福建省空氣清新度衛星遙感監測

李愷霖，張春桂，廖 廓，李麗純，王 宏

(1.福建省氣象信息中心，福州 350001；2.福建省氣象科學研究所，福州 350001)

0 引言

大氣氣溶膠通常是指懸浮在大氣中直徑小于100 μm 的液態和固態顆粒總稱，其質量僅占整個大氣質量的十億分之一，可散射和吸收太陽短波輻射以及地球長波輻射，從而影響地氣系統的輻射平衡(直接效應)，并且可以作為凝結核影響云的輻射特性以及作為反應表面，影響大量化學反應的速度(間接效應)，因此其對大氣輻射傳輸和水循環均有重要影響[1]。氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth,AOD)定義為氣溶膠的消光系數沿輻射傳播路徑在垂直方向上的積分[2]。該參數描述了氣溶膠對光的衰減作用，為無量綱量。AOD是大氣氣溶膠最基本的光學特性之一，同時也是描述氣溶膠特性、表征大氣渾濁度的重要物理量之一，能在一定程度上反映區域大氣的污染程度。

目前獲取大氣氣溶膠光學厚度資料的手段包括地基遙感和衛星遙感[3-5]。與地基遙感相比，衛星遙感具有連續、動態、宏觀、快速的優勢，為獲取大范圍的時空覆蓋、變化趨勢及氣溶膠輸送源的信息提供了強有力的監測手段[6-7]。

日本氣象廳于2014年7月發射了新一代靜止氣象衛星葵花-8(Himawari-8)并于2015年7月開始提供運營[8]。葵花-8/AHI (Advanced Himawari Image)包含對氣溶膠敏感的藍光通道，在陸地氣溶膠反演方面具有很大的潛力。葛邦宇等[9]利用暗目標法對葵花-8數據氣溶膠進行了反演，分析了京津冀地區大氣的空間分布和日變化情況；Yan等[10]利用最小反射率氣溶膠反演方法對葵花-8衛星資料在北京及其附近區域進行了驗證；Zhang等[11]利用葵花-8衛星資料與新的AOD反演方法，與MODIS資料進行對比，驗證了該衛星在東亞地區的適用性，結果表明該衛星與MODIS氣溶膠產品的相關系數達到0.8以上，與陸基觀測相比，同樣達到了很高的相關系數(0.86)。

綠地在生態系統占據重要的位置，尤其突出的是其在吸收、降解大氣污染物中表現出的顯著效果，且與AOD大小關系十分密切[12-16]。現在通用的表征城市綠色環境質量特征的一個指標就是歸一化植被指數 (normalized difference vegetation index,NDVI)，它是影響城市空氣污染濃度的重要指標[17]，它可以通過反映區域地表植被的種類、覆蓋密度等特征來表征區域下墊面的植被覆蓋情況。NDVI 數值愈大表示植物生長愈多。眾多學者利用MODIS的NDVI指數與AOD之間的關系進行了研究，并取得了豐碩的成果。張磊[18]利用MODIS的AOD數據與NDVI數據集研究了廣東地區AOD變化規律與影響因素，指出AOD與NDVI在廣東有著顯著的負相關；方煒[19]利用AOD建立與PM2.5相關模型，驗證了其與NDVI在廣州市呈現明顯的負相關，植被對顆粒物的吸附效果明顯；岳輝[20]利用MODIS中AOD數據建立起了與PM10之間相關模型，并分析得出武漢市PM10數值與NDVI呈現極顯著負相關；董自鵬等[21]指出陜西省氣溶膠波長指數分布與植被覆蓋情況密切相關，地面揚塵是粗模態氣溶膠的重要來源，NDVI上升和沙塵天氣的減少使秦嶺以北地區粗模態AOD逐年遞減。

綜上的研究表明地表植被的覆蓋能夠有效吸附空氣中的懸浮物，對大氣中的粉塵、微小顆粒具有附擋、吸附、滯留和過濾的作用，從而達到“凈化”空氣的效果，抑制了AOD高值的產生，對改善透明度有很大作用。衛星具有觀測范圍大，時間分辨率高等優點，那么如何通過衛星定量描述清新福建，并通過定義一種指數，建立起NDVI與AOD之間關系，用以表征福建省的清新程度，并闡述其在建設清新福建中的應用，本文將在這方面進行探索。

