大氣氣溶膠遙感反演

張樹輝 張雅莉

摘要：隨著經濟的發展，城市的擴張，大氣氣溶膠污染日益嚴重，已經成為大氣研究的重點。遙感技術具有快速、大面積同步觀測、良好的經濟社會效益等特點，現在已經成為一種常用的監測手段，在大氣研究中應用廣泛。本文從氣溶膠、氣溶膠光學厚度以及氣溶膠與空氣污染等方面進行了闡述，分析了國內外對于氣溶膠遙感反演的研究進展以及反演方法的優缺點進行了分析，最后對氣溶膠反演的前景和發展進行了討論和展望。

關鍵詞：氣溶膠;氣溶膠遙感反演;氣溶膠光學厚度（AOD）

1 引言

氣溶膠通常是由大氣介質和混合與其中的在氣體介質中直徑小于10pm的固態或液態微小粒子組成的體系。氣溶膠的來源分為人為源（工業排放、秸稈燃燒、汽車尾氣、建筑施工、地面揚塵）和自然源（海鹽顆粒、森林野火、火山噴發、風沙揚塵）。雖然其含量很少，但是對大氣中發生的許多物理化學過程都有很重要的影響。例如，氣溶膠對太陽輻射的吸收和散射會改變地球大氣系統的行星反照率，從而影響到地氣系統的能量平衡;大氣氣溶膠還起到云凝結核的作用;大量的氣溶膠顆粒有可能使云滴的數密度增加，云滴的平均半徑變小，這有可能使云對太陽輻射的反射率增加或使云的維持時間加長，甚至使降水減少。這些都會影響到地氣系統的能量平衡，從而對氣候變化有影響。

氣溶膠光學厚度（AOD）是氣溶膠最基礎的光學特性，它是消光系數在垂直方向上的積分，描述的是氣溶膠對光的衰減作用，也是確定氣溶膠氣候因子的關鍵因子[1]，氣溶膠光學厚度在一定程度上反映了整個大氣污染的時空分布及污染水平，一般情況下，氣溶膠縱向的累積值越大，代表含量越高，大氣渾濁度越高，空氣污染越嚴重，所以對氣溶膠光學厚度進行時空監測對研究大氣污染及空氣質量評價具有重要意義。由于氣溶膠監測站點分布稀疏，且只能監測地表氣溶膠，而氣溶膠光學厚度可以表征整個大氣中的污染情況，且方便獲取，覆蓋范圍廣。目前，獲取氣溶膠光學厚度的方法為地基方法和遙感方法。現今，國內外已經建立了AERONET（美國NASA全球氣溶膠監測網）、CARSNET（中國氣溶膠地基遙感監測網）對氣溶膠的光學厚度進行長期觀測，并獲取氣溶膠的輻射特性及物理特性。地基觀測網絡的精度高，其直接測算太陽輻射從大氣層頂到達地表的消光性，是最準確的氣溶膠光學厚度，但是太陽光度計的數量有限，分布稀疏，不能獲取到連續的空間分布特征。基于遙感手段的反演算法可以獲得大范圍連續分布的氣溶膠光學厚度，己經有學者提出了多種適用于不同衛星數據和不同地區的反演方法。

2 氣溶膠與大氣污染

國內外許多學者都對氣溶膠對大氣的影響進行了研究。如鄭俊[2]等選取陜西省西安市為研究區域，獲取西安地區2017年氣溶膠分布圖及AOD與顆粒物濃度的關系模型，結果表明MODIS光學厚度與地面PM2.5、PM10濃度的直接相關性較差，經過濕度訂正與垂直訂正后得到的相關性進一步提高，可用于估算地面顆粒物濃度并監測區域環境空氣質量。He等[3]利用AERONET在中國北京、太湖、香河等3個地區的站點數據對于3個地區的氣溶膠光學厚度與當地空氣污染指數不同季節之間的相關性進行了分析，結果表明夏季空氣污染程度的相關性普遍較高。Khoshsima等[4]利用詹贊當地的光度計得到了當地氣溶膠的各項光學特性，通過數據發現AOD和PM10濃度之間在冬季的相關性很高，同時對NO2與PM10濃度之間的相關性進行了分析。張浩等[5]利用MODIS氣溶膠產品和氣象觀測資料分析了能見度與MODIS氣溶膠產品和氣象要素的相關關系，并運用多元回歸方法建立了安徽省不同季節能見度的反演模型，在此基礎上分析安徽省能見度的時空分布特征。李正強等[6]使用AOD數據反演了灰霾指數計算的空氣質量指數（Air Quality Index，AQI），并借助實測的AQI數據進行驗證，發現平均只相差0.7個等級。綜上研究，大氣顆粒物的存在嚴重影響著空氣質量，因此快速進行地面實測數據和遙感數據相結合以實現氣溶膠監測的業務化，及時發布城市環境空氣質量以便城市居民能夠科學出行，具有重大的現實意義。

3氣溶膠遙感的發展趨勢

隨著遙感技術的不斷發展，在大氣監測和氣溶膠光學特性反演等方面已經取得了眾多的成果，但也面臨建立具有普遍適用性的氣溶膠反演模型以及地表反射率的處理等等。未來關于氣溶膠遙感反演的趨勢應該要在以下3個方面有所突破。

（1）氣溶膠遙感反演與地面監測、地基遙感監測相結合;如多波光度計、華蓋計、無線傳感器、激光雷達、無人機等，這將大大提高遙感監測速度和反演精度;

（2）建立起基于輻射傳輸理論的氣溶膠反演模型。目前比較常見的氣溶膠（如氣溶膠濃度等）反演方法都是基于統計模型建立起的經驗公式，物理意義不夠明確，適用性不強。因此需要從大氣輻射傳輸理論出發，研究不同形狀不同大小粒子的散射和吸收機理，從而建立起具有普遍適用性，物理意義明確的氣溶膠反演體系;

（3）提高氣溶膠模型的確定精度。氣溶膠模型的選定對氣溶膠反演的精度有較大影響，因此確定氣溶膠模型非常重要，以后可以通過長時間的地基觀測或者建立更為合理的氣溶膠模型來提高氣溶膠模型的確定精度;

參考文獻

[1]陳本清， 楊燕明. 臺灣海峽及周邊海區MODIS氣溶膠光學厚度有效性驗證 [J]. 海洋學報（中文版）， 2005， 06）： 172-8.

[2]鄭俊， 楊志強， 張凱南， et al. MODIS氣溶膠光學厚度反演的西安市顆粒物濃度研究 [J]. 測繪工程， 2018， 27（12）： 19-23+30.

[3]HE J， ZHA Y， ZHANG J， et al. Aerosol indices derived from MODIS data for indicating aerosol-induced air pollution [J]. Remote Sensing， 2014， 6（2）： 1587-604.

[4]KHOSHSIMA M， AHMADI-GIVI F， BIDOKHTI A A， et al. Impact of meteorological parameters on relation between aerosol optical indices and air pollution in a sub-urban area [J]. Journal of Aerosol Science， 2014， 68（46-57.

[5]張浩， 鄧學良， 石春娥. MODIS氣溶膠產品在大氣能見度監測中的應用 [J]. 環境科學與技術， 2015， 38（08）： 49-55.

[6]李正強， 許華， 張瑩， et al. 基于衛星數據的灰霾污染遙感監測方法及系統設計 [J]. 2014，

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