北京地區(qū)多氣溶膠遙感參量與PM2.5相關(guān)性研究

王家成,朱成杰,朱 勇,陳曙光 (.阜陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,安徽 阜陽 236037；2.中國科學(xué)院通用光學(xué)輻射定標(biāo)與表征重點實驗室,安徽 合肥 23003；3.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,光學(xué)遙感中心,安徽 合肥 23003)

PM2.5是指空氣動力直徑小于 2.5μm 的氣溶膠粒子,是導(dǎo)致大氣污染,危害人體健康的主要原因.它能夠深入人體肺部并滲入到血液中,從而導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)疾病,嚴(yán)重的會造成缺血性心臟病和肺癌等[1-3].國內(nèi)外研究均表明,在所有死亡病因中與 PM2.5相關(guān)的病例高達(dá) 11%[4-9].另外,Pope等人的間接計算也表明,PM2.5濃度每升高10μg/m3期望壽命就會減少1a左右[8].

PM2.5的實時監(jiān)測具有重要意義.然而,目前的監(jiān)測主要采用地基定點測量的方法,監(jiān)測范圍十分有限,如在美國有 1,500多個監(jiān)測點,但仍與研究和應(yīng)用需求相差甚遠(yuǎn);在我國,PM2.5的定點監(jiān)測剛剛起步,監(jiān)測點主要集中在大、中城市,留下了大量的監(jiān)測盲區(qū),使監(jiān)測數(shù)據(jù)不具有廣泛的代表性.衛(wèi)星遙感監(jiān)測能夠彌補(bǔ)這一不足[10].目前衛(wèi)星遙感能夠提供多種氣溶膠性質(zhì)參量[11](如AOD、體積濃度和質(zhì)量濃度等),他們與PM2.5都有一定的相關(guān)性.但現(xiàn)有的研究主要集中于研究 AOD與 PM2.5的相關(guān)性上[12-18].同時,由于AOD與氣溶膠成分、粒子尺度、含量和形狀等多種因素有關(guān),不僅僅反映粒子的質(zhì)量濃度,并且衛(wèi)星遙感獲取的是整層大氣柱內(nèi)氣溶膠大粒子和小粒子的綜合信息,而 PM2.5含量則是指近地表直徑小于2.5μm的干氣溶膠粒子質(zhì)量濃度(μg/m3),因此需要對氣溶膠的垂直分布、相對濕度和粒子尺度等多種因素進(jìn)行校正.目前的研究主要是對氣溶膠的垂直分布和相對濕度進(jìn)行簡單的經(jīng)驗校正,對粒子尺度的校正很少,且也是經(jīng)驗性的[19-25].本文重點研究了多種氣溶膠性質(zhì)參量與 PM2.5的相關(guān)性,提出了具有明確物理意義的粒子尺度校正方法,并研究了尺度校正前后多氣溶膠參量與 PM2.5的相關(guān)性.這些方面的研究對推動 PM2.5遙感監(jiān)測的實現(xiàn)有一定的參考價值.

1 數(shù)據(jù)及其校正

1.1 數(shù)據(jù)概述

本研究以北京地區(qū)為對象,采用的數(shù)據(jù)獲取時段為2012年3～9月,PM2.5數(shù)據(jù)來源于北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心的在線數(shù)據(jù)(http://www.bjmemc.com.cn/),地基遙感數(shù)據(jù)為AERONET(AErosol RObotic NETwork)氣溶膠產(chǎn)品(http://aeronet.gsfc.nasa.gov/),衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采用 了 MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)氣溶膠產(chǎn)品(http://www.icare.univ-lille1.fr/drupal/archive).

對 PM2.5最基本的監(jiān)測是測量其質(zhì)量濃度,即單位體積內(nèi)PM2.5的質(zhì)量(μg/m3).北京市PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)首次公布時間是2012年1月21日,監(jiān)測站位于西城區(qū)車公莊,測量方法是微振天平法,即在特殊的熱膨脹系數(shù)很小的石英錐形管的上端加裝濾膜,由錐形管、濾膜和沉積其上的氣溶膠粒子形成一個振蕩系統(tǒng),當(dāng)氣樣通過濾膜時,氣溶膠粒子被截留,濾膜質(zhì)量變化,導(dǎo)致錐形管的振蕩頻率產(chǎn)生變化,通過測量錐形管的頻率變化,并結(jié)合氣樣流量來計算顆粒物的質(zhì)量濃度[26].儀器每一小時給出一個數(shù)據(jù),由于 PM2.5數(shù)據(jù)的測量不受天氣和時間的影響,可以全天候進(jìn)行,所以數(shù)據(jù)非常豐富.

