对Himawari-9卫星AHI传感器在陆地上探测到的气溶胶光学厚度进行的初步评估

《Atmospheric Pollution Research》：Initial Assessment Himawari-9 AHI Aerosol Optical Depth over Land

AOD产品验证研究首次系统评估了Himawari-9卫星AHI传感器生成的AOD产品，对比AERONET 81个站点2023-2024年数据，发现Merged AOD（R=0.85，RMSE=0.29）优于Pure AOD（R=0.83，RMSE=0.35），但存在系统性低估（误差±(0.1+0.3×AOD）。研究揭示了高时空分辨率下AOD的时空异质性：夏季精度最高，春季最低；日间05时最优，23时最差；东亚区域精度达0.92，而澳大利亚 bareland仅0.37。角依赖分析表明120-150°散射角精度最优（R=0.90）。该成果为全球大气监测提供了关键验证依据。

　　

郝琳|王青心|牛继强|杨杰|李文桥|刘胜鹏

新乡师范学院地理科学学院，中国新乡464000

摘要

本研究首次对来自Himawari-9卫星上的Advanced Himawari Imager（AHI）的气溶胶光学厚度（AOD）产品进行了全面的验证。评估了两个操作级别的3小时数据集（500纳米波段）：Merged AOD通过时空最优插值提供了空间上的完整覆盖；Pure AOD则是经过严格云层筛选后获得的最高置信度数据子集。这两个版本3.1的产品都与2023-2024年间来自81个站点的Aerosol Robotic Network（AERONET）版本3.0的直接太阳AOD测量结果进行了对比。结果显示，Merged AOD与AERONET的数据相关性良好（R = 0.85，RMSE = 0.29），略优于Pure AOD（R = 0.83，RMSE = 0.35）。AHI-8与AHI-9之间的数据一致性很高，2022年10月和11月的相关性分别为R = 0.93和R = 0.92。高质量合并的AOD表现更佳（R = 0.85，RMSE = 0.33），而低质量的合并AOD产品则表现较差（R = 0.76，RMSE = 0.42）。该反演算法在所有AOD范围内系统性地低估了气溶胶负荷，其预期不确定性为±（0.1 + 0.3 × AOD）。进一步比较440-675纳米波段的Angstrom Exponent（AE）发现，Merged AE的相关性非常低（R = -0.04）。Pure AE产品的表现略优于Merged AE（R = 0.34），但仍存在显著的低估。时间分析揭示了性能的季节性、月度和小时度变化。夏季的准确性最高，其次是秋季、冬季和春季。日变化方面，05 UTC时的反演准确性最高，23 UTC时最低。从空间上看，东亚地区的准确性最高，而澳大利亚南部则最差，这突显了区域间的显著差异。散射角依赖性分析表明，最佳侧散射范围（120° < Θ ≤ 150°）下的准确性最高（R = 0.90，RMSE = 0.22）。AHI-9在不同土地覆盖类型上的AOD准确性存在显著差异，在森林上的表现最好（R = 0.92），在人工表面上的表现也相当好，而在裸地和灌木地上表现最差（R = 0.37和R = 0.71），因为这些表面的信号干扰和亚像素变化带来了挑战。最后，对年际日变化的分析证实了AHI在连续气溶胶监测方面的能力，展示了其在高频时空气溶胶观测中的价值。

引言

大气气溶胶通过辐射强迫调整（Anderson等人，2003；Charlson等人，1992；Field，2025；Kaufman等人，2002；Ramanathan和Carmichael，2008）、云微物理相互作用以及空气质量下降（Gupta等人，2006；P?schl，2005；Semeniuk和Dastoor，2018；Viana等人，2014；Zhang等人，2017）对全球气候系统产生重要影响。由于固有的时空异质性和大气停留时间短，其复杂影响尚未得到充分量化。卫星遥感为气溶胶特征提供了不可或缺的全球监测能力，但在解析对理解瞬变大气过程至关重要的日变化气溶胶动态方面仍存在重大挑战。

极轨传感器可以提供全球气溶胶光学厚度（AOD）产品，但时间分辨率较低（通常每天1-2次观测），例如中分辨率成像光谱辐射计（MODIS（Levy等人，2013；Sayer等人，2013；Wei等人，2019a；Wei等人，2019c））、可见红外成像辐射计（VIIRS（Huang等人，2016；Jackson等人，2013；Wei等人，2018）和高级非常高分辨率辐射计（AVHRR（Che等人，2018；Higurashi和Nakajima，1999））。这种有限的时间采样在东亚和东南亚等地区尤其不足，因为这些地区的复杂排放源会导致气溶胶的动态变化。因此，出现了重要的观测空白，阻碍了对关键污染事件期间气溶胶生命周期的准确追踪。这些限制凸显了需要能够解析短寿命气溶胶过程的高频监测系统的必要性。下一代地球静止卫星通过前所未有的时间分辨率改变了气溶胶监测能力。当代系统如地球静止环境卫星（GOES-R（Knapp等人，2005；Knapp等人，2002）、风云（FY-4A/B（Mei等人，2011；Xie等人，2022））、Himawari-8/9（Bessho等人，2016；Wei等人，2019b；Yumimoto等人，2016；Zhang等人，2019a；Zhang等人，2019b）和Meteosat第三代（MTG（Descheemaecker等人，2019）可以每10分钟提供一次观测数据。这种高频监测使得以前无法科学研究的气溶胶日循环和瞬变事件（如沙尘暴、生物质燃烧羽流）得以解析（She等人，2018；Wang等人，2017；Zang等人，2018）。

