冯亚丽
四川省广元市广元盘龙机场
摘要：本文利用在国家风云卫星网站上下载的2010年至2014年5年间北京地区的陆上气溶胶和云光学厚度月产品的分析研究，而后利用ENVI所出的相应云图做分析佐证，并通过将利用VIRR反演的全球云光学厚度与550nm气溶胶光学厚度相比较和将FY-3A的AOD与MODIS的AOD相比较来验证FY-3A下的AOD的误差。主要得到以下结论：根据对五年的北京地区550nm气溶胶光学厚度值曲线图的分析，AOD在夏季（6、7月）达到最大值，在冬季（11、12、1月）达到最小值，并简约的分析了原因。从两种曲线图和比例图可以看出，北京地区AOD与COT的变化趋势是一致的，有正相关的关系，证明了FY-3A的基本准确性。而根据把FY-3A的550nmAOD与MODIS相关的AOD相比较得出FY-3A存在了一些误差，并对产生的误差做了一些分析。
关键词：气溶胶光学厚度；云光学厚度；FY-3A；MERSI；VIRR
1软件说明
1.1 HDF文件
1.1.1 HDF简介
HDF--一种可以拿来储存和发放科学数据的多对象与自我描述的文件格式。HDF 是经由美国国家超级计算应用中心所创建的，用以实现对各种类型科学家在各种相异的工程项目领域所需要的满足。HDF 主要特征是：通用性、自述性、扩展性、灵活性、跨平台性。
HDF 是存储科学数据的容器，它能够存储图像、表格、多维数组等，强调存储和I/O 效率。HDF 在国际产业界和科学界中得到了广泛的支持。
1.1.2 FY-3A 卫星数据文件中使用的HDF 对象
1）文件（全局）属性
文件属性又称全局属性。HDF 除了详尽的描述每个科学数据对象SDS的特征外，也会在总体上描述文件的内容。FY-3A数据文件（全局）属性记录了扫描时间、扫描线数、轨道参数和仪器状态等信息。
2）科学数据集（SDS）
在科学数据集中会保存的是探测数据、定位数据、定标数据等信息。科学数据集还拥有一些属性参数，可以对数据对象来进行自我描述。
1.2 HDFVIEW软件
HDFVIEW 是被设计成一个视觉的实用程序，它可以用于浏览和编辑HDF4和 HDF5文件，它有树结构、视图文件结构，能够创建新的文件,可以增添或删除数据集和组，还能够查看和修改数据集的内容，添加、修改和删除属性，能够代替I / O和GUI组件，列如图像、表视图和元数据视图。
HDFVIEW 提供了一个完整的工作区的分布。用户可以得到三种主要的面板，它会提供所有所需了解文件的内容。使 HDF 格式的图像和`树` 小组提供的数据集。用户能够查看其数组、群体、链接和致力于数据类型。
1.3 ENVI软件
ENVI--完整的遥感图像处理平台，它是由遥感领域的科学家们采用交互式数据语言IDL来开发的一套功能强大的遥感图像处理软件。它能够快速、准确、便捷的从影像中提取信息，在这方面，它是首屈一指的软件解决方案。今天，有许多的影像分析师和科学家们选择用ENVI来从遥感影像中提取信息。ENVI已经广泛应用于科研、气象、石油矿产勘探、环境保护、农业、林业、国防&安全、医学、地球科学、遥感工程、公用设施管理、水利、海洋、城市与区域规划和测绘勘察等领域。本次的研究就是用ENVI来对卫星云图做处理。
2地区概况
2.1 地理与气候
所选北京作为主要研究区域，北京的地理位置为115.7°E-117.4°E，39.4°N-41.6°N。北京地区位于华北平原的北部，背靠燕山，上靠辽东半岛，下临山东半岛，毗邻渤海湾，与天津市相邻，并与天津市一起被河北省所环绕。
北京为典型的北温带半湿润大陆性季风型气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，春、秋短促。全年的无霜期为180～200天，西部山区时间较短。2007年平均降雨量为483.9毫米，成为华北地区降雨最多的地区之一。降水的季节分配很不均匀，全年降水的80%都是集中在夏季6、7、8三个月，7、8月份有大雨。
