基于遙感的上海地區霧霾監測研究

戴羊羊，李成范，周時強，趙俊娟，尹京苑

(上海大學計算機工程與科學學院，上海200444)

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基于遙感的上海地區霧霾監測研究

戴羊羊，李成范，周時強，趙俊娟，尹京苑

(上海大學計算機工程與科學學院，上海200444)

摘要：以中分辨率成像光譜儀(MODIS)遙感數據為數據源，綜合利用6S傳輸模型與NASA V5.2算法對2013年12月4日至8日上海地區霧霾污染進行了連續性監測，并對其形成原因進行分析。結果表明，此次霧霾污染主要是由本地生產和外地遷移來源共同作用形成，上海地區氣溶膠光學厚度在12月6日達到最大，霧霾污染區域逐漸從上海地區的西北向東南擴散，污染等級也逐漸降低。

關鍵詞：霧霾；氣溶膠光學厚度；上海；MODIS；V5.2算法

近年來，隨著經濟和城市化迅猛發展，霧霾污染日趨嚴重[1-2]。霧霾中的顆粒物活動性強，不僅能降低大氣能見度，威脅交通運輸安全[3-5]，而且還易附帶有毒物質，危害人體健康。目前，霧霾監測主要是基于地面站點在線測量實現，但是該方式對于監測區域之外的霧霾產生、發展和變化情況無能為力[6]。霧霾最常用的表征之一就是氣溶膠光學厚度。遙感是觀測氣溶膠空間分布的重要手段，能夠有效彌補傳統地面測量的不足[7]，快速獲取區域范圍內的氣溶膠顆粒物空間分布、面積、等級、頻次等狀況，有助于全面、客觀地掌握霧霾的發生和變化狀況，在霧霾監測研究中優勢非常明顯。

1研究區概況和方法

1.1　研究區概況

上海位于北緯30°23′~31°27′和東經120°52′~121°45′之間，地處長江入海口，屬北亞熱帶季風性氣候，四季分明。近年來，上海地區霧霾污染也逐漸顯現出來。在2013年12月4日至8日，上海遭遇史上最為嚴重的霧霾污染，空氣質量指數(AQI)一路飆升到416，達到六級嚴重污染，這也是上海空氣質量指數發布以來的歷史最高值。

1.2　數據源

中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)搭載在Terra/aqua衛星于1999年12月18日發射升空，它一共有36個離散波段，光譜覆蓋范圍為0.4 ~1.44 μm，空間分辨率分別為250 m、500 m和1 000 m，最大掃描寬度為2 330 km，具有較高的時間分辨率。MODIS探測器覆蓋全球的頻率為每天一次，能夠有效地對各種突發性災害進行快速、實時監測。對于此次霧霾污染，選用2013年12月4日至8日期間MODIS遙感圖像來進行監測。

1.3　處理方法

6S模型(Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum)是目前應用較為廣泛的一種大氣輻射傳輸模型。由于6S模型主要采用近似算法和逐次散射算法，因此其與實際情況也更加吻合。在本文中，根據研究區實際情況，氣溶膠類型選擇大陸性氣溶膠類型，氣溶膠含量參數為550 nm處的氣溶膠光學厚度，大氣模式為中緯度冬季大氣模式等。V5.2算法是在暗像元算法基礎上提出的，但是有了很大改進，不再認為中紅外通道與紅光、藍光的反射率比值是常量，而是一個函數關系，并且還考慮了植被指數的影響，因此更加貼近實際情況。

2上海地區嚴重霧霾污染監測

利用MODIS遙感圖像反演得到的上海地區2013年12月4日至8日的AOD分布如圖1所示。

圖1　上海地區氣溶膠光學厚度分布

為了更加清楚地顯示出上海地區此次嚴重霧霾污染的空間分布和變化情況，在利用MODIS遙感圖像進行氣溶膠光學厚度反演時，已經對氣溶膠光學厚度進行歸一化處理。

從圖1(a)中看出，2013年12月4日，上海地區的整體氣溶膠光學厚度較小，此時大規模的霧霾污染還尚未出現，總體空氣質量相對較好。但是上海西南地區的氣溶膠光學厚度已經開始逐漸增加。從圖1(b)中看出，2013年12月5日整個上海地區氣溶膠厚度顯著上升，但此時最大值主要出現在西北部的嘉定區、寶山區和崇明縣的北部地區，上海市區的氣溶膠厚度次之，浦東新區中臨海一帶的氣溶膠厚度最小。到2013年12月6日(見圖1(c))，基本上整個上海地區都籠罩在嚴重霧霾的影響之下，氣溶膠厚度逐漸從北部地區向南部地區遞減，但是整體氣溶膠厚度值都偏大。從圖1(d)中看出，2013年12月7日，上海嚴重霧霾污染開始消散，其氣溶膠光學厚度也整體減小，只有上海市區、嘉定區和青浦區附近還存在較大的氣溶膠光學厚度。到2013年12月8日，整個上海地區的霧霾污染已經消散，只在上海市區和浦東新區南部還有部分較明顯的霧霾分布，其氣溶膠光學厚度也較大。

