結合衛星與地面觀測氣膠輻射參數在東南亞地區氣膠種類辨識之應用

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蔡顓宜(Chung-yi Tsai) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學研究所

論文名稱

結合衛星與地面觀測氣膠輻射參數在東南亞地區氣膠種類辨識之應用
(Discrimination of aerosol types with aerosol optical parameters provided by satellite and ground truth data)

相關論文

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摘要(中)

本研究旨在利用MODIS衛星酬載與太陽光度計於2002-2008年間所觀測之氣膠輻射參數，對東南亞地區常見的氣膠種類進行辨識，研究範圍內的空氣污染源主要來自於沙塵暴、生質燃燒與人為污染。藉由收集並分析各AERONET測站所觀測的資料，發現粒徑較大的沙塵氣膠其A ̇ngstro ̈m exponent的觀測值(0.055)遠小於煙塵與都會氣膠，可用於沙塵氣膠之辨識。而在單次散射反照率方面，煙塵氣膠則具有最小值(0.91)，相較於沙塵氣膠與都會氣膠，煙塵氣膠具有較強的吸收能力。因此，結合A ̇ngstro ̈m exponent和單次散射反照率可用來辨識出沙塵、煙塵和都市人為污染等氣膠種類。
然而MODIS的氣膠產品卻不能在低反射率地區完整地提供單次散射反照率參數，故本研究將藉由探討輻射參數間之相關性，估算研究區域的單次散射反照率或散射相位函數。由研究結果顯示，散射角介於8~15度與53~97度之間可用A ̇ngstro ̈m exponent來擬合散射相位函數。因此，本研究進一步分析在特定散射角度的相位函數應用於氣膠種類之辨識，並探討由相位函數值來辨別煙塵氣膠與都會氣膠的可行性。由統計的結果顯示在散射角在8-15間，都會氣膠的相位函數值高於煙塵氣膠，而在50-90度之間則反之。根據此一特性即可透過衛星觀測資料應用於煙塵氣膠與都會氣膠之辨識。

摘要(英)

The purpose of this study is to discriminate different types of aerosol over Southeast Asia by the data from MODIS instrument and AERONET during the year of 2002 to 2008. Particles of dust, smoke and pollutants(anthropogenic) are selected as the target types of aerosol in this study.
Base on the measurement of AERONET station during the occurrence of dust storm and biomass burning, the Ångström exponent (AE) of dust is about 0.054 which is smaller than smoke and man-made pollutants, indicating the radius of dust is the biggest among the three. With the strong absorption characteristic of smoke, the Single scattering albedo (SSA) of smoke (0.91) is the smallest of these types. Therefore, it is appropriate to use AE and SSA for the discrimination of aerosol types. However the SSA cannot be provided by MODIS in low-reflectivity regions, thus this study will explore the relationship between these aerosol parameters to retrieve SSA and phase function.
According to the linear relationship with AE, the phase function can be calculated by AE in specific scattering angle (e.q., 8-15 degrees and 53-97 degrees). Therefore, the discrimination of aerosol types by phase function will be analyzed in this study, and to explore the feasibility of using phase function to recognize smoke and man-made pollutants. The results show that the phase function of man-pollutants is bigger than smoke’s from 8-15 degrees, and smaller than smoke’s from 50-90 degrees. According to the result, it is appropriate to apply the phase function retrieved by MODIS for the discrimination between smoke and man-made pollutants.

