秦 文，武云霞，盛 寁，程?hào)|正，張 琰

(南昌市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江西 南昌 330038)

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基于MODIS-AOD產(chǎn)品的南昌市近地面顆粒物定量反演

秦 文，武云霞，盛 寁，程?hào)|正，張 琰

(南昌市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江西 南昌 330038)

利用能見度轉(zhuǎn)換的氣溶膠垂直標(biāo)高、地面相對(duì)濕度、大氣壓力和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，以南昌市為研究區(qū)，對(duì)MODIS-AOD產(chǎn)品進(jìn)行垂直和氣象要素的校正，并使用地面PM10和PM2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)校正的MODIS-AOD產(chǎn)品與地面顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，與PM10、PM2.5的決定系數(shù)分別為0.318、0.457，說(shuō)明MODIS-AOD產(chǎn)品經(jīng)相關(guān)校正后，可用于南昌地面空氣污染的監(jiān)測(cè)。在遙感與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性季節(jié)變化方面，夏季相關(guān)性最高，秋季次高，春季較低，冬季最低。

氣溶膠光學(xué)厚度；PM10；PM2.5；MODIS

大氣氣溶膠是均勻分散并懸浮于大氣中液態(tài)和固態(tài)微粒的總稱。目前所能測(cè)得的最小氣溶膠粒徑為0.002 μm，由于重力的沉降作用，能夠長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中的氣溶膠粒徑最大為100 μm[1]，其中液態(tài)微粒近似于球形，固態(tài)微粒多不規(guī)則，對(duì)太陽(yáng)輻射具有吸收和散射作用。氣溶膠的來(lái)源主要分為自然源和人為源，自然源主要來(lái)源于土壤、生物、火山爆發(fā)和森林火災(zāi)等，人為源主要來(lái)自石油等化石燃料的燃燒、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等[2]。城市大氣污染的主要來(lái)源是粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物PM10[3]，而粒徑小于2.5 μm的PM2.5則對(duì)人體健康的影響更為顯著。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化水平的快速發(fā)展，氣溶膠特別是近地面顆粒物所造成的環(huán)境問(wèn)題越加顯著，各城市普遍受到“霧霾”天氣的影響，對(duì)民眾的身體健康造成了嚴(yán)重威脅，預(yù)防和治理氣溶膠環(huán)境問(wèn)題迫在眉睫[4]。目前，中國(guó)各大城市普遍建設(shè)了空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，可以對(duì)污染物地面濃度進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)。但是由于站點(diǎn)數(shù)量的局限性，該監(jiān)測(cè)手段難以對(duì)較大范圍的區(qū)域尺度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感具有區(qū)域尺度大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其氣溶膠遙感資料應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測(cè)中，可以有效彌補(bǔ)地面空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在空間上的不足。EOS(Earth Observation System)系列衛(wèi)星的中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer， MODIS)，其光譜分辨率較高，通道設(shè)置較為全面，且幅寬較大，已廣泛應(yīng)用于大氣遙感監(jiān)測(cè)。基于MODIS數(shù)據(jù)的陸地氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)產(chǎn)品被NASA每日公開發(fā)布，該產(chǎn)品的精度較高[5]。

綜合使用MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品和地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以在區(qū)域大氣環(huán)境層面開展氣溶膠研究。國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者針對(duì)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在不同地域開展了工作。Wang等[6]以美國(guó)Jeffero地區(qū)為研究區(qū)，對(duì)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與MODIS的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩者顯著相關(guān)，表明MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品可用于大氣環(huán)境質(zhì)量的評(píng)估分析。高大偉等[7]利用臨安地區(qū)四季的氣溶膠平均標(biāo)準(zhǔn)高度和地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的濕度數(shù)據(jù)，對(duì)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品進(jìn)行垂直與濕度修正，明顯提升了氣溶膠光學(xué)厚度與PM10濃度的相關(guān)性。宋挺等[4]通過(guò)使用激光雷達(dá)偵測(cè)的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布，以及地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的相對(duì)濕度和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，以無(wú)錫市為研究區(qū)域，修正了MDOS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品，使PM10和PM2.5與氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品的相關(guān)性得到較為明顯的提高。

南昌地處江西省中部偏北，位于我國(guó)第一淡水湖鄱陽(yáng)湖西南岸，下轄7個(gè)區(qū)和3個(gè)縣。南昌市的大氣環(huán)境污染主要來(lái)自能源消耗、工藝生產(chǎn)廢氣和機(jī)動(dòng)車尾氣等[8]，以南昌市為研究區(qū)開展衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品與地面顆粒物關(guān)系的研究還不多，迫切需要從大范圍區(qū)域分析南昌市近地面顆粒物濃度分布。因此，本文使用地面監(jiān)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)和10 km空間分辨率的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品，研究與南昌市近地面顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)，建立適用于南昌地區(qū)PM10和PM2.5濃度的遙感反演模型。

