MODIS氣溶膠產(chǎn)品在北京監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度中的應(yīng)用

王賀銳+吳彩保

摘要：隨著我國(guó)城市的發(fā)展，PM2.5已經(jīng)成為大氣污染的重要形式。本文以北京作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，從MODIS 3km氣溶膠產(chǎn)品出發(fā)，選取地面氣象資料對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行垂直訂正和濕度訂正，與同期觀測(cè)的地面PM2.5資料進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，兩項(xiàng)訂正可以提高AOD—PM2.5模型結(jié)果精度，建立較理想的遙感反演綜合模型。為大范圍定量監(jiān)測(cè)PM2.5污染提供了一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：MODIS 氣溶膠光學(xué)厚度 PM2.5 垂直訂正 濕度訂正 相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)： X87文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07 （B）-00

1 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，我國(guó)大氣污染問(wèn)題日益凸顯，特別是城市霧霾現(xiàn)象頻發(fā)，霧霾范圍不斷擴(kuò)大，呈現(xiàn)出時(shí)間長(zhǎng)、區(qū)域化的特點(diǎn)。霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒構(gòu)成，其中可吸入顆粒通常是指當(dāng)量直徑≤10微米的顆粒物，而許多城市首要污染顆粒物都是PM2.5。PM2.5不僅對(duì)可見(jiàn)光有較強(qiáng)的消光作用，造成大氣能見(jiàn)度下降，而且對(duì)人體呼吸系統(tǒng)和心肺功能健康也有著較大影響。因此，全面掌握PM2.5的區(qū)域分布特征對(duì)研究大氣污染的成因和建立有效的防治措施有著重要意義。

目前，PM2.5的監(jiān)測(cè)方式主要有地面和遙感監(jiān)測(cè)兩種。地面監(jiān)測(cè)能夠提供較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但監(jiān)測(cè)站分布不均勻且數(shù)量有限，難以獲取大范圍的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；而衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)具有經(jīng)濟(jì)性、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，能夠有效彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)的不足，因而被廣泛應(yīng)用于地面PM2.5的監(jiān)測(cè)。

Chu等[1]利用MODIS AOD產(chǎn)品研究了全球、區(qū)域和局部大氣污染情況，證實(shí)了MODIS AOD產(chǎn)品研究大氣污染的可行性；Wang等[2]研究美國(guó)多個(gè)地面污染物與MODIS AOD的相關(guān)性，表明AOD可以定量評(píng)估當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量等級(jí)；Wang等[3]、Donkelaar等[4]將氣溶膠垂直分布和相對(duì)濕度引入AOD—PM2.5線性模型中，并進(jìn)行垂直和濕度訂正，發(fā)現(xiàn)訂正后AOD和近地面顆粒物之間的不確定性降低；謝志英等[5]結(jié)合地面能見(jiàn)度數(shù)據(jù)求得北京四季氣溶膠標(biāo)高并對(duì)MODIS氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)高訂正，提高了地面顆粒物與氣溶膠的相關(guān)度。

但國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究大多使用的是MODIS 10km空間分辨率的氣溶膠產(chǎn)品，對(duì)MODIS 3km空間分辨率的氣溶膠產(chǎn)品與PM2.5的相關(guān)性的研究較少，同時(shí)考慮到氣溶膠具有季節(jié)性變化的事實(shí)[6]，本文基于MODIS 3km AOD產(chǎn)品，結(jié)合地面能見(jiàn)度與相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，探討3km的AOD數(shù)據(jù)與PM2.5的關(guān)系，為北京地區(qū)長(zhǎng)期、宏觀地監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)和方法

（1） 遙感數(shù)據(jù)：本文采用的為美國(guó)NASA發(fā)布的MODIS Terra Level2、版本為C006、空間分辨率為3km*3km的氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)，研究地區(qū)為北京，選取時(shí)間范圍為2014年12月至2015年11月且云量較少的氣溶膠產(chǎn)品，利用ENVI軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、投影轉(zhuǎn)換、矢量裁剪等操作，為防止由于影像的投影變換定位偏差導(dǎo)致出現(xiàn)對(duì)比畸值[7]，提取以地面站點(diǎn)為中心3*3像元范圍內(nèi)的非空白AOD均值。但由于MODIS AOD 3km產(chǎn)品僅采用暗目標(biāo)算法進(jìn)行反演，所以該產(chǎn)品在冬季（12月、1月、2月）反演效果較差，故最終得到2015年春（3月、4月、5月）、夏（6月、7月8月）、秋（9月、10月、11月）三季共77d的AOD日均值數(shù)據(jù)。考慮到要進(jìn)行精度驗(yàn)證，按時(shí)間順序每隔3個(gè)數(shù)據(jù)選取1個(gè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，故最終獲得58個(gè)建模數(shù)據(jù)，19個(gè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

