MODIS氣溶膠光學(xué)厚度反演的西安市顆粒物濃度研究

鄭 俊，楊志強(qiáng)，張凱南，高旺旺

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

大氣氣溶膠是指大氣中的固體和液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系，大氣氣溶膠可以影響地球的輻射收支平衡和溫室氣體的濃度和分布，同時(shí)氣溶膠的大量存在會(huì)嚴(yán)重污染大氣質(zhì)量進(jìn)而影響人類(lèi)健康[1-2]。氣溶膠作為大氣輻射和大氣光學(xué)中的重要物理量，一定程度上表征了整層大氣中顆粒物的濃度和光學(xué)特性。流行病學(xué)研究表明，PM10或PM2.5濃度(空氣動(dòng)力學(xué)直徑分別小于10 μm或2.5 μm)與公共疾病、呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病死亡率密切相關(guān)，PM濃度已成為衡量大氣污染程度的重要指標(biāo)，受到世界各國(guó)環(huán)保、衛(wèi)生、科學(xué)等行政管理部門(mén)的重視。因此，對(duì)于顆粒物濃度進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)具有重要意義[3]。近年來(lái)，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，PM已成為中國(guó)大部分主要城市的主要空氣污染物，不僅威脅到人們的身體健康，而且造成大氣能見(jiàn)度下降和城市景觀退化，因此各個(gè)城市陸續(xù)建立環(huán)境監(jiān)測(cè)站以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染的有效觀測(cè)，及時(shí)做出控制。但地面觀測(cè)只能在有限地面點(diǎn)進(jìn)行，空間覆蓋面積小，難以對(duì)污染的變化趨勢(shì)、空間分布等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。

衛(wèi)星遙感是大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)的主要方式之一，具有立體觀測(cè)、覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)采集等優(yōu)點(diǎn)[4]。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了氣溶膠光學(xué)特性與PM濃度之間關(guān)系的研究，例如，Chu等、Slater等發(fā)現(xiàn)了地面AOD與PM10、PM2.5濃度的關(guān)系，得出的R2分別為0.67、0.76；Wang &、Christopher和Engle-Cox等人比較分析了衛(wèi)星反演的AOD與PM2.5的關(guān)系，其R2分別為0.49和0.40，李成才等將衛(wèi)星反演AOD與空氣污染指數(shù)(API)用于北京市環(huán)境污染研究中，經(jīng)過(guò)垂直訂正及濕度訂正獲得地面干消光系數(shù)并與顆粒物濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。

本文利用MODIS數(shù)據(jù)反演分辨率為1 km的氣溶膠光學(xué)厚度，利用地面統(tǒng)計(jì)得到的PM2.5、PM10濃度與ECMWF再分析資料計(jì)算得到的相對(duì)濕度及邊界層厚度進(jìn)行垂直訂正、濕度訂正，建立AOD與PM2.5、PM10濃度關(guān)系模型，為西安市霧霾防治與預(yù)測(cè)研究提供有力支持。

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)域

西安市地處渭河中游關(guān)中盆地，秦嶺以南，黃土高原以北，東邊是潼關(guān)和黃河形成的通風(fēng)口，地形特殊，受太行山脈影響，霧霾懸浮于西安市上空，難以排除，加之其他氣候條件(如靜風(fēng)、少雨雪)以及近年來(lái)城市熱島效應(yīng)的加劇、冬季燃煤取暖、道路揚(yáng)塵等因素的共同影響造成西安地區(qū)頻繁的霧霾天氣。因此有必要通過(guò)分析西安市AOD與地面顆粒物濃度的關(guān)系，建立相關(guān)模型，分析近幾年西安市大氣污染的時(shí)空特征及環(huán)境質(zhì)量變化[5-6]。如圖1所示為本實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域及西安市環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖，共計(jì)13個(gè)監(jiān)測(cè)站，分別為：高壓開(kāi)關(guān)廠，興慶小區(qū)，紡織城，市人民體育場(chǎng)，高新西區(qū)，經(jīng)開(kāi)區(qū)，長(zhǎng)安區(qū)，閻良區(qū)，臨潼區(qū)，草灘，曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，廣運(yùn)潭。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖

