利用MODIS研究徐州市氣溶膠光學厚度及其時空分析

盧 秀，李 佳，段 平，程 峰

(1.云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空間信息技術工程技術研究中心，云南 昆明 650500)

近年來，由于經濟的不斷發展帶來的工業污染、交通污染及人為破壞自然生態環境等，給我國大部分地區空氣質量帶來一定影響，因此監測大氣質量中的氣溶膠粒子有著重要作用。由大氣和懸浮在其中的固體與液體微粒構成的多相體系稱為大氣氣溶膠，其粒徑絕大部分介于0.001～10 μm，文中的氣溶膠均指大氣氣溶膠。對于氣溶膠而言，氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth，AOD)是其最為重要的光學屬性之一，有兩種獲取途徑：地面觀測法和遙感反演法[1]。雖然地面觀測數據較為準確，但在空間上僅有離散點數據，不能全面反映整個范圍上氣溶膠的時空分布。遙感反演法具有覆蓋面廣、采集獲取方便等特點，可以更高效地獲得AOD信息，彌補地面觀測的短缺，為了解氣溶膠大范圍的空間分布與變化趨勢提供了強有力的手段。

MODIS是監測AOD最廣泛的數據源。Engel-cox等從MODIS獲得的真彩色圖像和AOD信息及地基數據對美國城市進行研究，結果發現MODIS數據可以確定大氣污染的污染物的類型、區域及污染物的強度和動向[2]。除了對數據來源的研究以外，還有針對AOD反演方法的研究。在利用衛星遙感數據反演陸地上氣溶膠研究進展的基礎上，可以將衛星遙感數據反演AOD的方法歸納為以下幾類：暗像元法、結構函數法、偏振算法、紫外算法、多角度算法、深藍算法[3-7]。暗像元算法是這些算法中最為重要的方法之一，它是由Kaufman等為了獲取陸地大氣AOD信息而提出的一種算法[3]，這種算法已經成為利用衛星遙感獲取全球陸地氣溶膠參數中應用最廣泛的算法之一。近年來國內學者利用各種遙感資料及方法獲取AOD，探討分析AOD的分布及變化規律，取得了一定的成果[8-12]。結合以上學者的研究方法，采用2016年3月至9月的MODIS數據，基于6S大氣傳輸模型建立AOD查找表[13]，利用地面暗像元法對江蘇省徐州市AOD進行反演，并進一步分析研究區氣溶膠厚度時空變化及差異特征。

1 數據源與方法

1.1 研究區

徐州位于江蘇西北部，長江三角洲的北翼，華北平原的東南部，徐州作為重工業城市，污染嚴重，因此研究徐州地區有其現實意義。徐州現轄徐州市、邳州市、豐縣、沛縣、銅山縣、新沂市、睢寧縣等市縣區域。

1.2 研究數據

試驗選擇2016年3月4日、4月21日、5月30日、6月27日、7月29日、8月29日和9月8日MODIS傳感器的MOD021KM數據。

1.3 研究方法

對研究區進行AOD反演，采用的數據是MODIS L1B 1KM，過程包括MODIS影像的輻射校正、幾何校正、云檢測及AOD反演。

1.3.1 AOD反演基本原理

AOD反演是在表面雙向反射率特性和大氣頂輻亮度兩者之間關系的基礎上進行的。首先假設衛星觀測的地表是朗伯體，不考慮氣體吸收的情況，則衛星觀測的表觀反射率表達式為

(1)

式中，ρ*為衛星觀測到的表觀反射率；ρa為整層大氣反射率，是由大氣氣溶膠散射造成的路徑輻射；μ、φ、μ0、φ0分別為衛星(觀測)天頂角、衛星方位角、太陽天頂角、太陽方位角；T(μ)、T(μ0)分別表示從地面到衛星和從太陽到地面的大氣層總的透射率(漫射及直射)；s表示大氣的球面反射率；ρ表示地表反射率。對于朗伯體表面，大氣在垂直方向上變化均勻，表觀反射率表達式為[14]

