基于遙感的上海地區(qū)霧霾監(jiān)測研究

戴羊羊，李成范，周時(shí)強(qiáng)，趙俊娟，尹京苑

(上海大學(xué)計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院，上海200444)

?

基于遙感的上海地區(qū)霧霾監(jiān)測研究

戴羊羊，李成范，周時(shí)強(qiáng)，趙俊娟，尹京苑

(上海大學(xué)計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院，上海200444)

摘要：以中分辨率成像光譜儀(MODIS)遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，綜合利用6S傳輸模型與NASA V5.2算法對(duì)2013年12月4日至8日上海地區(qū)霧霾污染進(jìn)行了連續(xù)性監(jiān)測，并對(duì)其形成原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，此次霧霾污染主要是由本地生產(chǎn)和外地遷移來源共同作用形成，上海地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度在12月6日達(dá)到最大，霧霾污染區(qū)域逐漸從上海地區(qū)的西北向東南擴(kuò)散，污染等級(jí)也逐漸降低。

關(guān)鍵詞：霧霾；氣溶膠光學(xué)厚度；上海；MODIS；V5.2算法

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和城市化迅猛發(fā)展，霧霾污染日趨嚴(yán)重[1-2]。霧霾中的顆粒物活動(dòng)性強(qiáng)，不僅能降低大氣能見度，威脅交通運(yùn)輸安全[3-5]，而且還易附帶有毒物質(zhì)，危害人體健康。目前，霧霾監(jiān)測主要是基于地面站點(diǎn)在線測量實(shí)現(xiàn)，但是該方式對(duì)于監(jiān)測區(qū)域之外的霧霾產(chǎn)生、發(fā)展和變化情況無能為力[6]。霧霾最常用的表征之一就是氣溶膠光學(xué)厚度。遙感是觀測氣溶膠空間分布的重要手段，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面測量的不足[7]，快速獲取區(qū)域范圍內(nèi)的氣溶膠顆粒物空間分布、面積、等級(jí)、頻次等狀況，有助于全面、客觀地掌握霧霾的發(fā)生和變化狀況，在霧霾監(jiān)測研究中優(yōu)勢非常明顯。

1研究區(qū)概況和方法

1.1　研究區(qū)概況

上海位于北緯30°23′~31°27′和東經(jīng)120°52′~121°45′之間，地處長江入?？?，屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明。近年來，上海地區(qū)霧霾污染也逐漸顯現(xiàn)出來。在2013年12月4日至8日，上海遭遇史上最為嚴(yán)重的霧霾污染，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)一路飆升到416，達(dá)到六級(jí)嚴(yán)重污染，這也是上?？諝赓|(zhì)量指數(shù)發(fā)布以來的歷史最高值。

1.2　數(shù)據(jù)源

中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)搭載在Terra/aqua衛(wèi)星于1999年12月18日發(fā)射升空，它一共有36個(gè)離散波段，光譜覆蓋范圍為0.4 ~1.44 μm，空間分辨率分別為250 m、500 m和1 000 m，最大掃描寬度為2 330 km，具有較高的時(shí)間分辨率。MODIS探測器覆蓋全球的頻率為每天一次，能夠有效地對(duì)各種突發(fā)性災(zāi)害進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測。對(duì)于此次霧霾污染，選用2013年12月4日至8日期間MODIS遙感圖像來進(jìn)行監(jiān)測。

1.3　處理方法

6S模型(Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種大氣輻射傳輸模型。由于6S模型主要采用近似算法和逐次散射算法，因此其與實(shí)際情況也更加吻合。在本文中，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，氣溶膠類型選擇大陸性氣溶膠類型，氣溶膠含量參數(shù)為550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚度，大氣模式為中緯度冬季大氣模式等。V5.2算法是在暗像元算法基礎(chǔ)上提出的，但是有了很大改進(jìn)，不再認(rèn)為中紅外通道與紅光、藍(lán)光的反射率比值是常量，而是一個(gè)函數(shù)關(guān)系，并且還考慮了植被指數(shù)的影響，因此更加貼近實(shí)際情況。

2上海地區(qū)嚴(yán)重霧霾污染監(jiān)測

利用MODIS遙感圖像反演得到的上海地區(qū)2013年12月4日至8日的AOD分布如圖1所示。

圖1　上海地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度分布

為了更加清楚地顯示出上海地區(qū)此次嚴(yán)重霧霾污染的空間分布和變化情況，在利用MODIS遙感圖像進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演時(shí)，已經(jīng)對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行歸一化處理。

