近地面PM2.5濃度衛(wèi)星反演研究進展

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

1 AOD簡介

AOD是表征大氣渾濁度的重要物理量，是指沿輻射路徑傳輸，單位面積上所有吸收和散射(主要是散射)氣溶膠產(chǎn)生的總削弱，是無量綱量，AOD描述垂直層大氣的光學特性，是大氣輻射和大氣光學中相當重要的物理量。它反映垂直層大氣中顆粒物對太陽輻射的削弱程度和顆粒物的富集程度，對空氣污染程度有很大的指示作用。Chu等[1]、Slater 等[2]利用地基觀測AOD與近地面PM10和PM2.5濃度進行相關(guān)性分析，證明了由AOD估算近地面顆粒物濃度的可行性，由此開啟了衛(wèi)星反演近地面PM2.5的研究之路。

2 AOD數(shù)據(jù)來源

美國宇航局(NASA)在全球建立了100多個氣溶膠觀測站(AERsol Robotic NETwork，AERONET)，其使用地面太陽光度計對AOD進行連續(xù)觀測，精度高，但站點稀疏，空間覆蓋性差，衛(wèi)星遙感AOD數(shù)據(jù)可以彌補此缺陷。目前衛(wèi)星遙感AOD產(chǎn)品主要來源于中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)、多角度成像光譜儀(Multi-angle Imaging Spectroradiometer，MISR)、地球反射偏振測量儀(Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances，POLDER)、歐空局ENVISAT衛(wèi)星的中等分辨率成像光譜儀(The Medium Resolution Imaging Spectrometer，MERIS)、NOAA氣象衛(wèi)星上的AVHRR以及環(huán)境衛(wèi)星HJ-1上的CCD相機等。MODIS氣溶膠數(shù)據(jù)實現(xiàn)了覆蓋全球的產(chǎn)品化生產(chǎn)，在研究中應(yīng)用最多。POLDER主要關(guān)注地球的大氣、陸表和海洋的植被和環(huán)境的變化，對于研究空氣中懸浮顆粒的物理或光學性質(zhì)有重要意義。MISR可以提供全球圖像、地表反照率、氣溶膠和植物特征等產(chǎn)品。在反演近地面PM2.5濃度中應(yīng)用最多的是MODIS和MISR數(shù)據(jù)。

表1 AOD遙感數(shù)據(jù)一覽表

3 AOD反演算法

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演AOD的關(guān)鍵科學問題是氣溶膠的模式和地表反射噪聲的去除問題。由于氣溶膠模式一般是根據(jù)氣溶膠的組成成分在反演之前進行模式預估，而地表反射噪聲剔除的科學問題由于地表類型的差異、衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)的空間分辨率差異，以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)探測波段的信息特點差異，而出現(xiàn)不同的特點[3]。為應(yīng)對地氣解耦問題，針對不同的衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點相應(yīng)提出了不同的反演算法：比較典型的有MODIS數(shù)據(jù)的暗像元算法[4]和結(jié)構(gòu)函數(shù)算法[5]，基于MISR數(shù)據(jù)的多角度算法[6]，基于POLDER數(shù)據(jù)的偏振算法[7]等。應(yīng)用較廣泛的MODIS暗像元算法較適用于濃密植被地區(qū)，在城市、沙漠等亮目標地區(qū)有一定局限性。AOD反演算法的精度對反演近地面PM2.5濃度至關(guān)重要。

表2 AOD反演算法

4 PM2.5近地面濃度反演方法

國內(nèi)外學者在AOD反演近地面顆粒物濃度領(lǐng)域做了大量的研究，主要有三種方法：基于傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法、基于變量的物理關(guān)聯(lián)以及基于環(huán)境因子的耦合建立模型。數(shù)學統(tǒng)計方法可以將任意兩個變量建立相關(guān)模型，未考慮變量間的機理聯(lián)系，具有很大缺陷；物理訂正方法充分挖掘變量間的物理聯(lián)系，相關(guān)性得到提高；耦合模型方法充分考慮了多種環(huán)境因子，是未來反演的主要方向。三種反演方法對比見表3。

表3 三種反演方法對比分析

4.1 數(shù)學統(tǒng)計方法

最初的研究主要是基于數(shù)學統(tǒng)計的方法，將衛(wèi)星遙感AOD直接與近地面顆粒物濃度進行相關(guān)分析，取得了較好效果，證明了用AOD來表征近地面PM2.5濃度的可行性。研究成果有Wang等[8]、Koelemeijer等[9]、Guo等[10]。數(shù)學統(tǒng)計方法對兩個變量內(nèi)在機理關(guān)聯(lián)缺乏研究，這種缺點使得對AOD和近地面PM2.5的物理機理有了探究，由此產(chǎn)生了物理訂正方法。

4.2 物理訂正方法

衛(wèi)星遙感獲取的AOD代表氣溶膠在垂直方向上消光系數(shù)的積分，與氣溶膠的垂直分布和氣溶膠總濃度有關(guān)，PM2.5濃度僅為近地面測量值，兩個變量本身與大氣廓線、氣溶膠的粒徑分布和化學組成、周圍環(huán)境有很強相關(guān)性，而這些因素在時空尺度變化大，增加了相關(guān)模型的不確定性。于AOD主要受大氣濕度、PM2.5濃度及其垂直分布特征的影響，經(jīng)過濕度與垂直訂正后的AOD與PM2.5濃度間的相關(guān)性得到很大提高，物理訂正方法是現(xiàn)階段衛(wèi)星反演PM2.5濃度的研究熱點。