關鍵字(中)

★ 單次散射反照率
★ 散射相位函數
★ 生質燃燒
★ 沙塵暴

關鍵字(英)

★ Phase function
★ AERONET
★ MODIS
★ SSA

論文目次

目錄
摘要 ................................................ I
目錄 ................................................Ⅵ
表目錄 ..............................................Ⅷ
圖目錄 ..............................................Ⅸ
第一章前言 ............................................1
1.1 研究動機 .......................................1
1.2 研究目的 .......................................4
第二章文獻回顧 ........................................5
2.1 氣膠對大氣輻射的影響 ...........................5
2.2 氣膠輻射特性 ...................................6
2.3 亞洲沙塵暴 .....................................8
2.4 東南亞生質燃燒 .................................9
2.5 都市空氣污染 ..................................10
第三章研究方法 .......................................12
3.1 氣膠輻射參數 ..................................12
3.1.1 氣膠光學厚度 ..............................12
3.1.2 Ångstöm exponent ..........................13
3.1.3 單次散射反照率 ............................14
3.1.4 散射相位函數 ..............................16
3.2 輻射傳遞方程式 ................................18
3.3 研究架構 ......................................20
第四章資料收集與處理 .................................22
4.1 資料收集 ......................................22
4.2 觀測儀器與資料簡介 ............................24
4.2.1 太陽光度計 ................................24
4.2.2 MODIS感測器 ...............................25
第五章結果與討論 .....................................28
5.1 亞洲地區各種類氣膠的輻射特性 ..................28
5.1.1 AERONET觀測之氣膠輻射參數 .................28
5.1.2 MODIS反演之氣膠輻射參數 ...................33
5.2 氣膠輻射參數間相關性的探討 ....................35
5.2.1 單次散射反照率與氣膠光學厚度之關係 ........35
5.2.2 散射相位函數與Ångstöm exponent之關係 .....37
5.3 氣膠種類之散射相位函數 ........................40
5.4 個案分析 ......................................44
5.4.1 個案分析Ⅰ ................................44
5.4.2 個案分析Ⅱ ................................47
第六章結論與未來展望 .................................50
6.1 結論 ..........................................50
6.2 未來展望 ......................................53
參考文獻 ...............................................54
表目錄
表5.1 2002至2008年各測站在不同種類氣膠影響期間及不同氣膠
輻射厚下所收集的資料點，這些測站分別為(a) Dalanzagad
(受沙塵影響)，(b) Pimai(受煙塵影響) (c) Mukdahan(受
煙塵影響，(d)Beijing(受人為污染物影響)。 ..........59
表5.2 各測站資料所統計出的氣膠輻射參數值。(a)Dalanzagad站，
(b)Pimai站，(c)Mukdahan站，(d)Beijing站，(e)各種類
氣膠的輻射特性之比較。.............................62
表5.3 由MODIS資料所統計的各種類氣膠的輻射特性。.........64
表5.4 各模式對SSA_675nm與AOD_675nm擬合的結果。.............65
表5.5 各模式對SSA_675nm與AOD_500nm-AOD_675擬合的結果。....65
表5.6 利用AOD_500nm-AOD_675與模式ω=a+b∙e^(-∆τ)求取生質燃
燒地區與都市地區的SSA_675nm。.......................66
表5.7 各測站於氣膠事件發生的期間內有提供散射相位函數的時間
點與相對應的氣膠輻射厚度與A ̇ngstro ̈m exponent值。(a)沙
塵暴案例，(b)生質燃燒案例，(c)都市空氣汙染案例。...67
圖目錄
圖1.1 受沙塵暴侵襲的北京紫禁城。.........................70
圖1.2 位於柬埔寨境內的生質燃燒。.........................70
圖2.1 輻射收支平衡示意圖。...............................71
圖2.2 雷氏與米氏散射示意圖。.............................71
圖2.3 各因子的輻射驅動力。...............................72
