北京市Himawari-8 AOD與PM2.5質量濃度相關性分析

王安娜,靖娟利,羅福林

(桂林理工大學 a.測繪地理信息學院;b.廣西空間信息與測繪重點實驗室,廣西 桂林 541006)

0 引 言

大氣氣溶膠是指懸浮于大氣中動力學直徑為0.001～100 μm 的固態(tài)或液態(tài)微粒物的總稱,影響氣候的輻射平衡和大氣環(huán)境質量[1]。空氣動力學直徑小于等于2.5 μm的顆粒物(PM2.5)可引發(fā)各種呼吸道疾病,危害人體健康,且導致大氣能見度降低,引發(fā)霧霾天氣[2-5]。目前,我國建立了空氣質量監(jiān)測網(wǎng)絡來監(jiān)測地面PM2.5濃度,但由于地面監(jiān)測站點空間分布不均衡且覆蓋范圍的局限性,不能有效反映PM2.5的空間分布情況,而衛(wèi)星遙感以其成本低、范圍廣、周期短、長期動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢,能夠彌補地面監(jiān)測站的不足。基于衛(wèi)星遙感獲得的氣溶膠光學厚度能夠合理反映近地面PM2.5質量濃度的情況。

國內外學者對此進行了大量的研究: 謝志英等[6]引入氣溫、 氣壓、 相對濕度等氣象參數(shù), 利用MODIS氣溶膠光學厚度(AOD)產品對北京市PM10進行多元回歸分析, 結果表明引入氣象參數(shù)可以有效提高二者的相關性; Chu等[7]利用MODIS AOD 產品對局部、 區(qū)域和全球大氣污染狀況進行了研究, 結果表明衛(wèi)星遙感獲得的AOD 產品可有效監(jiān)測大氣污染情況; 亢紅霞等[8]介紹了AOD 和PM2.5的數(shù)據(jù)源和估算的方法, 分析總結了AOD 與PM2.5遙感估算的模型，并對未來PM2.5研究的發(fā)展方向進行了展望; Koelemeijer等[9]利用MODIS AOD產品結合邊界層高度和相對濕度對歐洲2003年的顆粒物進行分析, 結果表明訂正后的相關性顯著提高,r為0.5(PM10)和0.6(PM2.5); 趙曉亮等[10]采用暗目標法利用MODIS L1B 1 km數(shù)據(jù)反演AOD數(shù)據(jù), 結果表明加入氣象因子訂正后的AOD與PM2.5的相關性有明顯提高,R2為0.659 1; Stafoggia等[11]結合土地利用變量和氣象參數(shù),利用MODIS AOD可以有效地反演意大利PM10質量濃度,證實了MODIS產品可用于顆粒物質量濃度的監(jiān)測;Xie等[12]利用混合效應模型對北京進行MODIS AOD反演PM2.5,結果顯示混合效應模型的預測性能高。以上研究表明衛(wèi)星遙感適用于估算近地面顆粒物質量濃度。

現(xiàn)階段大多數(shù)顆粒物質量濃度的研究主要是采用MODIS AOD產品,然而MODIS時間分辨率相對葵花8號(Himawari-8)氣象衛(wèi)星較低,而且國內利用Himawari-8 AOD產品對顆粒物質量濃度的研究相對較少[13-14]。因此,本文以北京市為研究區(qū)域,利用Himawari-8提供的逐小時AOD產品,并結合氣象資料及地面監(jiān)測的PM2.5質量濃度數(shù)據(jù),分析北京市2016年AOD-PM2.5的相關性,以證實Himawari-8 AOD產品在監(jiān)測PM2.5污染方面的應用價值。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

北京市地處華北平原西北邊緣,地理位置位于東經(jīng)115.7°—117.4°、北緯39.4°—41.6°,轄16個縣級行政區(qū)。研究區(qū)屬于典型的溫帶大陸性季風氣候,夏季潮濕炎熱,冬季寒冷干燥。地勢總體為西北高，東南低。北京市屬于工業(yè)城市,人口稠密、交通擁擠、污染物排放量較大,容易受中國北方沙塵天氣的影響,是PM2.5質量濃度較高的城市。

