黃 靖,陳文忠

(中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院海洋遙感研究所，海洋遙感教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

衛(wèi)星遙感技術(shù)的興起使通過遙感技術(shù)有效的檢測和預(yù)測大氣污染成為一項迫切的任務(wù)[1].不少學(xué)者開始采取氣溶膠衛(wèi)星遙感方法進行監(jiān)測大氣污染的研究工作，建立空氣污染指數(shù)(API)與大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)之間的關(guān)系[2].本文通過對大氣氣溶膠光學(xué)厚度和空氣污染指數(shù)進行回歸分析，研究二者之間的相關(guān)性.

1 研究目的及數(shù)據(jù)

本文以青島市市南區(qū)為研究區(qū)域，利用2006-2008年的MODIS氣溶膠產(chǎn)品、API數(shù)據(jù)，結(jié)合實測AOT數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，找出AOT與API之間的關(guān)系，期待可以利用AOT數(shù)據(jù)反映空氣污染狀況.

1.1 MODIS氣溶膠產(chǎn)品

中等分辨率成像光譜儀MODIS是NASA發(fā)射的EOS-TERRA和EOS- AQUA衛(wèi)星上最重要的星載儀器，每一到兩天觀測可覆蓋全球一次[3].本文使用MODIS Level-2氣溶膠產(chǎn)品MOD04，其星下點分辨率為10 km×10 km[4]，所采用的數(shù)據(jù)時間是從2006年4月到2008年12月，其中有效數(shù)據(jù)的天數(shù)為279 d.

1.2 API數(shù)據(jù)

本文采用青島市環(huán)境監(jiān)測站和青島市氣象臺官方網(wǎng)站提供的API數(shù)據(jù)，其對可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)的濃度進行監(jiān)測，并將結(jié)果表示成一個單一的數(shù)值以表征空氣污染程度[5-6].

由于天空輻射計設(shè)置在中國海洋大學(xué)魚山校區(qū)逸夫科技館五樓頂進行觀測，因此在利用API資料討論相關(guān)性的時候,為了減小因區(qū)域不同帶來的誤差，選取市南區(qū)西部作為主要研究對象.

圖1 青島市南區(qū)AOT與API變化圖

1.3 實測AOT數(shù)據(jù)

實測AOT數(shù)據(jù)由7波段全自動天空輻射計(POM01MARKⅡ)[7]反演得到，觀測地點位于青島市市南區(qū)、中國海洋大學(xué)魚山校區(qū)逸夫科技館五樓頂，經(jīng)緯度為120.33°E, 36.06°N，是天空輻射計500 nm處反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)值.

2 相關(guān)性分析

2.1 實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

由圖1可知，4-6月青島市南區(qū)AOT比其他月份都要明顯高，7、8月份達到低值.這是因為春季氣候干燥、沙塵較大，容易出現(xiàn)揚塵，進而造成光學(xué)厚度的最大值.夏秋季節(jié)空氣比較濕潤，降水頻繁，使得氣溶膠光學(xué)厚度不會太高.青島市南區(qū)4、5、11、12月份的空氣污染指數(shù)較高，這也許是因為11、12月份處在供暖期，燃煤量較大，而4、5月份正值春季，空氣比較干燥.結(jié)合AOT變化可以看出，兩者都與大氣污染有關(guān)，在一定程度上是存在相關(guān)性的，但結(jié)果有可能并不明顯，甚至很難得到一個明確的相關(guān)系數(shù).

2.2 實測AOT與MODIS產(chǎn)品關(guān)系模型

根據(jù)研究區(qū)域經(jīng)緯度在MODIS數(shù)據(jù)中選擇以實測數(shù)據(jù)經(jīng)緯度坐標為中心，10 km×10 km空間范圍內(nèi)的有效像素值，再根據(jù)得到的MODIS有效數(shù)據(jù)的過境時間在現(xiàn)場數(shù)據(jù)中選取據(jù)此時間最為接近的數(shù)據(jù)，要求是實測數(shù)據(jù)時間與衛(wèi)星過境的時間間隔小于1 h，得到天空輻射計現(xiàn)場觀測氣溶膠光學(xué)厚度與MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果得到圖2.由左邊的趨勢圖可知二者雖然在數(shù)值上有差異，但變化趨勢基本一致，進而對兩者做回歸分析得到線性關(guān)系圖，得出二者相關(guān)系數(shù)為0.883，這說明實測數(shù)據(jù)和MODIS產(chǎn)品之間相關(guān)性還算比較好，幾個較為離散的數(shù)值點應(yīng)該是由于MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品空間分辨率較低的緣故.

