天宮二號數(shù)據(jù)大氣細(xì)顆粒物遙感反演

李芮,陳健,崔嘉文

(南京信息工程大學(xué) 遙感與測繪工程學(xué)院,南京 210044)

0 引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)和社會快速發(fā)展,城市環(huán)境問題愈發(fā)突出,大氣污染事件頻發(fā),引發(fā)了政府和社會的廣泛關(guān)注。大氣顆粒物(particulate matter,PM)是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的主要污染物之一,對人類健康和社會發(fā)展等有重要影響[1]。其中,動力學(xué)直徑小于2.5 μm(PM2.5)的細(xì)顆粒物包含了大量有毒物質(zhì)和細(xì)菌,嚴(yán)重影響人類生命健康,且PM2.5來源復(fù)雜,時空變化大、化學(xué)成分復(fù)雜,對氣候變化也產(chǎn)生影響[2]。2013年我國頒布大氣污染防治十條措施以來,至2017年,全國顆粒物濃度大幅度下降,但仍然處于較高水平,同時近地表臭氧濃度日益增加,因此我國生態(tài)環(huán)境部指出將持續(xù)推進(jìn)PM2.5污染和臭氧的協(xié)同治理。因此,PM2.5濃度的監(jiān)測和空間分布研究有利于大氣污染的綜合治理,對保護(hù)人類健康、改善生態(tài)環(huán)境及社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

如今我國已經(jīng)建立了2 026個空氣質(zhì)量國控監(jiān)測點,對PM2.5等大氣污染物進(jìn)行長期觀測。站點監(jiān)測具有高時間分辨率的優(yōu)點,但存在空間覆蓋率低、站點分布不均等問題[3-4]。因此,利用遙感技術(shù)手段開展氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)、PM2.5等反演成為了大氣環(huán)境遙感的重要研究方向。目前,已有很多國內(nèi)外學(xué)者利用遙感方法反演近地表大氣顆粒物濃度[5]。遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有范圍廣、時間快、動態(tài)性、成本低等優(yōu)點,能夠獲得具有空間連續(xù)性的顆粒物濃度,很大程度上彌補了傳統(tǒng)地面監(jiān)測的不足。以往許多學(xué)者基于MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)、GOCI(geostationary ocean color imager)、Himawari-8等衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)顆粒物反演與空間分布研究[6-9]。在缺乏濕度、垂直訂正等參數(shù)的條件下,機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練的AOD與PM2.5關(guān)系模型具有較高精度[10],被廣泛用于PM2.5的反演研究之中。如Chen等[11]利用MODIS AOD產(chǎn)品和氣象數(shù)據(jù),開發(fā)了魯棒性較好的每日隨機(jī)森林PM2.5預(yù)測模型,Bagheri[12]利用衛(wèi)星AOD和氣象數(shù)據(jù),開發(fā)了預(yù)測PM2.5濃度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并獲得了較高的精度。但由于這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率較低,其AOD產(chǎn)品因冬季像元少而存在缺失值,在城市污染監(jiān)測和細(xì)顆粒物空間分異性研究中存在一定局限性,無法滿足較小區(qū)域空氣質(zhì)量研究和精細(xì)化尺度研究的需求。分辨率較高的Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)等由于其幅寬較小,無法在短時間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模監(jiān)測,不能較好分析城市地區(qū)的污染特征。此外,國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星(GF)具有空間分辨率高、范圍大的優(yōu)點,也被應(yīng)用于氣溶膠及顆粒物反演研究,如賈亮亮等[13]利用GF-1 WFV數(shù)據(jù),結(jié)合深藍(lán)算法和暗像元算法獲得了高精度的AOD結(jié)果,嚴(yán)瑩婷等[14]利用GF-4 PMS數(shù)據(jù)反演了高精度的PM2.5結(jié)果。因此,使用百米級空間分辨率、較大幅寬的遙感數(shù)據(jù)對城市大氣污染進(jìn)行遙感反演研究,可以更加精細(xì)地監(jiān)測與分析城市污染的空間分布。