2.2选择北京的原因
北京近年来雾霾天气频发，其原因是北京地区属于人口最为密集的地区之一，并由于人口的增长，导致了机动车辆迅速的增长。而雾霾有六个重要的来源，分别是土壤尘、生物质燃烧、燃煤、垃圾焚烧、与汽车尾气，二次无机气溶胶和工业污染。而雾霾与气溶胶有着千丝万缕的联系，所以也可以根据此观点入手来研究北京地区的气溶胶。且北京地区是全国人类活动强度最大的区域之一，是研究人类活动的环境效应的最理想的区域之一。
3数据处理流程
3.1 用HDFVIEW处理HDF的文件
上文中提到我们从卫星数据中心所得到的陆上气溶胶与云光学厚度月产品的文件为HDF5类型，首先我们要用HDFVIEW软件将它打开并做分析，
这个HDF5文件是包括全球范围的数据包，他所用的是圆柱投影，从30°W经线处划开，形成一个3600×7200的格点形式，如下表所示，左上顶点经纬度坐标为（30°W，90°N），左下低点经纬度坐标为（30°W,90°S），右上顶点经纬度坐标为（30°W，90°N），右下低点经纬度坐标为（30°W,90°S）。xx表示每个格点所表示的参数的数值。
本次研究根据北京地区的经纬度范围，计算出它的格点范围为（979~1015,2905~2946）然后选出一个合适的范围如下图图1所示。
由图1可以得到，我们选取的范围是（984~990，2942~2946），共35个网格，然后计算出这个范围内数值的平均值。当然，得到的数据要通过上文中提到的公式转换出来才是我们需要的结果，然后将结果计入excel表格中。
3.2 用EXCEL对数据的处理
将excel表格中的数据整理好后，通过一些简单的操作我们就可以得到一个如下图图2所示的曲线图。
根据图2，我们就可以来分别做陆上气溶胶与云光学厚度以及两者间关系的分析。
3.3 用ENVI来做图形的处理
根据上面所分析的结果，将需要更深层次分析的某段时期内的卫星云图掩膜mask北京地区的，然后再着重分析。所得到的效果图如下图图3所示。
由图5可以得到，从上文所说我们可以知道在2010年6月是该年AOD最大值所在月份而2010年10月是该年AOD最小值所在月份，对比图4和图5可以看到，图4北京地区的白色区域所占面积很大且颜色较白，而图5中北京地区的白色区域所占面积就较小且颜色不是特别的浅，跟上文所描述的情况相符合。
4.1.3 误差的分析
当然，数据的处理总会有误差的存在，我们这里研究的FY-3A陆上气溶胶产品也存在着较多的误差。
总的看来，气溶胶产品误差来源有4 个方面,分别是:观测数据误差,地表反射率估计误差,用于反演的卫星视场残留云的影响,气溶胶模式设定误差(相函数和单次散射反照率) 。实际观测值误差是由于以下2 个因素: ① 星载仪器的观测误差,观测误差总是存在的,只不过好的卫星定标过程可以减小观测差,FY-3A在方面还要有待改进②云检测误差，卫星观测的要求是晴空像元,当像元被薄云或部分云覆盖,难以被判识为云像元排除在反演过程之外时,云的消光作用就会被认为是气溶胶的消光作用引入卫星实际观测值,反演计算时就会被当做气溶胶消光作用处理,从而造成高估气溶胶光学厚度,这类误差可以通过提高云检测能力来减小影响，这也是为什么我们很少选用成都地区来做研究的原因，因为成都地区常年多云，这对气溶胶的探测和反演产品的精度造成了很大的影响。
4.2 云光学厚度
每一年中云光学厚度的最大值均出现在夏季6、7、8月不等，在冬季会达到全年的最小值且一般会出现零值。从这里我们大约就可以看出云光学厚度与550nm气溶胶光学厚度的变化趋势是呈正相关的，下面我们来更详细的说明。