AERONET是一個全球性的氣溶膠地基觀測網(wǎng),本研究選擇的站點是北京站,儀器安置在中國科學(xué)院大氣物理研究所的樓頂,其為法國Cimel公司生產(chǎn)的太陽輻射計,能夠?qū)μ栔鄙浜吞炜章涔膺M(jìn)行測量,采用目前的 Version2反演算法不僅能反演得到全部氣溶膠粒子的多波段光學(xué)厚度,大、小氣模式溶膠的光學(xué)厚度,以及單次散射反照率等光學(xué)性質(zhì)參量;還能得到體積濃度,復(fù)折射實數(shù)和粒子尺度分布等微物理性質(zhì)參量.其中的光學(xué)厚度和體積濃度與 PM2.5含量有關(guān).而其他的一些參量可以用于對光學(xué)厚度和體積濃度進(jìn)行粒子尺度校正.與 PM2.5的測量不同,AERONET的測量必須在白天、晴空的條件下進(jìn)行,而且還需要根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類篩選,相應(yīng)地產(chǎn)生三個等級的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,即L1,L1.5和L2.0.本研究采用L2.0數(shù)據(jù),它是具有質(zhì)量保證的數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)量較少.AERONET北京站與PM2.5監(jiān)測站的直線距離大約為3km左右,在此范圍內(nèi)氣溶膠可視為均一的,因此 AERONET數(shù)據(jù)與 PM2.5數(shù)據(jù)在空間上是匹配的[27].兩種數(shù)據(jù)在時間上的匹配可以采用以下方法,即以AERONET數(shù)據(jù)測量的時刻為基準(zhǔn),將該時刻前后1h內(nèi)的PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行平均作為匹配數(shù)據(jù).只有滿足上述時空匹配的數(shù)據(jù)才被用于相關(guān)性研究,相匹配的數(shù)據(jù)共31對.

MODIS是美國對地觀測系統(tǒng)衛(wèi)星 Terra和Aqua上搭載的中分辨率成像光譜儀,白天過境時間分別為每天地方時10:30和13:30左右,因此一天可以獲取兩次數(shù)據(jù).近期發(fā)布了 MODIS的C6(Collection 6)版產(chǎn)品數(shù)據(jù)(本研究采用的即為該版數(shù)據(jù)),相對于早期版本,新產(chǎn)品的獲取在儀器定標(biāo)、云檢測、查找表的結(jié)構(gòu)、輻射傳輸?shù)挠嬎阋约拔諝怏w校正等諸多方面都進(jìn)行了修改.對陸地產(chǎn)品的驗證結(jié)果表明,新產(chǎn)品與AERONET的相關(guān)系數(shù)為 0.86,落在誤差限內(nèi)的反演占69.40%.而C5的這兩個指標(biāo)分別是0.84和 69.18%.雖然改進(jìn)不大,但新版數(shù)據(jù)在干旱地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度平均下降了約 0.04,在植被覆蓋較好的地區(qū)則有所增加[11].在 MODIS諸多的陸地氣溶膠產(chǎn)品中與PM2.5相關(guān)的主要為氣溶膠的質(zhì)量濃度和各波段的光學(xué)厚度.盡管 MODIS的1B級產(chǎn)品有250m,500m和1000m的分辨率,但氣溶膠產(chǎn)品的分辨率主要為 10km.Ichoku等[27]的研究結(jié)果表明,氣溶膠產(chǎn)品在 50km×50km的范圍內(nèi)可以視為均一的.因此,將以PM2.5監(jiān)測站為中心的50km×50km范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行空間平均即可實現(xiàn)PM2.5數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)的空間匹配.將衛(wèi)星過頂時刻前后1h范圍內(nèi)的PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行時間平均即可實現(xiàn) PM2.5數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時間匹配[28].滿足上述時空匹配的數(shù)據(jù)共70對,它們將被用于相關(guān)性研究.

