MODIS氣溶膠產(chǎn)品在北京監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度中的應(yīng)用

王賀銳+吳彩保

摘要：隨著我國城市的發(fā)展，PM2.5已經(jīng)成為大氣污染的重要形式。本文以北京作為實驗區(qū)，從MODIS 3km氣溶膠產(chǎn)品出發(fā)，選取地面氣象資料對氣溶膠光學(xué)厚度進行垂直訂正和濕度訂正，與同期觀測的地面PM2.5資料進行相關(guān)分析。結(jié)果表明，兩項訂正可以提高AOD—PM2.5模型結(jié)果精度，建立較理想的遙感反演綜合模型。為大范圍定量監(jiān)測PM2.5污染提供了一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：MODIS 氣溶膠光學(xué)厚度 PM2.5 垂直訂正 濕度訂正 相關(guān)性分析

中圖分類號： X87文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07 （B）-00

1 引言

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程加快，我國大氣污染問題日益凸顯，特別是城市霧霾現(xiàn)象頻發(fā)，霧霾范圍不斷擴大，呈現(xiàn)出時間長、區(qū)域化的特點。霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒構(gòu)成，其中可吸入顆粒通常是指當(dāng)量直徑≤10微米的顆粒物，而許多城市首要污染顆粒物都是PM2.5。PM2.5不僅對可見光有較強的消光作用，造成大氣能見度下降，而且對人體呼吸系統(tǒng)和心肺功能健康也有著較大影響。因此，全面掌握PM2.5的區(qū)域分布特征對研究大氣污染的成因和建立有效的防治措施有著重要意義。

目前，PM2.5的監(jiān)測方式主要有地面和遙感監(jiān)測兩種。地面監(jiān)測能夠提供較為準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，但監(jiān)測站分布不均勻且數(shù)量有限，難以獲取大范圍的監(jiān)測數(shù)據(jù)；而衛(wèi)星遙感監(jiān)測具有經(jīng)濟性、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，能夠有效彌補地面監(jiān)測的不足，因而被廣泛應(yīng)用于地面PM2.5的監(jiān)測。

Chu等[1]利用MODIS AOD產(chǎn)品研究了全球、區(qū)域和局部大氣污染情況，證實了MODIS AOD產(chǎn)品研究大氣污染的可行性；Wang等[2]研究美國多個地面污染物與MODIS AOD的相關(guān)性，表明AOD可以定量評估當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量等級；Wang等[3]、Donkelaar等[4]將氣溶膠垂直分布和相對濕度引入AOD—PM2.5線性模型中，并進行垂直和濕度訂正，發(fā)現(xiàn)訂正后AOD和近地面顆粒物之間的不確定性降低；謝志英等[5]結(jié)合地面能見度數(shù)據(jù)求得北京四季氣溶膠標(biāo)高并對MODIS氣溶膠產(chǎn)品進行標(biāo)高訂正，提高了地面顆粒物與氣溶膠的相關(guān)度。

但國內(nèi)的相關(guān)研究大多使用的是MODIS 10km空間分辨率的氣溶膠產(chǎn)品，對MODIS 3km空間分辨率的氣溶膠產(chǎn)品與PM2.5的相關(guān)性的研究較少，同時考慮到氣溶膠具有季節(jié)性變化的事實[6]，本文基于MODIS 3km AOD產(chǎn)品，結(jié)合地面能見度與相對濕度數(shù)據(jù)，探討3km的AOD數(shù)據(jù)與PM2.5的關(guān)系，為北京地區(qū)長期、宏觀地監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)和方法

