台灣地區衛星觀測及地面觀測之懸浮微粒光學特性

摘要 IPCC 2001報告中提出懸浮微粒影響地球輻射收支影響甚鉅，但由於懸浮微粒的觀測資料缺乏，科學家對懸浮微粒的瞭解仍有限。1999年起NASA EOS計劃Terra衛星所攜帶的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）提供高解析度的全球懸浮微粒遙測光學物理特性資料。Chu et al.,(2002)比對MODIS所觀測的AOD(Aerosol Optical Depth)和NASA的AERONET(Aerosol Robotic Network) 地面CIMEL Sunphotometer的AOD觀測資料，發現歐美內陸地區可高...

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Bibliographic Details
Main Authors: 陳詠昌, Chen, Yung-Chang
Other Authors: 林博雄, 臺灣大學：大氣科學研究所
Format: Thesis
Language:Chinese
English
Published: 2004
Subjects:
懸浮微粒光學厚度
懸浮微粒
光學厚度計
Aerosol
CIMEL Sunphotometer
MODIS
AERONET
Aerosol Optical Depth
Aerosol Robotic Network
Online Access:http://ntur.lib.ntu.edu.tw/handle/246246/49967
http://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/49967/1/ntu-93-R90229020-1.pdf
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陳詠昌
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description 摘要 IPCC 2001報告中提出懸浮微粒影響地球輻射收支影響甚鉅，但由於懸浮微粒的觀測資料缺乏，科學家對懸浮微粒的瞭解仍有限。1999年起NASA EOS計劃Terra衛星所攜帶的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）提供高解析度的全球懸浮微粒遙測光學物理特性資料。Chu et al.,(2002)比對MODIS所觀測的AOD(Aerosol Optical Depth)和NASA的AERONET(Aerosol Robotic Network) 地面CIMEL Sunphotometer的AOD觀測資料，發現歐美內陸地區可高達0.9的相關性，但在沿海地區相關性則降到0.68~0.90不等。 本研究利用台灣地區地面AERONET觀測網(台北氣象局，中壢遙測中心和台南成奶j學)和MODIS level-2 (10km解析度)觀測反演的AOD資料，分析台灣地區AOD的統計特性，然後比對兩者來探討MODIS AOD資料用以監測台灣地區AOD時空分佈的可用性。四個測站(台北、中壢、台南和蘭嶼)地面觀測AOD 440nm平均值分別為0.69、0.57、0.77和0.42，在春季期間AOD 440nm平均值分別提高為0.76、0.72、0.85和0.44；四個測站衛星觀測AOD550nm平均值分別為0.29、0.30、0.48和0.20。地面與衛星AOD相關性分析結果，顯示與先前歐美等地的研究相近，台北地區兩者比對相關係數為0.68，中壢地區比對相關係數為0.79，台南地區比對相關係數為0.63。經由環保署新莊超級測站資料，推算台北地區的Single Scattering Albedo(ω0(λ))為0.86 ~ 0.89之間。MODIS反演AOD的模式中設定ω0(λ)為0.96，若將ω0(λ)調低，才能提高兩者相關程度。 本文也進一步探討MODIS觀測的AOD值和環保署地面測站的PM10資料的相關程度，並經由個案分析討論MODIS AOD550nm與EPA PM10相關起伏的個案特徵；MODIS AOD550nm與EPA PM10比對結果，顯示兩者相關係數都是偏低。台北和中壢兩個測站的相關係數並未通過95%信賴區間檢定，僅有台南及所有測站加總資料的相關係數才得以通過95%信賴區間檢定。 選取討論的個案為2002年4月8日(落在迴歸線95%信賴區間內的資料組)、3月11日(MODIS AOD550nm資料偏高、PM10偏低資料組)和2001年3月4日(PM10資料偏高、MODIS AOD550nm偏低資料組)。2002年4月8日個案特徵為(1)當日的空氣塊必須來自於污染比較少的地方；(2)當日地表的PM10並沒有急遽的變化，而且地面PM10濃度趨於平穩狀態，並未達到EPA空氣污染事件的標準。2002年3月11日個案兩種資料相關性不佳的原因，可能為高空中的大氣含有較多的污染物，所以即使低層的污染物濃度較低，但因為整層大氣中所含的污染物濃度均很高，所以地表觀測到的PM10不能完全反應整層大氣的污染物濃度。2001年3月4日個案為沙塵暴個案，MODIS對於台灣各地污染物濃度掌握良好，但惟獨在中壢站與PM10的比對結果不佳，其特徵無法自天氣圖資料與氣流軌跡分析中釐清。 