大氣氣溶膠遙感監測及其網絡計算的研究

郝震寰 陳旭 管守標 高妮 劉偉霞 饒琬婧

摘? 要：大氣氣溶膠對地球的氣候和環境有著直接的影響，隨著社會經濟的不斷向前發展，顆粒污染物的排放越來越多，對人體健康和生態環境造成了嚴重的影響。在我國大氣嚴重污染的現狀下，利用遙感技術進行監測監控和定量分析已經迫在眉睫。該文主要介紹大氣氣溶膠監測監控技術以及網絡計算，旨在為我國環境保護提供思路和方法。

關鍵詞：大氣氣溶膠? 顆粒污染物? 遙感技術? 網絡計算

中圖分類號：P407? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（b）-0028-02

在大氣中存在大量的氣溶膠，其來源廣泛且復雜，包括由自然原因形成的初級和次級大氣氣溶膠顆粒，如灰塵、沙子、火山灰、煙塵、植被排放等，以及人類活動如農業和林業發展、建筑物產生的初級大氣氣溶膠排放、塵埃、汽車尾氣、工業生產等，其中SO2、NO2和其他氣體會通過二次大氣氣溶膠顆粒的均相和非均相化學反應。

在過去的半個世紀里，全球人類活動在大多數地區強行增加了大氣氣溶膠的含量，衛星遙感監測氣溶膠的科學目的是為了保證氣候評估的準確性，人類活動形成的大氣氣溶膠的含量不斷增加，其中極高值區會嚴重威脅和危害人類健康，因此大氣氣溶膠成為了人們普遍關注的一個焦點。通過遙感衛星進行大氣氣溶膠的監測，得到的數據在環境及身體健康評估方面有著極其普遍的應用。

沙塵暴和霧霾兩種極端天氣現象是由于大氣中高濃度的氣溶膠導致的;氣溶膠與干旱、暴雨等極端天氣事件有間接關系;由于不同類型氣溶膠的輻射特性不同，直接和間接輻射強迫導致全球氣候的變暖和降溫，這種影響已經成為在氣候研究中成為最大的不確定因素。大氣氣溶膠不管是在短期的天氣預報，還是長期的氣候監測中都有著舉足輕重的地位。人為因素產生的氣溶膠已成為工業集中區大氣污染的嚴重組成部分，因此利用遙感技術對大氣氣溶膠的監測計算有著重要意義。

1? 氣溶膠遙感監測技術

1.1 多光譜手段氣溶膠遙感探測

多光譜方法是最早的氣溶膠遙感反演方法，它是標量探測方法。它探測機制是在成像區域中搜索暗像素以獲得多光譜（0.47～2.12μm）的大氣輻射，然后反演氣溶膠光學厚度以及其他參數。它有極好的覆蓋面，但缺點是在明亮的表面區域沒有氣溶膠檢測能力，由于多角度和偏振信息的缺乏，只能建立簡單的氣溶膠微物理模型，從而反演結果不精確。

1.2 激光雷達手段氣溶膠探測

GLAS激光雷達系統是一種主動傳感器，主要分為高度測量、后向散射、差分吸收、多普勒測風等，專為NASA測量海冰而設計的。它由10cm的表面激光高度計和雙波長背向散射激光雷達組成，用于測量云和氣溶膠，CATS太空激光雷達于2012年由美國美國宇航局提出，計劃安裝在國際空間站的多波長散射氣溶膠和云測量激光雷達。

1.3 單通道遙感和多通道遙感

單通道方法利用可見光通道反演和分析大氣中的氣溶膠，這種方法廣泛應用在海洋上空的平流層和對流層的氣溶膠分布。在使用可見光和近紅外波段建立雙波段模式時，多通道遙感是最常見的。因此，對于太陽輻射，氣體分子帶來的散射可以直接忽略掉，但是云滴和氣溶膠的散射不能忽略不計。總之，單通道和多通道方法主要應用于低反射率像元，例如清水或茂密植被，并且要求關于地表反射率的先驗過程。