1.2 數(shù)據(jù)

1.1.1 遙感數(shù)據(jù)

本文利用MODIS L1B 1 km 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地上空氣溶膠的監(jiān)測(cè)，L1B 1 km數(shù)據(jù)是對(duì)L1A數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和定標(biāo)處理之后生成的，選取空間分辨率為1 km的MOD02數(shù)據(jù)即定標(biāo)后1 000 m分辨率的地球觀測(cè)數(shù)據(jù)，MOD03數(shù)據(jù)包含每天為所有軌道計(jì)算的每個(gè)1 km MODIS瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)的地理位置信息。

MOD/MYD04_3K是NASA發(fā)布的Level 2級(jí)氣溶膠產(chǎn)品，可用來(lái)獲取全球海洋和陸地環(huán)境的大氣氣溶膠光學(xué)特性(光學(xué)厚度)和質(zhì)量濃度，空間分辨率為3 km。在C6版本中，提供了新的3 km分辨率的氣溶膠產(chǎn)品即MOD/MYD04_3K。本文利用MOD04_3K氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)與MOD02數(shù)據(jù)反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證工作。

1.1.2 PM2.5、PM10及氣象數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)在中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心官方網(wǎng)站采集了2017年西安市的PM2.5、PM10濃度測(cè)量數(shù)據(jù)，西安市共設(shè)立了13個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站。本研究使用日平均PM2.5、PM10質(zhì)量濃度(μg/ m3)用于顆粒物研究。而對(duì)于行星邊界層厚度(HPBL)，監(jiān)測(cè)起來(lái)十分困難，它不是傳統(tǒng)的地面氣象變量，所以本文使用來(lái)自ECMWF再分析資料的HPBL(http://apps.ecmwf.int/datasets/)及相對(duì)濕度(RH)數(shù)據(jù)。

優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互利共贏為雙方企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了繁忙與機(jī)遇。在到場(chǎng)來(lái)賓共同見(jiàn)證下，奧特奇與來(lái)自中國(guó)各地的經(jīng)銷(xiāo)商簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同開(kāi)啟賽土豐全面營(yíng)銷(xiāo)的新時(shí)代。

2 研究方法

利用MODIS遙感影像基于暗像元法反演氣溶膠光學(xué)厚度。根據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)確定暗像元，然后使用6S軟件通過(guò)輻射傳輸公式構(gòu)建查找表，最后，根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)和查找表進(jìn)行插值獲得AOD。

在方法上與以往不同的是研究中采用固定的波段關(guān)系，獲得紅藍(lán)波段的表觀反射率，進(jìn)而得到紅藍(lán)波段反演得到的AOD值，最終將兩個(gè)波段的反演值加權(quán)得到最終的AOD值。

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)反映了整個(gè)大氣立柱的氣溶膠光學(xué)特性，而顆粒物濃度通常在地表測(cè)量得到，因此，若要根據(jù)AOD估算地面顆粒物濃度，則需要基于一定的時(shí)空尺度探求二者的相關(guān)性，不斷消除環(huán)境影響，獲取更大的相關(guān)性[7-8]。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，本研究重點(diǎn)采用垂直訂正與濕度訂正的方法訂正AOD，從而反演西安市PM2.5和PM10濃度。

式(1)為垂直訂正公式，其中BLH代表邊界層厚度；τ為光學(xué)厚度；β0為地面消光系數(shù)。

τ=B0·BLH.