1.2 粒子尺度校正

PM2.5含量是指直徑小于 2.5μm 氣溶膠粒子的質(zhì)量濃度,而遙感獲取的氣溶膠性質(zhì)參量則包含了大、小模式氣溶膠粒子的共同貢獻(xiàn),這種情況可能會影響到 PM2.5含量與氣溶膠性質(zhì)參量間的相關(guān)性.因此我們對氣溶膠性質(zhì)參量進(jìn)行粒子尺度校正,即將全部氣溶膠粒子的性質(zhì)參量校正為直徑小于2.5μm粒子的性質(zhì)參量.下面討論對氣溶膠光學(xué)厚度和體積濃度的校正方法.

研究表明對數(shù)正態(tài)分布模型能夠較好地描述氣溶膠粒子的尺度分布[29-32],已在氣溶膠遙感中得到廣泛應(yīng)用,氣溶膠的尺度分布包括了體積尺度分布和粒子數(shù)尺度分布.體積尺度分布可以表示為:

式中:V0表示單位面積大氣柱內(nèi)氣溶膠粒子的體積;rv是粒子的體積分布中值半徑;σ是體積分布中值半徑標(biāo)準(zhǔn)偏差的自然對數(shù).粒子數(shù)尺度分布,可表示為:

式中:N0表示單位面積大氣柱內(nèi)氣溶膠粒子的數(shù)目;rn是粒子的數(shù)分布中值半徑;σ在這兩種分布函數(shù)中具有相同值.實際的氣溶膠粒子尺度分布可以用大粒子模式和小粒子模式的對數(shù)正態(tài)分布的疊加來描述,即:

圖1 北京地區(qū)AERONET氣溶膠粒子尺度反演實例Fig.1 An example of AERONET aerosol size distribution in Beijing

AERONET的氣溶膠粒子尺度分布以體積尺度分布描述,反演產(chǎn)品給出了半徑在0.05～15μm范圍內(nèi)22個等自然對數(shù)半徑點上的dV( r) /dln r值,圖1給出了北京地區(qū)氣溶膠粒子尺度分布的一個反演結(jié)果實例.因此直徑小于2.5μm 的氣溶膠粒子的體積濃度可以通過式(4)計算,從而實現(xiàn)對體積濃度的校正.

氣溶膠光學(xué)厚度是粒子尺度分布、折射指數(shù)和邊界層高度等的綜合反映,定義為:

式中:βext(λ,z)為消光系數(shù),定義為:

式中:σext(λ,z, r )消光截面.由此可見,在已知氣溶膠粒子尺度分布和折射指數(shù)的前提下,利用米散射理論即可計算出一定尺度范圍內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度,從而實現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度的尺度校正,具體如下.

AERONET的氣溶膠粒子尺度分布參數(shù)用體積尺度分布(dV( r) /dln r)表示,而計算光學(xué)厚度時需要粒子數(shù)尺度分布,即dN( r)/dln r,可用式(7)轉(zhuǎn)換得到.

需要指出的是,AERONET的氣溶膠粒子尺度分布是整層大氣柱內(nèi)粒子貢獻(xiàn)的結(jié)果,即并非某一高度處的尺度分布,而是不同高度粒子尺度分布沿高度的積分,因此直徑小于2.5μm的粒子的氣溶膠光學(xué)厚度可以表示為:

式中:dV( r)/dln r為AERONET反演得到的氣溶膠粒子尺度分布;Qext(λ,r)為消光效率因子,可利用 A ERONET的粒子尺度和折射指數(shù)根據(jù)Mie散射理論求得;進(jìn)行數(shù)值計算時,須將粒子半徑在0到1.25μm范圍內(nèi)進(jìn)行等間隔劃分,ri為第i個間隔點處的半徑,Δri=rr+1?ri.利用(8)式即可得到直徑在2.5μm以下氣溶膠粒子的光學(xué)厚度,從而實現(xiàn)對氣溶膠光學(xué)厚度的粒子尺度校正.

