大气气溶胶光学厚度（AOD）反演一直是地球卫星观测的一项挑战，主要是由于陆-气耦合的综合影响导致地表反射率难以准确估算。目前，多数卫星AOD产品在复杂地表过程下空间分辨率较低，而多角度传感器能够以不同的视角进行地面观测，为获取更全面、更详细的遥感信息提供了重要的技术手段。尽管当前AOD反演的精度一直在提高，但考虑到更复杂的影响，陆域AOD的反演仍有很大改进空间。高精度AOD数据产品不仅对空气污染的日常监测至关重要，而且对研究陆地与大气之间的水热交换也十分关键。中心陈海山教授课题组陈丽娟博士后及其合作者探讨了先前估算的MISR AOD值偏高的原因（Chen et al., 2021），并通过建立误差修正模型反演并获得了更高精度的AOD（Chen et al., 2024）。这项研究将有助于进一步提高大尺度和长时间序列多角度AOD遥感反演的精度，相关成果发表在欧洲地球科学联合会（EGU）旗下国际期刊Atmospheric Measurement Techniques。
1 先前算法存在问题及AOD反演算法改进研究
大气校正可以消除云层和气溶胶的影响，获得真实的地表反射率。为了探索从9个MISR角度反演AOD值偏高的原因，研究比较了地面观测站点对应位置MISR地表反射率和大气校正反射率（图1），发现MISR地表反射率低于大气校正反射率；与AERONET观测的AOD相比，改进前反演的MISR AOD值明显偏高。因此，有必要建立误差修正模型以提高MISR地表反射率，从而提升MISR AOD的反演精度。为建立地表反射率修正模型，研究通过设计新方案获得了改进的MISR地表反射率并进行AOD反演（图2）。
图1 MISR蓝波段地表反射率和大气校正反射率的比较
图2 改进MISR AOD反演算法流程
2 改进的MISR AOD反演结果及分析
研究利用改进的地表反射率反演得到2016-2018年的MISR AOD结果。从2018年6月12日MISR传感器9个相机观测角度的反演结果AOD的空间分布来看（图3），整体空间分布趋势与改进前的结果基本一致（Chen et al.，2021），但数值大小存在差异。东北部和南部的AOD数值在0.5至1之间，表明这些地区的空气质量较差。中部地区，Da、Ca、Cf和Df相机观测角度反演的AOD值大多在0至0.25之间。表明中部地区的空气质量总体良好，部分地区的空气污染程度较轻。山东南部和江苏北部的AOD值较高，这可能与当地人类活动导致的气溶胶排放增加有关。
图3 2018年6月12日改进MISR AOD反演结果
3 改进的MISR AOD数据集验证
与AERONET地面观测AOD的比较验证表明，所反演的AOD与站点观测结果的一致性较好，并且在An观测角度获得了最佳的反演结果（Taihu: R=0.84, RMB=0.52; Xuzhou-CUMT: R=0.85, RMB=0.47）。新算法得到的最优角度AOD相比MODIS AOD产品具有更少的缺失像素和更高的空间分辨率（图4）。与MODIS AOD产品的验证结果显示，改进算法得到的最优角度AOD与MODIS AOD产品具有高相关性（图5）。
图4 2018年6月12日MODIS AOD产品空间分布特征
图5 MODIS AOD 550 nm波段和MISR An AOD在站点对应位置的验证结果
论文信息：
Chen, L., Wang, R., Fei, Y., Fang, P., Zha, Y., Chen H.* (2024). Multi-angle aerosol optical depth retrieval method based on improved surface reflectance. Atmospheric Measurement Techniques. doi: 10.5194/amt-2023-204.
Chen, L., Wang, R., Han, J., Zha, Y.* (2021). Influence of observation angle change on satellite retrieval of aerosol optical depth. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 73(1), 1–14. doi：10.1080/16000889.2021.1940758.