基于遙感影像的PM2.5濃度分布的探索

杜佳威 湯田玉 黃敏

【摘要】本文旨在探究大氣氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面PM2.5的質(zhì)量濃度之間的關(guān)聯(lián)，以武漢、宜昌地區(qū)為例，探索濕度影響訂正后的衛(wèi)星大氣氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與PM2.5質(zhì)量濃度的關(guān)系，并進(jìn)行詳細(xì)改進(jìn)、總結(jié)展望，進(jìn)而達(dá)到利用遙感影像監(jiān)測PM2.5的目的。

【關(guān)鍵詞】PM2.5;氣溶膠;遙感數(shù)據(jù);關(guān)系

1.研究背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、工業(yè)建設(shè)和城市化進(jìn)程加快，大氣污染日漸嚴(yán)重，危害人類生產(chǎn)生活，PM2.5也成為關(guān)注的焦點。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，能直接進(jìn)入人體肺部，其自身及其攜帶的有害物質(zhì)有了侵入人體的機會，嚴(yán)重危害人們健康[1]。

目前國內(nèi)對PM2.5的監(jiān)測方法主要包括重量法、β射線法和微量振蕩天平法[2]。這些方法與樣本點的數(shù)量、密度、分布息息相關(guān)，難以精確反應(yīng)PM2.5濃度分布隨時間和空間的變化。由于遙感數(shù)據(jù)有區(qū)域性強、分布范圍廣、時效性強的特點，近年來專家學(xué)者紛紛利用遙感反演方法研究PM2.5分布情況。如李倩等[3]對香港元朗地區(qū)中等分辨率成像光譜儀影像進(jìn)行氣溶膠反演，為PM2.5濃度反演提供了可行參考。

2.研究概述

2.1 研究內(nèi)容

探索大氣氣溶膠厚度與PM2.5關(guān)系模型，定量分析PM2.5的濃度分布。首先，獲取氣溶膠光學(xué)厚度，并記錄對應(yīng)時段PM2.5實際質(zhì)量濃度。然后，對反演得到的AOD產(chǎn)品進(jìn)行垂直分布訂正和濕度影響的訂正。最后，對訂正后的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與地面PM2.5濃度進(jìn)行相關(guān)分析，探索建立關(guān)系模型。對模型進(jìn)行評估，對存在問題提出改進(jìn)方案，實現(xiàn)基于遙感影像的PM2.5的監(jiān)測。

2.2 研究方法

通過對中等分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）提供的L1B級基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到1km分辨率氣溶膠光學(xué)厚度。首先利用Kaufman等人提出的暗目標(biāo)法[4]計算地區(qū)下墊面地表反射率，并通過氣象資料，利用6S傳輸模型（太陽光譜衛(wèi)星信號的二次模擬）推算本地氣溶膠模型;然后利用輻射傳輸模型計算出氣溶膠光學(xué)厚度。反演過程包括MODIS影像的輻射校正、幾何校正、云檢測、氣溶膠反演等。在測定PM2.5濃度時一般會有一個干燥處理的過程，也考慮到AOD是消光系數(shù)在垂直方向上的積分，必需先將反演生成氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行濕度訂正和高度訂正。

3.實驗部分

3.1 數(shù)據(jù)

本次實驗以武漢、宜昌兩地為例進(jìn)行分析。PM2.5數(shù)據(jù)湖北省環(huán)境質(zhì)量綜合發(fā)布平臺發(fā)布的2013年9月1日至2013年10月30日的每日監(jiān)測數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于湖北省氣象臺地面觀測站，主要有以下幾種要素：日平均氣溫、日相對濕度、日平均風(fēng)速、日降水量。根據(jù)2.2中的反演方法，用MODIS影像反演出地表對應(yīng)時間內(nèi)的1km分辨率的AOD產(chǎn)品。