2 相關(guān)性分析

圖2 AERONET總氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的關(guān)系Fig.2 The correlation between AERONET total aerosol optical depth and PM2.5

圖2給出了AERONET各波段總氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5含量的相關(guān)性.由圖可見,二者相關(guān)性較為明顯,且相關(guān)性隨波長的增加而下降.這是因為氣溶膠光學(xué)厚度主要反映粒子的散射和吸收特性,隨著波長的增加,對小粒子散射的敏感性降低,而對大粒子散射的敏感性增加,即較長波段的氣溶膠光學(xué)厚度受大粒子(如直徑大于 2.5μm 的大粒子)的影響較大,從而導(dǎo)致長波段氣溶膠光學(xué)厚度與 PM2.5的相關(guān)性下降.由此可知,當(dāng)對長波段的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行尺度校正后其與 PM2.5的相關(guān)性將得到改善.關(guān)于對粒子尺度的校正,國際上也有一些研究[23,33-34],如研究 MODIS反演的小模式氣溶膠光學(xué)厚度與 PM2.5的關(guān)系,但結(jié)果不理想,這是因為MODIS的小模式粒子直徑上限與2.5μm相差較大;另外其反演的小模式信息在復(fù)雜下墊面(如城市地區(qū))時不穩(wěn)定.圖 3給出了北京地區(qū)AERONET的小模式氣溶膠光學(xué)厚度與 PM2.5的關(guān)系,由圖可見,相關(guān)性可以達(dá)到 0.6以上,但相比于全部氣溶膠光學(xué)厚度與 PM2.5的關(guān)系,相關(guān)性反而變差了.這也說明采用小模式氣溶膠光學(xué)厚度并不能提升 AOD與 PM2.5的相關(guān)性.這是因為AERONET小模式氣溶膠粒子上限半徑在 0.439～0.992μm 間變化,出現(xiàn)最多的是0.75μm,其對應(yīng)的直徑為1.5μm,與2.5μm相差甚遠(yuǎn),起不到校正的作用.圖 4為采用本文提出的校正方法得到的結(jié)果.由圖可見,校正后 1.02μm波段的氣溶膠光學(xué)厚度與 PM2.5的相關(guān)性明顯增加,在 0.87μm 波段結(jié)果也略有改善.這是因為長波段受大粒子影響較大的原因.但短波段(如 0.44μm 波段)的相關(guān)系數(shù)反而下降,其原因可能是因為北京地區(qū)氣溶膠在該波段具有較強(qiáng)的吸收性所致.因為氣溶膠的光學(xué)厚度決定于粒子的散射和吸收等多個方面的因素,其中散射與粒子的尺度和形狀有關(guān),而吸收則與粒子的成分有關(guān),與粒子的尺度沒有關(guān)系,進(jìn)行尺度校正后使吸收的影響變得更加明顯,由此導(dǎo)致校正結(jié)果不理想.

圖3 AERONET小模式氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的關(guān)系Fig.3 The correlation between AERONET fine mode aerosol optical depth and PM2.5

圖4 經(jīng)過粒子尺度校正后的AERONET氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5濃度的關(guān)系Fig.4 The correlation between AERONET aerosol optical depth and PM2.5 after particle size correction

圖5 氣溶膠體積濃度與PM2.5的關(guān)系Fig.5 The correlation between AERONET volume concentration and PM2.5 concentration

