全球船舶轨迹图像掩膜数据集：NASA MODIS数据产品中气溶胶-云相互作用研究的新基准

本研究针对气溶胶-云相互作用(ACI)研究中缺乏高分辨率船舶轨迹数据的问题，开发了首个基于NASA MODIS Aqua卫星影像的手工标注全球船舶轨迹图像掩膜数据集。该数据集包含300幅影像约2,500条轨迹的完整轮廓、排放点和扩散模式，为机器学习算法训练和海洋云亮化(MCB)气候干预策略研究提供了关键基准数据。

　　

在应对全球气候变化的诸多挑战中，气溶胶-云相互作用(Aerosol-Cloud Interactions, ACI)始终是气候模型中最大的不确定性来源之一。船舶排放形成的独特线性云特征——船舶轨迹(ship tracks)，作为自然界中可观测的"海洋云亮化(Marine Cloud Brightening, MCB)"现象，为研究ACI提供了理想样本。这些由船舶尾气中氮硫氧化物形成的云凝结核(CCN)所引发的细长云带，通过增加云滴浓度、减小粒径，显著提升云层反照率，其辐射强迫效应可持续1-3天。然而，现有船舶轨迹数据集仅提供中心线坐标或平均位置，无法完整反映轨迹的形态演变和扩散特征，严重制约了对ACI机制和MCB效能的深入研究。

为突破这一技术瓶颈，Sandia国家实验室的Pierce Warburton、Kurtis Shuler和Lekha Patel团队在《Scientific Data》发表了开创性研究。他们利用NASA MODIS Aqua卫星的MYD06_L2大气校正反射率(Atm-Corr-Refl)数据，手工标注了2006-2007年间300幅影像中的2,543条船舶轨迹，创建了首个包含完整轨迹轮廓的图像掩膜数据集。该数据集特别聚焦2006年北大平洋和东南大西洋等高硫排放时期，通过多轮人工验证和骨架化算法提取中心线、排放点等元数据，为ACI研究和MCB参数化提供了前所未有的高精度基准。

研究团队采用三项关键技术：1)基于GIMP软件的手工轨迹标注策略，通过多边形选择工具保留典型空心多边形结构，并采用多数表决机制降低误标率；2)形态学骨架化算法提取单像素宽中心线，结合风场数据自动识别排放点；3)多格式数据组织方案，包括原始未投影、填充、投影和条带四种图像类型，满足不同分析需求。技术验证显示，与现有数据集相比，新数据集对Song等(2022)的F1分数达57.5%，显著优于其他数据集间的比较结果(22.7-63%)。

【数据记录】部分详细描述了数据集的四类组织形式：1)全尺寸未处理图像(1354×2030像素)直接反映原始数据阵列；2)填充图像(690×1000像素)保持比例便于卷积运算；3)投影图像通过Plate Carrée投影实现地理坐标匹配，提供插值和最小值两种缺失值处理方式；4)条带图像精确呈现卫星实际观测路径。所有图像均配套掩膜和半透明背景的淡化版本，其中掩膜严格保留轨迹像素原始值。元数据JSON文件则包含自动生成的排放点坐标(经纬度)、中心线走向角(0-360°)和边界层风场数据。

【技术验证】部分通过三类对比实验证实数据质量：1)与Toll等(2019)中心线数据集比对，新掩膜100%覆盖原有坐标；2)采用5像素缓冲带(约0.05km)量化分析显示，与Song等(2022)坐标数据的一致性最高(F1=0.575)；3)可视化校验发现现有数据集存在显著漏标，如图8所示三条轨迹中Watson-Parris(2022)仅标注两条。这种差异源于不同标注标准——现有数据集多依赖明确排放点确认，而新方法综合考量几何结构和反射率特征。

该研究的核心突破在于首次实现了船舶轨迹的像素级完整标注，解决了ACI研究中的三个关键问题：1)传统中心线坐标无法量化轨迹宽度演变，而掩膜可精确测量羽流扩散速率；2)完整轮廓有助于分析弯曲/重叠轨迹的微物理过程；3)多光谱掩膜可直接应用于云液态水路径(LWP)等衍生产品分析。正如作者强调，这一基准数据集特别有助于：1)验证气候模型中的气溶胶注入参数化方案；2)训练船舶轨迹自动识别的机器学习模型；3)评估硫排放法规(如2020年IMO限硫令)对云特性的长期影响。

讨论部分深入阐释了数据集的多重科学价值：首先，2006-2007年高硫排放期的选择为MCB研究提供了"最佳案例场景"，此时北大平洋轨迹的云滴数浓度差异最大，卫星可辨性最优。其次，完整轨迹掩膜使研究者能首次系统分析排放点几何特征与风场的关系，这对理解气溶胶输送机制至关重要。值得注意的是，约5%短轨迹的排放点自动识别存在偏差，建议关键研究时人工复核元数据。最后，作者展望该数据集将推动三类后续研究：1)结合ECMWF再分析数据量化轨迹寿命周期内的辐射强迫；2)开发基于U-Net等架构的轨迹自动分割算法；3)耦合CALIPSO激光雷达数据研究垂直结构特征。

这项研究通过创建首个船舶轨迹图像掩膜数据集，不仅填补了ACI观测研究的关键空白，更为评估气候干预技术的可行性建立了新标准。随着全球硫排放政策的持续收紧，这一记录"高硫排放时代"云响应的珍贵数据集，将成为理解人为气溶胶气候效应不可替代的基准。数据集已通过Figshare公开，其多格式设计和丰富元数据将显著降低ACI研究的入门门槛，加速气候模型参数化方案的优化进程。