從圖1(a)中看出，2013年12月4日，上海地區(qū)的整體氣溶膠光學(xué)厚度較小，此時(shí)大規(guī)模的霧霾污染還尚未出現(xiàn)，總體空氣質(zhì)量相對(duì)較好。但是上海西南地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度已經(jīng)開始逐漸增加。從圖1(b)中看出，2013年12月5日整個(gè)上海地區(qū)氣溶膠厚度顯著上升，但此時(shí)最大值主要出現(xiàn)在西北部的嘉定區(qū)、寶山區(qū)和崇明縣的北部地區(qū)，上海市區(qū)的氣溶膠厚度次之，浦東新區(qū)中臨海一帶的氣溶膠厚度最小。到2013年12月6日(見圖1(c))，基本上整個(gè)上海地區(qū)都籠罩在嚴(yán)重霧霾的影響之下，氣溶膠厚度逐漸從北部地區(qū)向南部地區(qū)遞減，但是整體氣溶膠厚度值都偏大。從圖1(d)中看出，2013年12月7日，上海嚴(yán)重霧霾污染開始消散，其氣溶膠光學(xué)厚度也整體減小，只有上海市區(qū)、嘉定區(qū)和青浦區(qū)附近還存在較大的氣溶膠光學(xué)厚度。到2013年12月8日，整個(gè)上海地區(qū)的霧霾污染已經(jīng)消散，只在上海市區(qū)和浦東新區(qū)南部還有部分較明顯的霧霾分布，其氣溶膠光學(xué)厚度也較大。

從上海地區(qū)2013年12月4日至8日連續(xù)5 d的霧霾嚴(yán)重污染整體變化來看，氣溶膠光學(xué)厚度呈現(xiàn)出先增高后減小的趨勢，整個(gè)霧霾污染的出現(xiàn)、發(fā)展和擴(kuò)散狀況非常明顯。在4日已經(jīng)開始出現(xiàn)霧霾污染的趨勢，5日和6日污染非常嚴(yán)重，其中在6日污染達(dá)到極值。隨后，在7日霧霾污染開始消散，到8日，除了上海市區(qū)和浦東新區(qū)南部地區(qū)之外，整個(gè)霧霾污染已經(jīng)基本消散，氣溶膠光學(xué)厚度也基本上恢復(fù)到4日的狀況。此外，實(shí)際情況是，在連續(xù)5 d的嚴(yán)重霧霾污染中，氣象部門觀測獲取的AQI值也是呈先增加后減少的趨勢，且5日和6日的霧霾污染非常嚴(yán)重，其中6日的霧霾污染最嚴(yán)重。利用MODIS遙感圖像較好地反演出上海地區(qū)一次霧霾污染過程也很好地表現(xiàn)了這一變化趨勢。

3霧霾污染的原因分析

根據(jù)地面站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在主導(dǎo)風(fēng)向的作用下，上海地區(qū)的霧霾污染嚴(yán)重程度總體上是西北高、東南低，并呈現(xiàn)出從西北向東南遞減的變化趨勢。一般來說，上海地區(qū)霧霾污染天數(shù)最多的季節(jié)主要是冬季，春秋季節(jié)霧霾污染天數(shù)次之，夏季霧霾污染天數(shù)最少。此外，針對(duì)不同季節(jié)霧霾污染狀況，除了與上海和周邊地區(qū)天氣、風(fēng)向和風(fēng)速有關(guān)之外，還與周邊區(qū)域工農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)，例如每年6、7月份上海及周邊地區(qū)焚燒秸稈形成的霾污染等。

以往研究表明：上海地區(qū)的輕度霧霾污染一般是本地生產(chǎn)形成的，而重度霧霾污染則是本地生產(chǎn)形成和外地遷移擴(kuò)散綜合作用的結(jié)果。綜合本次上海地區(qū)嚴(yán)重霧霾污染和以往霧霾污染情況，指出此次上海地區(qū)嚴(yán)重霧霾污染時(shí)本地生產(chǎn)和外地遷移兩種途徑綜合作用的結(jié)果。因此，其霧霾污染形成來源也主要包括上海地區(qū)本地生產(chǎn)形成的霧霾和外地遷移形成的霧霾兩部分。

