濟南市氣溶膠光學(xué)厚度變化與城市發(fā)展水平研究

宋春城，懷保娟，張澤鈺，劉曉倩，周 君，朱燕文

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250358)

1 引言

大氣氣溶膠通常被定義為懸浮在地球大氣中具有一定穩(wěn)定性，沉降速度小，粒徑范圍在10-3～10-2μm之間的分子團、固態(tài)或液態(tài)微粒所組成的分散體系[1]。其對地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡有著直接或間接的影響，從而影響生態(tài)環(huán)境和氣候，是氣候變化中最不確定的因素[2,3]。隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的發(fā)展，為獲取大范圍內(nèi)的氣溶膠數(shù)據(jù)提供了便利，且自2000年以來利用MODIS數(shù)據(jù)進行大氣氣溶膠光學(xué)厚度的反演，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染監(jiān)測中[4,5]。

目前在濟南市氣溶膠時空分布的領(lǐng)域已取得了一些研究成果。史同廣等[6]應(yīng)用暗像元法對MODIS數(shù)據(jù)進行反演，得到了濟南市2005年11月底至12月初的氣溶膠光學(xué)厚度的時空分布；張佃國等[7]分析了濟南市區(qū)及周邊地區(qū)的氣溶膠空間分布特征，發(fā)現(xiàn)逆溫層的存在和相對濕度峰值對氣溶膠分布影響很大；陳飛龍等[8]利用MODIS數(shù)據(jù)反演濟南市氣溶膠光學(xué)厚度并與濟南市5個站點的PM2.5濃度值進行特征及相關(guān)性分析。National Aeronautics and Space Administration(NASA)2014年發(fā)布的MODISC006版本氣溶膠產(chǎn)品引入了3 km高空間分辨率的AOD產(chǎn)品[9]；孫曉雷等[10]在基于該氣溶膠產(chǎn)品下，對于在新疆阿克蘇區(qū)域的精度和穩(wěn)定性進行了評價分析，最終表明該產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、長時間尺度結(jié)果有更好的空間覆蓋，能夠滿足區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量評估的需要。但在區(qū)域氣溶膠時空特征中的應(yīng)用上對該氣溶膠產(chǎn)品研究較少。

關(guān)于城市發(fā)展與氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)的相關(guān)研究，多集中于選用社會經(jīng)濟指標(biāo)來表征城市的發(fā)展水平。王浩洋與吳艷蘭[11]以人口分布數(shù)據(jù)和工業(yè)總產(chǎn)值數(shù)以及MODISAOD月均值數(shù)據(jù)為依托，對安徽及周邊地區(qū)的人類活動及經(jīng)濟發(fā)展對氣溶膠的影響進行了研究。董自鵬等[12]利用生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)和MODISAOD數(shù)據(jù)分析了人類活動對陜西省的AOD時空分布的影響作用。

夏安全[13]曾利用MOD04氣溶膠產(chǎn)品對濟南市的氣溶膠進行反演研究分析，可知MODIS C006 3km數(shù)據(jù)可在濟南市具有適用性。因此，本文使用MODIS C006 3km數(shù)據(jù)，對2009～2013年進行氣溶膠厚度反演，研究從城市的發(fā)展及濟南市GDP變化與濟南市AOD在時間和空間上的變化。

2 研究區(qū)概況

濟南處在魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢南高北低[14]。該地區(qū)位于山東中西部，是山東半島城市群的核心城市，南依泰山，北跨黃河，背山面水，與西南部的聊城、北部的德州和濱州、東部的淄博、南部的泰安交界。濟南包括歷下區(qū)、市中區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)、濟陽區(qū)、章丘區(qū)、歷城區(qū)和長清區(qū)在內(nèi)的8個城區(qū)以及平陰縣和商河縣在內(nèi)的2個縣市，如圖1所示。其地處中緯度地帶，因受太陽輻射、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響，屬于溫帶季風(fēng)氣候[13]。該地區(qū)的特點是季風(fēng)氣候明顯、四季比較分明、春季干旱少雨、夏季溫?zé)岫嘤辍⑶锛緵鏊稍?、冬季寒冷少雪?/p>

圖1 濟南市行政區(qū)劃

3 研究數(shù)據(jù)

3.1 氣溶膠數(shù)據(jù)

MODIS C006 3km是由Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS傳感器反演出的氣溶膠數(shù)據(jù)，C006版本是深藍算法(Deep Blue，DB)和暗像元算法(Dark Target，DT)的合成產(chǎn)品。其中，MODIS Terra Aerosol 5-min L2 Swath 3km(MOD04_3K)是NASA發(fā)布的Level 2級氣溶膠產(chǎn)品，空間分辨率為3km，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定且能反映更多的細(xì)節(jié)，其明顯優(yōu)于10 km×10 km的MODIS氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)[15，16]。

3.2 土地利用類型數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品是地理國情監(jiān)測云平臺推出的土地資源類系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品之一，它基于Landsat TM遙感影像，利用遙感信息提取方法，同時與野外實測結(jié)合，并且參照現(xiàn)有的土地利用/土地覆蓋分類體系，經(jīng)過圖像處理獲得的數(shù)據(jù)，全國土地利用類型分為6個一級類，25個二級分類以及部分三級分類的土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品[17]。本產(chǎn)品的基本時間序列包括：1980、1990、1995、2000、2005、2008、2010、2013、2015和2017年[18]，本文采用2010～2015年作為研究城市發(fā)展水平的時間閾值。