1 數(shù)據(jù)源

1.1 遙感數(shù)據(jù)

本文使用的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品為NASA每日公布的空間分辨率為10 km的MOD04-L2，下載地址為https://ladsweb.nascom.nasa.gov，AOD產(chǎn)品進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換操作使用ENVI軟件的MCTK(MODIS Conversion Toolkit)插件。將2015年1月至2016年6月南昌地區(qū)Terra和Aqua衛(wèi)星MOD04-L2產(chǎn)品進(jìn)行篩選，共選取氣象條件較好的49景(天)，并與地面站點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的366組有效數(shù)據(jù)。

1.2 地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

南昌市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供了本文所使用的大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共有9個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(圖1)，測(cè)量指標(biāo)包括二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氮氧化物、一氧化碳、臭氧、PM2.5和PM10濃度等大氣污染物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，此外，9個(gè)站點(diǎn)都能監(jiān)測(cè)氣溫、大氣壓力、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象參數(shù)，京東鎮(zhèn)政府是唯一具備能見度監(jiān)測(cè)能力的站點(diǎn)。由于PM10和PM2.5等顆粒污染物監(jiān)測(cè)使用的方法為“β射線吸收法”，此方法需進(jìn)行除濕的預(yù)處理，因此，測(cè)得的PM10和PM2.5是除濕后的質(zhì)量，即“干重”。

圖1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空間分布

2 模型與方法

本研究主要從氣溶膠垂直標(biāo)高、相對(duì)濕度以及大氣壓力、風(fēng)速等方面對(duì)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)修正。

2.1 氣溶膠垂直標(biāo)高校正

衛(wèi)星遙感的氣溶膠光學(xué)厚度代表了大氣在垂直方向上消光能力(吸收和散射)之和，在數(shù)值上表示為消光系數(shù)和大氣垂直路徑的乘積，其中，氣溶膠的垂直分布是影響氣溶膠光學(xué)厚度和近地面顆粒物含量相關(guān)關(guān)系的重要原因。在重力的影響下，可假定氣溶膠濃度在垂直往上呈指數(shù)遞減[9]，則可得到近地面消光系數(shù)與大氣總的氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系[10]：

(1)

式中：Ka——近地面水平消光系數(shù) HA——大氣氣溶膠標(biāo)高 z——垂直高度

由上式可知，可通過(guò)衛(wèi)星反演的AOD和氣溶膠垂直標(biāo)高HA，求得近地面水平消光系數(shù)Ka。

本文利用京東鎮(zhèn)政府空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)測(cè)定的能見度數(shù)據(jù)，根據(jù)李成才等[11]的研究結(jié)果(式2)，得到每天京東鎮(zhèn)政府空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)氣溶膠垂直標(biāo)高，由于通常大氣在垂直方向上分層，但在水平方向均一，所以可將單點(diǎn)得到的氣溶膠垂直標(biāo)高應(yīng)用于南昌市所有空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。

(2)

式中：HA——?dú)馊苣z標(biāo)準(zhǔn)高度 V——能見度 AOD——?dú)馊苣z光學(xué)厚度

2.2 相對(duì)濕度校正

地面空氣自動(dòng)站所測(cè)得的是近地面顆粒物的“干重”，由于空氣中無(wú)機(jī)成分及部分有機(jī)物粒子普遍具有吸濕性[12]，吸濕膨脹后顆粒物粒徑增大，顯著影響到了消光系數(shù)。而衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演的氣溶膠光學(xué)厚度受到環(huán)境濕度的影響，所以空氣相對(duì)濕度是必須考慮的因素。White等[13]早期提出了吸濕增長(zhǎng)因子f(RH)的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，RH表示空氣相對(duì)濕度(百分?jǐn)?shù))，使用的是空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站實(shí)的時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 風(fēng)速與大氣壓力校正

氣溶膠光學(xué)厚度與近地面顆粒物濃度的關(guān)系還受到風(fēng)速、大氣壓力等氣象條件的影響，其中風(fēng)速對(duì)大氣污染物的傳輸和擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，特別是在高溫靜風(fēng)低壓的情況下，顯著影響了顆粒物的傳輸與擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒物在局部區(qū)域有更長(zhǎng)時(shí)間的凝聚，通過(guò)在空氣中的二次化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)了顆粒物的吸濕性，從而對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度造成了間接影響。本文在垂直和濕度訂正的基礎(chǔ)上，將訂正后的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)聯(lián)合風(fēng)速和氣壓兩個(gè)氣象因子，與近地面顆粒物濃度進(jìn)行多元線性回歸。