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 Himawari-8 AOD數(shù)據(jù) Himawari-8是由日本宇宙航空研究開發(fā)機構設計制造的向日葵系列衛(wèi)星之一, 于2014年10月7日發(fā)射, 并于2015年7月7日投入使用[15]。 Himawari-8可以提供500 nm的小時AOD數(shù)據(jù)和Angstrom指數(shù)。 Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)的置信水平可分為“非常好”、 “好”、 “一般”和“差”, 本文主要以“非常好”置信水平的Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)作為研究對象, 確保北京市的空間數(shù)據(jù)質量[13]。 由于Himawari-8 投入使用時間較短, 在國際上Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)的精度驗證研究較少, 因此本文采用全球自動觀測網(wǎng)(AERONET)AOD 產品對其數(shù)據(jù)進行質量評估。AERONET是由美國國家航空航天局(NASA)和PHOTONS共同建立的氣溶膠地基監(jiān)測網(wǎng)絡, 可提供3個等級的氣溶膠光學厚度產品。 AERONET AOD 的觀測誤差為0.01～0.02, 可將其作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)精度驗證的真實值[16]。 本文采用 1.5級別的AERONET AOD 產品對Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)進行質量評估。

1.2.2 地基測量PM2.5數(shù)據(jù) 北京市35個PM2.5地基監(jiān)測站的空間分布如圖1 所示。2016年北京地區(qū)每小時地面測量PM2.5數(shù)據(jù)主要來自中國環(huán)境監(jiān)測中心(CEMC)官網(wǎng)(http://beijingair.sinaapp.com/)。 近地面PM2.5質量濃度根據(jù)《中國環(huán)境保護標準》(HJ 618—2011)進行校準和質量控制[17]。

1.2.3 氣象參數(shù) 氣象數(shù)據(jù)來源于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)的再分析數(shù)據(jù)集(ERA-Interim)。 ECMWF使用數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和預測模型來重新分析觀測數(shù)據(jù)集, 提供UTC 0、 6、 12和18時的氣象數(shù)據(jù)[18]。 本研究收集UTC 6時相對濕度(relative humidity, RH)和邊界層高度(boundary layer height, BLH)數(shù)據(jù), 其空間分辨率為0.125°×0.125°。 表1為本研究應用的數(shù)據(jù)集的詳細信息。

1.2.4 數(shù)據(jù)匹配 為了減少時空差異的影響和更好地驗證分析,需要對研究數(shù)據(jù)進行時間和空間的匹配[13]。

(1)Himawari-8 AOD與AERONET AOD的時空匹配原則:時間跨度為衛(wèi)星過境時間的前后半小時;空間上以AERONET AOD站點為中心,半徑選取20 km求取衛(wèi)星觀測AOD均值。

(2)PM2.5、Himawari-8 AOD及氣象參數(shù)匹配原則:空間上以PM2.5地基站點為中心,選取5 km半徑范圍內AOD及氣象參數(shù)的均值作為研究對象。時間上選取了2016年1—12月的AOD和氣象參數(shù)的日均值數(shù)據(jù)對PM2.5與AOD的相關性進行分析。

2 研究方法

2.1 垂直訂正

AOD表征大氣消光系數(shù)在垂直方向上的積分。 因此, 研究AOD-PM2.5的相關性需要對衛(wèi)星反演的AOD進行垂直訂正, 將其轉化為近地面氣溶膠消光系數(shù)[19]。 研究表明, BLH可以作為AOD對應的氣溶膠標高對AOD進行垂直訂正, 其訂正方程為[20]

RAOD=AOD/BLH，

(1)

圖1 北京市PM2.5和AERONET AOD監(jiān)測站空間分布Fig.1 PM2.5 and AERONET AOD monitoring stations distribution in Beijing (北京市中心城區(qū)包括東城區(qū)、西城區(qū)、海淀區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū))