目錄 摘要 致謝 目錄 I 表目錄 VI 圖目錄 VIII 第一章 前言 12 1.1 懸浮微粒與全球變遷 12 1.2 懸浮微粒衛星遙測研究回顧 14 1.2.1 海面觀測 15 1.2.2 陸上觀測 17 1.3 懸浮微粒地面遙測研究回顧 19 1.3.1 全球地面觀測 19 1.3.2 台灣地區地面觀測 20 1.4 研究動機與論文架構 22 第二章 觀測儀器與資料特性 37 2.1 MODIS儀器及其觀測反演資料之特性 38 2.2 CIMEL儀器及其觀測資料之特性 40 2.3 地面懸浮微粒濃度觀測儀器及其觀測資料之特性 43 第三章 資料分析與診斷 54 3.1 MODIS衛星觀測與CIMEL地面觀測光學特性資料分析 55 3.1.1 MODIS衛星觀測與CIMEL地面觀測懸浮微粒光學厚度資料統計分析 55 3.1.2 CIMEL地面觀測反演ㄧ禤ぎ峟p分析 59 3.2 懸浮微粒光學厚度地面與衛星觀測結果之比對 61 3.3 地面懸浮微粒濃度觀測資料與衛星懸浮微粒光學厚度資料比對 63 3.3.1 環保暑PM10與衛星懸浮微粒光學厚度資料之比對 63 3.3.2 中央研究院PM2.5與衛星懸浮微粒光學厚度資料之比對 65 第四章 個案分析與討論 84 4.1 懸浮微粒光學厚度與地面懸浮微粒濃度相關性良好之案例探討 85 4.2 懸浮微粒光學厚度與地面懸浮微粒濃度相關性不佳之案例探討 89 4.2.1 衛星觀測懸浮微粒光學厚度值偏高之案例 89 4.2.2 地面觀測懸浮微濃度值偏高之案例 93 第五章 總結與展望 114 參考文獻 120
author2 林博雄
臺灣大學：大氣科學研究所
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op_relation 參考文獻 [1] 林和駿, 2002: 春季台灣地區懸浮微粒之短波輻射效應, 台灣大學碩士論文。 [2] 陳奕良, 2001: 地面短波輻射之精確量測與其應用, 台灣大學碩士論文。. [3] Chan, Y. C., R, W. Simpson and P. D Vowles, 1997:Characterisation of chemical species in PM2.5 and PM10 Aerosol in Brisbane, Australia. Atmos. Environ., 31, 3773-3785. [4] Chou, M. D. and M. J., Suarez, 1999：A Solar Radiation Parameterization for Atmospheric Studies. NASA/TM-1999-104606, 15. [5] Chu, D. A., Y. J., Kaufman, C., Ichoku, L. A., Remer, D., Tanre’, and B. N., Holben, 2002: Validation of MODIS aerosol optical depth retrieval over land, Geophys. Res. Letters, 29, MOD 1-1,MOD 1-4 [6] Chu D. A. , Y. J., Kaufman, G., Zibordi , J. D., Chern, J., Mao
C., Li ;B. N., Holben , 2003：Global monitoring of air pollution over land from the Earth Observing System-Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), J. Geophys. Res. 108, D21, Nov 2003. DOI：10.1029/2002JD003179 [7] Dubovik, O., B. N., Holben, T.F., Eck, A., Smirnov, Y.J., Kaufman, M.D., King, D., Tanre, and I., Slutsker, 2002: Variability of absorption and optical properties of key aerosol types observed in worldwide locations, J.Atm.Sci., 59, 590-608 . [8] Gao, Y., Kaufman, Y.J., Tanre, D, et al., 2001:Seasonal distributions of aeolian iron fluxes to the global ocean, GEOPHYS RES LETT 28 (1): 29-32 JAN 1 [9] Holben B. N., Tanre D, Smirnov A, et al., 2001: An emerging ground-based aerosol climatology: Aerosol optical depth from AERONET , J GEOPHYS RES-ATMOS 106 (D11): 12067-12097 JUN 16 [10] Ichoku, C., D. A., Chu, S., Mattoo, and Y. .J., Kaufman 2002: A spatio-temporal approach for global validation and analysis of MODIS aerosol products, Geophys. Res. Letters, 29, MOD 1-1,MOD 1-4 [11] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 1992. Cambridge University Press [12] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2001. J. T. Houghton et al. Cambridge University Press [13] King, M., Y. J., Kaufman, D., Tanr'e and, T. Nakajima, 1999: Remote Sensing of Tropospheric aerosols from space: Past, Present and Future, Bull. Amer. Meteor. Soc., 80, page 2229-2259Kaufman, Y. J., Yoram, J.; Wald, Andrew, E.; Remer, Lorraine, A, Gao, Bo-Cai; Li, Rong-Rong, and Flynn, Luke, 1997︰The MODIS 2.1- mu m channelAcorrelation with visible reflectance for use in remote sensing of aerosol , IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, New York, NY. 35, no. 5, pp. 1286-1298. [15] Kaufman Y. J., Smirnov, A., Holben B. N., and et al.,2001: Baseline maritime aerosol: methodology to derive the optical thickness and scattering properties , GEOPHYS RES LETT 28 (17): 3251-3254 SEP 1. [16] Kaufman Y. J., D. Tanre’, B. N. Holben,and et al.,2002: Aerosol Radiative Impact on Spectral Solar Flux at the Surface, Derived from Principal-Plane Sky Measurements. J. Atm. Sci., 59, 635-646 Feb 1. [17] Li, C. C. , Mao, J. T. , Lau, KHA., Chen, J.C., Yuan, Z. B., Liu, X. Y., Zhu A. H.,and Liu, G.Q.,2003﹕Characteristics of distribution and seasonal variation of aerosol optical depth in eastern China with MODIS products，CHINESE SCIENCE BULLETIN 48 (22): 2488-2495 NOV. [18] Liang, S. L. , Fang, H. L. , Chen, M.,Z.,and et al.,2002: Validating MODIS land surface reflectance and albedo products: methods and preliminary results, REMOTE SENS ENVIRON 83 (1-2): 149-162 NOV [19] Mian Chin, Paul Ginoux, Stefan Kinne,and et al, 2002: Tropospheric Aerosol Optical Thickness from the GOCART Model and Comparisons with Satellite and Sun Photometer Measurements. J. Atm. Sci., 59, 461-483 Feb 1 [20] Miura T, Huete AR, Yoshioka H, et al.,2001: An error and sensitivity analysis of atmospheric resistant vegetation indices derived from dark target-based atmospheric correction, REMOTE SENS ENVIRON 78 (3): 284-298 DEC [21] Remer L. A., D. Tanre’, Y. J. Kaufman, C. Ichoku, S. Mattoo, R. Levy,D. A. Chu, B. Holben,O. Dubovik, A. Smirnov,5 J. V. Martins, R.-R. Li, and Z. Ahmad 2002: Validation of MODIS aerosol retrieval over ocean, Geophys. Res. Letters, 29, MOD 1-1,MOD 1-4 [22] Sokolik, I. N., D. M. Winker, GBergametti, D. A. Gillette, GCarmichael, Y. J.Kaufman, L. Gomes, L. Schuetz, and J. E. Penner, 2001:Introduction to specail section :Outstanding problems in quantifying the radiative impacts of mineral dust. J. Geophys. Res., 106, D16, 18015-18027 [23] Smirnov A., Bernt N. Holben, Yoram J. Kaufman, and et al,2002: Optical Properties of Atmospheric Aerosol