Мониторинг аэрозоля и водяного пара в атмосфере с

В работе обсуждаются возможности спектрорадиометра MODIS
спутника EOS AM1 (Terra) при проведении мониторинга полного
количества водяного пара, аэрозольной оптической толщины
атмосферы (АОТ), представлены первые результаты измерений,
полученные в Отделе космического мониторинга и прогнозирования
чрезвычайных ситуаций Алтайского государственного университета и
ГУ по делам ГО и ЧС Алтайского края в операционном режиме.
MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) – 36канальный спектрорадиометр, регистрирующий излучение в диапазоне
длин волн (0,414,4) мкм с разрешением на местности в надире 250 м
(каналы 1 и 2), 500 м (каналы 3-7) и 1000 м (каналы 8-36), позволяет
проводить ежедневно измерения полного количества водяного пара
(ИК-диапазон), аэрозольной толщины атмосферы над участками
поверхности суши, свободными от облачности, на длинах волн =0,47
мкм и =0,66 мкм.
Территория, которую покрывает спутник в течение дня
Характеристика каналов MODIS и их
назначение:
А – атмосферные исследования;
ПП
–
исследования
свойств
подстилающей поверхности;
О – исследование свойств поверхности
океанов;
ОЗ – измерение озона;
ПЖ – мониторинг лесных пожаров.
Данные MODIS, используемые в работе, принимались станцией
ЕОСкан ИТЦ «СканЭкс» Отдела космического мониторинга в Барнауле
(5321 СШ, 8347 ВД). Калибровка, геолокация и выделение
пикселей, свободных от облачности, осуществлялась с использованием
пакетов программ:
• IMAPP
http://simss.ssec.wisc.edu/~gumley/IMAPP/IMAPP.html,
• PGE02 и PGE03
http://directreadout.gsfs.nasa.gov/download_technology/inst_algoritms.cfm.
1. Распространение солнечного излучения в системе ”атмосфера +
подстилающая поверхность Земли”
Плотность потока солнечной энергии L( ,  s , v , ) [Вт/(м2ср ·мкм)], достигающая
спектрорадиометр спутника на верхней границе атмосферы, в случае ортотропной
подстилающей поверхности может быть представлено в виде
L( ,  s ,  v ,  )  L0 ( ,  s ,  v ,  ) 
T (  s ,  )  T (  v ,  )  F0 ( )   s   s ( ,  s ,  v ,  )
  1   s ( ,  s ,  v ,  )  s( )
(1)
L0 ( ,  s ,  v , ) – вклад в показание спектрорадиометра, обусловленный отражением солнечного
излучения от атмосферы,
T (  s ,  ) – функция пропускания (прямая + диффузная компоненты) атмосферы излучения с
длиной волны  в направлении падающего излучения на участке Солнце – поверхность Земли,
T (  v ,  ) – полная функция пропускания атмосферы в направлении наблюдения на участке
трассы поверхность Земли – спектрорадиометр спутника,
F0 ( ) – поток солнечного излучения, падающий на верхнюю границу атмосферы,
 s ( ,  s ,  v , ) – коэффициент отражения радиации с длиной волны поверхностью Земли,
когда атмосфера над поверхностью отсутствует,
s ( ) – коэффициент отражения света атмосферой в случае, когда изотропное излучение входит
в атмосферу через нижнюю границу. s – косинус зенитного угла Солнца (s=coss), v –
косинус зенитного угла спутника (v=cosv), азимутальный угол спутника относительно
Солнца.
Поскольку спектрорадиометр MODIS проводит измерения плотности
потока солнечной энергии, падающей на верхнюю границу атмосферы
[ F0( ) s/], то в (1) удобно перейти к безразмерным величинам:
L(,  ,  , )
s v
 *(,  ,  , ) 
(2)
s v
F  
0 s
и
L (,  ,  , )
s v
 (,  ,  , )  0
0
s v
F  
0 s
(3)
Тогда для спектрального коэффициента отражения системы ”атмосфера
+ подстилающая поверхность Земли” ρ*, измеряемого спутником на
верхней границе атмосферы, получаем следующее выражение:
T ( , )T ( , )  (,  ,  , )
s
v
s
s v
 *(,  s , v , )  0 (,  s , v , ) 
1  (,  ,  , )s( )
s
s v
(4)
2. Алгоритм определения количества водяного пара в атмосфере
Пять каналов MODIS 2, 5, 17, 18, 19 (0,865, 1,240, 0,905, 0,935, 0,940 мкм) из ближнего ИК - диапазона
предназначены для измерения содержания водяного пара в атмосфере. Метод измерения водяного пара,
предложенный в (Gao B.C. et al. // J. Geophys. Res., 1990, v. 95, p. 3549; Kaufman Y.J. et al. // J. Geophys. Res., 1997,
v. 102 № D14, p. 17051.) и использованный в данной работе, основывается на детектировании поглощения
водяным паром солнечного излучения при его распростронений по трассе Солнце – подстилающая поверхность
Земли – спектрорадиометр. Общее количество водяного пара в вертикальном столбе атмосферы определяется из
сопоставления отношений измеренных интенсивностей в каналах поглошения (17, 18, 19) и каналах из окон
прозрачности (2, 5) с данными справочных таблиц PGE04.
