夜光衛星遙感對城市夜間霾的監測識別與研究

李偉 陳朝霞 夏志業

摘要：隨著我國經濟社會快速發展及城市化進程加快，大氣污染物排放量增加，導致霾現象頻發。目前對日間霾的研究較多，而對夜間霾的研究與監測等則很少，夜光衛星遙感為夜間霾的大范圍高分辨率研究提供了新的方法。本文以北京2016年12月21日的一次夜間強霾為例，基于VIIRS DNB夜光衛星數據，構建了夜光霾指數模型，對霾變化過程及相關特征進行了分析。并與地基實測PM2.5質量濃度進行了對比分析，驗證了算法精度，相關性R2達到了0.9769。研究結果表明，建立的夜光霾指數能較好表征夜間霾顆粒物特征及霾動態變化，為夜間霾污染治理及研究提供了科學支撐。

關鍵詞：霾識別;夜光衛星;霾指數;PM2.5質量濃度

中圖分類號：TP18? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）26-0091-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Identification of Urban Haze at Night Based on Nighttime Remote Sensing

LI Wei1，CHEN Zhao-xia1，XIA Zhi-ye2*

（1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute， Guangzhou 510060， China; 2.College of Resources and Environment， Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China）

Abstract：With the rapid development of China's economy and society and the acceleration of urbanization， the emission of air pollutants increase， resulting in haze frequently. At present， there are many researches on daytime haze， but few researches and monitoring on nighttime haze. Nighttime satellite remote sensing provides a new method for large-scale and high-resolution research on nighttime haze. Based on the data of VIIRS DNB nighttime satellite data， haze index model CNLI for nighttime is constructed to analyze the haze variation process and related characteristics. Compared with the measured PM2.5 mass concentration， the accuracy of the algorithm is verified， and the correlation R2 is 0.9769. The results show that the nighttime remote sensing haze index can better depict the characteristics of haze particles and the dynamic changes of haze， which provides scientific support for the treatment and research of nighttime haze pollution.

Key words：haze identification; nighttime remote sensing; CNLI; PM2.5 mass concentration

1 引言

隨著我國經濟社會快速發展及城市化進程加快，大氣污染物排放量增加，導致霾現象頻發，越來越受到人們關注。細粒子PM2.5是霾的主要顆粒污染物，對人類健康有嚴重負面影響，可誘發呼吸道疾病、肺癌及心血管疾病等。在當前碳中和與氣候變化協同治理、大氣污染與臭氧協同減排治理下，加強對霾監測及相關研究，非常關鍵。

霾監測方法主要是依據地基站點觀測，但地面觀測站點稀疏、建設費用高、人力成本較大，存在一定局限性。利用大氣化學傳輸模式可對大氣污染狀況進行預報預警，大氣化學模式中氣象場的模擬誤差和污染排放源清單的不健全導致預報結果的不確定性較高。因此，衛星觀測由于其宏觀時效等優點，在大氣污染及霾監測方面發揮重要作用。王中挺等[1]使用HJ-1星進行霾識別，也指出其輻射分辨率還不足以滿足霾監測的要求。劉勇洪[2]基于圖像和光譜信息，利用NOAA/AVHR數據對北京地區霾識別，取得了較好效果。葛巍等[3]基于MODIS提出多通道的霾識別方法。

然而大部分監測都是針對日間霾，而晚間由于可見光探測波段數據的缺失，使夜間霧的大范圍監測與研究比較難。主要是基于采樣或地基設備對霾中顆粒物的理化、光學特性模擬分析，如直接或者間接構建PM2.5、PM10與氣溶膠光學厚度的相互關系，從而模擬分析夜間霾特性，但地基的采樣監測依然無法真實描述霾成因，這也限制了大范圍夜間霾監測與預警預報[4]。

夜光衛星遙感，主要是DMSP-OLS 和NPP-VIIRS的衛星傳感器的出現，為夜間大氣污染監測及霾研究提供了新的可能。李偉等[5]使用VIIRS與北京市的地面監測站數據成功的反演了北京市霧霾的變化。Xie[6]和Chen[7]等對DMSP-OLS和NPP-VIIRS兩套主要夜光數據進行了對比分析，揭示了NPP-VIIRS數據在人類活動影響方面的巨大潛力。目前夜光衛星在城市動態變化、城市化進程、社會經濟參量指標等方面有較多研究與應用[8]，深刻描述了夜光遙感對人類活動特征的描述。但基于夜光資料對大氣污染及霾的研究則很少。