從上海地區2013年12月4日至8日連續5 d的霧霾嚴重污染整體變化來看，氣溶膠光學厚度呈現出先增高后減小的趨勢，整個霧霾污染的出現、發展和擴散狀況非常明顯。在4日已經開始出現霧霾污染的趨勢，5日和6日污染非常嚴重，其中在6日污染達到極值。隨后，在7日霧霾污染開始消散，到8日，除了上海市區和浦東新區南部地區之外，整個霧霾污染已經基本消散，氣溶膠光學厚度也基本上恢復到4日的狀況。此外，實際情況是，在連續5 d的嚴重霧霾污染中，氣象部門觀測獲取的AQI值也是呈先增加后減少的趨勢，且5日和6日的霧霾污染非常嚴重，其中6日的霧霾污染最嚴重。利用MODIS遙感圖像較好地反演出上海地區一次霧霾污染過程也很好地表現了這一變化趨勢。

3霧霾污染的原因分析

根據地面站點監測數據顯示，在主導風向的作用下，上海地區的霧霾污染嚴重程度總體上是西北高、東南低，并呈現出從西北向東南遞減的變化趨勢。一般來說，上海地區霧霾污染天數最多的季節主要是冬季，春秋季節霧霾污染天數次之，夏季霧霾污染天數最少。此外，針對不同季節霧霾污染狀況，除了與上海和周邊地區天氣、風向和風速有關之外，還與周邊區域工農業活動有關，例如每年6、7月份上海及周邊地區焚燒秸稈形成的霾污染等。

以往研究表明：上海地區的輕度霧霾污染一般是本地生產形成的，而重度霧霾污染則是本地生產形成和外地遷移擴散綜合作用的結果。綜合本次上海地區嚴重霧霾污染和以往霧霾污染情況，指出此次上海地區嚴重霧霾污染時本地生產和外地遷移兩種途徑綜合作用的結果。因此，其霧霾污染形成來源也主要包括上海地區本地生產形成的霧霾和外地遷移形成的霧霾兩部分。

3.1　本地生產來源分析

3.1.1　人為活動因素

上海地區的交通運輸十分發達，汽車數量眾多，排放出的汽車尾氣是形成霧霾的一個重要原因，且冬季地面干燥，空氣濕度低，密集的車流攪動近地面灰塵，加劇了地面霧霾污染。此外，人為活動因素還包括工廠和電廠生產的廢棄、廢渣等形成的顆粒物二次污染，工地形成的揚塵，堆場形成的惡臭和煙氣等，餐飲業的油煙污染以及干洗業的化學污染等。

3.1.2　天氣因素

通過查閱上海地區當時氣象數據可知，2013年12月發生嚴重霧霾污染時的大氣空氣氣壓低，大氣結構穩定，地面風力小，空氣流動性較差，不利于污染物擴散，使得空氣中的細顆粒物急劇集聚，大量懸浮在空中，加重了霧霾污染。

3.2　外地遷移來源分析

3.2.1　周邊地區輸入顆粒分析

除了上海地區本地產生形成的輕度霧霾污染之外，此次嚴重霧霾污染還受到上海周邊地區的影響。表1為2013年12月4日至8日的上海及其周邊城市的AQI值。

表1　2013年12月4日至8日上海及其周邊城市AQI值

從表1中看出，對于上海周邊城市南京、合肥和杭州，在2013年12月4日至8日期間的AQI值都較大。其中，合肥和南京均位于上海的西北方向，冬季受到北風的作用，細顆粒污染物極易向上海地區擴散；而位于西南方向的杭州此時AQI也都相對較小，這在表1中也體現了出來。在2013年12月4日和5日期間合肥和南京的AQI明顯大于上海，也就是說，在一定程度上加劇了12月6日上海地區的嚴重霧霾污染。此次霧霾污染體現出明顯的從西北方向東南方擴散的過程。在12月7日和8日，上海地區由于臨海和臨江的地理位置優勢，霧霾污染已經開始消散，AQI值顯著降低，但是此時合肥、南京和杭州等內陸城市霧霾污染仍然嚴重。另一方面，從單個城市AQI值分析來看，在12月4日至8日期間南京和合肥總體上呈現出遞減的趨勢，而上海和杭州則總體呈現出增加后遞減的趨勢，只是出現最大AQI值的時間略有差別，這又一次在一定程度上驗證了此次霧霾污染主要是從西北方向東南方發展和擴散的。