1 研究區概況

福建省地處東南沿海，地理范圍在E115°40′～120°30′，N23°30′～28°20′之間，森林覆蓋率達65.95%，連續37年位居全國第一，是全國“最綠”省份。生態資源已經成為福建省最寶貴的資源，生態優勢是福建省最具競爭力的優勢。同時，森林生態系統是開展養生旅游的重要載體和場所之一[22]。從2013年初開始，全國多地遭遇霧霾沙塵天氣，人們對生態環境非常關注，從那時候起提出了“清新福建”的概念[23]。2014年福建省優質生態旅游景區“清新指數”正式對外發布，在全國率先發布涵蓋PM2.5、負氧離子等指標的指數，以數據建立生態旅游新標準[24]。衛星遙感空氣清新度(remote sensing atmosphere index,RSAI)指數的建立將有助于深入了解福建的生態環境情況，能更好更全面地描述“清新福建”。

2 數據源

葵花-8衛星AOD數據來源于日本氣象廳，數據的下載地址為http://www.eorc.jaxa.jp/ptree/。葵花-8衛星采用了全盤掃描的方法，觀測范圍為S60°～N60°，E80°～W160°。AOD僅有日間觀測資料，分為二級(L2)和三級(L3)資料，空間分辨率均為5 km×5 km，其中L2資料10 min產生一次數據，L3資料1h產生一次數據。葵花-8衛星AOD質量控制分為4個等級，分別為“very good”(很好)、“good”(好)、“marginal”(邊緣的)、“no confidence”(不可信任的)。Zang等[25]選取了超過10 000個質量為“very good”的數據與氣溶膠自動觀測網 (Aerosol Robotic Network,AERONET)數據進行比較，二者的相關系數達到0.74，不確定性為0.24，分時段對比發現，AOD的反演質量在當地時間12：00—14：00時，質量最好；14:00—17:00時，質量次之；9:00—11:00時，質量最差。文中選擇觀測時段為北京時間8:00—17:00時的逐時數據。

本研究采用的NDVI來源于國家衛星氣象中心業務內網，是以EOS/MODIS衛星數據作為信息源，在對EOS/MODIS數據進行包括地理定位、通道定標和投影變換等預處理的基礎上，采用NDVI公式計算出來的。為了與葵花-8的AOD資料的時空分辨率相一致，本研究將NDVI數據通過重采樣稀疏化處理成與葵花-8的AOD產品相同的5 km空間分辨率，研究的時段為2015年12月—2018年9月，并根據福建的氣候特點，定義春季為3—6月，夏季為7—9月，秋季為10—11月，冬季為12—來年2月[26]。為了與周邊區域進行比較，將區域范圍擴大到E110°～125°，N20°～35°。

3 研究方法

3.1 AOD

AOD和?ngstr?m波長指數是表征大氣光學特性的基本參數，可以用來推算大氣氣溶膠的含量。AOD的具體的計算公式為[27]

τ(λ)=βλ-α，

(1)

式中：τ(λ)為AOD；β為渾濁系數；α為?ngstr?m波長指數。α是定性衡量氣溶膠粒子大小的一個重要光學參數，其值越小說明粒子越大，反之亦然[28]。α通過在式(2)中代入不同的波長相除后，取以常數e為底數的對數ln得到，即

(2)

葵花-8的AOD數據的具體計算方法為：首先通過利用公式(3)計算出α；然后將其代入公式(2)計算出τ(λ)；最后通過引用基于確定的球形粒子氣溶膠模型查找表，查找出相應的AOD數值。

葵花-8的AOD資料為逐時數據，為了得到日平均、月平均和季節平均的結果，需要對數據進行進一步處理。平均值可表示為

(3)

式中：avalid表示在行數為i，列數為j格點上的平均值；N表示不同文件同一格點上，有數值并且通過質量控制的文件個數；aij代表行數為i，列數為j格點上的AOD數值，aij數值有3種情況，分別為缺測、反演失敗、有數值并且有質量保證[29]。在文中采用的有數值且有質量保證的數據即為質量控制等級為“very good”的數據。3種情況下AOD的數值分別為：0，0，實際值。只有當AOD為實際值時，該格點才參與運算，所得的日平均為參與計算格點的平均值。在此基礎上進而得到月數據和季節數據。