(1)

根據(jù)White等[9]早期的經(jīng)驗(yàn)公式，氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)過(guò)程為

f(RH)=1/(1-RH)，

(2)

(3)

(4)

式(4)中f(RH)為吸濕性增長(zhǎng)因子，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出氣溶膠吸濕性增長(zhǎng)因子如表1所示。

假定氣溶膠的化學(xué)成分及粒度分布在一定條件下保持不變，那么可以認(rèn)為粒子的Qext，yeff，ρ是恒定不變的，則ωa與顆粒物濃度成比例，則干消光系數(shù)ωa與PMx具有良好的相關(guān)性[10]。

表1 西安市吸濕性增長(zhǎng)因子每月均值

3 結(jié)果與分析

3.1 反演結(jié)果

圖2是利用暗像元法反演并通過(guò)ArcGIS空間分析得到的西安地區(qū)2017年平均氣溶膠分布圖。結(jié)果表明[11]：AOD分布呈現(xiàn)出北高南低的趨勢(shì)，即AOD高值主要分布在西安市的中北部，低值主要分布在西安市南部。其原因可能是由于西安市南部是秦嶺山脈，人類(lèi)活動(dòng)較少，擁有繁多的樹(shù)林植被，污染源較少，所以西安市南部地區(qū)的空氣污染指數(shù)低，而中北部地區(qū)為西安市主城區(qū)，屬關(guān)中平原，人口密集，人為顆粒物污染源(如汽車(chē)尾氣、燃煤等)較多，再加上城市熱島效應(yīng)的不斷增加以及西安市特殊地形地貌、氣候氣象等因素的影響使得中北部地區(qū)AOD分布較高。這也說(shuō)明了氣溶膠光學(xué)厚度的分布易受到地形地貌、工業(yè)及人口分布等的影響。

圖2 氣溶膠分布圖

3.2 對(duì)比驗(yàn)證

MOD04_3K氣溶膠產(chǎn)品(0.55 μm)的分辨率為3 km，而本研究中反演的AOD為1 km的分辨率，為了兩者比較，將本研究反演的MODIS AOD結(jié)果利用三次卷積插值法重采樣得到3 km的分辨率進(jìn)行比較，通過(guò)數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)計(jì)算得出結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

從圖3的散點(diǎn)對(duì)比圖及表2數(shù)據(jù)分析可以看出：根據(jù)時(shí)空匹配性原則，將氣溶膠產(chǎn)品MOD04和反演的AOD按像元點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行篩選，共選取了2 352組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得出MOD04氣溶膠產(chǎn)品與本研究反演得到的AOD之間的線(xiàn)性方程式為y=0.871 4x+0.007 24，相關(guān)系數(shù)R達(dá)到了0.88，均方根誤差RMSE=0.12，平均絕對(duì)誤差MAE=0.07，說(shuō)明兩者具有非常顯著的相關(guān)性，MOD02反演的AOD可以用于氣溶膠及顆粒物濃度研究。而RMB=1.04(當(dāng)RMB>1，則結(jié)果被低估[12])說(shuō)明AOD平均值被低估。

圖3 MOD04_3K AOD與本研究反演1km AOD對(duì)比散點(diǎn)圖

3.3 結(jié)果分析

利用統(tǒng)計(jì)得到的西安市2017年地面PM2.5、PM10顆粒物濃度數(shù)據(jù)和反演得到的2017年AOD 的每日均值，因反演中存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失且根據(jù)時(shí)間匹配共得到了241對(duì)有效數(shù)據(jù)，通過(guò)分析得出的AOD與顆粒物濃度之間的相互關(guān)系如圖4所示，結(jié)果表明：AOD與PM2.5、PM10的直接相關(guān)系數(shù)分別為0.53、0.43，相關(guān)系數(shù)較低。AOD反映了整個(gè)大氣立柱的氣溶膠光學(xué)特性，而PM濃度通常在地表進(jìn)行水平測(cè)量得到，所以它們之間的相關(guān)性受到氣溶膠垂直分布和影響氣溶膠消光系數(shù)的相對(duì)濕度(RH)的嚴(yán)重影響，從而影響氣溶膠的消光系數(shù)[13]。這兩個(gè)因素與大氣廓線(xiàn)、環(huán)境條件以及氣溶膠的尺寸、分布和化學(xué)成分有關(guān)，這些因素都可能具有較大的空間和時(shí)間變化，因此直接利用氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行大氣污染物研究時(shí)，只能進(jìn)行定性分析及判斷，多源不確定因素的加入造成定量分析結(jié)果的不確定性，為減少不確定性，將邊界層高度(HPBL)和相對(duì)濕度(RH)引入到相關(guān)模型中，修正并提高AOD與地面顆粒物的相關(guān)性以滿(mǎn)足AOD進(jìn)行地面污染監(jiān)測(cè)的需要。

