Assessment of aerosol remote sensing uncertainty in urban centers of Latin America

Abstract

La profundidad óptica de aerosoles (AOD) derivada de satélites es un indicador clave para ampliar la cobertura espacial en estudios de calidad del aire, particularmente para estimar concentraciones de PM2.5. Sin embargo, la validación de productos AOD de alta resolución sigue siendo limitada en entornos urbanos de América Latina, que se caracterizan por una dinámica compleja de aerosoles y una escasa cobertura de monitoreo terrestre. En este estudio, evaluamos el desempeño del producto MAIAC C6.1 AOD en seis ciudades latinoamericanas densamente pobladas (São Paulo, Santiago, Buenos Aires, Medellín, La Paz y Ciudad de México) entre 2015 y 2022, utilizando como referencia la red AERONET. El desempeño de MAIAC C6.1 también se comparó con su versión anterior (C6.0) y con MODIS DT, para analizar diferencias en la resolución espacial y evaluar mejoras en el rendimiento. Se observó una falta de datos AOD a nivel de superficie, especialmente en Medellín y São Paulo, junto con niveles promedio bajos (AOD < 0.2) en La Paz y Buenos Aires. El rendimiento de MAIAC C6.1 mostró una variabilidad notable según el tamaño de la ventana espacial, aunque la ventana temporal no tuvo un impacto considerable. Se identificaron dos grupos de sitios: (i) La Paz y Buenos Aires, con menores niveles de AOD, menor desempeño y sesgo positivo; y (ii) São Paulo, Santiago y Ciudad de México, con mayores niveles de AOD, mejor desempeño y sesgo negativo. MAIAC C6.1 mostró una mejora en la reducción del sesgo, aunque sin cambios significativos en R2 o RMSE respecto de C6.0. En comparación con MODIS DT, MAIAC C6.1 presentó mayor precisión y menor sesgo, ya que MODIS sobreestimó la AOD en todos los sitios. A pesar de los avances en productos de alta resolución, persisten limitaciones en la cobertura de datos e incertidumbres, especialmente en áreas urbanas de América Latina.

Satellite-derived aerosol optical depth (AOD) is a key indicator for expanding spatial coverage in air quality studies, particularly for estimating PM2.5 concentrations. However, validation of high-resolution AOD products remains limited in Latin American urban environments, which are characterized by complex aerosol dynamics and sparse ground-based monitoring. In this study, we evaluated the performance of MAIAC C6.1 AOD in six densely populated Latin American cities (São Paulo, Santiago, Buenos Aires, Medellín, La Paz, and Mexico City) from 2015 to 2022, using the AERONET network as a reference. MAIAC C6.1 performance was also compared with the previous version (C6.0) and MODIS DT to analyze differences in spatial resolution and assess performance improvements. A lack of ground-level AOD was observed, especially in Medellín and São Paulo, along with low average levels (AOD < 0.2) in La Paz and Buenos Aires. MAIAC C6.1 performance showed notable variability depending on the spatial window size, although no considerable impact was seen in the temporal window. Two site groups were identified: (i) La Paz and Buenos Aires, with lower AOD levels, lower performance, and positive bias; and (ii) São Paulo, Santiago, and Mexico City, with higher AOD levels, better performance, and negative bias. MAIAC C6.1 showed improvement in bias reduction, but no significant changes in R2 or RMSE compared to C6.0. Compared to MODIS DT, MAIAC C6.1 exhibited greater accuracy and lower bias, with MODIS overestimating AOD across all sites. Despite advances with high-resolution products, limitations in data coverage and uncertainty persist, especially in urban Latin American areas.