圖5中的左圖給出了AERONET的總氣溶膠體積濃度與 PM2.5的關(guān)系.兩者的相關(guān)系數(shù)大約為0.58,低于光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性.但經(jīng)過粒子尺度校正后,相關(guān)性顯著提高,相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.801.這表明,相對于光學(xué)厚度尺度校正的效果,對體積濃度進(jìn)行尺度校正后效果改善更為明顯.原因有兩個,一是因為大粒子對光學(xué)厚度的貢獻(xiàn)較小,因而對光學(xué)厚度與 PM2.5的相關(guān)性影響也偏小;但大粒子對體積濃度的貢獻(xiàn)較大,因而對體積濃度進(jìn)行尺度校正后,去除了大粒子的影響,產(chǎn)生了明顯的效果.二是因為,盡管從理論上看,即使不考慮氣溶膠和相對濕度垂直分布的影響, PM2.5與氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系也較為間接,受多種因素的制約,如粒子尺度、形狀和吸收性等,而 PM2.5與體積濃度僅與粒子尺度和密度有關(guān),關(guān)系更為直接,相關(guān)性應(yīng)該更好.但經(jīng)過粒子尺度校正后,體積濃度與 PM2.5的相關(guān)性和氣溶膠光學(xué)厚度與 PM2.5的相關(guān)性相當(dāng),這是因為氣溶膠光學(xué)厚度的反演精度較高,絕對誤差在0.01～ 0.02之間,而體積濃度的相對誤差則達(dá)到 10%,如果能夠提高體積濃度的反演精度,它將是遙感監(jiān)測PM2.5的較好的參量.需要指出的是,Boyouk等[23]研究了利用 AERONET的小模式氣溶膠體積濃度來估計 PM2.5的效果,發(fā)現(xiàn)結(jié)果沒有改善,其主要原因之一就是沒有進(jìn)行粒子尺度校正,因為大粒子對體積濃度的影響比對光學(xué)厚度的影響更大.綜合所述,經(jīng)過粒子尺度校正的 0.87μm 波段的光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性最高.

圖6給出了 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5之間的關(guān)系.由圖 6 可見,二者相關(guān)性也比較明顯,相關(guān)系數(shù)均在0.63以上.但相比地基遙感與 P M2.5的相關(guān)性,衛(wèi)星遙感的結(jié)果略差一些.原因主要在于衛(wèi)星遙感的精度較低,其誤差范圍大約為 ± 0.05 ± 0.15τAE,其中τAE為AERONET的氣溶膠光學(xué)厚度,由此式可見,氣溶膠光學(xué)厚度越大,絕對誤差就越大,這必然會對氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性產(chǎn)生明顯的影響.圖 7 為 M ODIS的氣溶膠質(zhì)量濃度與 PM2.5的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.62左右,結(jié)果比采用光學(xué)厚度要差一些.原因之一可能在于陸地氣溶膠成分復(fù)雜,且時空變化較快,而反演算法中將陸地氣溶膠的密度統(tǒng)一視為 1g/cm3,從而導(dǎo)致一定的反演誤差所致[35].綜上所述,要實現(xiàn)利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測 PM2.5必須提高反演精度,并且反演出更多的氣溶膠信息,為進(jìn)行各種校正提供可靠的數(shù)據(jù)支持.

圖6 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5濃度的關(guān)系Fig.6 The correlation between MODIS aerosol optical depth and PM2.5 concentration

AERONET給出的氣溶膠信息量非常大,包括了多波段大、小模式氣溶膠的散射、吸收和消光光學(xué)厚度,單次散射反照率,粒子尺度分布,折射指數(shù),模型參數(shù)等等.使得粒子尺度校正有豐富、可靠的數(shù)據(jù)支持.相比較而言,目前衛(wèi)星遙感給出的氣溶膠粒子尺度信息量很少,主要是小粒子氣溶膠光學(xué)厚度,因此很難利用上述方法進(jìn)行粒子尺度校正.可喜的是,基于衛(wèi)星多源數(shù)據(jù)反演氣溶膠微物理性質(zhì)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展(目前暫沒有產(chǎn)品發(fā)布)[36],從其反演的微物理性質(zhì)參量出發(fā),可以直接利用本研究的方法進(jìn)行粒子尺度校正,因此本研究提出的方法是一個必要的前期積累.另外,是否需要尺度校正主要取決于氣溶膠類型,當(dāng)氣溶膠中大粒子占主要成分時,不進(jìn)行尺度校正將產(chǎn)生較大的偏差.因此,就目前衛(wèi)星遙感氣溶膠所采用的波段而言,各波段氣溶膠光學(xué)厚度都有尺度校正的必要性.

