夜光衛(wèi)星遙感對(duì)城市夜間霾的監(jiān)測(cè)識(shí)別與研究

李偉 陳朝霞 夏志業(yè)

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展及城市化進(jìn)程加快，大氣污染物排放量增加，導(dǎo)致霾現(xiàn)象頻發(fā)。目前對(duì)日間霾的研究較多，而對(duì)夜間霾的研究與監(jiān)測(cè)等則很少，夜光衛(wèi)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(qiáng)霾為例，基于VIIRS DNB夜光衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)建了夜光霾指數(shù)模型，對(duì)霾變化過程及相關(guān)特征進(jìn)行了分析。并與地基實(shí)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了算法精度，相關(guān)性R2達(dá)到了0.9769。研究結(jié)果表明，建立的夜光霾指數(shù)能較好表征夜間霾顆粒物特征及霾動(dòng)態(tài)變化，為夜間霾污染治理及研究提供了科學(xué)支撐。

關(guān)鍵詞：霾識(shí)別;夜光衛(wèi)星;霾指數(shù);PM2.5質(zhì)量濃度

中圖分類號(hào)：TP18? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）26-0091-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展及城市化進(jìn)程加快，大氣污染物排放量增加，導(dǎo)致霾現(xiàn)象頻發(fā)，越來越受到人們關(guān)注。細(xì)粒子PM2.5是霾的主要顆粒污染物，對(duì)人類健康有嚴(yán)重負(fù)面影響，可誘發(fā)呼吸道疾病、肺癌及心血管疾病等。在當(dāng)前碳中和與氣候變化協(xié)同治理、大氣污染與臭氧協(xié)同減排治理下，加強(qiáng)對(duì)霾監(jiān)測(cè)及相關(guān)研究，非常關(guān)鍵。

霾監(jiān)測(cè)方法主要是依據(jù)地基站點(diǎn)觀測(cè)，但地面觀測(cè)站點(diǎn)稀疏、建設(shè)費(fèi)用高、人力成本較大，存在一定局限性。利用大氣化學(xué)傳輸模式可對(duì)大氣污染狀況進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，大氣化學(xué)模式中氣象場(chǎng)的模擬誤差和污染排放源清單的不健全導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果的不確定性較高。因此，衛(wèi)星觀測(cè)由于其宏觀時(shí)效等優(yōu)點(diǎn)，在大氣污染及霾監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮重要作用。王中挺等[1]使用HJ-1星進(jìn)行霾識(shí)別，也指出其輻射分辨率還不足以滿足霾監(jiān)測(cè)的要求。劉勇洪[2]基于圖像和光譜信息，利用NOAA/AVHR數(shù)據(jù)對(duì)北京地區(qū)霾識(shí)別，取得了較好效果。葛巍等[3]基于MODIS提出多通道的霾識(shí)別方法。

然而大部分監(jiān)測(cè)都是針對(duì)日間霾，而晚間由于可見光探測(cè)波段數(shù)據(jù)的缺失，使夜間霧的大范圍監(jiān)測(cè)與研究比較難。主要是基于采樣或地基設(shè)備對(duì)霾中顆粒物的理化、光學(xué)特性模擬分析，如直接或者間接構(gòu)建PM2.5、PM10與氣溶膠光學(xué)厚度的相互關(guān)系，從而模擬分析夜間霾特性，但地基的采樣監(jiān)測(cè)依然無法真實(shí)描述霾成因，這也限制了大范圍夜間霾監(jiān)測(cè)與預(yù)警預(yù)報(bào)[4]。

夜光衛(wèi)星遙感，主要是DMSP-OLS 和NPP-VIIRS的衛(wèi)星傳感器的出現(xiàn)，為夜間大氣污染監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)成功的反演了北京市霧霾的變化。Xie[6]和Chen[7]等對(duì)DMSP-OLS和NPP-VIIRS兩套主要夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示了NPP-VIIRS數(shù)據(jù)在人類活動(dòng)影響方面的巨大潛力。目前夜光衛(wèi)星在城市動(dòng)態(tài)變化、城市化進(jìn)程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量指標(biāo)等方面有較多研究與應(yīng)用[8]，深刻描述了夜光遙感對(duì)人類活動(dòng)特征的描述。但基于夜光資料對(duì)大氣污染及霾的研究則很少。