（1） 遙感數(shù)據(jù)：本文采用的為美國NASA發(fā)布的MODIS Terra Level2、版本為C006、空間分辨率為3km*3km的氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)，研究地區(qū)為北京，選取時間范圍為2014年12月至2015年11月且云量較少的氣溶膠產(chǎn)品，利用ENVI軟件對數(shù)據(jù)進行幾何校正、投影轉(zhuǎn)換、矢量裁剪等操作，為防止由于影像的投影變換定位偏差導(dǎo)致出現(xiàn)對比畸值[7]，提取以地面站點為中心3*3像元范圍內(nèi)的非空白AOD均值。但由于MODIS AOD 3km產(chǎn)品僅采用暗目標(biāo)算法進行反演，所以該產(chǎn)品在冬季（12月、1月、2月）反演效果較差，故最終得到2015年春（3月、4月、5月）、夏（6月、7月8月）、秋（9月、10月、11月）三季共77d的AOD日均值數(shù)據(jù)?？紤]到要進行精度驗證，按時間順序每隔3個數(shù)據(jù)選取1個數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)，故最終獲得58個建模數(shù)據(jù)，19個驗證數(shù)據(jù)。

（2） 氣象數(shù)據(jù)：地面能見度和相對濕度數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局（簡稱NOAA）在北京地區(qū)建立的地面觀測站，經(jīng)緯度坐標(biāo)為：40.08°N，116.585°E。氣象站每隔30min記錄一條數(shù)據(jù)。為了與Terra衛(wèi)星過境時間對應(yīng)，選取衛(wèi)星過境時間前后1h以內(nèi)的數(shù)據(jù)做平均處理，作為其對應(yīng)的地面能見度和相對濕度數(shù)據(jù)。

（3） 顆粒物濃度數(shù)據(jù)（PM2.5）：本研究所采用的PM2.5數(shù)據(jù)來自北京市地面環(huán)境監(jiān)測站。但由于缺乏所需地面站點的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，本文參考中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站的方法，基于35個地面站點的PM2.5數(shù)據(jù)，利用協(xié)克里金插值方法得到對應(yīng)地面站點的PM2.5數(shù)值。選取衛(wèi)星過境時間前后1h以內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值。

3 結(jié)果分析

3.1 AOD與PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征

2015年三季度AOD變化范圍為0.10—1.89，均值為0.71。PM2.5的變化區(qū)間為3.60—248.68μg/m?，均值為62.78μg/m?。AOD春季、夏季均值較高，分別為0.78和0.89；秋季AOD平均值最小，為0.51。PM2.5的春季和夏季平均濃度最高，分別達到73.33μg/m?、65.92μg/m?；秋季最低，PM2.5平均濃度為51.45μg/m?。

春季北京市多受沙塵、揚塵天氣影響，是導(dǎo)致AOD和PM2.5質(zhì)量濃度較高的主要因素。夏季受暖濕氣流影響，導(dǎo)致吸濕粒子經(jīng)“氣—?！鞭D(zhuǎn)化過程轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和硝酸鹽的速率加快[8]，這些二次氣溶膠粒子消光性較強，加之夏季風(fēng)速較小，容易導(dǎo)致空氣中顆粒物的堆積，AOD和PM2.5濃度較高；秋季受干冷的高壓天氣系統(tǒng)影響，晴好天氣較多，相對濕度較低，是導(dǎo)致秋季北京地區(qū)AOD和PM2.5濃度較低的原因。

3.2 AOD與PM2.5直接相關(guān)

將2015年3月至11月58個AOD數(shù)據(jù)與相應(yīng)的PM2.5進行直接比較，如圖1所示，R2=0.7332（ρ<0.01），證實了由AOD值估算PM2.5質(zhì)量濃度得可行性。但PM2.5質(zhì)量濃度是在近地面、干燥的環(huán)境下測得，而MODIS AOD是由地面至大氣層頂垂直方向上消光系數(shù)的積分，所以有必要對AOD進行垂直和濕度訂正。

3.3 垂直—濕度訂正

3.3.1 垂直訂正

氣溶膠光學(xué)厚度是從地面至大氣層頂垂直方向上消光系數(shù)的積分，而PM2.5質(zhì)量濃度是由地面監(jiān)測站測得，因此，為了減小兩者關(guān)系的不確定性，需要對AOD進行垂直訂正。本文主要參考李成才的訂正方法[6]，引入氣溶膠標(biāo)高（ ）對AOD進行垂直訂正，獲得近地面消光系數(shù)。氣溶膠標(biāo)高是整個氣柱中顆粒物按地面濃度在垂直方向均勻分布所能達到的高度，反映的是氣溶膠的垂直分布信息。其訂正公式表示為