圖4 AOD與PM2.5、PM10濃度比較

3.4 垂直訂正及濕度訂正

首先利用邊界層厚度對(duì)AOD進(jìn)行垂直訂正后得到的兩者相關(guān)性如圖5所示，結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)垂直訂正后，得到的地面消光系數(shù)與PM2.5、PM10濃度相關(guān)系數(shù)分別為0.65、0.56，而經(jīng)過(guò)垂直訂正后的AOD表示地面的消光系數(shù)，反映了地面污染物的消光強(qiáng)弱[14]。該消光系數(shù)消除了氣溶膠垂直分布的影響，雖然基于一定的假設(shè)模型，但在一定程度上減少了氣溶膠垂直廓線(xiàn)隨時(shí)間變化的影響，使得訂正后的AOD與PM2.5、PM10的相關(guān)系數(shù)有所提高。

而由于地面顆粒物濃度的測(cè)定一般是在干燥條件下進(jìn)行的，而衛(wèi)星AOD則伴隨著相對(duì)濕度，當(dāng)氣溶膠的組分、尺寸大小和相對(duì)濕度一定時(shí)，相關(guān)系數(shù)與PM2.5、PM10成正比[15]，利用吸濕性增長(zhǎng)公式，對(duì)經(jīng)過(guò)垂直訂正后的消光系數(shù)再次進(jìn)行濕度訂正，獲得AOD的干消光系數(shù)通過(guò)相關(guān)線(xiàn)性變換得到反演的PM2.5、PM10，其與地面濃度觀測(cè)結(jié)果相關(guān)性如圖6所示。結(jié)果表明：利用相對(duì)濕度進(jìn)行訂正后，相關(guān)性進(jìn)一步提高，反演得到的PM2.5、PM10濃度與地面監(jiān)測(cè)獲取的顆粒物濃度相關(guān)系數(shù)分別為分別達(dá)到0.71、0.62，較好的實(shí)現(xiàn)了AOD反演PM2.5、PM10顆粒物濃度的目的。通過(guò)訂正說(shuō)明了相對(duì)濕度及氣溶膠的垂直分布對(duì)AOD與顆粒物濃度關(guān)系有著重要的影響，通過(guò)有效的垂直訂正及濕度訂正MODIS數(shù)據(jù)可用于獲取區(qū)域尺度上顆粒物濃度的時(shí)空變化，可以作為地面空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充。

圖5 垂直訂正后AOD與PM2.5、PM10濃度比較

圖6 濕度訂正后AOD與PM2.5、PM10濃度比較

4 結(jié) 論

基于MODIS影像反演2017年西安市的氣溶膠光學(xué)厚度，并利用邊界層厚度及相對(duì)濕度進(jìn)行垂直訂正及濕度訂正，得到反演的PM2.5、PM10濃度，得出以下結(jié)論：

1)基于暗像元法反演得到具有1 km分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度，利用ArcGIS獲取西安市2017年AOD分布圖；

2)本研究中反演的AOD與MODIS AOD 產(chǎn)品的分布趨勢(shì)大致相同，具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88；

3)反演的AOD與地面顆粒物濃度PM2.5、PM10的相關(guān)性較低，經(jīng)過(guò)垂直訂正及濕度訂正后PM2.5、PM10與地面觀測(cè)值具有良好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.71、0.62。

在實(shí)驗(yàn)中也存在許多不足之處，如：冬季植被覆蓋過(guò)少反演值偏低，沒(méi)有考慮季節(jié)和年際變化，下一步將繼續(xù)研究長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)累積，納入其它影響因子(如風(fēng)速、風(fēng)向、SO2)不斷修正反演模型，在不同尺度上研究污染物的時(shí)空特性。