表1 本研究中應用的數(shù)據(jù)集合Table 1 Datasets application in this study

式中:RAOD為近地面氣溶膠消光系數(shù);AOD表示Himawari-8衛(wèi)星的氣溶膠光學厚度產品數(shù)據(jù);BLH表示氣象參數(shù)邊界層高度。

2.2 濕度訂正

大氣氣溶膠具有吸濕特性, 隨著相對濕度的變化, 氣溶膠中各組分會發(fā)生改變,致使大氣顆粒物的質量濃度和粒徑等參數(shù)發(fā)生變化[21]。 地面PM2.5監(jiān)測站應用微量振蕩天平法(TEOM)來獲取地面PM2.5質量濃度值。 該方法將顆粒加熱到50 ℃后獲得“干”的每小時地面PM2.5質量濃度值, 因此通過相對濕度訂正將監(jiān)測站獲取的“干”PM2.5質量濃度轉化為“濕”的PM2.5質量濃度, 進而分析AOD與PM2.5的相關性。 其訂正方程為[20]

(2)

式中:RPM2.5表示濕度訂正后的PM2.5質量濃度值;PM2.5是原始干燥近地面的PM2.5質量濃度值;RH表示相對濕度。

2.3 相對濕度分區(qū)訂正

根據(jù)北京市相對濕度分布特征,一般RH>85%視為降水天氣，不參與研究,將相對濕度分為0

(3)

3 結果與討論

3.1 Himawari-8 AOD 驗證分析

為了驗證Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)在北京地區(qū)的適用性,選取北京市3個AERONET AOD站點的監(jiān)測值作為真值,對Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)進行精度評價。3個站點分別為Beijing(39.977°N, 116.381°E)、 Beijing_CAMS (39.933°N, 116.317°E)和Beijing_PKU(39.992°N, 116.310°E)。

選取2016年1—12 月Himawari-8 AOD 數(shù)據(jù)與相應時段的全自動太陽光度計(CE318)監(jiān)測結果進行相關分析。 從圖2可知(Himawari-8 AOD 為Himawari-8反演的氣溶膠光學厚度, CE318 AOD 為CE318 測量的氣溶膠光學厚度), 3個監(jiān)測站點的擬合優(yōu)度R2分別為0.759 0(Beijing)、 0.791 9(Beijing_CAMS)和0.811 4(Beijing_PKU), 均通過了統(tǒng)計學上0.01水平的顯著性檢驗,表明Himawari-8AOD能有效表征氣溶膠光學厚度的變化,可應用于北京市氣溶膠相關方面的研究。

3.2 AOD-PM2.5相關性

利用2016年北京市Himawari-8 AOD產品,結合同期地面監(jiān)測PM2.5質量濃度ρ(PM2.5)進行相關分析,來驗證Himawari-8 AOD產品估算近地面顆粒物的適用性。

從圖3可知,AOD-PM2.5線性相關模型的擬合優(yōu)度R2為0.384 2,通過P<0.01顯著性檢驗,證明由AOD估算近地面PM2.5質量濃度的可行性。但由于AOD表征大氣消光系數(shù)在垂直方向上的積分, 而PM2.5質量濃度是近地面的數(shù)據(jù), 在物理意義上二者具有差異,因此需要結合邊界層高度和相對濕度對AOD和PM2.5進行訂正,以提高PM2.5監(jiān)測結果的精度。