天宮二號(TG-2)搭載的寬波段成像儀(wide band imager,WBI)具有獨特的特點,空間分辨率為100 m,幅寬為300 km,并實現(xiàn)了“圖譜合一”,能夠同時獲取影像信息和地物光譜信息。在氣溶膠遙感研究中,相對于MODIS、Himawari-8、GOCI靜止衛(wèi)星等遙感數(shù)據(jù),TG-2/WBI獲取了空間分辨率更高的數(shù)據(jù)影像,能夠更加精細(xì)地描述區(qū)域內(nèi)氣溶膠空間分布,非常適合區(qū)域大氣細(xì)顆粒物濃度反演。本文利用TG-2/WBI數(shù)據(jù),結(jié)合MODIS地表反射率產(chǎn)品、能見度和相對濕度數(shù)據(jù),對AOD和PM2.5濃度進(jìn)行了遙感反演和精度驗證,并初步分析了研究區(qū)域AOD和PM2.5的空間分布特征,探討了國產(chǎn)WBI數(shù)據(jù)在氣溶膠和細(xì)顆粒物的遙感反演和動態(tài)監(jiān)測方面的可行性。

1 研究材料

1.1 天宮二號數(shù)據(jù)

天宮二號于2016年9月由中國載人航天工程發(fā)射升空,獲取了大量的遙感數(shù)據(jù)。天宮二號搭載了新一代寬波段成像光譜儀,該傳感器波段寬、視場寬,實現(xiàn)了“圖譜合一”的功能,是國內(nèi)外第一臺在可見近紅外、短波紅外及熱紅外波段實現(xiàn)大視場全推掃成像,并具有組合集成功能的成像儀,獲取的多光譜影像具有高時空分辨率的特點,適用于陸地、大氣探測和湖泊、海洋等氣候觀測。在可見近紅外波段,TG-2/WBI的光譜范圍為0.403～0.970 μm,分為14個通道,其空間分辨率為100 m,適用于PM2.5的遙感反演及空間分布的研究。

由于天宮二號于2019年7月停止服務(wù),服務(wù)期限較短,獲取的研究區(qū)影像數(shù)量有限,通過篩選研究區(qū)域云覆蓋較低的影像,本研究最終選取了魯豫皖地區(qū)的3景典型TG-2/WBI數(shù)據(jù)開展研究,獲取時間分別為2017年3月18日、2017年12月2日、2017年3月14日。第1幅圖像主要覆蓋山東北部(38°N,118°E),包括東營、德州、濟(jì)南、淄博和濰坊;第2幅圖像覆蓋河南省北部和河北省南部(36°N,114°E),主要位于太行山東部;第3幅圖像位于魯豫皖地區(qū)的邊界(34.5°N,116°E)。為了簡明描述,本文研究區(qū)域簡稱為魯北地區(qū)、豫北地區(qū)和魯豫皖邊界地區(qū)。所有數(shù)據(jù)均由載人航天空間應(yīng)用數(shù)據(jù)推廣服務(wù)平臺提供(http://www.msadc.cn),下載數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何訂正。本文對TG-2數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo),以獲得真實輻亮度值,選用藍(lán)波段(波長:0.480～0.500)數(shù)據(jù)進(jìn)行AOD反演。

1.2 MODIS產(chǎn)品

目前MODIS傳感器搭載在Terra衛(wèi)星和Aqua衛(wèi)星上,其數(shù)據(jù)波譜范圍為0.4～14 μm,光譜通道分為36個。MOD09A1是MODIS地表反射率8 d合成產(chǎn)品,本研究利用MOD09A1來構(gòu)建一套新的TG-2/WBI地表反射率數(shù)據(jù)庫,并利用MOD04_3KM數(shù)據(jù)對TG-2/WBI數(shù)據(jù)的AOD結(jié)果進(jìn)行比較和驗證。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

本研究使用的能見度數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html),提取研究區(qū)域內(nèi)各城市的能見度數(shù)據(jù)。使用的相對濕度來自于NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集,下載于美國data.gov網(wǎng)站,數(shù)據(jù)的分辨率為2.5°。本研究選取與成像時間相對應(yīng)的能見度及相對濕度數(shù)據(jù)。

1.4 地面站點 PM2.5數(shù)據(jù)