1.4 多角度多通道遙感

多角度多通道遙感是對單通道和多通道反演方法的升級。在陸地上可以使用兩種不同的方法，如果存在暗、稠密的植被，則利用低地表反射率的暗、稠密的植被，結合多角度觀測，可以反演氣溶膠參數。如果不存在，則通過觀測信號的空間對比度和角的變化信息，將地表和大氣信號進行分離處理，得到觀測區域的氣溶膠參數。近年來，多角度觀測是大氣氣溶膠反演的新思路，多角度傳感器也隨之問世，遙感氣溶膠在精確度方面也得到了明顯的提高。

1.5 對比度降低法

可見光和近紅外區，大氣效應主要來源于大氣分子和氣溶膠的散射。因此要消除掉大氣的影響，有兩種消除大氣影響的方法。其中一種是尋找穩定的參照物，如純水和暗植被等，以它們為路徑輻射的參考值，用來目標反射率的不確定性，從而降低氣溶膠光學厚度的估計誤差。

1.6 熱對比法

熱對比法是研究光亮地區的光學厚度。該算法假設從地球表面發射的輻射保持不變，或與觀測時間線性相關，其中氣溶膠非常小并趨于收斂。當存在氣溶膠時，從表面發射的長波輻射被截獲，并且傳感器的接收輻射減少。另一方面，它也減少了對表面的輻射，從而降低了地表溫度。這增加了在晴朗和多云的大氣中的熱對比度，相反，熱對比度反映了氣溶膠的變化，因此這種方法適用于紅外受氣溶膠影響較大的區域。

1.7 陸海反差法

在衛星監測過程中，氣溶膠光學厚度和單次散射相位函數決定了地表的低反射率?，F在實際應用中有一種適用于地表反射率實時變化的區域，如陸水界面的反演算法，該算法近似于輻射傳輸方程，適用于平面平行大氣，其中可用波長限制在400～800nm的范圍內。

2? 網絡計算方法

其中：

θs為太陽天頂角，θv為衛星天頂角;

φ為相對方位角;

為向下整層大氣透過率（直射），T（v）為向上整層大氣透過率（漫射）;

S為大氣的球面反照率;

P為地表反射率。

MODIS的暗像素算法是主流的網絡計算方法，由上述方程得知，衛星觀測反射率在地表反射率較小時主要取決于方程式右邊第一項，而第二項較小可忽略。具體步驟如下所述。

（1）選擇氣溶膠光學厚度的反演應為晴天，即對衛星輻射信息進行云監測。使用標準化云端口產品，刪除包含云的像素點;使用標準化植被指數篩選水像素點、雪像素點和冰像素點;在10km×10km范圍內選擇無云的像素點。

（2）使用中紅外通道的反射率與低反射率表面的紅色和藍色可見光通道，計算兩者間的統計關系，確定可見光通道的地表反射率。衛星從2.13μm通道的表觀反射率受氣溶膠的影響較小，可以忽略不計，因此2.13um通道的反照率選擇從0.01到0.25之間的暗像元;剩下的像素由0.66μm進行分析，地表反射率（其中不包括最暗的20%的和最亮50%，剩余的30%至少存在120個像素點）平均值作為10km×10km區域內的平均值。

（3）選擇氣溶膠模型。紅色和藍色光路的輻射比率用于確定氣溶膠的類型，在反演過程中，采用動態氣溶膠輸入模式，對于不同的氣溶膠類型，要選擇不同的光學參數進行分析。

（4）基于氣溶膠類型和地表反照率，檢查獲得氣溶膠光學厚度等參數。MODIS反演算法是以暗背景算法為基礎的，因此適合用于具有植被的陸地表面，不適用于沙漠、戈壁等明亮地表，不可能在大部分地區給出氣溶膠的分布，如中國西北沙漠和植被較少的地區。在干旱的沙漠和戈壁等明亮的表面區域，即小于0.5μm的藍光波段的地表反照率很小，可以通過模擬藍色通道計算地表反照率，進而反演大氣氣溶膠的光學厚度，此算法又被稱為深藍算法。

3? 結語

大氣輻射平衡受到大氣氣溶膠直射和散射的直接影響，這種影響不僅破壞當地或全球生態環境、影響氣候，而且對人類身體健康產生極大的威脅和危害。因此，充分認識氣溶膠對生態和環境的影響具有重要的意義，也有必要深入研究氣溶膠和光學性質的反演。

參考文獻

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①基金項目：高分辨率對地觀測系統重大專項——基于高分數據的京津冀一體化協同發展區域監測技術（項目編號：67-Y20A07-9002-16/17）。