(2)

式中，L為衛星傳感器的測量輻亮度；ES為大氣頂的太陽輻射通量；τ為AOD。

由式(1)和式(2)可知，表觀反射率ρ*不只是地表反射率ρ的函數，同時也是氣溶膠光學厚度τ的函數。因此，得到地表反射率ρ，并且給定提供ρa等參數的氣溶膠模式和大氣模式，理論上就可以反演出該地區上空的AOD，即τ。

1.3.2 反演的參數選擇與建模

根據AOD反演原理，首先確定地表反射率、大氣和大氣氣溶膠模式，然后選擇合適的大氣輻射傳輸模式，最后建立特定的衛星反射率下的AOD查找表。本文使用6S大氣輻射模式建立查找表。

1.3.2.1 地表反射率的確定

采用暗像元法確定地表反射率方法，圖像的可見光通道只受到氣溶膠散射影響，除2.1 μm通道的圖像不會受到影響，該通道處反映的是地表面的特性[15]。同時暗像元法還根據濃密的植被在藍光、紅光波段反射率較低的特征，從而判別2.1 μm附近的波段反射率是否是暗像元，采用以下經驗公式確定藍光、紅光波段暗像元的地表反射率

ρred=ρ2.1/2

(3)

ρblue=ρ2.1/4

(4)

式(3)、式(4)中是傳感器在2.1 μm波長處的大氣外界監測到的地面表觀反射率。ρred為紅波段(0.66 μm)的地表反射率；ρblue為藍波段(0.47 μm)的地表反射率。

1.3.2.2 確定大氣模式和大氣氣溶膠模式

確定大氣氣溶膠模式之前需確定大氣模式。6S模型提供7種大氣模式和3個用戶自定義的大氣模式，合適的大氣模式需結合觀測的時間及觀測點的緯度位置。常見大氣模式有5種：亞北極區冬季大氣、亞北極區夏季大氣、中緯度冬季大氣、中緯度夏季大氣、熱帶大氣。緯度45°—60°，觀測時間10月到次年3月選擇亞北極區冬季大氣，4月至9月選擇亞北極區夏季大氣；緯度15°—45°觀測時間4月至9月選擇中緯度夏季大氣，10月到次年3月選擇中緯度冬季大氣；北半球緯度位置15°以下選擇熱帶大氣。

合適的氣溶膠模式對反演AOD起到關鍵作用。6S模型提供8種氣溶膠模式和4個自定義氣溶膠類型。通常用到的是1個自定義氣溶膠類型和5種氣溶膠模式：海洋型氣溶膠、城市型氣溶膠、大陸型氣溶膠、平流層模式、沙漠型氣溶膠及用戶自行輸入下面4種粒子所占體積的百分比：煙灰、灰塵、海洋型、水溶型。

1.3.2.3 建立查找表

待地表反射率和氣溶膠類型確定后，根據6S輻射傳輸模式建立MODIS藍光、紅光波段550 nm AOD查找表。查找表參數設定依據試驗數據的日期及研究區地理位置確定。研究日期為3—9月，研究區為東經116°22′—118°40′、北緯33°43′—34°58′之間，選取大氣模式：中緯度夏季大氣輪廓線，氣溶膠模式：大陸氣溶膠。AOD選擇0～2.0，根據實際情況增加中間值；衛星、太陽的天頂角選取0°～60°，以12°為步長；衛星和太陽之間的方位角差取(0°，24°，48°，72°，96°，120°，144°，168°，180°)。每個參數確定后可采用6S大氣輻射傳輸模型反演所需AOD查找表，其他值在AOD、天頂角、方位角差等給定值之間進行線性內插計算。

2 結果與分析

2.1 反演結果

反演徐州地區AOD空間分布情況如圖1所示。

圖1 徐州地區3—9月氣溶膠反演結果

2.2 徐州地區氣溶膠的時間變化

統計AOD在3—9月所占的百分比，結果見表1。

圖2(a)-(e)分別表示AOD厚度從0～2之間的月變化趨勢。根據AOD的定義，它是一個無量綱的值。當AOD的值越接近0時表示大氣的透明度越差；當AOD的值越接近2時表示大氣的透明度越好。