3 結(jié)果與討論

3.1 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面監(jiān)測(cè)顆粒物濃度的相關(guān)性分析

對(duì)南昌地區(qū)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面監(jiān)測(cè)的顆粒物濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。2015年1月至2016年6月的期間內(nèi)，共獲取366對(duì)有效數(shù)據(jù)。MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面監(jiān)測(cè)PM10、PM2.5濃度的散點(diǎn)圖如圖2(a)與圖2(b)分所示，得到的決定系數(shù)(R2)分別為0.2782和0.2462，均大于統(tǒng)計(jì)學(xué)的99%置信度要求。

圖2 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面顆粒物的散點(diǎn)圖

首先根據(jù)式(2)得到氣溶膠標(biāo)高HA，再根據(jù)式(1)，將各站點(diǎn)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)除以HA，得到近地面消光系數(shù)Ka，將Ka與地面監(jiān)測(cè)的顆粒物濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)圖3，可以看到經(jīng)HA修正后，較MODIS氣溶膠光學(xué)厚度，Ka與地面顆粒物的決定系數(shù)均有提升，與PM10決定系數(shù)(R2)為0.2797，與PM2.5決定系數(shù)(R2)為0.3811。

圖3 垂直訂正后的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面顆粒物散點(diǎn)圖

為得到近地面“干”消光系數(shù)(Ka,dry)，將Ka除以吸濕增長(zhǎng)因子f(RH)。圖4(a)和圖4(b)為近地面“干”消光系數(shù)(Ka,dry)與相應(yīng)地面顆粒物濃度的散點(diǎn)圖。在綜合考慮氣溶膠垂直標(biāo)高和地面實(shí)測(cè)相對(duì)濕度后，MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品修正結(jié)果與PM10、PM2.5濃度的相關(guān)性均得到提高，決定系數(shù)分別為0.2938和0.4334。

圖4 垂直與濕度訂正后的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面顆粒物的散點(diǎn)圖

以Ka,dry、大氣壓力(Pa)和風(fēng)速(m/s)為自變量，PM10、PM2.5濃度分別為應(yīng)變量，對(duì)366組數(shù)據(jù)進(jìn)行多線線性回歸分析，相關(guān)性得到進(jìn)一步的提高，PM10和PM2.5的決定系數(shù)分別為0.318和0.457。結(jié)果如表1和圖5所示，其中X1為經(jīng)垂直和濕度訂正后的Ka,dry，X2為大氣壓力，X3為風(fēng)速。

表1 多元線性回歸分析統(tǒng)計(jì)量和回歸模型

圖5 多元線性回歸模型累計(jì)概率

3.2 不同季節(jié)AOD數(shù)據(jù)與PM10和PM2.5的相關(guān)性分析

為研究不同季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度與近地面顆粒物濃度的關(guān)系，將366組數(shù)據(jù)分季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，劃分標(biāo)準(zhǔn)為：3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月至下一年的2月為冬季。數(shù)據(jù)樣本分別為72、129、103和62組，用于分析在不同季節(jié)AOD經(jīng)相應(yīng)訂正后與PM10和PM2.5的相關(guān)關(guān)系。其中，訂正后的AOD與PM10濃度的決定系數(shù)分別為0.198、0.340、0.285和0.167；與PM2.5的決定系數(shù)分別為0.317、0.421、0.418和0.138。從而得到夏季決定系數(shù)最高，秋季次高，春季較低，冬季最低的結(jié)果。由于MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品是使用濃密植被法進(jìn)行反演，不用季節(jié)植被覆蓋度的不同，導(dǎo)致了這種結(jié)果的產(chǎn)生。

表2 不同季節(jié)訂正后的MODIS 氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面顆粒物的相關(guān)關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合地面大氣環(huán)境與氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以南昌市為研究區(qū)，基于MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品對(duì)地面顆粒物濃度進(jìn)行分析，得到的結(jié)論為：經(jīng)垂直、相對(duì)濕度、風(fēng)速和大氣壓力修正后，南昌市的MODIS 氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地顆粒物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品可作為南昌市的地面空氣污染監(jiān)測(cè)的有效手段；綜合考慮氣溶膠標(biāo)高、近地面濕度和風(fēng)速、大氣壓力等氣象參數(shù)后，氣溶膠光學(xué)厚度訂正結(jié)果與PM10和PM2.5濃度的決定系數(shù)均有提升；將樣本按季節(jié)進(jìn)行分類，分析不同季節(jié)對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度與地面顆粒物濃度的相關(guān)性的影響，得到的結(jié)論為：夏季決定系數(shù)最高，秋季次高，春季較低，冬季最低。