從空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺上(https://www.aqistudy.cn/)收集衛(wèi)星過境時研究區(qū)域內(nèi)各城市的實測PM2.5空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。本研究使用魯北地區(qū)東營、滄州、濱州等10個地區(qū)的數(shù)據(jù),豫北地區(qū)邯鄲、安陽、焦作等11個地區(qū)的數(shù)據(jù),魯豫皖邊界地區(qū)亳州、濮陽、淮北等10個地區(qū)的數(shù)據(jù)。

2 研究方法

首先,基于TG-2/WBI數(shù)據(jù),采用深藍(lán)算法對研究區(qū)域進(jìn)行AOD反演,并利用能見度數(shù)據(jù)和NCEP相對濕度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行垂直訂正與濕度訂正。然后,利用回歸分析方法對PM2.5濃度進(jìn)行反演。最后,利用MOD04和站點實測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行AOD和PM2.5反演結(jié)果的精度驗證。

2.1 AOD反演

假設(shè)地球表面是朗伯體且大氣的水平條件是均一的,此時衛(wèi)星傳感器能獲得的表觀反射率ρTOA如式(1)所示。

(1)

式中:μS為太陽天頂角的余弦;μV為觀測天頂角的余弦;φ為相對方位角;ρ0為大氣層輻射項的等效反射率;R0為朗伯體的地表反射率;S為大氣整層向下路徑的半球反射率;T為大氣透過率。從式(1)中可以看出ρ0、S和T具有大氣狀況的特征信息,R體現(xiàn)了地球表面反射的特征[15],因此ρTOA是大氣特征信息與地表反射信息的耦合,為獲取準(zhǔn)確的AOD反演結(jié)果,需要先完成地氣解耦的處理。

目前,常用暗像元法和深藍(lán)算法進(jìn)行AOD遙感反演。暗像元法在高反射率地區(qū)的地氣解耦中效果不佳,而深藍(lán)算法能夠去除地表貢獻(xiàn)的影響[16],在地表類型廣泛的地區(qū)效果更好。研究區(qū)土地利用類型復(fù)雜、地表反射率較高,本文使用深藍(lán)算法實現(xiàn)研究區(qū)域的AOD反演。具體反演過程如下。

1)計算表觀反射率?；赥G-2/WBI數(shù)據(jù),計算表觀反射率ρ,如式(2)所示。

(2)

式中:L為各像元的輻亮度值;D為平均日地距離的訂正因子;Esun為太陽輻照度;θS為太陽天頂角。

2)構(gòu)建地表反射率庫。TG-2沒有地表反射率產(chǎn)品,故使用MOD09A1構(gòu)建TG-2地表反射率庫。TG-2(B12)和MOD09A1(B3)藍(lán)光波段波長范圍分別為480～500 nm和459～479 nm,使用波段轉(zhuǎn)換減小光譜響應(yīng)差異。選取ENVI波譜數(shù)據(jù)庫中53種典型地物光譜數(shù)據(jù),對二者藍(lán)光波段地表反射率進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并建立線性回歸模型,采用交叉輻射訂正進(jìn)行光譜轉(zhuǎn)換,波段轉(zhuǎn)換如式(3)所示,光譜轉(zhuǎn)換如式(4)所示。

(3)

RTG-2_B12=1.006 1·RMODIS_B3+0.004

(4)

式中:λ1、λ2為波長積分的上限、下限;λ為波長;W(λ)為光譜響應(yīng)函數(shù);P(λ)為典型波譜庫中地物反射率;RTG-2_B12和RMODIS_B3分別為TG-2和MODIS藍(lán)光波段反射率。

圖1為TG-2與MODIS藍(lán)光波段地表反射率的回歸模型圖。從圖1可知決定系數(shù)R2為0.996 7,擬合度非常高,說明該光譜轉(zhuǎn)換公式能夠適用于實驗區(qū)域。

圖1 TG-2與MODIS藍(lán)光波段地表反射率散點圖

3)角度數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。由于深藍(lán)算法需要逐像元計算AOD的值,因此需要確定每個像元的角度參數(shù):觀測天頂角、觀測方位角、太陽天頂角、太陽方位角。TG-2影像每個像元的角度各不相同,基于推掃式成像的特點,本文重新計算角度參數(shù)。以星下點為中心,觀測天頂角為0°,在衛(wèi)星飛行的垂直方向上,觀測天頂角最大值約為21°,前后向觀測方位角之間的差值為180°。根據(jù)前向觀測方位角、成像時間、像元位置,通過逐像元計算的方法,可以得到4個角度參數(shù)。