表1 3—9月AOD百分比 (%)

從圖2分析可知，在徐州地區大氣透明度高，空氣污染少的地區相對來說較少。不同月份的AOD的值不盡相同，其中7、8月的AOD值越靠近2，所占百分比越高，意味著7、8月大氣透明度較好，也就是污染較少；3—6月的AOD值越靠近2，所占百分比越低，污染越嚴重。根據AOD的變化趨勢圖，可以作出以下推斷：春季和冬季的污染較為嚴重，夏季污染較少，空氣透明度較高。這主要是由于春季天氣干燥少雨，空氣中的浮塵越來越多，大氣透明度低；而夏季降雨與高溫同步，可以在一定程度上緩解大氣污染的現象；秋冬季節，天氣逐漸變得干燥、少雨，而且徐州地區為北方地區，冬季較為寒冷，部分地區供暖也在一定程度上增加了大氣污染的程度，因此冬季污染會重于夏季和初秋。

圖2 AOD的變化趨勢

2.3 徐州地區AOD的空間差異

本文研究將徐州劃分成7個地域單元，對徐州地區不同月份的AOD進行分區統計，統計結果如圖3所示。

圖3 按地域單元統計徐州地區氣溶膠AOD平均值

由圖3可知，不同地域單元的AOD均一致表現出7月最大，5月次之，3月第三，4、6、8和9月最低的規律。然而不同地域單元的AOD也存在著一定的差異。銅山縣、邳州市、徐州市的AOD明顯高于徐州地區的平均水平，其中徐州市最高，徐州市的3—9月的平均AOD為0.647 6，而徐州地區平均水平為0.591 7；沛縣和豐縣明顯低于徐州地區的平均水平，豐縣最低，3—9月平均AOD僅為0.495 5；新沂市和睢寧縣的AOD接近于徐州地區的平均水平。徐州地區7個地域單元均表現出7月AOD最高，尤以邳州、銅山和徐州最為明顯，AOD值分別達到1.14、1.24及1.19。形成原因可歸納如下：在經濟發展方面，徐州市相對于蘇南、北上廣等地經濟欠發達，市中心的人口量、機動車輛流量等相對較少，產生的大氣污染也就相對較少，而且由于這3個縣域單元位于市中心及附近，制造廠、生產企業等多不設置于此，對于大氣的污染也就相對較輕。在季節變化方面，夏季對流活動較多，溫度和濕度較高有利于氣體和粒子的轉化，同時，夏季水汽充足，氣溶膠吸收濕度后散射效率得到增強[16]，導致夏季的AOD值較高。沛縣、豐縣等地位于徐州郊區及周邊地區，工廠多設置于此，導致大氣污染嚴重，而且城市中心熱島環流將空氣中的一部分煙塵吹向郊區及周邊地區，致使這些地區AOD相對較低，沛縣最低為0.26，而豐縣最低達到0.23。新沂和睢寧地區的AOD也相對較高，除了一些工礦企業建造在此，還有采暖燃煤、建筑工地就地揚沙等其他原因。

3 結 語

本文利用2016年3—9月的MODIS數據，基于暗像元法和6S大氣輻射傳輸模式對徐州市AOD進行反演，并在反演結果基礎上分析時空變化。徐州地區AOD在時間變化上較明顯，7月的AOD值是所有月份中最高的，7、8月的AOD值更接近于2，大氣透明度較好，污染較少；3—6月的AOD值較接近于0，其大氣透明度較低，污染較重。不同地域單元的AOD也存在一定的差異，銅山縣、邳州市、徐州市這3個縣市的AOD明顯高于徐州地區的平均水平，尤以徐州市最高，最高可達1.19，新沂和睢寧地區的AOD也相對較高，沛縣和豐縣AOD反演值明顯低于徐州地區的平均水平，豐縣最低，最低僅為0.23。