3.2 模型建立

遙感反演氣溶膠光學(xué)厚度是在自然背景下進(jìn)行的，氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)受相對濕度影響較大，在相對濕度較高的情況下，水溶性氣溶膠顆粒吸濕膨脹，消光系數(shù)可增大數(shù)倍，這一濕度影響因子與相對濕度的關(guān)系[5]可以表示為：

f（RH）=l/（l-RH/100）

圖3.1 武漢線性函數(shù)建模

圖3.2 武漢二次函數(shù)建模

圖3.4 宜昌二次函數(shù)建模

圖3.3 宜昌線性函數(shù)建模

表3-1 濕度訂正后模型對照表

故建立AOD值與PM2.5*f（RH）的關(guān)系模型，對武漢市、宜昌市分別建立線性函數(shù)和二次函數(shù)模型，如圖3.1、圖3.2、圖3.3、圖3.4所示。擬合的函數(shù)模型表達(dá)式，見表3-1。

3.3 結(jié)果分析

以武漢市和宜昌市建模，容易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合效果不佳。利用函數(shù)模型表3-1，對武漢市和宜昌市數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校，誤差較大，函數(shù)模型的準(zhǔn)確性和可靠性不高。

分析產(chǎn)生的原因，主要有以下幾方面：① MODIS影像生成AOD精度不夠，6S傳輸模型不能完全模擬存在諸多不定因素的實際大氣，不可避免地導(dǎo)致誤差的增大，需要使用更加精確的算法提高AOD反演的精度。②由于PM2.5數(shù)據(jù)和相對濕度數(shù)據(jù)都是日均值，這些日均值數(shù)據(jù)與瞬間獲取的遙感衛(wèi)星獲取影像數(shù)據(jù)存在差異較大。③若獲得地面水平能見度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)高訂正，模型擬合散點效果會變好。④遙感數(shù)據(jù)相對缺乏。由于云層過厚、數(shù)據(jù)質(zhì)量等問題，導(dǎo)致采樣點有限。

4.總結(jié)展望

由于大氣氣溶膠光學(xué)厚度描述的是氣溶膠對光的衰減作用，與大氣渾濁系數(shù)密切相關(guān)，因而與大氣污染的重要因子PM2.5有一定相關(guān)性。但在實際研究中，由于實際環(huán)境中多種因子的綜合影響，這種相關(guān)性并不高。

若更為深刻的探索遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品與可入肺顆粒PM2.5相關(guān)性，此方法存在諸多需要改進(jìn)之處，例如采用陶金花等[6]估算近地面顆粒物濃度的新方法，精度大幅提高;獲取更多高質(zhì)量的遙感影像數(shù)據(jù);構(gòu)建更加密集的散點圖分析相關(guān)性;采用更為精細(xì)的函數(shù)模型進(jìn)行擬合等等。本研究中大氣氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性較低，提高大氣氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性是這方面研究亟待克服的難題。

參考文獻(xiàn)

[1]Yang Liu.New Directions：Satellite driven PM2.5 exposure models to support targeted particle pollution health effects research[J].Atmospheric Environment，2013，68（4）：52-53.

[2]孫亮.灰霾天氣成因危害及控制治理[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2012，37（10）：71-75.

[3]李倩，李成才，王燁芳等.利用激光雷達(dá)和衛(wèi)星遙感獲得城市地面大氣懸浮顆粒物濃度分布[J].北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，10（1）：1-10.

[4]Kaufman Y J，Tanre?Didier， Boucher O.A satellite view of aerosols.

in the climate system[J].Nature，2002，419，215-223.

[5]石勇.武漢市MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與空氣PM10濃度的關(guān)系研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[6]陶金花，張美根，陳良富等.一種基于衛(wèi)星遙感AOT估算近地面顆粒物的方法[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2013，43（10）：143-154.

[7]陳偉，王黎明，田慶久.一種基于陰影像元的光學(xué)遙感大氣校正方法[J].測繪學(xué)報，2008，37（4）：469-475.