除了粒子尺度會影響氣溶膠參量與 PM2.5的關(guān)系外,還有一些因素需要考慮,如混合層高度和大氣的相對濕度.關(guān)于混合層高度的影響,Van Donkelaar等[10]的研究指出,混合層高度是影響氣溶膠光學(xué)厚度和 PM2.5之間關(guān)系的重要因素,考慮這一因素可以將相關(guān)系數(shù)從 0.36～0.37提高至0.58～0.69.Boyouk等[23]利用雷達(dá)信號獲取混合層高度,然后利用這些數(shù)據(jù)對氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行校正,結(jié)果表明氣溶膠光學(xué)厚度和 PM2.5間的相關(guān)性得到明顯提升.國內(nèi)學(xué)者的研究結(jié)果也表明,考慮氣溶膠的垂直分布特征后,相關(guān)系數(shù)可以從0.35提高到 0.56[22].然而一些研究卻給出了不一致的結(jié)論,如Schaap等[37]對荷蘭Cabauw地區(qū)進(jìn)行了研究,他們利用雷達(dá)獲取混合層高度,并用其進(jìn)行氣溶膠垂直分布校正,結(jié)果表明氣溶膠光學(xué)厚度和PM2.5間的相關(guān)性對混合層高度并不敏感; Tian等[20]利用GEOS-4混合層高度數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度校正,結(jié)果也顯示相關(guān)性并未得到改善.

圖7 MODIS質(zhì)量濃度與PM2.5濃度的關(guān)系Fig.7 The correlation between MODIS mass concentration and PM2.5 concentration

關(guān)于大氣相對濕度的影響,有研究結(jié)果表明,當(dāng)對氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行相對濕度校正后氣溶膠光學(xué)厚度和PM2.5間的相關(guān)系數(shù)從0.35增加到0.66[22].Tian等對加拿大Ontario地區(qū)的研究也表明相對濕度對遙感監(jiān)測 PM2.5有明顯的影響.但國內(nèi)學(xué)者Guo等[21]對我國東部地區(qū)的研究表明,相對濕度對遙感監(jiān)測 PM2.5沒有明顯的影響,不是主要的影響因素, Liu等[24]的研究,以及Barnaba等[38]的研究也給出了類似的結(jié)論.

之所以出現(xiàn)上述矛盾結(jié)果,是因為這樣的校正必須有氣溶膠和相對濕度垂直分布的詳細(xì)信息.根據(jù)這些信息進(jìn)行校正,獲取近地表干氣溶膠粒子參數(shù),才能保證校正效果的提高.但由于目前沒有垂直分布的詳細(xì)信息,所以只能進(jìn)行粗略的校正,由此導(dǎo)致的結(jié)果有兩種:如果該區(qū)域氣溶膠和相對濕度的垂直分布比較有規(guī)律或者比較均勻,那么校正會提升效果;否則無效.所以,在不能獲取氣溶膠和濕度垂直分布詳細(xì)信息的情況下對這兩個影響因素校正的意義不大.

3 結(jié)論

3.1 多種氣溶膠遙感參量如氣溶膠光學(xué)厚度、體積濃度和質(zhì)量濃度等均與PM2.5存在一定的相關(guān)性.校正后 AERONET的體積濃度與 PM2.5的相關(guān)系數(shù)為 0.801,0.87μm 波段的光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)最高,為0.807; MODIS質(zhì)量濃度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)為0.619,0.47μm波段的光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)最高,為0.652.

3.2 相比于衛(wèi)星遙感參量,地基遙感參量與PM2.5的相關(guān)性更好.如AERONET在0.675μm波段的光學(xué)厚度與 PM2.5的相關(guān)系數(shù)為 0.796,而MODIS在相似波段(0.66μm)的光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)為0.638.

3.3 各波段總氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性隨波長的增加而減小.AERONET在 4個波段(0.44,0.675,0.87和1.02μm)的總光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)分別為0.803,0.796,0.741和0.698.

3.4 經(jīng)粒子尺度校正后,氣溶膠的體積濃度和長波段的氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性明顯增加.AERONET的體積濃度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)校正后從0.58增加到0.801,而0.87μm波段的光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)校正后從0.741增加到0.803.

[1]殷文軍,彭曉武,宋世震.深圳市空氣污染與居民心血管疾病發(fā)病相關(guān)性的研究 [J].公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué), 2009,20(2):18-21.

