鄭州市城區的環境衛星數據反演PM2.5的研究

李光輝

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

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鄭州市城區的環境衛星數據反演PM2.5的研究

李光輝

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

摘要：研究通過暗目標法獲得環境衛星數據的氣溶膠光學厚度(AOD)，根據監測點所在的AOD值范圍取AOD平均值進行標高訂正獲得AOD地面消光系數，再進行濕度訂正獲得AOD近地面“干”消光系數，用近地面“干”消光系數與觀測站點的PM(2.5)觀測值進行比較，獲得PM(2.5)反演值，利用PM(2.5)反演值再與PM(2.5)觀測值進行相關性分析比較，建立線性模型關系，并簡要地進行了分析。

關鍵詞：氣溶膠光學厚度；近地面“干”消光系數；PM(2.5)

1引言

城市大氣污染物主要為可吸入氣溶膠顆粒物。大氣顆粒物(亦稱氣溶膠)是指分散在大氣中的固態或液態的顆粒狀物質。按照空氣動力學直徑(Dp)劃分，大氣顆粒物包括總懸浮顆粒物TSP(Dp≤100 μm)和可吸入顆粒物PM10(Dp≤10 μm)，其中PM10又可分為細粒子PM2.5(Dp≤2.5 μm)和粗粒子(2.5 μm

關于PM2.5，一些學者進行了相關方面的研究，Wang等[5]發現美國Jefferon縣7個站點的小時平均PM2.5質量濃度與MODIS氣溶膠光學厚度有很好的相關性(R=0.7)，并指出MODIS的氣溶膠光學厚度可以用于定量評估空氣質量等級，在無云的情況下可以達到90%的準確率。王靜等[6]利用MODIS數據分析了北京市氣溶膠光學厚度和PM2.5質量濃度的特征及相關性。

由于我國是在2012年把PM2.5寫入國家標準，PM2.5的監測數據也是2012年正式對外公布，所以關于反演PM2.5的文獻比較少。利用地面遙感數據和近地層顆粒物濃度數據研究建立AOD與PM相關函數,將對發展衛星遙感近地層PM濃度提供重要的應用參考。建立AOD和PM2.5質量濃度之間的聯系,對空氣質量監測和健康效應研究有積極意義[1]。

2研究區概況

本文選擇的研究區域為鄭州市轄區。鄭州位于東經112°42′～114°13′，北緯34°16′～34°58′，東西寬166 km，南北長75 km，其中鄭州市區面積600 km2。鄭州市北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，東面是七朝古都東京開封市，西面為十三朝古都洛陽市，南面是許昌市，北面為焦作市和新鄉市。

鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，冷暖適中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪。鄭州市冬季最長，夏季次之，春季較短。鄭州年平均氣溫在14～14.3 ℃之間，年平均降雨量640.9 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h(圖1)。

3研究數據

研究中使用的數據包括環境衛星數據、氣象數據、地面監測站點數據。

3.1環境衛星數據

環境一號AB衛星于2008年9月成功發射，填補了我國在環境監測和減災應急領域沒有國產民用專用衛星和數據的空白。環境一號AB星的載荷包括CCD傳感器、紅外相機和超光譜成像儀。AB星分別攜帶兩臺寬覆蓋多光譜CCD相機，聯合工作可以共同完成對地刈寬為720 km、分辨率為30 m、4個譜段的推掃成像。CCD相機的波段設置類似TM數據，具有中空間分辨率、寬譜段的特點可以用于：對于陸地，需要探測土地覆被、城市環境、植被和土壤、草地和農田、荒漠化、冰雪覆蓋等；對于水體，需要探測水體水環境質量、藻類、懸浮物和水生植物等；對于大氣，需要探測水汽、霧霾覆蓋、云和沙塵，氣溶膠等[7]。

研究中使用的環境衛星數據分別是鄭州市2015年4月28日、2015年6月21日、2015年7月21日、2015年8月25日、2015年10月06日及2015年11月25日的環境一號AB衛星數據。

3.2監測站點數據

鄭州市設立了8個環境空氣質量監測點，各觀測點分別是：市監測站、煙廠、醫學院、鄭紡機、銀行學校、供水公司、四十七中、十一中(圖2)。

3.3氣象數據

根據選擇研究的環境衛星數據日期，選擇相應日期的氣象數據，氣象數據包括風速(風級、風向)、 相對濕度、能見度數據。

4研究方法

4.1AOD的訂正

反演PM2.5需要進行AOD標高訂正和濕度訂正。訂正過程為通過HJ-1的CCD數據，利用暗目標法獲得大氣層氣溶膠光學厚度(AOD)，然后進行標高訂正和濕度訂正，得到近地面“干”消光系數。

4．1．1氣溶膠標高

氣溶膠標高與地面能見度的關系可以用公式R=3.91Hτ-1(R為能見度，H為標高，τ為AOD值)來表示，通過公式R=3.91Hτ-1求出氣溶膠標高[8]。

4．1．2地面消光系數

AOD是垂直方向上消光系數的積分， 而PM2.5代表地面空氣質量，因此需要對AOD進行標高訂正。經過標高訂正的AOD即為地面消光系數。AOD和地面消光系數的關系可以用以下公式表示：

地面消光系數=垂直消光系數/標高=AOD/H。

4．1．3濕度訂正

氣溶膠光學厚度的遙感是在環境背景下進行，氣溶膠顆粒物的消光系數受到相對濕度的顯著影響。在相對濕度比較高的情況下，水溶性氣溶膠顆粒能夠吸濕膨脹，消光系數可以增大數倍。濕度影響因子可以用下式表示：(RH)=1/(1.0-RH/100)(RH 為相對濕度)[9]。