3.2.2　北方地區燃煤輸入顆粒物分析

一方面，上海霧霾污染中大量的硫酸鹽和黑碳主要來自于北方冬季取暖燃燒排放；另一方面，上海地區承受的沙塵氣溶膠污染也主要來自北方中長距離沙塵輸送影響，而沙塵過程不僅會帶來高濃度的粗顆粒物的攀升，同時也會將沿途的人為污染氣溶膠一并帶到上海，從而對上海市氣溶膠濃度產生直接影響。研究表明，上海市區域內來自外界的污染物達到總量的20%甚至更多。所以研究北方城市對上海市污染的影響就顯得極其重要。冬至過后，山東省會采取集中供暖，煤炭是集中供暖的主要能源。從地理位置上分析，上海市距濟南1 000 km，處于本文限制的中長距離傳輸范圍以內。以上海為中心，其周邊省市僅山東省既滿足中長距離，又滿足燃煤供暖這一目標。同時，山東省靠近北京、天津，也正好滿足沙塵氣溶膠的要求。結合兩地氣象資料可知，上海地區AOD分布在受到風向等氣象因子作用的同時，還受到山東地區AOD分布的影響，這一定程度上也在表1中得到了驗證。

4結論

以MODIS遙感圖像為數據源，在對紅光、藍光和中紅外通道進行氣溶膠類型敏感性分析的基礎上，利用6S傳輸模型和V5.2算法對2013年12月4日至8日上海地區嚴重霧霾污染進行反演和連續性監測，并從本地生產和外地遷移兩方面對形成此次霧霾污染的原因進行了分析，尤其是上海周邊地區細顆粒物輸入和北方燃煤顆粒物輸入的影響非常明顯。

通過對上海地區2013年12月4日至8日嚴重霧霾污染進行連續性的遙感監測研究和形成來源分析，得到以下幾條結論：

1)遙感監測上海地區2013年12月4日至8日嚴重霧霾污染的結果顯示出上海地區氣溶膠光學厚度從12月4日開始迅速增加，在6日達到最大值，隨后開始逐漸消散；嚴重霧霾污染區域的空間分布也逐漸從上海地區的西北方向東南方擴散，污染等級也逐漸降低。

2)上海地區2013年12月4日至8日嚴重霧霾污染主要是由本地生產和外地遷移兩種來源途徑共同作用的結果，其中外地遷移輸入污染主要包括上海周邊的安徽、江蘇和浙江地區及北方山東等地的冬季燃煤取暖產生的細顆粒物輸入等。

3)從霧霾治理的角度出發，考慮到上海地區的實際情況，在大力推進本地霧霾污染治理措施的同時，還需要與周邊地區乃至全國范圍進行聯動，全面、協調、統籌地提出霧霾污染治理措施，以降低霧霾污染出現的幾率。

參考文獻：

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[7]李正強,許華,張瑩,等.北京區域2013嚴重灰霾污染的主被動遙感監測[J].遙感學報,2013,17(4):919-928.

[責任編輯：劉文霞]

Haze monitoring of Shanghai area based on remote sensing

DAI Yang-yang,LI Cheng-fan,ZHOU Shi-qiang,ZHAO Jun-juan,YIN Jing-yuan

(School of Computer Engineering and Science,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Abstract：Taking the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) remote sensing data as the data source,this paper carries a continuous monitoring of haze pollution by using second simulation of satellite signal in the solar spectrum (6S) and NASA V5.2 algorithm,and analyzes the causes for Shanghai area on December 4,2013 to December 8,2013.The result shows the haze pollution of Shanghai area is mainly formed by the local production and nonlocal migration. The aerosol optical depth (AOD) achieves the maximum on December 6,thus the area of haze pollution covers from northwest to southeast and the level of pollution gradually falls.

Key words：haze；aerosol optical depth；Shanghai；MODIS；V5.2 algorithm

作者簡介：戴羊羊(1991-)，男，碩士研究生.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41404024)；上海高校青年教師培養資助計劃資助項目(2014—2016)；上海高校實驗技術隊伍建設計劃資助項目(B.60-E108-14-101)；上海市高等教育內涵建設085工程資助項目

收稿日期：2014-10-10

中圖分類號：X51;P237

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2015)12-0029-04