3.1　本地生產(chǎn)來源分析

3.1.1　人為活動(dòng)因素

上海地區(qū)的交通運(yùn)輸十分發(fā)達(dá)，汽車數(shù)量眾多，排放出的汽車尾氣是形成霧霾的一個(gè)重要原因，且冬季地面干燥，空氣濕度低，密集的車流攪動(dòng)近地面灰塵，加劇了地面霧霾污染。此外，人為活動(dòng)因素還包括工廠和電廠生產(chǎn)的廢棄、廢渣等形成的顆粒物二次污染，工地形成的揚(yáng)塵，堆場形成的惡臭和煙氣等，餐飲業(yè)的油煙污染以及干洗業(yè)的化學(xué)污染等。

3.1.2　天氣因素

通過查閱上海地區(qū)當(dāng)時(shí)氣象數(shù)據(jù)可知，2013年12月發(fā)生嚴(yán)重霧霾污染時(shí)的大氣空氣氣壓低，大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地面風(fēng)力小，空氣流動(dòng)性較差，不利于污染物擴(kuò)散，使得空氣中的細(xì)顆粒物急劇集聚，大量懸浮在空中，加重了霧霾污染。

3.2　外地遷移來源分析

3.2.1　周邊地區(qū)輸入顆粒分析

除了上海地區(qū)本地產(chǎn)生形成的輕度霧霾污染之外，此次嚴(yán)重霧霾污染還受到上海周邊地區(qū)的影響。表1為2013年12月4日至8日的上海及其周邊城市的AQI值。

表1　2013年12月4日至8日上海及其周邊城市AQI值

從表1中看出，對(duì)于上海周邊城市南京、合肥和杭州，在2013年12月4日至8日期間的AQI值都較大。其中，合肥和南京均位于上海的西北方向，冬季受到北風(fēng)的作用，細(xì)顆粒污染物極易向上海地區(qū)擴(kuò)散；而位于西南方向的杭州此時(shí)AQI也都相對(duì)較小，這在表1中也體現(xiàn)了出來。在2013年12月4日和5日期間合肥和南京的AQI明顯大于上海，也就是說，在一定程度上加劇了12月6日上海地區(qū)的嚴(yán)重霧霾污染。此次霧霾污染體現(xiàn)出明顯的從西北方向東南方擴(kuò)散的過程。在12月7日和8日，上海地區(qū)由于臨海和臨江的地理位置優(yōu)勢，霧霾污染已經(jīng)開始消散，AQI值顯著降低，但是此時(shí)合肥、南京和杭州等內(nèi)陸城市霧霾污染仍然嚴(yán)重。另一方面，從單個(gè)城市AQI值分析來看，在12月4日至8日期間南京和合肥總體上呈現(xiàn)出遞減的趨勢，而上海和杭州則總體呈現(xiàn)出增加后遞減的趨勢，只是出現(xiàn)最大AQI值的時(shí)間略有差別，這又一次在一定程度上驗(yàn)證了此次霧霾污染主要是從西北方向東南方發(fā)展和擴(kuò)散的。

3.2.2　北方地區(qū)燃煤輸入顆粒物分析

一方面，上海霧霾污染中大量的硫酸鹽和黑碳主要來自于北方冬季取暖燃燒排放；另一方面，上海地區(qū)承受的沙塵氣溶膠污染也主要來自北方中長距離沙塵輸送影響，而沙塵過程不僅會(huì)帶來高濃度的粗顆粒物的攀升，同時(shí)也會(huì)將沿途的人為污染氣溶膠一并帶到上海，從而對(duì)上海市氣溶膠濃度產(chǎn)生直接影響。研究表明，上海市區(qū)域內(nèi)來自外界的污染物達(dá)到總量的20%甚至更多。所以研究北方城市對(duì)上海市污染的影響就顯得極其重要。冬至過后，山東省會(huì)采取集中供暖，煤炭是集中供暖的主要能源。從地理位置上分析，上海市距濟(jì)南1 000 km，處于本文限制的中長距離傳輸范圍以內(nèi)。以上海為中心，其周邊省市僅山東省既滿足中長距離，又滿足燃煤供暖這一目標(biāo)。同時(shí)，山東省靠近北京、天津，也正好滿足沙塵氣溶膠的要求。結(jié)合兩地氣象資料可知，上海地區(qū)AOD分布在受到風(fēng)向等氣象因子作用的同時(shí)，還受到山東地區(qū)AOD分布的影響，這一定程度上也在表1中得到了驗(yàn)證。

