基于暗像元法的南寧市氣溶膠反演

吳海燕 盧 遠(yuǎn) 華 璀

(廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 南寧 530001)

基于暗像元法的南寧市氣溶膠反演

吳海燕 盧 遠(yuǎn) 華 璀

(廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 南寧 530001)

近年來空氣質(zhì)量備受人們關(guān)注，氣溶膠光學(xué)厚度作為空氣污染的指標(biāo)之一，可反映空氣質(zhì)量狀況。文章利用Terra衛(wèi)星MODIS數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，基于6S模型、暗像元法反演南寧市氣溶膠光學(xué)厚度，將衛(wèi)星反演結(jié)果與地面觀測CE-318氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明MODIS反演AOD在南寧市具有可行性?；贛ODIS的AOD反演結(jié)果表明，南寧市整體空氣質(zhì)量良好，少數(shù)區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度較高，具有由西北區(qū)域向中部及南部轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

MODIS；暗像元法；氣溶膠光學(xué)厚度

0 引言

在城市化的進(jìn)程中，人類活動(如工業(yè)活動、交通運(yùn)輸、化石燃料燃燒等)和自然源(森林大火、沙塵)向空氣排放微粒，懸浮在大氣中直徑小于100 μm的被稱為大氣氣溶膠(atmosphere aerosol)。人類健康及大氣氣候受到大氣氣溶膠粒子的影響很大，為此許多國內(nèi)外學(xué)者非常關(guān)注氣溶膠。氣溶膠以直接或間接的方式影響著地氣系統(tǒng)的收支平衡和氣候，主要體現(xiàn)在以下兩方面[1]：(1)使得更多的太陽輻射向地球外輻射，減小了太陽對地球的加熱作用；同時由于氣溶膠的散射和吸收作用改變了對大氣的輻射加熱作用。(2)氣溶膠粒子作為凝結(jié)核，通過增加微滴數(shù)量增加了云的光學(xué)厚度、壽命、云層反射率、平均云量。大氣氣溶膠的生命周期短、物理及化學(xué)特征時空可變性高，觀測資料嚴(yán)重缺乏，因此，受氣溶膠的影響，目前很難利用其作為因子來監(jiān)測氣候的變化及進(jìn)行預(yù)測。

AOD(大氣溶膠光學(xué)厚度)既被用來表示對光的衰減作用又能反映大氣渾濁度，可以直接反映大氣污染程度。衛(wèi)星遙感方法及地基遙感監(jiān)測方法是目前常用的氣溶膠光學(xué)特性研究手段[2]，衛(wèi)星監(jiān)測遙感方法重訪周期短，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)可由許多網(wǎng)站免費(fèi)提供，數(shù)據(jù)空間分辨率多樣化，人力及物力投入成本低，為此可以實(shí)時、有效地觀測天空大氣氣溶膠的變化狀況，進(jìn)而全面、連續(xù)地監(jiān)測大氣質(zhì)量情況。

廣西南寧市近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人類建設(shè)開發(fā)活動強(qiáng)度不斷增大，在東盟博覽會及北部灣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建立后表現(xiàn)尤為突出。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，環(huán)境也面臨著挑戰(zhàn)，出現(xiàn)如生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降、污染排放超標(biāo)、空氣污染嚴(yán)重等問題，尤其是空氣質(zhì)量問題備受人們關(guān)注。氣溶膠光學(xué)厚度是表征氣溶膠對太陽輻射散射和吸收消光作用的定量指標(biāo)，能在一定程度上反映區(qū)域大氣的污染程度[3]。文章利用衛(wèi)星遙感MODIS數(shù)據(jù)，反演南寧市世錦賽期間(2014年10月6日至14日)的氣溶膠光學(xué)厚度，評價(jià)研究區(qū)域的空氣污染程度，分析其時空變化特征，為環(huán)境保護(hù)部門提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源及研究原理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