同時(shí)我們也應(yīng)該看到，即使經(jīng)過(guò)訂正后相關(guān)性有了較大的提高，但精度還不是很高，這是因?yàn)镸ODIS氣溶膠產(chǎn)品本身存在誤差，且在訂正的過(guò)程中也存在誤差。但是，通過(guò)衛(wèi)星遙感對(duì)近地面顆粒物濃度的反演，為城市空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)有效的補(bǔ)充手段，可以有效彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空間布局上的不足，從宏觀、區(qū)域尺度的方向給出地面環(huán)境空氣污染的相對(duì)程度。

[1] 陳良富, 李莘莘, 陶金花, 等. 氣溶膠遙感定量反演研究與應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2010:6-7.

[2] 王明星, 張仁健. 大氣氣溶膠研究的前言問(wèn)題[J]. 氣候與環(huán)境研究, 2001, 01:119-124.

[3] Poschl Ulrich.Atmospheric aerosols:composition, tranformation,climate and health effects[J]. Angewandte Chemie International Edition,2005,44:7520-7540.

[4] 宋挺,劉軍志, 胡婷婷, 等. MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在大氣顆粒物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2016, 31(2):397-404.

[5] Levy R C, Remer L A,Kleiaman R G. Global Evaluation of the Collection 5 MODIS Dark-target Aerosol Products over Land [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010, 10:10399-10420.

[6] Wang J, Christopher S A.Intercomparison between satellite-derived aerosol optical thickness and PM2.5mass: Implications for air quality studies [J]. Geophysical Research Letters, 2003, 30(21): Art. No.2095, dio: 10.1029/2003GL018174.

[7] 高大偉, 徐宏輝, 郁珍艷, 等. MODIS氣溶膠光學(xué)厚度在臨安大氣顆粒物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2012, 25(7):739-744.

[8] 鄒淑珍, 李以鑌, 程銣. 南昌大氣環(huán)境質(zhì)量與優(yōu)化問(wèn)題探討[J]. 南昌高專學(xué)報(bào), 2009, 5:166-168.

[9] Chang D, Song Y, Liu B. Visibility trends in six megacities in China 1973-2007[J]. Atmospheric Research, 2009, 94(2):161-167.

[10]徐希孺.遙感物理[M]. 北京:北京大學(xué)出版社, 2005:298-299.

[11]李成才,毛節(jié)泰,劉啟漢,等.利用MODIS光學(xué)厚度遙感產(chǎn)品研究北京及周邊地區(qū)的大氣污染[J]. 大氣科學(xué), 2003, 27(5):869-880.

[12]陶金花,張美根, 陳良富,等. 一種基于衛(wèi)星遙感AOT估算近地面顆粒物的方法[J]. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué), 2013, 43(1):143-154.

[13]White W H, Roberts P T. On the Nature and Origins of Visibility Rducing Aerosols in the Los Angeles Air Basin[J]. Atmospheric Environment, 1977, 11(9):803-812.

Study on Quantitative Inversion MODIS-AOD Products and Surface Atmospheric Particulate Matter Concentration in Nanchang City

QIN Wen, WU Yun-xia, SHENG Jie, CHENG Dong-zheng, ZHANG Yan

(Environmental Monitor Station of Nanchang City, Jiangxi Nanchang 330038, China)

The vertical, humidity, wind-speed and atmospheric pressure correction were conducted for the MODIS-AOD products data over the Nanchang city by using the vertical distribution of extinction coefficients obtained from visibility, surface relative humidity, wind-speed andatmospheric pressure data. Validation was performed using PM10and PM2.5concentration monitoring data over the study area. The results showed that there were good correlations between the corrected MODIS aerosol optical depth remote sensing products and the ground monitoring data. The coefficients of determination between corrected MODIS-AOD data and PM10was 0.318 and that between corrected MODIS-AOD data and PM2.5was 0.457. These results suggested corrected MODIS-AOD data can be used to monitor air quality over the Nanchang city. In addition, the correlations between corrected MODIS-AOD data and ground monitoring data were highest in summer, followed by those in autumn and spring. The corrections were lowest in winter.

aerosol optical depth; PM10; PM2.5; MODIS

秦文(1968-)，女，工程師，從事大氣污染物監(jiān)測(cè)與研究工作。

X513

A

1001-9677(2016)023-0125-04