卫星、模型与再分析数据中全球气溶胶趋势差异评估及其气候意义

本研究系统评估了2003-2022年间卫星观测、模型模拟和再分析数据中气溶胶光学厚度（AOD550 ）的时空稳定性，以AERONET地面观测为基准，揭示了CAMS EAC4再分析数据在捕捉欧洲和北美气溶胶下降趋势中的优越性，指出卫星产品因静态气溶胶组分假设导致的系统性偏差，为气候监测和辐射强迫评估提供了关键数据质量改进方向。

　　

气溶胶作为大气中微小的悬浮颗粒，通过散射和吸收太阳辐射直接影响地球能量平衡（气溶胶-辐射相互作用，ARI），还能通过改变云特性间接影响气候（气溶胶-云相互作用，ACI）。尽管气溶胶抵消了约三分之一温室气体产生的正辐射强迫，但其时空变化仍是气候监测中最大的不确定性来源之一。当前，气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）的长期趋势监测主要依赖卫星观测、气候模型和再分析数据，但这些数据源各自存在局限性：卫星产品受限于时空采样和反演算法假设，模型受排放清单和物理过程理解的制约，再分析数据则可能因同化系统变更引入虚假跳跃。如何评估这些数据集的长期稳定性，成为提升气候监测精度的关键科学问题。

针对这一挑战，研究人员开展了全球尺度多源AOD数据的系统性验证研究。研究团队选取2003-2022年作为分析时段，以AERONET（AErosol RObotic NETwork）全球观测网络的长期站点数据为基准，对比评估了包括CAMS EAC4再分析、MERRA-2、CMIP6多模型均值以及MODIS（MOD08M3/MYD08M3）、MISR（MIL3MAEN）、MAIAC（MCD19A2CMG）等卫星产品在内的七类数据集。研究特别关注了不同产品在捕捉区域趋势、季节变化和时间稳定性方面的表现差异，并量化了方法学变更对趋势分析的影响。

关键技术方法包括：（1）基于AERONET v3 Level 2.0每日数据，通过光谱插值获得550 nm波长AOD₅₅₀
；（2）采用空间代表性筛选策略，利用高分辨率MCD19A2CMG产品剔除空间异质性强的站点；（3）通过Mann-Kendall趋势检验和移动窗口分析评估长期稳定性；（4）对再分析和卫星数据进行时空一致性处理，统一重采样至1°×1°网格。

研究结果部分，"验证与AERONET对比"显示：欧洲和北美AERONET站点呈现显著AOD下降趋势（-0.026和-0.022 AOD/decade），仅CAMS EAC4能准确再现这一趋势（偏差趋势<5%/decade），其他产品普遍低估下降幅度10%/decade以上。卫星产品普遍存在正偏差漂移，MODIS因使用静态气溶胶组分数据集导致趋势低估，MISR则可能受校准漂移影响。"产品间比较"部分发现：东亚表现出最强AOD下降（-13.9%/decade，CAMS EAC4），印度则呈现最大增幅（+15.7%），南美和北亚的有机气溶胶趋势与野火活动变化相关。值得注意的是，全球趋势信号微弱（±3%/decade），但区域变化对辐射强迫产生显著影响。

"时间采样影响分析"揭示：卫星与地面观测的采样差异仅能解释MODIS 5.5%和MISR 23.5%的偏差趋势，主要差异仍源于产品本身。研究结论强调，CAMS EAC4再分析是目前监测气溶胶气候趋势的最可靠数据源，其通过动态同化多源观测有效克服了单一传感器的局限性。相比之下，依赖静态气溶胶假设的卫星产品和未同化观测的CMIP6模型在趋势再现方面存在系统性缺陷。该研究为GCOS（全球气候观测系统）修订AOD稳定性阈值（当前为10%/decade）提供了实证依据，并建议将再分析作为气溶胶基本气候变量（ECV）的首选监测手段。论文发表在《Remote Sensing of Environment》，其发现对准确量化气溶胶辐射强迫、改进气候模型参数化方案具有重要指导价值。