结合MODIS与MISR观测资料在气胶单次散射反照率反演之应用

航測及遙測學刊第十七卷第3期第203-220頁民國102年11月203JournalofPhotogrammetryandRemoteSensingVolume17,No3,November2013,pp.203-2201國立中央大學遙測科技碩士學位學程碩士收到日期:民國102年03月12日2國立中央大學太空科學研究所博士生修改日期:民國102年07月03日3國立中央大學太空及遙測研究中心副教授接受日期:民國102年07月18日＊通訊作者,電話:[phone]ext.57633,E-mail:[e-mail]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(RadiativeForcing)約為2.5Wm-2，而氣膠對於輻射驅動力的總貢獻約為-1.2Wm-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。(Bodhaineetal.,1995)。單次散射反照率(single-scatteringalbedo)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。Hansenetal.(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(AErosolROboticNETwork)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，以下敘述一些使用衛星資料反演單次散射反照率的方法。Kaufmanetal.(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(sizedistribution)，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DeepBluealgorithm(Hsuetal.,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。Kaufmanetal.(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。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。Torresetal.(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(Hobbsetal.,1997)。生質燃燒(BiomassBurning)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(CarbonaceousAerosol)，而黑碳粒子(BlackCarbon)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率反演之應用2050.5-0.8Wm-2，對全球暖化的貢獻約為溫室氣體貢獻的三分之一(Haywood&Boucher,2000)。對可見光有強吸收特性的氣膠粒子會嚴重的影響到能見度，甚至會減緩當地的生態循環，Dengetal.(2008)指出珠江三角洲地區的低能見度事件是因為高濃度的含碳氣膠粒子所造成的。此外生質燃燒釋放含碳氣膠粒子的多寡和燃燒的物種與燃燒形態有關，Kaufmanetal.(2002b)指出非洲草原燃燒產生的黑碳粒子對光學厚度貢獻約為12%，而森林火災釋放的黑碳粒子對光學厚度的貢獻只有7%。在東南亞地區的高濃度黑碳粒子事件主要是由生質燃燒所釋放出來的(Ecketal.,2001)，東南亞生質燃燒主要的地區為印度中部、泰國、寮國、柬埔寨以及越南等地(Christopher&Kimberly,1996)，這些氣膠藉由西風傳送經由香港、台灣甚至到達北美西岸。東南亞生質燃燒所產生的懸浮微粒成份中，其中80%來自於人為因素，形成原因是使用生物原料，牛糞或木材等做為燃料的低效能爐灶、燃燒農業廢棄物、燃燒樹木及家庭炊煙等傳統污染源都會產生煙塵，另一則是汽車排放的廢氣和工業污染源等，尤以亞洲落後開發中國家大量使用原始燃料，且缺乏適當的污染防制措施，以致空氣污染未經處理即排放至大氣中，對大氣及室內空氣品質產生嚴重影響。1.2.3沙塵光學特性沙塵暴是指強風將地面大量的沙和土粒吹起，使空氣變得混濁、能見度大為減小的天氣現象，主要發生在沙漠或是半乾燥地區，發生沙塵暴的條件除了要有足夠的沙源之外，強風和不穩定的氣流也是發生沙塵暴的條件之一。沙塵的顆粒大且散射能力強，對地球輻射收支系統有很大的影響，進而影響到氣候系統(Perezetal.,2006;Prosperoetal.,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。Husaretal.(1997)和Diazetal.(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&Jones(2010)提到造成西非地區遭受小顆粒的侵襲，其最大輻射驅動力的改變量可高達-15Wm-2。Lietal.(2004)指出西非地區因不同氣膠粒子而造成氣膠的輻射驅動力有季節性的變化，而西非地區在不同季節有不同的盛行風，因此和氣膠的來源地區有關。Prosperoetal.(2002)指出西非地區因靠近撒哈拉沙漠，長時間遭受較大顆粒的氣膠侵襲，當此地區氣流來自大西洋時，會遭受到較小顆粒的氣膠侵襲。一般來說，沙塵的粒徑範圍約0.1微米到10微米(Tegen&Lacis,1996)，吸收特性會隨著波長變短而增強，其光學特性也會隨著沙塵來源地區而不同，撒哈拉沙漠的沙塵粒子主要成分為矽(Silica)，約占60%左右，其餘成分包含了氧化鋁(Al2O2)、氧化鐵(Al2Fe3)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)與氧化鉀(K2O)等(Chudnovskyetal.,2009)。Wangeretal.(2009)在2006年觀測到撒哈拉沙漠沙塵的折射指數虛部約為0.004(440nm)、0.003(670nm)、0.002(870nm)，並和其他觀測資料比對只有些微的差異。Kaufmanetal.(2001)在1999年西非的CapeVerde測站觀測到沙塵的平均單次散射反照率為0.90(440nm)、0.93(670nm)、0.94(870nm)；Cattralletal.(2003)在靠近西非的東大西洋地區反演沙塵的單次散射反照率約為0.91(440nm)、0.95(670nm)、0.96(870nm)，這兩組所觀測到沙塵的吸收特性很接近，表示來自同一地區的沙塵粒子，其光學特性不會有太大的差異。2.資料來源及處理本篇研究針