3.2 NDVI

為了能有效地排除大氣的干擾和福建地區多云天氣的影響，本研究的NDVI資料采用月合成資料，具體方法是先根據目前最為常用的NDVI計算公式計算出福建地區晴空NDVI值，即

NDVI=(Xnir-Xred)/(Xnir+Xred)，

(4)

式中，Xnir和Xred分別是近紅外波段和紅光波段的反射率，對于MODIS數據來說，分別對應于CH2波段(0.841～0.876 μm)和CH1波段(0.62～0.67 μm)。

然后通過最大值合成法(maximum value composite,MVC)將每天NDVI數據合成為每月NDVI數據，MVC法可以進一步消除大氣對NDVI削弱的影響以及消除云的影響，MVC表達式為

Mt=max[NDVI(t)]，

(5)

式中，Mt為月NDVI值；t為月份。

3.3 指數構建

經過統計，福建省內AOD與NDVI多年平均值均在[0,1]之間。為了建立起AOD與NDVI之間的聯系，定義了衛星遙感空氣清新度(remote sensing atmosphere index,RSAI)指數，其具體計算公式為

(6)

式中：c，d為權重系數。為了使AOD與NDVI單調性一致，且有相同的取值范圍，對2個變量進行了均一化處理。當AOD與NDVI都有數值，且經過質量控制后RSAI數值為有效，否則設為缺測。數值越大表示空氣越清新。表1為參考世界衛生組織關于空氣清新度等級劃分中的負氧離子指標[30]，結合福建實際，制訂的RSAI分級標準。

表1 衛星遙感空氣清新度分級標準Tab.1 Grinding standard of RSAI

4 結果分析

4.1 AOD的季節分布

圖1給出了福建地區AOD季節變化的時空分布，從圖中可以看出，春季，福建省大部分AOD數值在0.2左右，閩西北部分山區的數值在0.1左右，福建省沿海地區為AOD的大值區，數值在0.4左右，對比大陸周邊省份，春季福建省大部AOD數值較低；夏季，福建省大部AOD的數值范圍在0.2～0.3之間，AOD大值區在福建中南部沿海，相比于大陸周邊省份，夏季福建省AOD總體數值較低；秋季，福建省西部大部地區AOD都在0.2以下，福建省中北部AOD大值區數值相比較于春夏有所降低，但閩南地區AOD數值上升，達到全年的最大值，福建省秋季整體AOD數值大大低于大陸周邊省份，是一年中數值最低的季節；冬季福建省大部分AOD數值在0.2左右，AOD的高值區在福建省閩南沿海，冬季福建全省AOD數值低于大陸周邊省份。

造成上述現象的原因有3點：①沿海地區污染排放源強度大于內陸地區，其中中南部沿海地區經濟發達、人口稠密、汽車保有量大，并有較多工業區，氣溶膠排放量相對大；而北部沿海地區受北霾南輸影響，是區域污染輸送開始的第一站，結束的最后一站，因此全年氣溶膠濃度平均值也高于內陸；②天氣氣候原因，沿海地區常年降水(不考慮臺風產生的極端降水)平均值低于內陸地區，大氣濕清除條件不如內陸地區好，尤其漳州地區為福建省降水最少的地區，晴熱干燥的氣象條件下造成AOD數值較大；③沿海森林覆蓋率低于內陸，植被對顆粒物吸附能力總量較低。

有研究表明[31]：顆粒物通過對光的吸收和散射使地面大氣水平能見度急劇降低，進而對居民生活、工作等造成不利影響，特別是能見度的改變會影響個體行為，降低對自然保護區、公園、景點的參觀頻率，從而減少旅游收入。與能見度直接相關的AOD起到直接作用。結合上述分析，福建省一年四季AOD數值較低，四季能見度優良，尤其以秋季閩西地區能見度極佳，均適合開發生態游項目。