4)數(shù)據(jù)重采樣。為避免空間分辨率不一致導(dǎo)致的誤差問題,對研究區(qū)域的TG-2/WBI數(shù)據(jù)、MOD09A1地表反射率產(chǎn)品、4個角度參數(shù)進(jìn)行重采樣和裁切處理,以獲得研究地區(qū)同一分辨率200 m下的數(shù)據(jù)。

5)6S模型構(gòu)建查找表。本研究通過6S輻射傳輸模型計算并構(gòu)建查找表,得到ρ0、S和T,獲取研究區(qū)域內(nèi)所有像元的AOD。在6S模型中,TG-2數(shù)據(jù)沒有預(yù)設(shè)參數(shù),因此根據(jù)TG-2/WBI特性和研究區(qū)域?qū)嶋H情況,所需參數(shù)自定義如下?？紤]到天頂角與方位角對表觀反射率的敏感性不同[17],因此衛(wèi)星天頂角的間隔設(shè)為4°,太陽天頂角的間隔設(shè)為1°,相對方位角為衛(wèi)星方位角與太陽方位角的差,間隔設(shè)為12°。氣溶膠類型的選擇對AOD反演精度具有重要影響,MODIS在陸地氣溶膠反演時,主要針對AERONET站點數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析,將氣溶膠類型劃分為沙塵型、生物質(zhì)燃燒型、背景/農(nóng)村大陸型、海洋型、重污染型。由于站點分布稀疏,忽略了城市的具體特征,不能較好展示氣溶膠類型的空間分異性。魯北地區(qū)瀕臨渤海,受海洋季風(fēng)影響,研究時刻的主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng),由海洋吹向內(nèi)陸,故氣溶膠類型選擇海洋型;豫北地區(qū)和魯豫皖邊界地區(qū)位于內(nèi)陸,受大陸季風(fēng)影響,故氣溶膠類型選擇大陸型。研究區(qū)處于中緯度地區(qū),大氣參數(shù)選擇中緯度冬季。光譜參數(shù)選擇自定義并輸入TG-2藍(lán)光波段,以2.5 nm間隔設(shè)置光譜響應(yīng)函數(shù)值。下墊面特性均設(shè)置為朗伯體表面,地表反射率則選擇已構(gòu)建的TG-2/WBI地表反射率庫。

為驗證選取氣溶膠類型的合理性,本文針對城市型、大陸型、海洋型氣溶膠類型進(jìn)行反演實驗,將氣溶膠類型均設(shè)為城市氣溶膠,與本研究方案進(jìn)行對比(圖2)。結(jié)果表明,利用城市氣溶膠反演的AOD偏高,與以往研究結(jié)果一致[18],本文的氣溶膠方案更接近真實值,更適用于研究區(qū)域AOD反演。

圖2 不同類型氣溶膠反演結(jié)果對比圖

6)AOD反演及驗證。完成上述預(yù)處理后,使用深藍(lán)算法分別對研究區(qū)域進(jìn)行AOD反演,最終得到2017年3月18日魯北地區(qū)、2017年12月2日豫北地區(qū)、2017年3月14日魯豫皖邊界地區(qū)的AOD反演結(jié)果。由于缺乏可用的AOD數(shù)據(jù),使用MOD04_3KM產(chǎn)品進(jìn)行分析驗證TG-2數(shù)據(jù)AOD遙感反演產(chǎn)品的準(zhǔn)確性,以證明該AOD產(chǎn)品的準(zhǔn)確性能夠支持PM2.5濃度的反演。

2.2 PM2.5濃度反演

本研究建立TG-2數(shù)據(jù)AOD反演產(chǎn)品與地面實測PM2.5數(shù)據(jù)之間的回歸關(guān)系模型,探討二者之間的相關(guān)性。考慮到模型的建立和驗證,選擇2/3的數(shù)據(jù)用于建模,1/3的數(shù)據(jù)用于模型驗證。根據(jù)關(guān)系模型,估算研究區(qū)大氣中的PM2.5質(zhì)量濃度,并分析其空間分布,為PM2.5監(jiān)測與治理提供有效支撐。