目前衛(wèi)星反演近地面PM2.5的研究主要基于垂直訂正和濕度訂正兩個方面展開。垂直訂正的主要技術(shù)：(1)基于機載、地基激光雷達測量的氣溶膠垂直分布特征對AOD數(shù)據(jù)進行垂直訂正，顯著提高了AOD與近地面PM2.5濃度的相關(guān)性，主要成果有Engel-Cox等[11]和Hutchison等[12]；(2)基于大氣模型模擬的混合層高度進行垂直訂正；(3)基于大氣模型模擬PM2.5垂直分層結(jié)構(gòu)進行垂直訂正，如大氣化學傳輸模型GEOS-Chem模型被廣泛用于垂直訂正，此方法充分考慮了PM2.5在垂直層上分布不均勻的特性。Donkelaar等[13]利用GEOS-Chem模擬了PM2.5與AOD之間的轉(zhuǎn)換因子，建立了近地面PM2.5濃度和AOD的線性擬合模型(R2=0.59)，反演了2001-2006年全球近地面PM2.5平均濃度，研究成果引起了強烈反響。濕度訂正的主要技術(shù)：(1)基于氣象站點實測的濕度數(shù)據(jù)對AOD進行濕度訂正；(2)基于大氣模式模擬的相對濕度數(shù)據(jù)進行濕度訂正。訂正方法的技術(shù)優(yōu)缺點見表4。

表4 訂正方法優(yōu)缺點

基于垂直和濕度同時訂正的AOD和近地面PM2.5濃度相關(guān)性進一步提高?，F(xiàn)有技術(shù)主要有：(1)基于氣象站點實測的大氣相對濕度數(shù)據(jù)和激光雷達探測的混合層高度對AOD進行垂直-濕度訂正，此種技術(shù)的缺陷是有限的地面監(jiān)測站點導致數(shù)據(jù)樣本少，利用混合層高度數(shù)據(jù)進行垂直訂正未考慮顆粒物的垂直分層特征，研究成果主要有Wang等[14]。(2)基于大氣模式模擬的混合層高度和大氣相對濕度數(shù)據(jù)對AOD進行垂直-濕度訂正，垂直訂正方法雖然消除了“以點代面”的地基缺陷，但是仍然未考慮顆粒物的垂直分層特征，研究成果主要有Tao等[15]。(3)基于大氣模型模擬的PM2.5垂直分層結(jié)構(gòu)和相對濕度數(shù)據(jù)進行垂直-濕度訂正，此方法綜合垂直訂正和濕度訂正的優(yōu)點，屬于多學科交叉研究內(nèi)容，是重要的研究方向。

4.3 耦合模型方法

雖然利用氣溶膠垂直分布特征進行垂直訂正和大氣相對濕度數(shù)據(jù)進行濕度訂正可以提高AOD和近地面PM2.5濃度間的相關(guān)性，但是由于近地面顆粒物濃度與局地環(huán)境氣候條件、地表類型、季節(jié)、污染狀況有關(guān)，基于經(jīng)驗、半經(jīng)驗模型以及加入氣象資料和邊界層高度等輔助信息建立耦合模型方面開展了大量研究，主要研究成果有 Gupta、Pelletier等、Liu 等、Tian等、賈松林等，這些成果在一定程度上提高了AOD和近地面PM2.5濃度間的相關(guān)性，但是模型參數(shù)較多，較為復雜。AOD與PM2.5主要關(guān)系模型研究見表5。

表5 AOD與PM2.5關(guān)系模型的研究

5 討論與展望

數(shù)學統(tǒng)計方法較為簡單卻無法反映變量間的物理關(guān)系，雖然物理訂正方法比數(shù)學統(tǒng)計方法有了很大改進，但是仍存在問題。濕度訂正方面，利用地面氣象站點實測的濕度數(shù)據(jù)訂正AOD，在區(qū)域尺度上存在較大不確定性；垂直訂正方面，利用地基儀器測定的氣溶膠標高或氣象模型模擬的混合層高度訂正AOD，均未考慮氣溶膠在垂直層分布的不均勻性特征。利用空氣質(zhì)量模型模擬的PM2.5垂直分布特征進行垂直訂正和氣象模型模擬的濕度數(shù)據(jù)進行濕度訂正是目前較為先進的方法，但現(xiàn)有研究僅作垂直或濕度訂正。耦合模型方法考慮較全面，但是需要大量的氣象數(shù)據(jù)支持。

為了提高衛(wèi)星遙感AOD與近地面PM2.5濃度間反演模型的相關(guān)性，應(yīng)進一步改進反演方法和積累PM2.5地面監(jiān)測數(shù)據(jù)。隨著衛(wèi)星AOD算法精度、PM2.5反演方法的逐步提高，衛(wèi)星反演PM2.5濃度將更有廣泛的應(yīng)用。

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