基于MODIS-AOD產品的南昌市近地面顆粒物定量反演

秦 文，武云霞，盛 寁，程東正，張 琰

(南昌市環境監測站，江西 南昌 330038)

?

基于MODIS-AOD產品的南昌市近地面顆粒物定量反演

秦 文，武云霞，盛 寁，程東正，張 琰

(南昌市環境監測站，江西 南昌 330038)

利用能見度轉換的氣溶膠垂直標高、地面相對濕度、大氣壓力和風速等數據，以南昌市為研究區，對MODIS-AOD產品進行垂直和氣象要素的校正，并使用地面PM10和PM2.5濃度監測數據對校正結果進行評估。結果表明，經過校正的MODIS-AOD產品與地面顆粒物監測數據相關性較好，與PM10、PM2.5的決定系數分別為0.318、0.457，說明MODIS-AOD產品經相關校正后，可用于南昌地面空氣污染的監測。在遙感與地面實測數據相關性季節變化方面，夏季相關性最高，秋季次高，春季較低，冬季最低。

氣溶膠光學厚度；PM10；PM2.5；MODIS

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

20世紀80年代以來，隨著我國經濟和工業化水平的快速發展，氣溶膠特別是近地面顆粒物所造成的環境問題越加顯著，各城市普遍受到“霧霾”天氣的影響，對民眾的身體健康造成了嚴重威脅，預防和治理氣溶膠環境問題迫在眉睫[4]。目前，中國各大城市普遍建設了空氣自動監測站，可以對污染物地面濃度進行24 h連續監測。但是由于站點數量的局限性，該監測手段難以對較大范圍的區域尺度進行監測。衛星遙感具有區域尺度大、時效性強的特點，其氣溶膠遙感資料應用于大氣污染監測中，可以有效彌補地面空氣自動監測站點在空間上的不足。EOS(Earth Observation System)系列衛星的中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer， MODIS)，其光譜分辨率較高，通道設置較為全面，且幅寬較大，已廣泛應用于大氣遙感監測。基于MODIS數據的陸地氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)產品被NASA每日公開發布，該產品的精度較高[5]。

綜合使用MODIS氣溶膠光學厚度產品和地面站點監測數據，可以在區域大氣環境層面開展氣溶膠研究。國內外已有不少學者針對MODIS氣溶膠光學厚度產品和地面監測數據在不同地域開展了工作。Wang等[6]以美國Jeffero地區為研究區，對地面監測數據與MODIS的氣溶膠光學厚度產品進行分析，發現兩者顯著相關，表明MODIS氣溶膠光學厚度產品可用于大氣環境質量的評估分析。高大偉等[7]利用臨安地區四季的氣溶膠平均標準高度和地面實時監測的濕度數據，對MODIS氣溶膠光學厚度產品進行垂直與濕度修正，明顯提升了氣溶膠光學厚度與PM10濃度的相關性。宋挺等[4]通過使用激光雷達偵測的氣溶膠消光系數垂直分布，以及地面實時監測得到的相對濕度和風速等氣象數據，以無錫市為研究區域，修正了MDOS氣溶膠光學厚度產品，使PM10和PM2.5與氣溶膠光學厚度產品的相關性得到較為明顯的提高。

南昌地處江西省中部偏北，位于我國第一淡水湖鄱陽湖西南岸，下轄7個區和3個縣。南昌市的大氣環境污染主要來自能源消耗、工藝生產廢氣和機動車尾氣等[8]，以南昌市為研究區開展衛星遙感氣溶膠產品與地面顆粒物關系的研究還不多，迫切需要從大范圍區域分析南昌市近地面顆粒物濃度分布。因此，本文使用地面監測的氣象數據和10 km空間分辨率的MODIS氣溶膠光學厚度產品，研究與南昌市近地面顆粒物濃度的關聯，建立適用于南昌地區PM10和PM2.5濃度的遙感反演模型。

1 數據源

1.1 遙感數據

本文使用的氣溶膠光學厚度產品為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產品進行投影轉換操作使用ENVI軟件的MCTK(MODIS Conversion Toolkit)插件。將2015年1月至2016年6月南昌地區Terra和Aqua衛星MOD04-L2產品進行篩選，共選取氣象條件較好的49景(天)，并與地面站點坐標對應的366組有效數據。