3.3 垂直濕度訂正AOD-PM2.5相關性

從圖4a可知, 垂直訂正后的AOD-PM2.5的相關性有明顯提高,R2由0.384 2增加到0.483 2,P<0.01, 這也證實了AOD-PM2.5相關性受BLH的影響。 當引入RH對PM2.5分別進行濕度訂正和垂直-濕度訂正時,AOD-PM2.5相關性有明顯下降(圖4b、 4c)。原因可能有:濕度校正的模型參量有很多種,選擇參量不同,結果也會有所不同;美國地區(qū)氣溶膠粒子的化學組分與北京市有較大的差異,其吸濕增長特性差異較大,導致IMPROVE 的吸濕增長因子在北京市的適用性較差[21]。此外,訂正后圖4中存在明顯的離散點,分析發(fā)現(xiàn)離散點的PM2.5與AOD值都偏大,離散點主要位于北京市市轄區(qū),這可能與中心城區(qū)人為活動有一定關系。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),圖4a 中離散點主要分布在2016年1、11和12月,離散點PM2.5質量濃度在150 ～510 μg/m3變化,AOD值處在0.4～0.9,供暖期間大氣污染物PM2.5質量濃度比較高[23]。進一步分析得知,明顯的離散點的邊界層高度值介于129.139 1～490.109 3 m,相關研究表明邊界層高度反映了大氣的垂直擴散能力,近地面污染物濃度隨著邊界層高度的增大而降低, 主要是因為顆粒物隨大氣湍流向上擴散; 而當邊界層高度較低時顆粒物不斷積累, 致其濃度增大[24]。 圖4b 和4c中離散點主要分布在2016年1、 2、 8、 11月, 離散點的相對濕度為85%～90%, AOD在0.4～0.6, 相對濕度與AOD呈正相關, 當相對濕度較大時, 大氣中的水分會增大氣溶膠顆粒物的尺度[25]。 相對濕度較大可能受大氣環(huán)流影響。

圖2 北京市不同站點Himawari-8與CE318觀測的AOD的散點擬合結果Fig.2 Results of scatter fitting of AOD observed by Himawari-8 and CE318 in different stations of Beijing

圖3 Himawari-8 AOD與地面PM2.5質量濃度相關性Fig.3 Correlation between Himawari-8 AOD and ground PM2.5 mass concentration

圖4 AOD與PM2.5質量濃度相關性Fig.4 Correlation between AOD and PM2.5mass concentration

相關研究表明, 當相對濕度<60%時, 氣溶膠粒子的質量濃度對氣溶膠的散射現(xiàn)象起主要影響,此時氣溶膠粒子處于一種“干燥”的狀態(tài)；當相對濕度>60%時,相對濕度成為了影響氣溶膠散射現(xiàn)象的主導力量,此時氣溶膠粒子的質量濃度、粒徑等性質也會隨之發(fā)生變化[22，26]。

因此, 本文嘗試在垂直訂正的基礎上對相對濕度進行分區(qū)訂正, 探討AOD-PM2.5的相關性的差異性[24]。從圖5(AOD/BLH為近地面氣溶膠消光系數(shù);ρ(PM2.5)為近地面PM2.5質量濃度值)可知,相對濕度處于45%

圖5 近地面PM2.5質量濃度與相對濕度分區(qū)AOD線性擬合Fig.5 Linear fitting of near surface PM2.5 mass concentration and AOD with redative humidity partition

4 結 論

(1)本文以北京市的3個AERONET AOD站點數(shù)據(jù)作為參考真值, 對Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)進行精度評估。 結果顯示兩者表現(xiàn)出顯著的相關性, 說明Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)能滿足研究精度要求。

(2)Himawari-8 AOD-PM2.5訂正前相關性較弱,R2為0.384 2。 利用BLH對AOD垂直訂正后AOD-PM2.5的相關性有明顯提升; 而引入RH對PM2.5進行濕度訂正, 二者相關性降低。 根據(jù)氣溶膠吸濕增長特征, 對PM2.5相對濕度進行分區(qū),能有效提高AOD-PM2.5的相關性。

(3)由于氣象資料時間分辨率的制約,在時間分辨率匹配時BLH與RH不能與AOD進行完全準確的匹配,從而對AOD-PM2.5的相關性有一定影響。此外,PM2.5與AOD不僅受氣象因素、人為因素的影響,還受到地形地貌等地理因素的影響,未來的研究工作可側重于分析二者與影響因子的關系。