本文利用衛(wèi)星反演的AOD表示大氣垂直柱中所有氣溶膠粒子的消光能力之和,而實測PM2.5是干燥條件下的地面測量值[19]。若要保證PM2.5濃度反演的準(zhǔn)確性,需要考慮氣溶膠垂直分布對AOD的影響。又由于氣溶膠粒子吸濕特性,氣溶膠粒徑分布和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,導(dǎo)致AOD值發(fā)生變化,因此對AOD進(jìn)行濕度訂正有利于提高PM2.5的反演精度。

1)垂直訂正。假設(shè)氣溶膠在垂直方向上呈指數(shù)分布,總的大氣AOD與近地面氣溶膠消光系數(shù)的關(guān)系如式(5)所示[20]。

(5)

式中:τ是總的大氣AOD;β是近地面氣溶膠消光系數(shù);Z是垂直高度;H是氣溶膠標(biāo)高。

本研究利用Peterson模型進(jìn)行反算,作為H實際值[21]。Peterson模型更準(zhǔn)確地描述了氣溶膠的垂直光學(xué)厚度與水平能見度之間的關(guān)系,并考慮了大氣分子的瑞利散射和臭氧在水平方向的吸收,為PM2.5濃度監(jiān)測及與臭氧的協(xié)同治理起到一定的作用。Peterson模型如式(6)所示[22]。

(6)

根據(jù)式(5),近地面氣溶膠消光系數(shù)可以表示為τ與H的商[23]。

2)濕度訂正。氣溶膠的吸濕性對PM2.5反演有重要的影響,PM2.5和AOD的關(guān)系對濕度變化十分敏感。因此,本研究采用濕度訂正來改善二者之間的相關(guān)性。濕度影響因子f(RH)能夠更好修正水溶性粒子吸濕膨脹對地面消光的影響[24],可表示為式(7)。

(7)

式中:RH為相對濕度。將近地面氣溶膠消光系數(shù)除以f(RH)以完成相對濕度訂正[25]。

3 結(jié)果與討論

3.1 AOD 反演結(jié)果

通過計算表觀反射率,構(gòu)建地表反射率庫,使用深藍(lán)算法對研究區(qū)域的3幅TG-2影像進(jìn)行AOD反演,結(jié)果如圖3所示。

圖3 200 m分辨率下研究區(qū)域的AOD結(jié)果

從圖3可以看出,魯北地區(qū)AOD分布主要表現(xiàn)為東北沿海地區(qū)較高,豫北地區(qū)AOD分布主要表現(xiàn)為東部較高西部較低,魯豫皖邊界地區(qū)AOD分布主要表現(xiàn)為個別地區(qū)高于周圍地區(qū)。該分布主要由土地利用類型、地形地貌和社會排放等因素所導(dǎo)致。魯北沿海地區(qū)自然資源豐富,土地利用以工業(yè)用地為主,空氣污染較嚴(yán)重,西部內(nèi)陸地區(qū)以農(nóng)田和林地為主,空氣質(zhì)量較好,AOD值較小。豫北地區(qū)身處內(nèi)陸,東部平原城市和工業(yè)發(fā)展較快,AOD較高,西部山區(qū)人口稀疏,AOD較低。魯豫皖邊界地區(qū)的個別城市地勢平坦、交通便利,商業(yè)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展,社會排放遠(yuǎn)高于周圍地區(qū),因此AOD值較高。此外,沿海地區(qū)更易受到海洋季風(fēng)的影響,水溶性氣溶膠粒子隨濕度增大而膨脹,使AOD值較高于內(nèi)陸。