[2]Jaime Madrigano, Itai Kloog, Robert Goldberg, et al.Long-term exposure to PM2.5and incidence of acute myocardial infarction[J].Environ.Health Perspect, 2013,121(2):192–196.

[3]姚 青,韓素芹,蔡子穎.天津采暖期大氣 PM2.5中重金屬元素污染及其生態(tài)風(fēng)險評價 [J].中國環(huán)境科學(xué), 2013,33(9):1596-1600.

[4]王德慶,王寶慶,白志鵬.PM2.5污染與居民每日死亡率關(guān)系的Meta分析 [J].環(huán)境與健康雜志, 2012,9(6):529-532.

[5]王 媛,黃 薇,汪 彤,等.患心血管病老年人夏季 PM2.5和 CO的暴露特征及評價 [J].中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(9):1005-1008.

[6]Cohen A J, Anderson H R, Ostro B, et al.The global burden of disease due to outdoor air pollution [J].Journal of Toxicology and Environmental Health, 2005,68(13):1301-1307.

[7]Anenberg S C, Horowitz L W, Tong D Q, et al.An estimate of the global burden of anthropogenic ozone and fi ne particulate matter on premature human mortality using atmospheric modeling [J].Environmental Health Perspectives, 2010,118(9):1189-1195.

[8]Pope C A, Ezzati M, and Dockery D W.Fine-particulate air pollution and life expectany in the United States [J].N.England J.Med., 2009,360(4):376–386.

[9]Strawa1A W, Chatf i eld R B, Legg M, et al.Improving PM2.5retrievals in the San Joaquin Valley using A-Train Multi-Satellite Observations [J].Atmos.Chem.Phys.Discuss., 2011,11(11):30563–30598.

[10]van Donkelaar A, Martin R V and Park R J.Estimating ground-level PM2.5using aerosol optical depth determined from satellite remote sensing [J].J.Geophys.Res., 2006, 111, D21201,doi:10.1029/2005JD006996.

[11]Levy R C, Mattoo S, Munchak L A, et al.The Collection 6MODIS aerosol products over land and ocean [J].Atmospheric Measurement Techniques, 2013,6:2989-3034.

[12]Wang J, and Christopher S A.Intercomparison between satellitederived aerosol optical thickness and PM2.5mass: Implications for air quality studies [J].Geophys.Res.Lett., 2003,30(21):2095.

[13]Chu D A, Kaufman Y J, Zibordi G, et al.Global monitoring of air pollution over land from the Earth Observing System-Terra Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS) [J].J.Geophys.Res.Atmos., 2003,108(D21):4661.

[14]Engel-Cox J A, Holloman C H, Coutant B W, et al.Qualitative and quantitative evaluation of MODIS satellite sensor data for regional and urban scale air quality [J].Atmos.Environ., 2004,38(16):2495–2509.

[15]Al-Saadi J, Szykman J, Pierce R B, et al.Improving national air quality forecasts with satellite aerosol observations [J].Bull.Amer.Met.Soc., 2005,86(9):1249–1261.

[16]Li C, Lau A K, Mao J, et al.Retrieval, validation, and application of the 1-km aerosol optical depth From MODIS measurements over Hong Kong [J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sens., 2005,43(11):2650–2658.

[17]Kacenelenbogen M, Léon J F, Chiapello I, et al.Characterization of aerosol pollution events in France using ground-based and POLDER-2satellite data [J].Atmos.Chem.Phys., 2006,6(12):4843–4849.

[18]Liu Y, Jeremy A S, Vasu K, et al.Estimating ground-level PM2.5in the eastern United States using satellite remote sensing [J].Environmental Science and Technology, 2005,39(9):3269-3278.

[19]劉顯通,李 菲,譚浩波,等.基于衛(wèi)星遙感資料監(jiān)測地面細(xì)顆粒物的敏感性分析 [J].中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(7):1649-1659.

[20]Tian J, and Chen D.A semi-empirical model for predicting hourly ground-level fi ne particulate matter (PM2.5) concentration in southern Ontario from satellite remote sensing [J].Remote Sensing of Environment, 2010,114(2):221-229.

[21]Guo J P, Zhang X Y, Che H Z, et al.Correlation between PM concentrations and aerosol optical depth in eastern China [J].Atmospheric Environment, 2009,43(37):5876-5886.

