前所未有的视角。本研究基于最新的23版本MISR气溶胶产品全面研究了东亚地区气溶胶类型的时空分布特征，并且验证评估了MISR产品的反演精度和主要误差来源。

图1 MISR 550nm反演的AOD: (a)小模态、(b)中模态、(c)大模态、(d)非球面和(e)尘埃组分

虽然算法原理与上一版本（V22）相同，但地面验证显示，23版本MISR气溶胶光学深度（AOD）的准确度有了明显提高，其偏差在±（0.05 + 20％AODAERONET）的80％之内。然而，在高AOD(>0.6)条件下，严重的低估仍然普遍存在。当单次反照率（SSA）接近或等于1.0时，地表-大气分离问题可能是MISR AOD低估的主要原因；与此同时，MISR反演过程大多将普遍存在的中等吸收性气溶胶作为非吸收性混合物，也可能导致这种低估。

图2 MISR AOD和AERONET AOD在550 nm处的散点图；以及MISR和AERONET在860/550和675/440 nm处的埃指数散点图。虚线和黑线的预期误差包络（EE）为±（0.05 + 20％）。 还显示了匹配的相关系数（R）和数量（N），EE中的百分比（P）以及均方根误差（RMSE）。

得益于多角度观测传感器系统，MISR可以获得气溶胶颗粒尺度信息和形态信息。三种模态（大、中、小）下的MISR AOD往往是区分不同气溶胶类型(如自然沙尘或人为排放)的可靠指标。同时，MISR SSA和非球形AOD值也随着AERONET的倒数表现出一致性变化。但是， 23版本 MISR AOD检索结果与整个东亚地区的一般预期值存在明显差异。由于22版本算法缺乏合适的气溶胶成分以及混合物模型，在很大程度上妨碍了对气溶胶类型的准确识别。在塔克拉玛干沙漠上空的MISR探测结果中，非球形混合物只占不到一半。另外在考虑气溶胶颗粒吸收性时，MISR除火灾烟雾颗粒外，对其它颗粒吸收的情况考虑不足。

图3 2013-2018年AOD(550nm)季节均值 (a) 球形非吸收组分，(b) 沙尘，(c)球形吸收组分

尽管存在这些局限性，高分辨率的23版本MISR产品在表征气溶胶类型的区域变化方面仍显示出巨大潜力，下一步工作可以考虑对东亚气溶胶类型的先验知识进行细化，从而进一步改进算法模型。

图4 2018年AOD(550nm)年均值 (a) MODIS深蓝AOD，(b) MISR AOD，(c)MISR大模态AOD