（1）

式中， 表示訂正后的光學(xué)厚度。AOD與地面氣溶膠消光系數(shù)呈線性相關(guān)，而地面消光系數(shù)與V（能見度）具有反比關(guān)系，因而AOD與能見度、氣溶膠標(biāo)高的關(guān)系式可表示為[9]

（2）

其中， 為氣溶膠光學(xué)厚度。根據(jù)AOD變化具有季節(jié)特征的特點，按不同季節(jié)對氣溶膠進行垂直訂正。根據(jù)（2）式求得春、夏、秋三季的氣溶膠標(biāo)高分別為： 2.095km，2.307km，1.412km。最終利用（1）式完成氣溶膠的垂直訂正。

3.3.2 濕度訂正

由于PM2.5濃度是在相對干燥的環(huán)境中測得，而氣溶膠光學(xué)厚度是在大氣環(huán)境下獲取的，因此在相對濕度較高的情況下，粒子的吸濕性對粒子的復(fù)折射指數(shù)、形態(tài)等都有較大影響，AOD隨濕度變化幅度較大[10]。為了降低粒子吸濕性對AOD與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性所造成的影響，還需要進行濕度訂正。濕度影響因子表示為[3]

由表1及圖2可得，PM2.5濃度與未經(jīng)訂正的AOD數(shù)值、垂直訂正后的AOD數(shù)值以及垂直和濕度訂正后的AOD數(shù)值的擬合系數(shù)R2分別為0.7332、0.7598、0.7848，且均大于統(tǒng)計學(xué)上99%置信度要求。經(jīng)過垂直和濕度訂正后的擬合優(yōu)度有所提高，說明該訂正方法是有效的。

進一步按不同季節(jié)分析AOD與PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性，按照春、夏、秋三季來分析垂直訂正后的AOD數(shù)值與經(jīng)過濕度訂正后的PM2.5質(zhì)量濃度之間的相關(guān)關(guān)系。由表2可知，經(jīng)過濕度訂正，春季的擬合系數(shù)有明顯上升，由0.4562提升至0.5575。秋季的擬合系數(shù)也由0.8591小幅提升至0.8621。只有夏季的擬合系數(shù)由0.8494降至0.7708，濕度訂正呈負效果。這一方面可能是由于樣本數(shù)據(jù)量不足，有待進一步檢驗校正；另一方面，可能是氣溶膠的濕增長因子 經(jīng)驗公式并不適用于該夏季的濕度訂正，需要重新結(jié)合近幾年當(dāng)?shù)氐孛婺芤姸葦?shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)擬合濕度增長因子公式[11]。

3.4 模型精度驗證

基于19對驗證數(shù)據(jù)，利用垂直訂正后的AOD數(shù)值結(jié)合全年、各季節(jié)訂正后得到線性擬合模型，反演濕度訂正后的PM2.5質(zhì)量濃度，并與地面濕度訂正后插值得到的PM2.5濃度做比較。經(jīng)比較，前三季度和春季、夏季、秋季的線性擬合系數(shù)分別為0.8721、0.8445、0.8467、0.8967，均大于99%的置信度要求，說明利用MODIS 3km AOD可以很好的監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度。

4 結(jié)論

（1） 2015年前三季度NOAA北京地面監(jiān)測站的AOD值從高到低依次為夏季、春季、秋季；PM2.5質(zhì)量濃度變化從高到低依次為春季、夏季、秋季。

（2） MODIS 3km AOD與PM2.5質(zhì)量濃度總的擬合系數(shù)為0.7332，經(jīng)垂直和濕度訂正后擬合系數(shù)為0.7848。說明利用地面能見度數(shù)據(jù)和相對濕度數(shù)據(jù)的訂正具有一定的效果，MODIS 3km AOD產(chǎn)品可以有效地監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度。

（3） 2015年北京NOAA地面監(jiān)測站的春、夏、秋各季度的平均垂直標(biāo)高分別為2.095km、2.307km和1.412km；秋季AOD與地面PM2.5質(zhì)量濃度的擬合度最高，夏季次之，春季最低。

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