為了驗證AOD反演結(jié)果,本研究選擇NASA正式發(fā)布的MOD04_3KM進(jìn)行驗證分析(圖4)。圖4顯示了魯北地區(qū)MODIS-AOD和TG-AOD反演結(jié)果的相關(guān)程度,R2為0.91,表明TG-AOD數(shù)據(jù)與MODIS-AOD具有相對較小的離散度和較高的一致性。綜上,TG-2/WBI數(shù)據(jù)為研究區(qū)域提供了良好的AOD反演結(jié)果,該結(jié)果證明使用本文的研究方法對TG-2/WBI數(shù)據(jù)進(jìn)行AOD反演是完全可行的,為進(jìn)一步開展新型國產(chǎn)衛(wèi)星氣溶膠相關(guān)研究分析及業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 TG-2數(shù)據(jù)反演結(jié)果與MOD04_3KM產(chǎn)品的對比

3.2 PM2.5 反演結(jié)果

1)PM2.5濃度估算及空間分布。研究區(qū)域3幅影像的PM2.5反演結(jié)果如圖5所示。魯北地區(qū)的PM2.5濃度呈現(xiàn)東北區(qū)域較高的分布,主要受地理位置和土地利用類型的影響。魯北沿海地區(qū)擁有豐富的石油、天然氣等自然資源,大部分地區(qū)建有大型油田、礦山等,資源開發(fā)排放了大量顆粒物,空氣污染嚴(yán)重。西部內(nèi)陸地區(qū)的土地利用類型多為農(nóng)田和林地,植被覆蓋度較高,工業(yè)用地較少,污染排放較低,PM2.5濃度較低。因此魯北地區(qū)的PM2.5濃度呈現(xiàn)以東北區(qū)域為中心的“污染島”狀。

圖5 200 m分辨率下PM2.5反演結(jié)果

豫北地區(qū)PM2.5結(jié)果主要表現(xiàn)為東部較高西部較低,主要受地形地貌影響。豫北地區(qū)以太行山為分界,海拔高度向東西兩側(cè)逐漸減小,太行山西側(cè)以山地、丘陵為主,林業(yè)、草地資源較為豐富,生態(tài)環(huán)境較好,不易形成明顯的污染現(xiàn)象;東側(cè)則以平原為主,地勢平坦,人口聚集,礦產(chǎn)資源豐富,資源開發(fā)極易造成較大的粉塵和煙塵污染。又由于山麓的阻擋,東部地區(qū)的顆粒污染物不易往西部擴(kuò)散,因此豫北東側(cè)的PM2.5污染相對于西側(cè)較嚴(yán)重。

魯豫皖邊界地區(qū)PM2.5結(jié)果展現(xiàn)了以個別地區(qū)明顯高于周圍地區(qū)的“污染島”現(xiàn)象,如地勢平坦、礦產(chǎn)資源豐富的菏澤市牡丹區(qū)和菏澤市曹縣,以及經(jīng)濟(jì)、交通和信息發(fā)達(dá)的商丘梁工業(yè)園區(qū)。由于這些地區(qū)采礦業(yè)、冶金業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了大量顆粒物,人口聚集產(chǎn)生較多的人為污染排放,在靜穩(wěn)天氣下短時間難以擴(kuò)散,導(dǎo)致大氣污染物集聚,而形成的類似于島狀的大氣污染現(xiàn)象。

本研究使用站點實測數(shù)據(jù)對反演得到的PM2.5濃度進(jìn)行驗證分析(圖6)。衛(wèi)星遙感獲取的PM2.5濃度結(jié)果與實測PM2.5數(shù)據(jù)具有較高的一致性,R2為0.902。與站點數(shù)據(jù)相比,反演結(jié)果略低,但擬合程度較高,因此基于TG-2/WBI數(shù)據(jù),利用線性回歸模型對研究區(qū)域的PM2.5濃度進(jìn)行反演和估算是完全可行的,所獲得的PM2.5產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確展現(xiàn)研究區(qū)域的污染分布狀況,這對PM2.5污染的監(jiān)測以及我國進(jìn)一步對PM2.5和臭氧之間的關(guān)系及協(xié)同治理研究提供了一種新的研究手段。