美國NASA的MODIS是EOS-AM1系列衛(wèi)星的主要探測儀器和EOS平臺上唯一直接進(jìn)行廣播的對地觀測儀器，具有36個光譜通道，波譜范圍為0.4～14 μm[4]。MODIS探測儀搭載在TERRA和AQUA兩顆衛(wèi)星上，掃描寬度為2 330 km，地面分辨分別為250 m、500 m、1 000 m，實(shí)現(xiàn)每天可獲取一次全球觀測數(shù)據(jù)[5]，具有多光譜、寬覆蓋和分辨率高等特征，廣泛應(yīng)用于大氣氣溶膠監(jiān)測。 研究采用TERRA衛(wèi)星的L1B 1KM的數(shù)據(jù)，基于6S模型、暗像元法，反演南寧市的大氣氣溶膠光學(xué)厚度，分析空氣污染程度及變化特征。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演AOD原理

采用衛(wèi)星及地基遙感手段反演氣溶膠光學(xué)厚度主要基于太陽輻射能量向地表傳輸?shù)倪^程中，其入射強(qiáng)度和性質(zhì)受到大氣氣溶膠粒子的散射和吸收而發(fā)生改變，氣溶膠粒子的光學(xué)特性可以通過測算太陽入射輻射的變化程度進(jìn)行反演計(jì)算[6]。如果把衛(wèi)星遙感視場角接收來著地表目標(biāo)物的表現(xiàn)反射率標(biāo)記為ρ*，就有ρ*=πL/F0μ0，其中L表示傳輸?shù)竭_(dá)大氣層上層界線的輻射能量，F(xiàn)0表示單位時間內(nèi)傳送到達(dá)大氣層外層截面的輻射能量即大氣外界的太陽輻射通量，μ0表示太陽入射光線與天頂方向的夾角余弦值即太陽天頂角的余弦值，表現(xiàn)反射率ρ*和地面目標(biāo)物的反射率ρ兩者間的關(guān)聯(lián)可以標(biāo)記為：

ρ*(θv，θs，φ)=ρ?(θv，θs，φ)+Fd(θs)ρ(θv，θs，φ)/(1-sρ)

(1)

θv表示天頂方向與所在地與衛(wèi)星之間的夾角即衛(wèi)星遙感傳感器觀測視場天頂角即衛(wèi)星的天頂角，θs表示太陽入射光線與天頂方向的夾角即太陽天頂角，φ表示太陽入射輻射的光線與遙感傳感器觀測視場方向散射輻射之間的方位角，ρ?(θv，θs，φ)表示路徑輻射，F(xiàn)d(θs)表示假設(shè)地面目標(biāo)物的反射率為零時，單位時間內(nèi)向下傳輸?shù)竭_(dá)地表的太陽輻射能量總和即歸一化后總的向下輻射通量，T(θv)表示輻射能量向上傳輸進(jìn)入衛(wèi)星傳感器觀測視場時總的透過率，s表示太陽輻射傳輸經(jīng)過大氣層時后向的散射截面與入射光截面的比值即大氣后向散射比。在單次散射中，氣溶膠光學(xué)厚度ζ?、氣溶膠散射相函數(shù)ρ?(θv，θs，φ)、單次散射反照率ω0決定了路徑輻射，它們之間的關(guān)系為：

ρ?(θv，θs，φ)=ρm(θv，θs，φ)+ω0ζ?P?(θv，θs，φ)/(4μμ0)

(2)

ρm(θv，θs，φ)是由于分子散射造成的路徑輻射，μ0為傳感器天頂角余弦值，由于ω0、ζ?、P?最終決定著Fd、T、s，為了能夠從傳感器觀測到的輻射值反演出氣溶膠光學(xué)厚度ζ?，需要充分考察當(dāng)?shù)氐臍夂驓庀髼l件，獲得更加符合實(shí)際的情況的ω0、P?值的氣溶膠模式，將(1)與(2)結(jié)合得到：

ρ*=ρm+ω0ζ?P?/(4μμ0)+

FdTρ/(1-sρ)

(3)

由式(3)可知，當(dāng)已知3個幾何角度、地面反射率和氣溶膠模式時，如果給出不同的大氣氣溶膠光學(xué)厚度ζ?，可以計(jì)算得到不同的ρ*，如果衛(wèi)星傳感器的觀測視場所測量獲得的大氣層頂層的表現(xiàn)反射率和公式計(jì)算得到的ρ*一致時，則有實(shí)際的AOD等于用來計(jì)算ρ*的氣溶膠光學(xué)厚度[7]。