4結(jié)論

以MODIS遙感圖像為數(shù)據(jù)源，在對(duì)紅光、藍(lán)光和中紅外通道進(jìn)行氣溶膠類型敏感性分析的基礎(chǔ)上，利用6S傳輸模型和V5.2算法對(duì)2013年12月4日至8日上海地區(qū)嚴(yán)重霧霾污染進(jìn)行反演和連續(xù)性監(jiān)測，并從本地生產(chǎn)和外地遷移兩方面對(duì)形成此次霧霾污染的原因進(jìn)行了分析，尤其是上海周邊地區(qū)細(xì)顆粒物輸入和北方燃煤顆粒物輸入的影響非常明顯。

通過對(duì)上海地區(qū)2013年12月4日至8日嚴(yán)重霧霾污染進(jìn)行連續(xù)性的遙感監(jiān)測研究和形成來源分析，得到以下幾條結(jié)論：

1)遙感監(jiān)測上海地區(qū)2013年12月4日至8日嚴(yán)重霧霾污染的結(jié)果顯示出上海地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度從12月4日開始迅速增加，在6日達(dá)到最大值，隨后開始逐漸消散；嚴(yán)重霧霾污染區(qū)域的空間分布也逐漸從上海地區(qū)的西北方向東南方擴(kuò)散，污染等級(jí)也逐漸降低。

2)上海地區(qū)2013年12月4日至8日嚴(yán)重霧霾污染主要是由本地生產(chǎn)和外地遷移兩種來源途徑共同作用的結(jié)果，其中外地遷移輸入污染主要包括上海周邊的安徽、江蘇和浙江地區(qū)及北方山東等地的冬季燃煤取暖產(chǎn)生的細(xì)顆粒物輸入等。

3)從霧霾治理的角度出發(fā)，考慮到上海地區(qū)的實(shí)際情況，在大力推進(jìn)本地霧霾污染治理措施的同時(shí)，還需要與周邊地區(qū)乃至全國范圍進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，全面、協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌地提出霧霾污染治理措施，以降低霧霾污染出現(xiàn)的幾率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靜,牛生杰,許丹,等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性[J].中國環(huán)境科學(xué),2013,33(2):201-208.

[2]徐婷婷.基于6S輻射傳輸模型模擬的MODIS氣溶膠光學(xué)厚度指數(shù)及其驗(yàn)證[D].南京:南京師范大學(xué),2013.

[3]劉佳雨,楊武年.基于MODIS數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演[J].地理信息世界,2014,21(3):29-32.

[4]雷鳴,薛丹,李成范,等.基于MODIS數(shù)據(jù)的上海市氣溶膠厚度研究[J].測繪與空間地理信息,2013,36(10):40-43.

[5]杜啟勝,劉志平,王新生,等.基于ENVI的MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法[J].地理空間信息,2009,7(4):98-100.

[6]劉梅,嚴(yán)文蓮,張備,等.2013年1月江蘇霧霾天氣繼續(xù)和增強(qiáng)機(jī)制分析[J].氣象,2014,40(7):835-843.

[7]李正強(qiáng),許華,張瑩,等.北京區(qū)域2013嚴(yán)重灰霾污染的主被動(dòng)遙感監(jiān)測[J].遙感學(xué)報(bào),2013,17(4):919-928.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

Haze monitoring of Shanghai area based on remote sensing

DAI Yang-yang,LI Cheng-fan,ZHOU Shi-qiang,ZHAO Jun-juan,YIN Jing-yuan

(School of Computer Engineering and Science,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Abstract：Taking the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) remote sensing data as the data source,this paper carries a continuous monitoring of haze pollution by using second simulation of satellite signal in the solar spectrum (6S) and NASA V5.2 algorithm,and analyzes the causes for Shanghai area on December 4,2013 to December 8,2013.The result shows the haze pollution of Shanghai area is mainly formed by the local production and nonlocal migration. The aerosol optical depth (AOD) achieves the maximum on December 6,thus the area of haze pollution covers from northwest to southeast and the level of pollution gradually falls.

Key words：haze；aerosol optical depth；Shanghai；MODIS；V5.2 algorithm

作者簡介：戴羊羊(1991-)，男，碩士研究生.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41404024)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014—2016)；上海高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(B.60-E108-14-101)；上海市高等教育內(nèi)涵建設(shè)085工程資助項(xiàng)目

收稿日期：2014-10-10

中圖分類號(hào)：X51;P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2015)12-0029-04