Положение и ширина пяти каналов близкого ИК диапазона
Номер канал
Границы
канала
(мкм)
Ширина
канала (мкм)
Центр канала
(мкм)
Разрешение (м)
2
0,841 – 0,876
0,035
0,865
250
5
1,230 – 1,250
0,020
1,240
500
17
0,890 – 0,920
0,030
0,905
1000
18
0,931 – 0,941
0,010
0,936
1000
19
0,915 – 0,965
0,050
0,940
1000
 * ( ,  s ,  v ,  )   0 ( ,  s ,  v ,  ) 
T (  s ,  )  T (  v ,  )   s ( ,  s ,  v ,  )
1   s ( ,  s ,  v ,  )  s ( )
 * (  )  Tsv (  )   s (  ) ,
Tsv ( )  T (  s ,  )  T (  v ,  )
(5)
,865 мкм (канал 2 MODIS, канал из окна прозрачности)  Tsv(0.865)1
ρ*(0,865)=s(0,865).
(6)
,905 мкм (17 канал MODIS, канал поглощения)
ρ*(0,905)=Tsv(0,905) s(0,905).
а) Если
(7)
s(0,905)s(0,865)
Деля уравнение (7) на (6), получаем выражение для функции пропускания на трассе Солнце – поверхность
Земли – спектрорадиометр спутника:
 * (0,905)
Tsv (0,905)  *
.
 (0,865)
(8)
Из (8) следует следующий алгоритм измерения общего количества водяного пара в атмосфере над
рассматриваемым пикселем изображения, свободным от облачности, с космической платформы EOS AM-1
(Terra):
 спектрорадиометром MODIS измеряются коэффициенты яркости атмосферы в каналах 2 (ρ*(0,865)) и
17 (ρ*(0,905));
 по формуле (8) вычисляется функция пропускания Tsv для заданной геометрии освещения и
наблюдения;
 с использованием справочных таблиц по зависимости функции пропускания Tsv от количества
водяного пара на трассе Солнце – Земля - спутник определяется W(µs, µv).
 количество водяного пара в вертикальном столбе атмосферы W(0.905) находится с использованием
соотношения:
W (0,905) 
W ( s , v )
,
M ( s , v )
где
M ( s , v ) 
1
s

1
v
.
3. Алгоритм определения аэрозольной оптической
толщины атмосферы
или
При
(тёмные поверхности)
Kaufman Y. J. et. al. // J. Geophys. Res., 1997, v. 102, № D14, p.17051
Remer L. A. et. al. // J. Geophys. Res., 1998, v. 103, № D12, p.13859
King M. D. et. al. // Bull. Amer. Meteor. Society, 1999, v. 80, №11, p. 2229
Этап 1. Поиск тёмных пикселов в анализируемой области изображения
поверхности суши 10 км х 10 км и определение КСЯ поверхности
Если
, то
Этап 2. Оценка
аэрозольной
оптической
,
толщины
,
для области 10 x 10 км с использованием континентальной
модели аэрозоля
Этап 3. Определение модели аэрозоля
 аридная модель;
 «городская» модель или модель аэрозоля при
сжигании биомассы («дымовая»);
 смешанная модель («городская»
+«дымовая» + аридная).
Этап 4. Определение оптической
толщины
установленной на этапе 3 модели аэрозоля.
τα(λ) для
Индикатриса рассеяния
Полное количество водяного пара в атмосфере W(см).
Сопоставление данных MODIS с данными станции сети
AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат).
Октябрь 2003 г.
2.00
W(см), MODIS
1.60
1.20
0.80
0.40
0.00
0.00
0.40
0.80
1.20
W(см), AERONET
1.60
2.00
АОТ (0,470 мкм). Сопоставление данных MODIS с данными
станций сети AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан –
Дзадгат). Октябрь 2003 г.
1.00
AOT MODIS
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0.00
0.20
0.40
0.60
AOT AERONET
0.80
1.00
Δτ = ± 0,05 ± 0,2 АОТ
Vermote E.F., El Saleous N, Justice C. Atmospheric correction of the MODIS data in
the visible to middle infrared: First results // Remote Sens. Environ, 2002.
Полное количество водяного пара в атмосфере (см). Октябрь 2003 г.
АОТ (0,550 мкм). Октябрь 2003 г.
Массовая концентрация аэрозоля (10-6 г/см2) в атмосфере. Октябрь 2003 г.
4. Выводы
• Представлены результаты измерения полного количества
водяного пара, оптической толщины (АОТ) атмосферы в диапазоне
длин волн 0.47 – 0.66 мкм и массовой концентрации аэрозоля
(МКА) над свободными от облачности участками поверхности
суши, полученые с использованием данных MODIS/Terra в
операционном режиме.
• Сопоставление полученых данных АОТ с данными станций сети
AERONET (Москва, Томск, Красноярск, Далан – Дзадгат) показали,
что различия не превышают
.
• Представлены данные по пространственному распределению
АОТ и МКА в атмосфере в октябре 2003 г. Установлена высокая
концентрация аэрозоля на севере Западной Сибири в зоне (56÷65)
СШ, (67÷84) ВД.
Работа поддержана проектом ИО 615 программы «Интеграция».