4．1．4近地面“干”消光系數

經過標高訂正和濕度訂正的AOD，成為近地面“干”消光系數，近地面“干”消光系數可以用公式近地面“干”消光系數=地面消光系數/(RH)或者公式近地 面“干”消光系數=地面消光系數/g(RH)表示。

4.2近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的比較

對經過訂正反演的近地面“干”消光系數(AODSEC-RH)與8個監測點(市監測站、煙廠、醫學院、鄭紡機、銀行學校、供水公司、四十七中、十一中)的PM2.5實際觀測值進行對照比較。

使用2015年4月28日、2015年6月21日、2015年7月21日、2015年8月25日、2015年10月06日及2015年11月25日的近地面“干”消光系數(AODSEC-RH)與PM2.5觀測值進行比較(本節中濃度值的單位均為ug/m3)。

2015年4月28日近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的比較見表2。

表2　2015年4月28日各監測點AODSEC-RH

2015年6月21日近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的比較見表3。

2015年7月21日近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的比較見表4。

2015年8月25日近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的比較見表5。

2015年10月06日近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的比較見表6。

表3　2015年6月21日各監測點AODSEC-RH

表4　2015年7月21日各監測點AODSEC-RH

表5　2015年8月25日各監測點AODSEC-RH

表6　2015年10月06日各監測點AODSEC-RH

2015年11月25日近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的比較見表7。

表7　2015年11月25日各監測點AODSEC-RH

4.3近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值比較散點圖

通過2015年4月28日、6月21日、7月21日、8月25日、10月06日及11月25日的6景數據的8個站點近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值進行比較，得出了近地面“干”消光系數與PM2.5觀測值的散點圖，得出了各個散點圖的R2的值，R2值代表地面“干”消光系數和PM2.5的相關性(圖3)。

4.4線性擬合

經過線性擬合得出PM2.5與AODSEC-R之間的回歸模型，PM2.5-AODSEC-R回歸模型為y=0.390x+15.07，擬合后R2為0.731，表明擬合的效果非常好，說明PM2.5與AODSEC-R之間具有很好的相關性(表8)。

表8　PM2.5線性擬合

4.5PM2.5的反演

通過上面的PM2.5與近地面“干”消光系數的模型計算出8個站點的PM2.5反演值。

表9　2015年4月28日PM2.5的反演

表10　2015年6月21日PM2.5的反演

表11　2015年7月21日PM2.5的反演

表9～表14是2015年4月28日、6月21日、7月21日、8月25日、10月06日及11月25日的6景數據的8個站點PM2.5的反演值結果。

4.6PM2.5觀測值與反演值比較

對反演的PM2.5的濃度值與PM2.5觀測值進行比較，分析它們之間的關系。(2)PM2.5觀測值與反演值比較。

表15～表20為PM2.5的反演值與觀測值的對照比較基礎上，做了PM2.5的反演值與觀測值的散點圖，見圖4。

表12　2015年8月25日PM2.5的反演

表13　2015年10月06日PM2.5的反演

表14　2015年11月25日PM2.5的反演

表15　鄭州市2015年4月28日PM2.5觀測值與反演值對照

表16　鄭州市2015年6月21日PM2.5觀測值與反演值對照

表17　鄭州市2015年7月21日

表18　鄭州市2015年8月25日PM2.5觀測值與反演值對照

表19　鄭州市2015年10月06日

表20　鄭州市2015年12月12日

圖4PM2.5的反演值與觀測值比較散點圖

通過PM2.5的六幅反演值與觀測值的散點圖中得出，R2的值在0.278和0.605范圍之間，PM2.5的反演值與觀測值散點圖的R2值具有一定較好的相關性。表明通過衛星數據反演的PM2.5濃度值能代替地面的PM2.5觀測值。

5結語

研究使用了環境衛星數據進行了PM2.5的反演，環境衛星數據的空間分辨率為30 m，比較適合于進行城市空間尺度的反演研究。

PM2.5的反演對于了解城市的PM2.5的空間分布、污染源以及區域輸送具有重要作用。進行城市PM2.5的反演對城市的大氣污染的治理能夠提供思路和方法，對于改善城市的大氣污染環境具有重要的意義。

參考文獻：

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[6]王靜,楊復沫,王鼎益,等.北京市MODIS氣溶膠光學厚度和PM2.5質量濃度的特征及其相關性[J].中國科學院研究生院學報,2010,27(1):11～16.

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[8]李成才，毛節泰，劉啟漢，等．利用MODIS衛星遙感氣溶膠產品研究北京及周邊地區的大氣污染[J]．大氣科學，2003，27(5)：869～880．

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Research on the Inversion of PM2.5Based on Environmental Satellite Data in Zhengzhou City

Li Guanghui

(HenanAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenter,Zhengzhou450053,China)

Abstract:The research obtains the aerosol optical depth (AOD) of environment satellite data through the dark target method.According to the AOD value range in monitoring points,the article takesthe average value of AOD to do the elevation corrections and gets the AOD extinction coefficient on the ground.Then,through the humidity correction, the article obtains the AODSEC-RH.The article obtains the PM(2.5) inversion values through the comparison of the AODSEC-RH and PM(2.5) observed valuein observation sites.Through the correlation analysis and comparison betweenthe PM(2.5) inversion value and PM(2.5) observed values,the article establishes the linear modeland briefly analyzes it.

Key words:aerosol optical depth (AOD);AODSEC-RH;PM(2.5)

文章編號：1674-9944(2016)02-0092-06

中圖分類號：X87

文獻標識碼：A

作者簡介：李光輝(1975—)，男，河南靈寶人，主要從事遙感地質方面的工作。

收稿日期：2015-12-07