作为Himawari-8的继任者（2014年10月7日发射），Himawari-9由日本气象厅（JMA）于2016年11月2日部署，并于2022年9月26日开始运行，以确保高频地球观测的连续性（Bessho等人，2016；Cheng等人，2024）。这两颗卫星都配备了具有16个光谱通道（0.46-13.3 μm）、0.5-2公里空间分辨率的Advanced Himawari Imager（AHI），从140.7°E的地球静止位置每10分钟进行全盘扫描。至关重要的是，严格的卫星间校准协议保持了辐射测量的一致性（Li等人，2025）。这一战略性的轨道位置为东亚和东南亚提供了最佳覆盖——该地区以异常复杂的气溶胶混合物（人为污染物、矿物尘埃和生物质燃烧）和高气溶胶光学厚度为特征，这对遥感能力提出了挑战（Irie等人，2017；Wang等人，2017；Zang等人，2018）。Himawari-8和Himawari-9之间的观测连续性建立了前所未有的十年地球静止气溶胶记录，用于气候研究。得益于其极高的时间分辨率，Himawari系列卫星的操作气溶胶产品彻底改变了大气科学的应用，广泛应用于空气质量监测和预报（Hong等人，2020；Liu等人，2022；She等人，2018；Wang等人，2017；Yumimoto等人，2018；Zhou等人，2025）、辐射强迫评估（Chen等人，2021；Damiani等人，2018；Tana等人，2023；Tang等人，2023；Zhao等人，2024）、大气传输和化学过程（Irie等人，2017；Pouyaei等人，2022；Zhao等人，2024），以及公共卫生和流行病学（Huang等人，2021；Hussain等人，2025）等领域。这些多样化的应用突显了来自地球静止平台的高时间分辨率气溶胶产品的跨学科价值。

尽管取得了这些重要进展，但在Himawari-9气溶胶产品的全面验证方面仍存在关键的知识空白。自2022年9月26日投入运行以来，尚未有系统性的评估来量化Himawari-9 AOD反演在空间和时间尺度上的性能。鉴于前代产品存在系统性的低估和区域性能差异（Wei等人，2019b；Yumimoto等人，2016；Zhang等人，2019a；Zhang等人，2019b），这一缺陷尤为令人担忧。此外，±（0.1 + 0.3×AOD）的不确定性表征需要通过实证验证，以便在气候模型中有效吸收数据，其中观测误差估计是一个基本要求。

本研究首次对Himawari-9卫星上AHI仪器的AOD产品进行了全面验证。AHI版本3.1的3小时AOD产品与2023至2024年间来自81个站点的Aerosol Robotic Network（AERONET）版本3.0的直接太阳AOD测量结果进行了对比，涵盖了地理区域、日变化和季节循环、月度和小时度变化以及观测几何形状等多个维度。分析包括对反演偏差和不确定性特征的评估。第2节描述了数据集和时空配准方法。第3节展示了全面的验证结果。第4节总结了主要发现，并对未来地球静止气溶胶产品的发展提出了建议。

部分摘录

AHI AOD

Himawari-9卫星由日本气象厅（JMA）于2016年11月2日发射，2022年9月26日正式投入运行。它继承了Himawari-8的任务，保持了高频地球观测的连续性（Bessho等人，2016）。与前者类似，Himawari-9位于140.7°E，能够频繁监测西太平洋、东亚和东南亚地区。该卫星配备了AHI-9，具有16个光谱通道

全盘评估

在本研究中，使用Himawari-9版本3.1数据集的Merged AOD和Pure AOD（500纳米波段）以及AE（440-675纳米波段）产品与AERONET的测量结果进行了对比。对比结果如图2所示，统计结果总结在表S1中。

AERONET AOD和AHI Merged AOD之间有20,752个有效匹配数据点，远多于AERONET AOD和AHI Pure AOD之间的9,702个有效匹配数据点，表明Merged AOD的空间覆盖能力更强

结论

自2022年9月26日正式投入运行以来，Himawari-9 AHI提供了大量具有极高时间分辨率（10分钟）的气溶胶观测数据，这对于监测东亚和东南亚地区频繁发生的气溶胶事件至关重要。然而，对Himawari-9 AHI产生的气溶胶产品的全面评估仍不足。本研究首次对此进行了彻底的调查

CRediT作者贡献声明

刘胜鹏：软件开发、数据管理。李文桥：软件开发、项目管理、数据管理。杨杰：撰写初稿、验证。牛继强：监督、概念构思。王青心：撰写、审稿与编辑、撰写初稿、验证、方法论、概念构思。郝琳：撰写、审稿与编辑、撰写初稿、验证、方法论、概念构思

数据可用性声明

Himawari-8和Himawari-9的AOD数据可在https://www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html获取，截至2025年8月30日可用。AERONET AOD数据集可在https://aeronet.gsfc.nasa.gov/获取，截至2025年8月30日可用。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

本工作得到了国家自然科学基金 [NO: 42205129]、河南省重点科学技术研究项目（NO: 242102320083）、河南省高等学校重点研究项目（NO: 25B420002）、湖北罗家实验室（NO: 250100011）以及地球科学湖北省基础学科研究中心的青年项目（NO: HRCES-202408）的资助。

未提及的参考文献

JAXA，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢JAXA免费提供Himawari-8和Himawari-9的AOD数据集。同时，我们也感谢AERONET在数据维护方面的支持。