圖2.4 2000/3/25 – 4/1 氣流軌跡後推5日。.................73
圖2.5 1993 ~ 2002年沙塵暴發生的機率，實線所圍的區域為東亞
最可能出現沙塵暴的區域。..........................73
圖2.6 MODIS衛星觀測2001年4月平均大氣光學厚度之結果。...74
圖3.1 衛星在可見光/近紅外波段所觀測地表的輻射量包括大氣的
貢獻、目標區及其周圍環境之反射量等三項的示意簡圖。
.................................................74
圖3.2 研究架構圖。......................................75
圖4.1 中國與中南半島為本實驗的研究區域。................76
圖4.2 本研究中挑選於中國北方的AERONET測站位置圖。......77
圖4.3 本研究中挑選於泰國境內的AERONET測站位置圖。......77
圖4.4 本研究中挑選於中國東南沿海的AERONET測站位置圖。..78
圖4.5 SunphotometerCE318-N之外觀，地點為國立中央大學大氣科
學系測候站。 .....................................79
圖4.6 AERONET全球觀測網之觀測點分佈情形。..............79
圖4.7 MODIS搭載於Aqua衛星時所呈現的相對位置。..........80
圖4.8 MODIS酬載的結構圖。 ..............................80
圖4.9 MODIS大氣資料處理流程和產品。....................81
圖5.1 2006年4月7日03:55 UTC發生於中國東北的沙塵暴衛星影
像。.............................................82
圖5.2 XingHe站於2006年4月7日所觀測之資料，(a) AOD值，
(b) Ångström exponent值。........................83
圖5.3 2004年3月25日07:05 UTC發生於中南半島的煙塵暴影像。
.................................................84
圖5.4 Mukdahan站2006年3月25日所觀測之資料，(a) AOD值，
(b) Ångström exponent值。........................85
圖5.5 Beijing站2006年8月4日所觀測之資料，(a) AOD值，(b)
Ångström exponent值。............................86
圖5.6 2004年3月10日04:35 UTC發生於中國東北的沙塵暴影像。
.................................................87
圖5.7 2004年3月10日04:35 UTC中國東北的MODIS資料分佈圖
(紅框內為受沙塵暴影響的範圍)，(a) AOD_550nm分佈圖
(b)A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm) 分佈圖，(c)SSA_675nm
分佈圖。.........................................90
圖5.8 (a)SSA_500nm與A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)的關係圖，
(b) SSA_500nm與AOD_500nm的關係圖，(c) AOD_500nm與
A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)的關係圖。..............91
圖5.9 XingHe站、Mukdahan站和Hong Kong Tsui站於各月份的
資料點數，(a) XingHe站於2005年所提供的資料，(b)
Mukdahan站於2005年所提供的資料，(c) Hong Kong Tsui
站於2008年至2009年間所提供的資料。..............93
圖5.10 由XingHe站、Mukdahan站和Hong Kong Tsui站所收集的
資料點其在A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)值上的分佈。..94
圖5.11 A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)介於1.266~1.456之間的資料
，其SSA_675nm與AOD_500nm的關係圖。.................94
圖5.12 SSA_675nm與AOD差值的關係圖，(a) SSA_675nm與AOD440nm-
AOD500nm的關係圖，(b)SSA_675nm與AOD440nm-AOD675nm的關係
圖，(c) SSA_675nm與AOD500nm-AOD675nm的關係圖。........96
圖5.13 在散射角為60°的情況下，A ̇ngstro ̈m exponent與極化散射
相位函數之間的關係圖。..........................96
圖5.14 不同散射角度下，A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)與散射相位
函數PFN_675nm的關係圖。..........................99
圖5.15 甲、乙兩組於各月份所提供的資料點數，(a)甲組: XingHe
站(2005年)與Dalanzagad站(2007年)，(b)乙組: Mukdah-
an站(2005) 與Hong Kong Tsui(2008-2009)。.......100
圖5.16 Dalanzagad站與XingHe站所觀測的散射相位函數PFN_675nm
在不同的散射角度下與A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)之間的
關係。............................................103
圖5.17 Mukdahan站與Hong Kong Tsui站所觀測的散射相位函數
PFN_675nm在不同的散射角度下與A ̇ngstro ̈m exponent(440-
675nm) 之間的關係。.............................106