4.3 两种数据的比较
4.3.1数据的比较
得到的数值除了个别特别大的有误差的点，其余的点均在0.05这条线的周围浮动，我们从这里可以初步得出550nm气溶胶光学厚度值与云光学厚度的值是呈正相关的关系，进一步的说明气溶胶光学厚度与云的光学厚度在一定的条件下是可以相互转化的。
4.3.2 数据比较的原因
至于我们为什么要将550nm气溶胶光学厚度值与云光学厚度的值来进行比较是因为我们在研究FY-3A卫星的550nm气溶胶光学厚度值时对它的准确度不能很好的掌握，我们知道在已知的结论中得知云光学厚度值与气溶胶光学厚度值应该是正相关的关系才对。所以我们进行这一步的操作就是为了进一步说明FY-3A气象卫星对陆上气溶胶的观测的准确性和我们研究的有效性。
在这里我们初步得到的结果是FY-3A气象卫星对陆上气溶胶的观测的基本准确性还是有的，下面我们会接着更深一步的检验FY-3A气象卫星对陆上气溶胶的观测的准确性。
4.4 FY-3A的MERSI与MODIS 550nm气溶胶光学厚度观测的比较
正如上文所提到的，MODIS所得到的卫星遥感产品的准确度是得到国际认可的，所以本文为了研究FY-3A的遥感产品的准确率，特抽取了2010年的样本来将MODIS与FY-3A的遥感产品做一个比较。
在MODIS的那张曲线图中可以看出550nm云光学厚度值的大致趋势是跟FY-3A的相同的。在MODIS的图中可以看到北京地区550nm气溶胶光学厚度依然是在夏季达到最大值，在冬季达到最小值。但是相对于FY-3A来说MODIS的春季550nm气溶胶光学厚度的值会比FY-3A的略微高点，这是其中一点的差异。另外一点差异是在MODIS中550nm云光学厚度的值较FY-3A的550nm气溶胶光学厚度值来说整体高一大部分，FY-3A的550nm气溶胶光学厚度的值整体处于0.1~0.5这个区间，而MODIS的550nm气溶胶光学厚度的值却是处于0.5~2这个范围内，就拿FY-3A夏季达到最大值来说，曲线图上显示的550nm云光学厚度的值为0.5，而MODIS的曲线图上夏季550nm气溶胶光学厚度的值却是将近2，最低值却是0.5。这样看来这个数据的差异不可谓是不大埃
根据资料显示，在MODIS下的平均AOD﹥0.5时定义为高值，而根据我们在所选的研究地北京地区这几年的各种工业、人口、环境等发展趋势来看北京地区的AOD应该只高不低，所以在测量AOD的值的准确度上FY-3A的误差还是略高的。
所以综上可以得出FY-3A气象卫星所测得550nm气溶胶光学厚度值的大体准确率还是可信的，但也存在着一些较明显的误差。
参考文献：
[1]书籍《新一代风云极轨气象卫星业务产品及应用》作者：杨军，董超华等著
[2]杨军, 董超华,卢乃锰,杨忠东,施进明,张鹏,刘玉洁,蔡斌.中国新一代极轨气象卫星---风云三号.气象学报, 0577-6619/ 2009/ 67(4)-0501-09
4数据分析
4.1 550nm气溶胶光学厚度
4.1.1 数据的分析
每一年中550nm气溶胶光学厚度的最大值（0.3-0.5）均出现在夏季6、7月不等，春季会稍小一些，秋冬季节会达到全年的最小值且可以看出几乎每一年的冬季11,12月份数据都在缺剩
4.1.2 ENVI处理下的分析
为了佐证我上面说的讯息的准确性，下面我再将2010年几个典型的月份ENVI处理的图拿出来分析研究一番。如下图图4，图5所示。
论文作者:冯亚丽
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：气溶胶论文; 厚度论文; 光学论文; 北京地区论文; 数据论文; 误差论文; 遥感论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;