in Maritime Environments. J. Atm. Sci., 59, 501-523 Feb 1 [24] Smirnov A., Holben BN., Dubovik O., N.T.O'Neill, et al.2002: Atmospheric Aerosol Optical Properties in the Persian Gulf. J. Atm. Sci., 59, 620-634 Feb 1 [25] Smirnov A., N.T.O'Neill, A.Royer, A.Tarussov, and B.McArthur, 1996: Aerosol optical depth over Canada and the link with synoptic air mass types, J.Geophys.Res., 101, 19 299-19 318. [26] Tanre D, Kaufman YJ, Holben BN,and et al.,2001 : Climatology of dust aerosol size distribution and optical properties derived from remotely sensed data in the solar spectrum , J GEOPHYS RES-ATMOS 106 (D16): 18205-18217 AUG 27 [27] Vermote E. F., El Saleous N. Z.,and Justice C.O., 2002: Atmospheric correction of MODIS data in the visible to middle infrared: first results, REMOTE SENS ENVIRON 83 (1-2): 97-111 NOV [28] Zhao, Tom X.-P., Stowe, Larry, L., Smirnov Alexander, and et al,2002: Development of a Global Validation Package for Satellite Oceanic Aerosol Optical Thickness Retrieval Based on AERONET Observations and Its Application to NOAA/NESDIS Operation Aerosol Retrivals. J. Atm. Sci., 59, 294-312 Feb 1
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spelling ftntaiwanuniv:oai:140.112.114.62:246246/49967 2023-05-15T13:07:19+02:00 台灣地區衛星觀測及地面觀測之懸浮微粒光學特性 陳詠昌 Chen, Yung-Chang 林博雄 臺灣大學：大氣科學研究所 2004 4104896 bytes application/pdf http://ntur.lib.ntu.edu.tw/handle/246246/49967 http://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/49967/1/ntu-93-R90229020-1.pdf zh-TW en_US chi eng 參考文獻 [1] 林和駿, 2002: 春季台灣地區懸浮微粒之短波輻射效應, 台灣大學碩士論文。 [2] 陳奕良, 2001: 地面短波輻射之精確量測與其應用, 台灣大學碩士論文。. [3] Chan, Y. C., R, W. Simpson and P. D Vowles, 1997:Characterisation of chemical species in PM2.5 and PM10 Aerosol in Brisbane, Australia. Atmos. Environ., 31, 3773-3785. [4] Chou, M. D. and M. J., Suarez, 1999：A Solar Radiation Parameterization for Atmospheric Studies. NASA/TM-1999-104606, 15. [5] Chu, D. A., Y. J., Kaufman, C., Ichoku, L. A., Remer, D., Tanre’, and B. N., Holben, 2002: Validation of MODIS aerosol optical depth retrieval over land, Geophys. Res. Letters, 29, MOD 1-1,MOD 1-4 [6] Chu D. A. , Y. J., Kaufman, G., Zibordi , J. D., Chern, J., Mao C., Li ;B. 