1.2 地面站點監測數據

南昌市環境監測中心提供了本文所使用的大氣監測數據，共有9個監測站點(圖1)，測量指標包括二氧化硫、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測項目，此外，9個站點都能監測氣溫、大氣壓力、相對濕度、風速等氣象參數，京東鎮政府是唯一具備能見度監測能力的站點。由于PM10和PM2.5等顆粒污染物監測使用的方法為“β射線吸收法”，此方法需進行除濕的預處理，因此，測得的PM10和PM2.5是除濕后的質量，即“干重”。

圖1 自動監測站點空間分布

2 模型與方法

本研究主要從氣溶膠垂直標高、相對濕度以及大氣壓力、風速等方面對MODIS氣溶膠光學厚度產品進行相關修正。

2.1 氣溶膠垂直標高校正

衛星遙感的氣溶膠光學厚度代表了大氣在垂直方向上消光能力(吸收和散射)之和，在數值上表示為消光系數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厚度和近地面顆粒物含量相關關系的重要原因。在重力的影響下，可假定氣溶膠濃度在垂直往上呈指數遞減[9]，則可得到近地面消光系數與大氣總的氣溶膠光學厚度的關系[10]：

(1)

式中：Ka——近地面水平消光系數 HA——大氣氣溶膠標高 z——垂直高度

由上式可知，可通過衛星反演的AOD和氣溶膠垂直標高HA，求得近地面水平消光系數Ka。

本文利用京東鎮政府空氣自動監測站點測定的能見度數據，根據李成才等[11]的研究結果(式2)，得到每天京東鎮政府空氣自動監測站點氣溶膠垂直標高，由于通常大氣在垂直方向上分層，但在水平方向均一，所以可將單點得到的氣溶膠垂直標高應用于南昌市所有空氣自動監測站點。

(2)

式中：HA——氣溶膠標準高度 V——能見度 AOD——氣溶膠光學厚度

2.2 相對濕度校正

地面空氣自動站所測得的是近地面顆粒物的“干重”，由于空氣中無機成分及部分有機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。而衛星遙感數據反演的氣溶膠光學厚度受到環境濕度的影響，所以空氣相對濕度是必須考慮的因素。White等[13]早期提出了吸濕增長因子f(RH)的經驗公式：

式中，RH表示空氣相對濕度(百分數)，使用的是空氣自動監測站實的時監測數據。

2.3 風速與大氣壓力校正

氣溶膠光學厚度與近地面顆粒物濃度的關系還受到風速、大氣壓力等氣象條件的影響，其中風速對大氣污染物的傳輸和擴散起主導作用，特別是在高溫靜風低壓的情況下，顯著影響了顆粒物的傳輸與擴散，導致顆粒物在局部區域有更長時間的凝聚，通過在空氣中的二次化學反應，增強了顆粒物的吸濕性，從而對氣溶膠光學厚度造成了間接影響。本文在垂直和濕度訂正的基礎上，將訂正后的氣溶膠光學厚度數據聯合風速和氣壓兩個氣象因子，與近地面顆粒物濃度進行多元線性回歸。

3 結果與討論

3.1 MODIS氣溶膠光學厚度產品與地面監測顆粒物濃度的相關性分析

對南昌地區MODIS氣溶膠光學厚度產品與地面監測的顆粒物濃度進行相關性分析。2015年1月至2016年6月的期間內，共獲取366對有效數據。MODIS氣溶膠光學厚度產品與地面監測PM10、PM2.5濃度的散點圖如圖2(a)與圖2(b)分所示，得到的決定系數(R2)分別為0.2782和0.2462，均大于統計學的99%置信度要求。

圖2 MODIS氣溶膠光學厚度產品與地面顆粒物的散點圖

首先根據式(2)得到氣溶膠標高HA，再根據式(1)，將各站點MODIS氣溶膠光學厚度數據除以HA，得到近地面消光系數Ka，將Ka與地面監測的顆粒物濃度進行統計分析。通過圖3，可以看到經HA修正后，較MODIS氣溶膠光學厚度，Ka與地面顆粒物的決定系數均有提升，與PM10決定系數(R2)為0.2797，與PM2.5決定系數(R2)為0.3811。

