基于MODIS氣溶膠產品的河南省空氣質量評價研究

韓 杰，李煥利，李慧娜，苗寶亮，石宏斌

(1. 許昌學院 城鄉規劃與園林學院，河南 許昌 461000；2. 許昌學院 電氣(機電)工程學院，河南 許昌 461000；3.中國人民解放軍96608部隊，河南 洛陽 471000)

近幾年來，隨著城市的快速發展，環境污染問題日益嚴重，其中大氣污染備受關注[1].我國相繼出臺了多項措施對大氣污染進行監督和管理，其中PM2.5是衡量大氣質量的一項重要指標[2,3].目前，傳統站點式的PM2.5濃度測量方式已經不能有效滿足國家從宏觀層面及時了解全國大氣污染情況的需求，而采用衛星遙感技術手段，快速獲取大范圍大氣參數已經成為環境監測的重要途徑之一[4,5].

利用衛星遙感技術可以反演得到大氣中的氣溶膠濃度，然后建立氣溶膠濃度與實測PM2.5之間的相關性模型，從而在宏觀層面對PM2.5濃度的時空分布特點進行分析.目前，眾多研究結果表明氣溶膠參數與PM2.5濃度之間存在較高的相關性.宋挺等將MODIS氣溶膠光學厚度與無錫市區PM2.5濃度進行相關性分析時，在考慮垂直分布和濕度修正后，其相關系數為0.565 9[6].張智等對西安市區MODIS氣溶膠光學厚度與PM2.5濃度進行回歸分析后，探討了PM2.5的時空分布特征[7].崔相輝等在京津冀地區以MODIS氣溶膠產品和氣象參數為影響因子，建立了基于深度置信網絡的PM2.5預測模型[8].王偉齊等在北京地區建立了MODIS氣溶膠參數與不同時段PM2.5之間的回歸模型，發現PM2.5濃度的日變化呈現“雙峰型”[9].然而，基于上述研究方法開展河南省PM2.5濃度變化的研究較少.因此，本研究基于MODIS氣溶膠產品，建立其與PM2.5濃度的相關模型，研究2016年河南省空氣質量和兩個目標城市鄭州和許昌PM2.5濃度的時間變化特征，以期為河南省PM2.5的遙感監測提供科學依據.

1 研究方法

首先，在MODIS官網上檢索獲取2016年河南省MODIS氣溶膠產品MOD04_L2(空間分辨率為10 km).其次，利用ENVI遙感圖像處理軟件完成影像的坐標投影，然后利用波段運算功能實現由氣溶膠產品向PM2.5濃度的轉換，進而利用河南省矢量文件完成影像裁剪，通過將反演結果與實測數據進行比對分析，結合環境空氣質量標準，評價2016年河南省空氣質量.最后，以兩個目標城市鄭州和許昌為例，分析PM2.5濃度的時間變化.具體技術路線如圖1所示.

圖1 技術路線

1.1 影像坐標投影

由于MODIS氣溶膠產品是以HDF格式存儲的，在影像裁剪時不十分方便，因此,本研究首先利用ENVI軟件中MODIS Conversion Toolkit模塊完成影像的坐標投影，將其轉換為TIFF文件格式，以便進一步的影像裁剪與信息統計.

1.2 PM2.5濃度反演

眾多研究發現，氣溶膠參數與PM2.5濃度之間存在較強的相關性.本研究采用已有的經驗模型，利用ENVI波段運算功能，完成由MODIS氣溶膠產品到PM2.5濃度的反演[10].

Y春=53.97X春+16.19,

(1)

Y夏=45.57X夏+25.85,

(2)

Y秋=49.85X秋+18.78,

(3)

Y冬=90.57X冬+21.28,

(4)

式中，Y為PM2.5濃度，X為MODIS氣溶膠參數.

2 結果與分析

通過統計反演獲得河南省2016年每月PM2.5平均值，并將其與實測值進行對比，分析反演結果的精度.同時依據我國發布的《環境空氣質量標準》中空氣質量等級與PM2.5濃度的關系，對2016年河南省空氣質量等級進行評價.

2.1 PM2.5反演精度分析

將基于MODIS氣溶膠產品反演得到的河南省PM2.5平均值與實測值進行比較(圖2).由圖2可以看出，反演值與實測值隨月份的變化趨勢基本一致，即冬季(11、12、1月)PM2.5濃度高于其他季節.另外，除5、6兩個月份外，其余月份的反演結果均比實測結果要低.研究表明，反演值相對于實測值的相對平均偏差為31.3%，出現該偏差的原因可能是因為本研究采用的反演模型為經驗模型，其提供的反演系數可能不完全適應2016年整個河南省PM2.5反演情況.

圖2 PM2.5濃度反演值與實測值對比圖

2.2 河南省空氣質量等級評價

依據空氣質量等級與PM2.5濃度的關系(表1)，根據衛星反演結果，對河南省2016年空氣質量等級進行初步評價.研究表明，2016年河南省空氣質量達到一級(優)的月份有2、3、7、8、9、10月，達到二級(良)的月份有1、4、5、6、12月，達到三級(輕度污染)的月份僅有11月.上述評價結果與實測結果有5個月份是相同的.今后將進一步提高反演模型精度，使評價結果與實際情況更加貼合.另外，上述秋冬季節PM2.5濃度較高、而夏季PM2.5濃度較低的原因可能是因為焚燒秸稈、汽車尾氣排放和冬季供暖等因素導致秋冬季節空氣質量不好，而夏季降雨較多，在一定程度上縮短了污染物在大氣中的存留時間.

表1 空氣質量等級與PM2.5濃度的關系

2.3 目標城市PM2.5濃度分析

利用兩個目標城市鄭州和許昌的行政界線對河南省PM2.5產品進行裁剪后，統計各月反演結果，并將其與實測值進行比對，初步分析兩個城市PM2.5濃度變化原因(圖3、圖4).

從圖3、圖4可以看出，對于上述兩個城市，其反演結果均比實測的PM2.5濃度高，整年PM2.5濃度變化趨勢呈現“U”型，即秋冬季節高，春夏季節低.上述情況與河南省PM2.5濃度年變化趨勢一致.鄭州作為河南省的省會，其全年PM2.5平均濃度(約為78.11μg·m-3)高于許昌(67.92μg·m-3).這可能主要是因為鄭州作為“新一線”城市，其人口數量和密度、汽車保有量、城市基礎設施規劃建設等因素均會在一定程度上造成大氣中PM2.5濃度升高，空氣質量下降，而后者的相關參數均比前者要低.

圖3 鄭州PM2.5濃度反演值與實測值對比圖

圖4 許昌PM2.5濃度反演值與實測值對比圖

3 結論

借助衛星遙感，通過建立MODIS氣溶膠產品與PM2.5濃度之間的關系評價空氣質量等級，已經成為目前大區域大氣污染監測與評估的重要手段.研究表明，河南省及目標城市鄭州、許昌PM2.5濃度均呈現“U”型，即秋冬季節空氣質量較差，春夏季空氣質量較高.同時，衛星PM2.5濃度反演結果比實測結果略低，且平均相對差異略大.因此，本研究將在今后進一步優化反演模型，提高反演精度，深入探討城市PM2.5污染源、污染范圍和污染擴散等情況，為利用衛星遙感技術進行大氣質量監測及環境保護提供技術參考和理論支持.