（2） 氣象數(shù)據(jù)：地面能見(jiàn)度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（簡(jiǎn)稱NOAA）在北京地區(qū)建立的地面觀測(cè)站，經(jīng)緯度坐標(biāo)為：40.08°N，116.585°E。氣象站每隔30min記錄一條數(shù)據(jù)。為了與Terra衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間對(duì)應(yīng)，選取衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間前后1h以內(nèi)的數(shù)據(jù)做平均處理，作為其對(duì)應(yīng)的地面能見(jiàn)度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。

（3） 顆粒物濃度數(shù)據(jù)（PM2.5）：本研究所采用的PM2.5數(shù)據(jù)來(lái)自北京市地面環(huán)境監(jiān)測(cè)站。但由于缺乏所需地面站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，本文參考中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站的方法，基于35個(gè)地面站點(diǎn)的PM2.5數(shù)據(jù)，利用協(xié)克里金插值方法得到對(duì)應(yīng)地面站點(diǎn)的PM2.5數(shù)值。選取衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間前后1h以內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值。

3 結(jié)果分析

3.1 AOD與PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征

2015年三季度AOD變化范圍為0.10—1.89，均值為0.71。PM2.5的變化區(qū)間為3.60—248.68μg/m?，均值為62.78μg/m?。AOD春季、夏季均值較高，分別為0.78和0.89；秋季AOD平均值最小，為0.51。PM2.5的春季和夏季平均濃度最高，分別達(dá)到73.33μg/m?、65.92μg/m?；秋季最低，PM2.5平均濃度為51.45μg/m?。

春季北京市多受沙塵、揚(yáng)塵天氣影響，是導(dǎo)致AOD和PM2.5質(zhì)量濃度較高的主要因素。夏季受暖濕氣流影響，導(dǎo)致吸濕粒子經(jīng)“氣—粒”轉(zhuǎn)化過(guò)程轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和硝酸鹽的速率加快[8]，這些二次氣溶膠粒子消光性較強(qiáng)，加之夏季風(fēng)速較小，容易導(dǎo)致空氣中顆粒物的堆積，AOD和PM2.5濃度較高；秋季受干冷的高壓天氣系統(tǒng)影響，晴好天氣較多，相對(duì)濕度較低，是導(dǎo)致秋季北京地區(qū)AOD和PM2.5濃度較低的原因。

3.2 AOD與PM2.5直接相關(guān)

將2015年3月至11月58個(gè)AOD數(shù)據(jù)與相應(yīng)的PM2.5進(jìn)行直接比較，如圖1所示，R2=0.7332（ρ<0.01），證實(shí)了由AOD值估算PM2.5質(zhì)量濃度得可行性。但PM2.5質(zhì)量濃度是在近地面、干燥的環(huán)境下測(cè)得，而MODIS AOD是由地面至大氣層頂垂直方向上消光系數(shù)的積分，所以有必要對(duì)AOD進(jìn)行垂直和濕度訂正。

3.3 垂直—濕度訂正

3.3.1 垂直訂正

氣溶膠光學(xué)厚度是從地面至大氣層頂垂直方向上消光系數(shù)的積分，而PM2.5質(zhì)量濃度是由地面監(jiān)測(cè)站測(cè)得，因此，為了減小兩者關(guān)系的不確定性，需要對(duì)AOD進(jìn)行垂直訂正。本文主要參考李成才的訂正方法[6]，引入氣溶膠標(biāo)高（ ）對(duì)AOD進(jìn)行垂直訂正，獲得近地面消光系數(shù)。氣溶膠標(biāo)高是整個(gè)氣柱中顆粒物按地面濃度在垂直方向均勻分布所能達(dá)到的高度，反映的是氣溶膠的垂直分布信息。其訂正公式表示為