4 AOD與城市發(fā)展水平水平時空分布關(guān)系

4.1 濟南市AOD變化與城鎮(zhèn)建設(shè)關(guān)系

本文采用土地利用類型數(shù)據(jù)來分析濟南市2010～2015年土地利用類型變化。根據(jù)表1可以看出，在濟南市城市發(fā)展建設(shè)過程中，主要以占用耕地類型為主，有76.032 km2的耕地轉(zhuǎn)換成了城鎮(zhèn)用地，其次是林地和草地，但占用較少，僅為3.145 km2、1.748 km2?？傮w來看，濟南市在5年內(nèi)，城市擴展較為明顯，相對與2010年城建區(qū)面積增加了5.88%，耕地面積減少了60.98 km2。

表1 濟南市2010～2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

為了研究濟南市2009～2013年的氣溶膠隨時間的時空變化，本文采用線性傾向估計法對濟南市AOD時空變化趨勢進行分析，x軸表示年份，y軸表示AOD，建立一元線性回歸方程y=a+bx，其中b為傾向率，當(dāng)b>0時，表明AOD近幾年有所增長，當(dāng)b<0時，表明AOD近幾年有所下降。由于2013年AOD年均值值較低，去掉2013年誤差，以2009年到2012年為研究對象，運用ENVI、ERDAS進行波段運算。根據(jù)公式(1)對每個像元用最小二乘法求得回歸直線方程的系數(shù)。

(1)

其中，b為斜率；n為研究年數(shù)，Xi表示研究時段的第幾年，Yi表示第i年AOD的平均值。

圖2中分別顯示了氣溶膠在2009～2012年的回歸系數(shù)的空間分布以及濟南市在2009年的城鎮(zhèn)用地與工業(yè)用地和2015年新增加的城鎮(zhèn)用地與工業(yè)用地分布。濟南市全境絕大部分地區(qū)b>0，其中濟南市西部地區(qū)、北部地區(qū)及南部地區(qū)氣溶膠增長較快，濟南市東南部氣溶膠年增長較慢。具體來看，濟南市主城區(qū)以東西發(fā)展為主發(fā)展較快，其他區(qū)市均以市中心向外擴展為主。工業(yè)區(qū)主要分布在各區(qū)市中心周圍，其中，歷城區(qū)、主城區(qū)、長清區(qū)工業(yè)分布較多。新城區(qū)的氣溶膠年增長較舊城區(qū)年氣溶膠增長明顯，工業(yè)區(qū)氣溶膠年增長速度較快。濟南市東南部為山地，植被茂盛，氣溶膠年增長較小。

圖2 濟南市2009～2012年氣溶膠回歸系數(shù)及

4.2 濟南市AOD與GDP相關(guān)關(guān)系

圖3表示濟南市各區(qū)市2009～2013年GDP總值，其中歷下區(qū)、章丘區(qū)、市中區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)經(jīng)濟增長較快，其他地區(qū)經(jīng)濟略有浮動呈緩慢遞增趨勢。圖4表示濟南市各區(qū)市2009～2013年AOD年均值，在2009～2012年各區(qū)市AOD值均有不同程度增長，2013年濟南市全境AOD年均值下降明顯。總體來看，濟南市各區(qū)市的AOD年均值與GDP增長趨勢相似，隨著經(jīng)濟增長氣溶膠厚度有所增加。在經(jīng)濟較為落后地區(qū)，氣溶膠年均值較大。

圖4 濟南市各市區(qū)2009～2013年AOD年均值

圖3 濟南市各市區(qū)2009～2013年GDP總值

對濟南市全境在2009～2012年的GDP產(chǎn)值和AOD年平均值進行相關(guān)性分析，GDP與AOD的相關(guān)性為0.991，通過了0.01的相關(guān)性檢驗。濟南市AOD的厚度與城市發(fā)展水平顯著相關(guān)。

5 研究結(jié)論

本文利用濟南市2009～2013年MODIS C006 3 km氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)與土地利用類型數(shù)據(jù)，分析了濟南市AOD的時空分布特征和城市發(fā)展水平之間的相關(guān)關(guān)系，主要結(jié)論如下。

圖5 濟南市2009～2013年AOD與GDP趨勢

濟南市的城市建設(shè)多集中在濟南各區(qū)市的城市中心周圍，主城區(qū)在東西方向延展，城市建設(shè)速度較快。工業(yè)區(qū)主要分布在，各區(qū)市中心周圍，歷城區(qū)、主城區(qū)、長清區(qū)分布較多。濟南市大部分地區(qū)AOD隨時間變化的傾向率為正值，其中濟南市西部地區(qū)、北部地區(qū)及南部地區(qū)氣溶膠增長較快，濟南市東南部氣溶膠年增長較慢。其中，新城區(qū)、工業(yè)區(qū)分布地區(qū)，氣溶膠年增長較快。濟南市東南部為山地地區(qū)，氣溶膠年增長較小。

濟南市各區(qū)市經(jīng)濟增速不均，歷下區(qū)、章丘區(qū)、市中區(qū)經(jīng)濟增長速度較快，長清區(qū)、平陰縣、濟陽區(qū)、商河縣經(jīng)濟增速遲緩。在濟南各區(qū)市，氣溶膠年均值變化相似，在2009～2012年增加，2013年減少。氣溶膠年均值均隨經(jīng)濟增長有所增加，在經(jīng)濟較為落后地區(qū)，AOD數(shù)值較大。對濟南市整體，在2009～2012年GDP產(chǎn)值與AOD年均值相關(guān)性為0.991。濟南市AOD的厚度與城市發(fā)展水平密切相關(guān)，但也會受到城市發(fā)展水平產(chǎn)業(yè)與政府政策影響。