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Holben,and et al.,2002: Aerosol Radiative Impact on Spectral Solar Flux at the Surface, Derived from Principal-Plane Sky Measurements. J. Atm. Sci., 59, 635-646 Feb 1. [17] Li, C. C. , Mao, J. T. , Lau, KHA., Chen, J.C., Yuan, Z. B., Liu, X. Y., Zhu A. H.,and Liu, G.Q.,2003﹕Characteristics of distribution and seasonal variation of aerosol optical depth in eastern China with MODIS products，CHINESE SCIENCE BULLETIN 48 (22): 2488-2495 NOV. [18] Liang, S. L. , Fang, H. L. , Chen, M.,Z.,and et al.,2002: Validating MODIS land surface reflectance and albedo products: methods and preliminary results, REMOTE SENS ENVIRON 83 (1-2): 149-162 NOV [19] Mian Chin, Paul Ginoux, Stefan Kinne,and et al, 2002: Tropospheric Aerosol Optical Thickness from the GOCART Model and Comparisons with Satellite and Sun Photometer Measurements. J. Atm. Sci., 59, 461-483 Feb 1 [20] Miura T, Huete AR, Yoshioka H, et al.,2001: An error and sensitivity analysis of atmospheric resistant vegetation indices derived from dark target-based atmospheric correction, REMOTE SENS ENVIRON 78 (3): 284-298 DEC [21] Remer L. A., D. Tanre’, Y. J. Kaufman, C. Ichoku, S. Mattoo, R. Levy,D. A. Chu, B. Holben,O. Dubovik, A. Smirnov,5 J. V. Martins, R.-R. Li, and Z. Ahmad 2002: Validation of MODIS aerosol retrieval over ocean, Geophys. Res. Letters, 29, MOD 1-1,MOD 1-4 [22] Sokolik, I. N., D. M. Winker, GBergametti, D. A. Gillette, GCarmichael, Y. J.Kaufman, L. Gomes, L. Schuetz, and J. E. Penner, 2001:Introduction to specail section :Outstanding problems in quantifying the radiative impacts of mineral dust. J. Geophys. Res., 106, D16, 18015-18027 [23] Smirnov A., Bernt N. Holben, Yoram J. Kaufman, and et al,2002: Optical Properties of Atmospheric Aerosol in Maritime Environments. J. Atm. Sci., 59, 501-523 Feb 1 [24] Smirnov A., Holben BN., Dubovik O., N.T.O'Neill, et al.2002: Atmospheric Aerosol Optical Properties in the Persian Gulf. J. Atm. Sci., 59, 620-634 Feb 1 [25] Smirnov A., N.T.O'Neill, A.Royer, A.Tarussov, and B.McArthur, 1996: Aerosol optical depth over Canada and the link with synoptic air mass types, J.Geophys.Res., 101, 19 299-19 318. [26] Tanre D, Kaufman YJ, Holben BN,and et al.,2001 : Climatology of dust aerosol size distribution and optical properties derived from remotely sensed data in the solar spectrum , J GEOPHYS RES-ATMOS 106 (D16): 18205-18217 AUG 27 [27] Vermote E. F., El Saleous N. Z.,and Justice C.O., 2002: Atmospheric correction of MODIS data in the visible to middle infrared: first results, REMOTE SENS ENVIRON 83 (1-2): 97-111 NOV [28] Zhao, Tom X.