（1）

式中， 表示訂正后的光學(xué)厚度。AOD與地面氣溶膠消光系數(shù)呈線性相關(guān)，而地面消光系數(shù)與V（能見(jiàn)度）具有反比關(guān)系，因而AOD與能見(jiàn)度、氣溶膠標(biāo)高的關(guān)系式可表示為[9]

（2）

其中， 為氣溶膠光學(xué)厚度。根據(jù)AOD變化具有季節(jié)特征的特點(diǎn)，按不同季節(jié)對(duì)氣溶膠進(jìn)行垂直訂正。根據(jù)（2）式求得春、夏、秋三季的氣溶膠標(biāo)高分別為： 2.095km，2.307km，1.412km。最終利用（1）式完成氣溶膠的垂直訂正。

3.3.2 濕度訂正

由于PM2.5濃度是在相對(duì)干燥的環(huán)境中測(cè)得，而氣溶膠光學(xué)厚度是在大氣環(huán)境下獲取的，因此在相對(duì)濕度較高的情況下，粒子的吸濕性對(duì)粒子的復(fù)折射指數(shù)、形態(tài)等都有較大影響，AOD隨濕度變化幅度較大[10]。為了降低粒子吸濕性對(duì)AOD與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性所造成的影響，還需要進(jìn)行濕度訂正。濕度影響因子表示為[3]

由表1及圖2可得，PM2.5濃度與未經(jīng)訂正的AOD數(shù)值、垂直訂正后的AOD數(shù)值以及垂直和濕度訂正后的AOD數(shù)值的擬合系數(shù)R2分別為0.7332、0.7598、0.7848，且均大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%置信度要求。經(jīng)過(guò)垂直和濕度訂正后的擬合優(yōu)度有所提高，說(shuō)明該訂正方法是有效的。

進(jìn)一步按不同季節(jié)分析AOD與PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性，按照春、夏、秋三季來(lái)分析垂直訂正后的AOD數(shù)值與經(jīng)過(guò)濕度訂正后的PM2.5質(zhì)量濃度之間的相關(guān)關(guān)系。由表2可知，經(jīng)過(guò)濕度訂正，春季的擬合系數(shù)有明顯上升，由0.4562提升至0.5575。秋季的擬合系數(shù)也由0.8591小幅提升至0.8621。只有夏季的擬合系數(shù)由0.8494降至0.7708，濕度訂正呈負(fù)效果。這一方面可能是由于樣本數(shù)據(jù)量不足，有待進(jìn)一步檢驗(yàn)校正；另一方面，可能是氣溶膠的濕增長(zhǎng)因子 經(jīng)驗(yàn)公式并不適用于該夏季的濕度訂正，需要重新結(jié)合近幾年當(dāng)?shù)氐孛婺芤?jiàn)度數(shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)擬合濕度增長(zhǎng)因子公式[11]。

3.4 模型精度驗(yàn)證

基于19對(duì)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，利用垂直訂正后的AOD數(shù)值結(jié)合全年、各季節(jié)訂正后得到線性擬合模型，反演濕度訂正后的PM2.5質(zhì)量濃度，并與地面濕度訂正后插值得到的PM2.5濃度做比較。經(jīng)比較，前三季度和春季、夏季、秋季的線性擬合系數(shù)分別為0.8721、0.8445、0.8467、0.8967，均大于99%的置信度要求，說(shuō)明利用MODIS 3km AOD可以很好的監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度。

4 結(jié)論

（1） 2015年前三季度NOAA北京地面監(jiān)測(cè)站的AOD值從高到低依次為夏季、春季、秋季；PM2.5質(zhì)量濃度變化從高到低依次為春季、夏季、秋季。

（2） MODIS 3km AOD與PM2.5質(zhì)量濃度總的擬合系數(shù)為0.7332，經(jīng)垂直和濕度訂正后擬合系數(shù)為0.7848。說(shuō)明利用地面能見(jiàn)度數(shù)據(jù)和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)的訂正具有一定的效果，MODIS 3km AOD產(chǎn)品可以有效地監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度。

（3） 2015年北京NOAA地面監(jiān)測(cè)站的春、夏、秋各季度的平均垂直標(biāo)高分別為2.095km、2.307km和1.412km；秋季AOD與地面PM2.5質(zhì)量濃度的擬合度最高，夏季次之，春季最低。

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