2.3 AOT與API關(guān)系模型

分別采用MODIS產(chǎn)品和實測AOT與API進行線性分析，得到MODIS氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)的AOT值與API的相關(guān)系數(shù)只有-0.002，而實測數(shù)據(jù)AOT與API的相關(guān)性也不過是-0.159，不論是遙感數(shù)據(jù)還是實測數(shù)據(jù)的AOT值與API數(shù)值相關(guān)性都不理想.

API的首要污染物絕大多數(shù)是PM10，PM10濃度的測定一般首先通過一個干燥的過程，結(jié)果是比較固定的相對濕度下的質(zhì)量濃度情況，而MODIS的AOT產(chǎn)品時自然環(huán)境背景下測量的，AOT的消光系數(shù)受到相對濕度的顯著影響.所以，考慮濕度因子影響之后再與AOT進行比較，得到AOT值與API的相關(guān)系數(shù)變?yōu)?.147，而實測數(shù)據(jù)AOT與API的相關(guān)性是0.171，相關(guān)系數(shù)有略微提高但總體說來還是非常低，這也許由于青島市屬于北溫帶，四季氣候條件不同，所以空氣污染狀況和氣溶膠光學(xué)厚度也不盡相同.按照季節(jié)進行研究，可得到表1.

左邊為趨勢對比圖，右邊線性關(guān)系圖

表1 API與AOT的線性擬合模型表

Tab.1 API and the linear fitting model table AOT

季節(jié)API與實測AOT相關(guān)系數(shù)API與MODIS產(chǎn)品相關(guān)系數(shù)春季0.2930.428夏季0.0170.267秋季0.3690.492冬季0.0930.089

3 結(jié)論

分季節(jié)討論之后，AOT與API的相關(guān)程度較之前稍好，但也不是特別如意，特別是夏、冬兩季，夏季是因為數(shù)據(jù)較少的緣故，而冬季處于集中供暖時期，燃煤量高，導(dǎo)致空氣中SO2和氮氧化物濃度增加.春季精度低于秋季，這是因為春季天氣干燥，容易揚塵，再加上春季數(shù)據(jù)最少，統(tǒng)計并不精確.

API與AOT的相關(guān)性并不高，這就意味著并不能利用衛(wèi)星遙感得到的AOT數(shù)據(jù)來反映大氣污染情況.產(chǎn)生問題的具體原因有很多方面：一是數(shù)據(jù)的空間分辨率較低；二是大氣污染指數(shù)雖然可以用PM10濃度來表征，但是也會受到其他因素如氣象因子、SO2濃度、空氣濕度等其他因素的制約，而且PM10粒子直徑過大，之后的研究可以考慮PM2.5；三是因為有效數(shù)據(jù)較少.

MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)空間分辨率太低，而實測的有效數(shù)據(jù)太少，這就對本研究有了一定的限制.API是在干燥的環(huán)境下測定，且只用PM10濃度表征，并不能體現(xiàn)SO2和氮氧化物濃度帶來的影響.相信解決了這兩個問題，二者的相關(guān)程度會更高.

參考文獻:

[1]李成才.MODIS遙感氣溶膠光學(xué)厚度及應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境大氣污染研究[D].北京：北京大學(xué)，2002.

[2]王皓.南京市區(qū)空氣污染指數(shù)與MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的回歸分析[D].南京：南京師范大學(xué)，2006.

[3]李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢，等.MODIS衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品在北京市大氣污染研究中的應(yīng)用[J].中國科學(xué)(D輯)：地球科學(xué)，2005,35(S1)：177-186.

[4]劉玉光.衛(wèi)星海洋學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009:115-118.

[5]李霞,任宜勇,吳彥,等.烏魯木齊污染物濃度和大氣氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系[J].高原氣象,2007,26(3)：112-115.

[6]王皓,查勇.MODIS氣溶膠光學(xué)厚度對城市空氣質(zhì)量的指示[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2006，19(3)：21-24.

[7]董文.中國北黃海海區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性觀測研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2005:2-13.