(a)春 (b)夏

(c)秋 (d)冬

圖1 福建省氣溶膠光學厚度季節變化時空分布示意圖

Fig.1SpatialdistributionofseasonalmeanAODinFujianProvince

4.2 NDVI的季節分布

通過MODIS的NDVI數據集能更直觀地了解福建省內植被四季的覆蓋情況，為生態、鄉村旅游提供參考。

圖2位置中，給出了福建省NDVI的時空變化分布。從圖中可以看出，春夏2季全省大部的NDVI都在0.7以上，植被覆蓋良好，而且NDVI數值在0.7左右的區域，福建省所占面積大于大陸周邊省份，這與福建全省森林覆蓋率排名全國第一的情況吻合；秋冬2季由于作物收割或長勢弱化，NDVI的數值有所降低，但植被覆蓋率依舊高于大陸周邊省份。與長江三角洲、珠江三角洲和南昌市城市群相比，福建境內福夏泉城市群植被覆蓋良好，季節差異不大。

(a)春 (b)夏

圖2-1 福建省歸一化的植被指數(NDVI)季節變化時空分布示意圖

Fig.2-1SpatialdistributionofseasonalmeanNDVIinFujianProvince

(c)秋 (d)冬

圖2-2 福建省歸一化的植被指數(NDVI)季節變化時空分布示意圖

Fig.2-2SpatialdistributionofseasonalmeanNDVIinFujianProvince

4.3 RSAI的季節分布

通過結合AOD與NDVI 2個生態環境的重要物理量，新構建了RSAI指數，定量描述了福建省生態總體情況。

圖3給出了福建省衛星遙感清新度季節變化時空分布，根據表1中給出的標準，定義了非常清新、清新、較清新、一般和不清新4個等級。從圖中可以看出，春季，福建省大部RSAI為清新，沿海地區為一般；夏季，福建省大部RSAI清新和較清新，沿海地區一般；秋季，福建省大部地區RSAI以清新為主，部分地區RSAI為非常清新，但閩南沿海地區RSAI一般，少部地區為不清新；冬季，福建省大部RSAI以清新和較清新為主，閩南沿海少部地區為不清新。根據RSAI分級，福建省四季皆以清新以上等級為主，四季RSAI皆高于大陸周邊省份，顯示出福建省特有的生態優勢。

(a)春 (b)夏

(c)秋 (d)冬

圖3 福建省衛星遙感清新度季節變化時空分布示意圖

Fig.3SpatialdistributionofseasonalmeanRSAIinFujianProvince

5 結論與討論

通過綜合利用葵花-8衛星AOD數據三級(L3)資料和MODIS的NDVI資料，構建了RSAI指數，并以福建省為例分析了其季節變化規律，得出以下結論：

1)四季福建省大部AOD變化不大，低值區一般分布在閩西北山區，東南沿海為大值區，其中閩南沿海均為當季福建省AOD大值區。福建省四季整體AOD皆低于大陸周邊省份，以秋季最為明顯。

2)造成福建省AOD沿海高內陸低，閩南沿海為大值中心這種現象的原因是，沿海地區污染排放源強大于內陸地區，氣溶膠排放量相對大；而北部沿海地區受北霾南輸影響，全年AOD平均值也高于內陸；沿海地區常年降水平均值低于內陸地區，大氣濕清除條件不如內陸地區好，尤以漳州地區降水最為稀少，晴熱干燥的氣象條件下造成AOD數值較大；沿海森林覆蓋率低于內陸，植被對顆粒物吸附能力總量較低。

3)春夏兩季全省大部植被覆蓋良好，NDVI較大數值福建省所占面積大于大陸周邊省份。秋冬兩季，NDVI的數值有所降低，但植被的覆蓋率依舊高于大陸周邊省份。與研究范圍內城市群相比，福建境內福夏泉城市群植被覆蓋良好，季節差異不大。

4)四季福建省大部RSAI指數以清新為主，其中秋季RSAI指數最佳。RSAI指數一般的地區集中在福建沿海，閩南沿海為RSAI指數較差地區。福建四季RSAI指數皆高于大陸周邊省份，顯示出福建特有的生態優勢。

5)通過對AOD，NDVI和RSAI的分析，福建氣溶膠光學厚度數值較低，植被覆蓋好，衛星遙感空氣清新度指數高，對實現生態文明，推動既要金山銀山，又要綠水青山的實踐有著一定的參考意義。

但是，在使用葵花-8衛星和MODIS數據的時候主要考慮了季節變化，指數的構建也多依賴于平時業務經驗。因此，今后將更加深入開展AOD與NDVI之間的關系研究，使RSAI的構建更加科學合理。