-P., Stowe, Larry, L., Smirnov Alexander, and et al,2002: Development of a Global Validation Package for Satellite Oceanic Aerosol Optical Thickness Retrieval Based on AERONET Observations and Its Application to NOAA/NESDIS Operation Aerosol Retrivals. J. Atm. Sci., 59, 294-312 Feb 1 懸浮微粒光學厚度 懸浮微粒 光學厚度計 Aerosol CIMEL Sunphotometer MODIS AERONET Aerosol Optical Depth thesis 2004 ftntaiwanuniv 2016-02-19T23:48:14Z 摘要 IPCC 2001報告中提出懸浮微粒影響地球輻射收支影響甚鉅，但由於懸浮微粒的觀測資料缺乏，科學家對懸浮微粒的瞭解仍有限。1999年起NASA EOS計劃Terra衛星所攜帶的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）提供高解析度的全球懸浮微粒遙測光學物理特性資料。Chu et al.,(2002)比對MODIS所觀測的AOD(Aerosol Optical Depth)和NASA的AERONET(Aerosol Robotic Network) 地面CIMEL Sunphotometer的AOD觀測資料，發現歐美內陸地區可高達0.9的相關性，但在沿海地區相關性則降到0.68~0.90不等。 本研究利用台灣地區地面AERONET觀測網(台北氣象局，中壢遙測中心和台南成奶j學)和MODIS level-2 (10km解析度)觀測反演的AOD資料，分析台灣地區AOD的統計特性，然後比對兩者來探討MODIS AOD資料用以監測台灣地區AOD時空分佈的可用性。四個測站(台北、中壢、台南和蘭嶼)地面觀測AOD 440nm平均值分別為0.69、0.57、0.77和0.42，在春季期間AOD 440nm平均值分別提高為0.76、0.72、0.85和0.44；四個測站衛星觀測AOD550nm平均值分別為0.29、0.30、0.48和0.20。地面與衛星AOD相關性分析結果，顯示與先前歐美等地的研究相近，台北地區兩者比對相關係數為0.68，中壢地區比對相關係數為0.79，台南地區比對相關係數為0.63。經由環保署新莊超級測站資料，推算台北地區的Single Scattering Albedo(ω0(λ))為0.86 ~ 0.89之間。MODIS反演AOD的模式中設定ω0(λ)為0.96，若將ω0(λ)調低，才能提高兩者相關程度。 本文也進一步探討MODIS觀測的AOD值和環保署地面測站的PM10資料的相關程度，並經由個案分析討論MODIS AOD550nm與EPA PM10相關起伏的個案特徵；MODIS AOD550nm與EPA PM10比對結果，顯示兩者相關係數都是偏低。台北和中壢兩個測站的相關係數並未通過95%信賴區間檢定，僅有台南及所有測站加總資料的相關係數才得以通過95%信賴區間檢定。 選取討論的個案為2002年4月8日(落在迴歸線95%信賴區間內的資料組)、3月11日(MODIS AOD550nm資料偏高、PM10偏低資料組)和2001年3月4日(PM10資料偏高、MODIS AOD550nm偏低資料組)。2002年4月8日個案特徵為(1)當日的空氣塊必須來自於污染比較少的地方；(2)當日地表的PM10並沒有急遽的變化，而且地面PM10濃度趨於平穩狀態，並未達到EPA空氣污染事件的標準。2002年3月11日個案兩種資料相關性不佳的原因，可能為高空中的大氣含有較多的污染物，所以即使低層的污染物濃度較低，但因為整層大氣中所含的污染物濃度均很高，所以地表觀測到的PM10不能完全反應整層大氣的污染物濃度。2001年3月4日個案為沙塵暴個案，MODIS對於台灣各地污染物濃度掌握良好，但惟獨在中壢站與PM10的比對結果不佳，其特徵無法自天氣圖資料與氣流軌跡分析中釐清。 目錄 摘要 致謝 目錄 I 表目錄 VI 圖目錄 VIII 第一章 前言 12 1.1 懸浮微粒與全球變遷 12 1.2 懸浮微粒衛星遙測研究回顧 14 1.2.1 海面觀測 15 1.2.2 陸上觀測 17 1.3 懸浮微粒地面遙測研究回顧 19 1.3.1 全球地面觀測 19 1.3.2 台灣地區地面觀測 20 1.4 研究動機與論文架構 22 第二章 觀測儀器與資料特性 37 2.1 MODIS儀器及其觀測反演資料之特性 38 2.2 CIMEL儀器及其觀測資料之特性 40 2.3 地面懸浮微粒濃度觀測儀器及其觀測資料之特性 43 第三章 資料分析與診斷 54 3.1 MODIS衛星觀測與CIMEL地面觀測光學特性資料分析 55 3.1.1 MODIS衛星觀測與CIMEL地面觀測懸浮微粒光學厚度資料統計分析 55 3.1.2 CIMEL地面觀測反演ㄧ禤ぎ峟p分析 59 3.2 懸浮微粒光學厚度地面與衛星觀測結果之比對 61 3.3 地面懸浮微粒濃度觀測資料與衛星懸浮微粒光學厚度資料比對 63 3.3.1 環保暑PM10與衛星懸浮微粒光學厚度資料之比對 63 3.3.2 中央研究院PM2.5與衛星懸浮微粒光學厚度資料之比對 65 第四章 個案分析與討論 84 4.1 懸浮微粒光學厚度與地面懸浮微粒濃度相關性良好之案例探討 85 4.2 懸浮微粒光學厚度與地面懸浮微粒濃度相關性不佳之案例探討 89 4.2.1 衛星觀測懸浮微粒光學厚度值偏高之案例 89 4.2.2 地面觀測懸浮微濃度值偏高之案例 93 第五章 總結與展望 114 參考文獻 120 Thesis Aerosol Robotic Network National Taiwan University Institutional Repository (NTUR)

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