圖5.18 Dalanzagad站與XingHe站所觀測的散射相位函PFN_675nm
與A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)散佈圖及其相關程度，(a)
散射角為8.39度，(b)散射角為10.63度。.............107
圖5.18 Mukdahan站與Hong Kong 站所觀測的散射相位函PFN_675nm
與A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)散佈圖及其相關程度，(a)
散射角為8.39度，(b)散射角為10.63度。.............108
圖5.20 各沙塵案例中，PFN_675nm隨散射角變化圖，(a)0-5度，
(b)3-10度，(c)9-20度，(d)20-60度，(e)60-120度，
(f)120-180度。...................................111
圖5.21 各煙塵案例中，PFN_675nm隨散射角變化圖，(a)0-10度，
(b)6-10度，(c)10-60度，(d)60-120度，(e)120-180度。
................................................114
圖5.22 各人為污染案例中，PFN_675nm隨散射角變化圖，(a)0-10度
，(b)8-20度，(c)20-80度，(d)80-120度，(e)120-180度。
................................................117
圖5.23 不同種類氣膠其PFN_675nm(案例平均)隨散射角變化圖，
(a)0-10度，(b)8-24度，(c)18-40度，(d)40-90度
(e)90-180度。....................................120
圖5.24 生質燃燒案例與都市汙染案例其PFN_675nm(案例平均)隨散
射角變化圖，(a)0-20度，(b)20-40度，(c)40-60度，
(d)60-120度，(e)120-180度。....................123
圖5.25 生質燃燒案例(綠色點)與都市汙染案例(紅色點)在散射角度
介於53.11-97.83度內隨散射角變化圖，(a)散射角度介於
8.39-15.1度，(b)散射角度介於50-90度。..........124
圖5.26 2005年4月28日03:10UTC 發生於中國東北的沙塵暴案例
。.............................................125
圖5.27 2004年3月24日06:20UTC 發生於中南半島西北邊的生質
燃燒案例。......................................126
圖5.28 2004年7月8日05:20UTC 於中國東南沿海地區的高濃度
氣膠案例。.....................................127
圖5.29 南亞煙塵案例與中國東北沙塵案例的AOD_550nm分佈圖。
...............................................128
圖5.30 中國東南沿海都市空氣汙染案例的AOD_550nm分佈圖。..129
圖5.31 煙塵案例與沙塵案例的A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)分佈
圖。...........................................130
圖5.32 都市空氣汙染案例的A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)分佈圖。
...............................................131
圖5.33 散射角為8.39度時都市空氣汙染案例與煙塵案例的散射相
位函數(PFN_675nm)分佈圖。........................132
圖5.34 散射角為10.6度時都市空氣汙染案例與煙塵案例的散射相
位函數(PFN_675nm)分佈圖。........................133
圖5.35 2006年4月7日05:35UTC 發生於中國東北的沙塵暴案例。
................................................134
圖5.36 2005年3月30日06:50UTC 發生於中南半島西北邊的生質
燃燒案例。......................................135
圖5.37 2004年8月15日02:10UTC 於中國東南沿海地區的高濃度
氣膠案例。 ...................................136
圖5.38 2004年8月15日都市空氣污染案例中，氣膠濃度較高的區
域。...........................................137
圖5.39 南亞煙塵案例與中國東北沙塵案例的AOD_550nm分佈圖。
...............................................138
圖5.40 中國東南沿海都市空氣汙染案例的AOD_550nm分佈圖。
...............................................139
圖5.41 煙塵案例與沙塵案例的A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)分佈。
................................................140
圖5.42 都市空氣汙染案例的A ̇ngstro ̈m exponent_(440-670nm)分佈圖。
...............................................141
圖5.43 散射角為8.39度時都市空氣汙染案例與煙塵案例的散射相
位函數(PFN_675nm)分佈圖。........................142
圖5.44 散射角為10.6度時都市空氣汙染案例與煙塵案例的散射相
位函數(PFN_675nm)分佈圖。........................143

參考文獻

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指導教授

林唐煌(Tang-huang Lin)

審核日期

2010-7-30

推文