圖6 PM2.5反演模型精度驗證結(jié)果

2)氣溶膠垂直分布和相對濕度的影響。通過比較AOD反演結(jié)果與PM2.5反演結(jié)果,發(fā)現(xiàn)PM2.5與AOD的空間分布一致,總體呈正相關(guān)。然而,在一些AOD較高的區(qū)域,反演獲得的PM2.5濃度相對較低,這主要是因為氣溶膠具有吸濕特性,其化學(xué)成分、粒徑分布和光學(xué)特性等隨著相對濕度的變化而變化,導(dǎo)致了AOD反演結(jié)果和PM2.5實測結(jié)果的關(guān)系在時空上差異較大[26]。為了分析氣溶膠垂直分布和相對濕度的影響,在站點PM2.5與反演的AOD、近地面氣溶膠消光系數(shù)、垂直和濕度訂正后的AOD之間分別建立了回歸模型,結(jié)果如圖7所示,其中各子圖序號中的“a”“b”“c”分別代表魯北、豫北和魯豫皖邊界地區(qū);各子圖序號中的“1”“2”“3”分別表示站點PM2.5和反演的AOD、近地面氣溶膠消光系數(shù)、垂直和濕度訂正后的AOD。

圖7 PM2.5-AOD相關(guān)性散點圖

從圖7可以看出,魯北、豫北和魯豫皖邊界地區(qū)的站點PM2.5和AOD反演結(jié)果之間的擬合度都很低,R2分別為0.139、0.201和0.170,無法直接用于PM2.5濃度的反演和污染監(jiān)測。經(jīng)過垂直訂正后,R2有了明顯提高,分別為0.351、0.301和0.451,這表明利用能見度進(jìn)行垂直訂正獲得近地面氣溶膠消光系數(shù),有效提高了與PM2.5實測濃度的相關(guān)性。最后經(jīng)過濕度訂正后,PM2.5與AOD之間的R2進(jìn)一步提高至0.672、0.695和0.470,這是由于AOD是在真實環(huán)境下反演得到的,PM2.5濃度一般是在干燥條件下測定的,利用相對濕度獲得了干顆粒物的消光系數(shù)信息,因此AOD與PM2.5的相關(guān)性大幅度提高。從宏觀角度上,基于高分辨率的TG-2/WBI數(shù)據(jù),通過遙感技術(shù)反演AOD并進(jìn)行垂直濕度訂正,建立PM2.5與AOD的關(guān)系模型具有較高的擬合度,以準(zhǔn)確獲得具有空間連續(xù)性的PM2.5結(jié)果,能夠有效彌補地面監(jiān)測站點分布不均的不足,實現(xiàn)了國產(chǎn)衛(wèi)星進(jìn)行PM2.5遙感反演的可能性,為區(qū)域大氣顆粒物污染的監(jiān)測和防控提供了一種手段,對魯豫皖地區(qū)大氣污染綜合治理具有實際意義。

4 結(jié)束語

結(jié)合MODIS產(chǎn)品,本文使用TG-2/WBI數(shù)據(jù)反演了魯豫皖地區(qū)的AOD和PM2.5,然后使用MOD04和地面站點數(shù)據(jù)驗證反演的準(zhǔn)確性。主要結(jié)論如下。

1)本文基于MOD09A1地表反射率產(chǎn)品,構(gòu)建TG-2地表反射率庫,對TG-2/WBI數(shù)據(jù)進(jìn)行AOD反演是完全可行的,反演結(jié)果與MOD04 AOD產(chǎn)品的擬合度高達(dá)0.91。與傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)相比,TG-2/WBI數(shù)據(jù)分辨率高、幅寬大,非常適合區(qū)域AOD的反演。

2)使用TG-2 AOD結(jié)果進(jìn)行垂直和濕度訂正后,反演的PM2.5值與站點數(shù)據(jù)的擬合度達(dá)到0.902。使用PM2.5-AOD關(guān)系模型實現(xiàn)TG-2/WBI數(shù)據(jù)區(qū)域細(xì)顆粒物的反演具有較高的可行性,彌補了地面監(jiān)測的不足,為區(qū)域PM2.5污染監(jiān)測提供了新的研究手段。

3)研究區(qū)域的AOD和PM2.5結(jié)果均呈現(xiàn)出“污染島”狀的空間分布,表明在靜穩(wěn)的天氣條件下,由于地理位置、土地利用、社會排放等,城市氣溶膠污染呈現(xiàn)島狀,這對研究城市污染排放、擴(kuò)散等規(guī)律具有重要意義。