[22]Wang Zifeng, Chen Liangfu, Tao Jinhua, et al.Satellite-based estimation of regional particulate matter (PM) in Beijing using vertical-and-RH correcting method [J].Remote Sensing of Environment, 2010,114(1):50-63.

[23]Boyouk Neda, Léon Jean-Fran?ois, Delbarre Hervé, et al.Impact of the mixing boundary layer on the relationship between PM2.5and aerosol optical thickness [J].Atmospheric Environment, 2010,44(2):271-277.

[24]Liu Yang, Franklin Meredith, Kahn Ralph, et al.Using aerosol optical thickness to predict ground-level PM2.5concentrations in the St.Louis area: A comparison between MISR and MODIS [J].Remote Sensing of Environment, 2007,107(2):33-44.

[25]Liu Yang, Christopher J P, and Petros Koutrakis, Estimating Regional Spatial and Temporal Variability of PM Concentrations Using Satellite Data, Meteorology, and Land Use Information [J].Environmental Health Perspectives, 2009,117(6):886-892.

[26]解淑艷,王曉彥,吳迓名,等.環(huán)境空氣中PM2.5自動監(jiān)測方法比較及應(yīng)用 [J].中國環(huán)境監(jiān)測, 2013,2:DOI:10.3969/j.issn.1002-6002.2013.02.031.

[27]Ichoku C, Chu D A, Mattoo S, et al.A spatiotemporal approach for global validation and analysis of MODIS aerosol products [J].Geophys.Res.Lett., 2002,29:8006,doi:10.1029/2001GL013206.

[28]Bréon F M, Vermeulen A, Descloitres J.An evaluation of satellite aerosol products against sunphotometer measurements [J].Remote Sensing of Environment, 2011,115(12):3102-3111.

[29]Shettle E P, Fenn R W, Models for the aerosols of the lower atmosphere and the effects of humidity variations on their optical properties [R].AIR FORCE GEOPHYSICS LAB HANSCOM AFB MA, 1979.

[30]d'Almeida G A.On the variability of desert aerosol radiative characteristics [J].Journal of Geophysical Research: Atmospheres,1987,92(D3):3017-3026.

[31]Kaufman Y J, Gitelson A, Karnieli A, et al.Size distribution and scattering phase function of aerosol particles retrieved from sky brightness measurements [J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1994,99(D5):10341-10356.

[32]Kaufman Y J, Holben B N.Hemispherical backscattering by biomass burning and sulfate particles derived from sky measurements [J].Journal of Geophysical Research: Atmospheres,1996,101(D14):19433-19445.

[33]Liu Yang, Franklin M, Kahn R, et al.Using aerosol optical thickness to predict ground-level PM2.5concentrations in the St.Louis area: A comparison between MISR and MODIS [J].Remote Sensing of Environment, 2007,107(2):33-44.

[34]Di Nicolantonio W, Cacciari A, Bolzacchini F, et al.MODIS aerosol optical properties over North Italy for estimating surface-level PM2.5[C]//Proceedings of Envisat Symposium,2007:3-27.

[35]Remer L A, Kaufman Y J, Tanré D, et al.The MODIS aerosol algorithm, products, and validation [J].Journal of the atmospheric sciences, 2005,62(4):947-973.

[36]Dubovik O, Herman M, Holdak A, et al.Statistically optimized inversion algorithm for enhanced retrieval of aerosol properties from spectral multi-angle polarimetric satellite observations [J].Atmospheric Measurement Techniques, 2011,4(5):975-1018.

[37]Schaap M, Apituley A, Timmermans R M A, et al.Exploring the relation between aerosol optical depth and PM2.5at Cabauw, the Netherlands [J].Atmos.Chem.Phys., 2009,9(3):909-925.

[38]Barnaba F, Putaud J P, Gruening C, et al.Annual cycle innco-located in situ, total-column, and height-resolved aerosol observations in the Po Valley (Italy): Implications for groundlevel particulate matter mass concentration estimation from remote sensing [J].J.Geophys.Res., 2010,115,D19209,doi:10.1029/2009JD013002.