圖3 垂直訂正后的MODIS氣溶膠光學厚度產品與地面顆粒物散點圖

為得到近地面“干”消光系數(Ka,dry)，將Ka除以吸濕增長因子f(RH)。圖4(a)和圖4(b)為近地面“干”消光系數(Ka,dry)與相應地面顆粒物濃度的散點圖。在綜合考慮氣溶膠垂直標高和地面實測相對濕度后，MODIS氣溶膠光學厚度產品修正結果與PM10、PM2.5濃度的相關性均得到提高，決定系數分別為0.2938和0.4334。

圖4 垂直與濕度訂正后的MODIS氣溶膠光學厚度產品與地面顆粒物的散點圖

以Ka,dry、大氣壓力(Pa)和風速(m/s)為自變量，PM10、PM2.5濃度分別為應變量，對366組數據進行多線線性回歸分析，相關性得到進一步的提高，PM10和PM2.5的決定系數分別為0.318和0.457。結果如表1和圖5所示，其中X1為經垂直和濕度訂正后的Ka,dry，X2為大氣壓力，X3為風速。

表1 多元線性回歸分析統計量和回歸模型

圖5 多元線性回歸模型累計概率

3.2 不同季節AOD數據與PM10和PM2.5的相關性分析

為研究不同季節氣溶膠光學厚度與近地面顆粒物濃度的關系，將366組數據分季節進行統計，劃分標準為：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。數據樣本分別為72、129、103和62組，用于分析在不同季節AOD經相應訂正后與PM10和PM2.5的相關關系。其中，訂正后的AOD與PM10濃度的決定系數分別為0.198、0.340、0.285和0.167；與PM2.5的決定系數分別為0.317、0.421、0.418和0.138。從而得到夏季決定系數最高，秋季次高，春季較低，冬季最低的結果。由于MODIS氣溶膠光學厚度產品是使用濃密植被法進行反演，不用季節植被覆蓋度的不同，導致了這種結果的產生。

表2 不同季節訂正后的MODIS 氣溶膠光學厚度產品與地面顆粒物的相關關系

4 結 語

本文結合地面大氣環境與氣象監測數據，以南昌市為研究區，基于MODIS氣溶膠光學厚度產品對地面顆粒物濃度進行分析，得到的結論為：經垂直、相對濕度、風速和大氣壓力修正后，南昌市的MODIS 氣溶膠光學厚度產品與地顆粒物濃度監測數據相關性較高，MODIS氣溶膠光學厚度產品可作為南昌市的地面空氣污染監測的有效手段；綜合考慮氣溶膠標高、近地面濕度和風速、大氣壓力等氣象參數后，氣溶膠光學厚度訂正結果與PM10和PM2.5濃度的決定系數均有提升；將樣本按季節進行分類，分析不同季節對氣溶膠光學厚度與地面顆粒物濃度的相關性的影響，得到的結論為：夏季決定系數最高，秋季次高，春季較低，冬季最低。

同時我們也應該看到，即使經過訂正后相關性有了較大的提高，但精度還不是很高，這是因為MODIS氣溶膠產品本身存在誤差，且在訂正的過程中也存在誤差。但是，通過衛星遙感對近地面顆粒物濃度的反演，為城市空氣環境質量監測提供了一個有效的補充手段，可以有效彌補地面監測站點空間布局上的不足，從宏觀、區域尺度的方向給出地面環境空氣污染的相對程度。

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

[2] 王明星, 張仁健. 大氣氣溶膠研究的前言問題[J]. 氣候與環境研究, 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氣溶膠光學厚度產品和激光雷達數據在大氣顆粒物監測中的應用[J]. 遙感技術與應用, 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氣溶膠光學厚度在臨安大氣顆粒物監測中的應用[J]. 環境科學研究, 2012, 25(7):739-744.

[8] 鄒淑珍, 李以鑌, 程銣. 南昌大氣環境質量與優化問題探討[J]. 南昌高專學報, 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:北京大學出版社, 2005:298-299.

[11]李成才,毛節泰,劉啟漢,等.利用MODIS光學厚度遙感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.

[12]陶金花,張美根, 陳良富,等. 一種基于衛星遙感AOT估算近地面顆粒物的方法[J]. 中國科學:地球科學, 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，從事大氣污染物監測與研究工作。

X513

A

1001-9677(2016)023-0125-04