1.3 衛(wèi)星遙感反演方法

大氣氣溶膠的反演公式表明，如果地面目標(biāo)物的反射率ρ值不大時，分子散射造成的路徑輻射ρm決定衛(wèi)星觀測到的表現(xiàn)反射率即大氣貢獻(xiàn)是主要因素，計(jì)算獲得的AOD值與實(shí)際值之間基本一致，相反，假設(shè)地面目標(biāo)物的反射率所占衛(wèi)星傳感器接收觀測獲得的表現(xiàn)反射率的比重大即地表反射率較大，則計(jì)算反演的氣溶膠光學(xué)厚度與實(shí)際情況值之間差異較大[8]。

暗像元法又稱為濃密植被法DDV，Kaufman和Sendra在計(jì)算反演密集植被覆蓋區(qū)域上空的AOD值時提出并建立了該方法，其是目前用來反演氣溶膠光學(xué)厚度最常用的方法。暗像元法反演AOD值的原理是基于在綠色植被較密集的區(qū)域，衛(wèi)星傳感器觀測得到的地表反射率比較低，在可見光的藍(lán)(0.459～0.479μm)、紅(0.620～0.670μm)波段范圍內(nèi)作用尤為明顯，可將大面積森林或植被比較茂密的區(qū)域像元作為暗像元目標(biāo)[9]。Kaufman覺得在植被覆蓋茂密區(qū)域，大氣氣溶膠對中紅外波譜區(qū)域的干擾很微小甚至沒有，進(jìn)而可以認(rèn)為地面目標(biāo)物的反射率與傳感器觀測得到的表現(xiàn)反射率基本一致，紅、藍(lán)與中紅外波段的地表反射率之間的線性關(guān)聯(lián)性由Kaufman等人經(jīng)過不斷試驗(yàn)研究證明，可以標(biāo)記為：

ρR=ρ2.1/2

(4)

ρB=ρ2.1/4

(5)

從上述兩個公式中可知，中紅外波段的地表反射率與表現(xiàn)反射率基本一致，進(jìn)而利用2.1μm處的表現(xiàn)反射率計(jì)算得到紅、藍(lán)波譜的地表反射率[10]。選擇合適的氣溶膠模式結(jié)合計(jì)算得到的紅、藍(lán)波段的地表反射率，利用氣溶膠反演原理公式運(yùn)算獲得AOD值[11]。

利用MODIS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演時受天氣影響較大，為此進(jìn)行AOD反演前需要進(jìn)行云檢測處理，其原理為云層的溫度較低，在發(fā)射率數(shù)據(jù)(熱紅外波段)上主要呈現(xiàn)暗色調(diào)，而在反射率(可見光波段)上呈現(xiàn)亮色調(diào)，依據(jù)這兩者剔除云層的影響后，基于暗像元法反演AOD。

2 氣溶膠光學(xué)厚度反演

2.1 反演結(jié)果

6S模型是基于輻射傳輸理論基礎(chǔ)建立的，該模型描述在不同遙感器、地面狀況下太陽光在太陽-地面-傳感器整個傳輸路徑中所受到的大氣影響，涵蓋了大氣點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)效應(yīng)及表面方向反射率的模擬，其應(yīng)用范圍廣，不受研究區(qū)域特點(diǎn)及目標(biāo)類型等的約束。為此研究基于6S模型，確定大氣所需參數(shù)，太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角都設(shè)置為0、12、24、36、48、60，相對方位角為0、24、48、72、96、120、144、168、180，氣溶膠模式為大陸型，生成查找表，具體反演過程見圖1。

圖1 大氣氣溶膠反演步驟

利用南寧市2014年10月6日、10日、14日MODIS數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果見圖2。

2.2 衛(wèi)星反演結(jié)果精度驗(yàn)證

利用CE-318太陽光度計(jì)獲取對應(yīng)日期的地基遙感觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。研究所采用的太陽光度計(jì)數(shù)據(jù)具有9個濾光片，分別為340、380、440、500、670、870、936、1 020、1 640nm，儀器擺架在東經(jīng)108.312 5°，北緯22.833 33°。氣溶膠光學(xué)厚度與波長之間的關(guān)系可表征氣溶膠粒子模式及粒子的物理和化學(xué)特性。Angstrom認(rèn)為可以忽略水汽導(dǎo)致的吸收，且臭氧的影響作用也較小，因此氣溶膠光學(xué)厚度可以用波長指數(shù)α和大氣渾濁度參數(shù)β的函數(shù)表示[12],利用可見光的波長表示為:

ζ?(λ)=βλ-α

(7)

式中ζ?(λ)為不同波長的氣溶膠光學(xué)厚度，α為波長指數(shù)，β為大氣渾濁度。太陽光度計(jì)采用多個波譜通道測量得到的氣溶膠光學(xué)厚度，進(jìn)行AOD值擬合，依據(jù)上式計(jì)算得到系數(shù)α和β。太陽光度計(jì)CE-318中沒有與MODIS相對應(yīng)的550nm波長，為此利用公式(7)進(jìn)行插值運(yùn)算，得到550nm的氣溶膠光學(xué)厚度。太陽光度計(jì)的AOD取Terra衛(wèi)星過境前后0.5h(10:00～11:00)的9個值，衛(wèi)星遙感反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度取與CE-318地面觀測點(diǎn)對應(yīng)的3×3像元窗口的AOD值進(jìn)行回歸分析，建立方程及圖3。

a.10月6日

b.10月10日

c.10月14日圖2 南寧市2014年10月6日、10日、14日氣溶膠光學(xué)厚度

從圖3可以看出6日至14日期間，MODIS反演氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果與CE-318太陽光度計(jì)計(jì)算得到的AOD的相關(guān)性較強(qiáng)，且相關(guān)性指標(biāo)R值均在0.5以上，這表明衛(wèi)星遙感反演氣溶膠光學(xué)厚度與CE-318反演AOD結(jié)果基本一致。Levy等[13]認(rèn)為MODIS與AERONET的回歸方程在550nm處近似于：ζMODIS=0.9ζAERONET+0.1，一些學(xué)者們(Ichokuetal,Chuetal,Remeretal,Levyetal)認(rèn)為氣溶膠較大時，MODIS反演結(jié)果往往會低估AOD，反之當(dāng)氣溶膠較小時，MODIS反演結(jié)果高估了AOD[14-17]。

a.10月6日

b.10月10日

c.10月14日圖3 MODIS與CE-318氣溶膠光學(xué)厚度線性回歸分析

南寧市氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果與學(xué)者們的觀點(diǎn)基本一致，6日、10日氣溶膠光學(xué)厚度較小時，MODIS反演結(jié)果高于地面觀測數(shù)據(jù)所得到的AOD,而14日時氣溶膠較大，MODIS反演結(jié)果低于CE-318計(jì)算的AOD，且6日至14日期間AOD(MODIS)與AOD(CE-318)的線性回歸方程基本符合Levy的觀點(diǎn)。綜上所述，利用衛(wèi)星遙感手段反演氣溶膠光學(xué)厚度在南寧市范圍內(nèi)是可行的，反演精度符合要求，反演結(jié)果具有較高的可信度。

2.3 氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果分析

利用地面觀測手段驗(yàn)證衛(wèi)星遙感手段反演的氣溶膠光學(xué)厚度精度，結(jié)果表明MODIS數(shù)據(jù)反演AOD在南寧市符合要求，反演結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)，為此可以利用衛(wèi)星反演AOD結(jié)果來分析南寧市的氣溶膠光學(xué)厚度變化過程及趨勢。從南寧市MODIS氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果可以看出：

(1) 南寧市大部分區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度值低于0.55，少數(shù)區(qū)域的值較高，這表明南寧市整體的空氣質(zhì)量良好。6日、10日的氣溶膠光學(xué)厚度在0.55以上的只集中少數(shù)區(qū)域，但14日區(qū)域范圍擴(kuò)大，空氣質(zhì)量有所下降，氣溶膠光學(xué)厚度增加。

(2) 6日至14日期間，氣溶膠光學(xué)厚度較高的區(qū)域均集中在某部分地區(qū)，且由西北區(qū)域向中部和南部轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，這可能與南寧市的氣象條件相關(guān)。氣溶膠粒子多集中于大氣的底層，云的凝結(jié)核、雨滴、冰晶等的形成受其影響，具有分布不均勻、變化尺度小和復(fù)雜性的特點(diǎn)。南寧市秋季受風(fēng)向、風(fēng)速的影響，氣溶膠粒子在東、南部地區(qū)不穩(wěn)定，因此該區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度比西部地區(qū)相對較低。當(dāng)區(qū)域的風(fēng)向或風(fēng)速改變時，會出現(xiàn)AOD向某些地區(qū)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

(3) 氣溶膠的來源呈現(xiàn)多樣性，可來自細(xì)灰、微塵、鹽粒及森林燃燒的煙塵等天然源，也可來自化石和非化石的燃燒、交通運(yùn)輸及工業(yè)排放的煙塵等人為源。從反演結(jié)果可以看出，6日至14日期間，南寧市AOD高值區(qū)域主要集中在西鄉(xiāng)塘區(qū)、江南區(qū)、良慶區(qū)，表明氣溶膠與人類的經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動及人口分布密切相關(guān)。西鄉(xiāng)塘區(qū)人口較多，人類活動比較頻繁，所產(chǎn)生的排放物也相對較多，同時江南區(qū)、良慶區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)活動活躍，工業(yè)生產(chǎn)會向空氣排放的污染物比其他地區(qū)相對較多，為此這些區(qū)域的AOD值比其他區(qū)域的高。

(4) 南寧市總體空氣污染程度不高，首要污染物主要為PM2.5、PM10。在國慶前期，南寧市空氣質(zhì)量保持為良，10月6日后開始發(fā)生變化，可能受到京津地區(qū)大范圍的霧霾天氣影響，北方冷空氣南下，大氣污染團(tuán)向南及西南遷移，使得南寧市的污染天氣加劇。

3 結(jié)語

為及時有效地掌握了解、減輕南寧市城市污染狀況，應(yīng)從以下幾個方面努力：(1)各個科研部門應(yīng)該在政府的領(lǐng)導(dǎo)組織下，借鑒有關(guān)首要污染物之一PM2.5的研究模式及成果，加強(qiáng)分析PM2.5的源解析、形成機(jī)理及傳輸模擬等，同時還要加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建立，使得PM2.5的自動監(jiān)測更加完善，進(jìn)而可以預(yù)報(bào)霧霾指數(shù)。(2)抓住主要矛盾，減少污染排放。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣環(huán)境污染也日益嚴(yán)重，國內(nèi)外研究成果表明，現(xiàn)階段的大氣污染已不是以燃煤型為主的污染，而是復(fù)合型污染，這大大地增加大氣污染研究的難度。為此，要加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，使用清潔能源，減少污染排放；同時應(yīng)實(shí)施清潔生產(chǎn)，加大力度控制重點(diǎn)行業(yè)的污染物排放強(qiáng)度，同時要極力宣傳節(jié)能環(huán)保意識。另一方面，對于高耗能、高污染行業(yè)要執(zhí)行嚴(yán)格控制手段。(3)由于大氣氣溶膠受氣象因素影響較大，為此要加強(qiáng)城市周邊農(nóng)村的秸稈焚燒治理，同時需要每個人都付出努力，共同創(chuàng)造更美好的環(huán)境而努力。

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Aerosol optical thickness in Nanning City determined by inversion calculation based on Dark Target method

Wu Haiyan, Lu Yuan, Hua Cui

(College of Geographical Science and Planning, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

the issue of air quality has attracted much attention in recent years. As one of indicators of air pollution, aerosol optical thickness can reflect air quality. The research used MODIS data as source, and applied 6S model and dark target method to carry out inversion calculation of aerosol optical thickness of Nanning city. In order to verify the accuracy, we compared the result with that from the ground observation by CE-318 and found that MODIS inversion of aerosol optical thickness is a reliable method for Nanning city. The overall air quality in terms of aerosol optical thickness in Nanning is fine except that in few regions the aerosol optical thickness is higher and aerosol migrates from north-west to central and southern areas.

MODIS; Dark Target method; aerosol optical thickness

2015-03-31； 2015-04-27修回

吳海燕，女，1990年生，碩士研究生，研究方向：大氣污染及其防治。E-mail：1258959714@qq.com

盧遠(yuǎn)，男，1971年生，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、土地利用及生態(tài)安全。

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