基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的我國氣溶膠衛(wèi)星遙感反演研究

王 進(jìn)，馮丁饒，孫裔煜

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

氣溶膠是懸浮在空氣中固體與液體微粒懸浮物形成的多相體系[1]，氣溶膠反演作為研究的一大領(lǐng)域，其研究對(duì)解決城市霧霾、氣候變化和大氣污染具有重要意義[2]。大氣環(huán)境變化與人類生活息息相關(guān)，近些年來溫室氣體排放對(duì)全球氣候產(chǎn)生了重要影響，而氣溶膠在全球氣候的冷卻效應(yīng)中扮演了重要的角色[3]，干擾太陽輻射的反射與折射影響地表能量傳輸[4]，通過直接效應(yīng)和間接效應(yīng)對(duì)氣候變化產(chǎn)生重要影響[5-6]。霧霾條件下氣溶膠大量聚集在大氣近地層，大氣污染增強(qiáng)、空氣質(zhì)量下降，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人體健康造成極大影響[7]，探索其中具體的形成因素（氣象條件、人為條件等）對(duì)城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

圍繞“氣溶膠反演研究”這一主題，國內(nèi)已經(jīng)取得了較為豐碩的研究成果。文章基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)和定性定量分析，對(duì)1985～2018年有關(guān)氣溶膠衛(wèi)星遙感反演研究，進(jìn)行研究尺度、研究區(qū)域、研究內(nèi)容、研究學(xué)者等方面的統(tǒng)計(jì)分析；基于表格和統(tǒng)計(jì)圖直觀展示1985～2018年氣溶膠反演研究情況，全面、系統(tǒng)、詳細(xì)地分析相關(guān)研究內(nèi)容，反映當(dāng)下研究熱點(diǎn)、研究難點(diǎn)，為氣溶膠反演研究提供幫助。

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究選取的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)源于中國知網(wǎng)（簡稱CNKI）中的學(xué)術(shù)期刊、碩博學(xué)位論文、國內(nèi)重要報(bào)紙和國內(nèi)會(huì)議論文4個(gè)子數(shù)據(jù)庫，學(xué)術(shù)期刊為研究主體，其他3個(gè)子數(shù)據(jù)庫作為輔助；其中核心期刊數(shù)據(jù)基于CNKI高級(jí)檢索。以“氣溶膠反演”為檢索詞搜索2018年3月17日之前的文獻(xiàn)，分別按照“主題”、“篇名”、“關(guān)鍵詞”進(jìn)行檢索統(tǒng)計(jì)與比較,見表1。結(jié)果顯示，以“主題”搜索出的文獻(xiàn)數(shù)量最多，故以此作為研究對(duì)象。

表1 以“氣溶膠反演”為檢索詞的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Bibliographic data with "aerosol inversion" as a search term

2 結(jié)果分析

2.1 發(fā)展階段

1985～2017年氣溶膠反演研究文獻(xiàn)發(fā)表趨勢(shì)分析如圖1所示。其中藍(lán)色線代表全部文獻(xiàn)，紅色線代表核心期刊。

圖1 1985～2017年氣溶膠反演研究文獻(xiàn)發(fā)表量趨勢(shì)分析Fig.1 Trend analysis of published literature on aerosol inversion research in 1985～2017

1）萌芽與探索階段（2003年以前）：與發(fā)達(dá)國家相比，我國大氣氣溶膠反演事業(yè)起步較晚，邱金桓[8]于1985年在《大氣科學(xué)》上發(fā)表了第一篇有關(guān)氣溶膠反演的文章，此后的80年代末和90年代關(guān)于氣溶膠反演的文章也較少，國內(nèi)的氣溶膠反演研究還處于對(duì)方法的探索時(shí)期。這段時(shí)期內(nèi)關(guān)于氣溶膠反演的全部文獻(xiàn)共15篇，包括1篇核心期刊。

2）迅速發(fā)展階段（2003～2013年）：李曉靜[9]在2003年首次通過MODIS資料利用6S模型對(duì)北京市及周邊地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）進(jìn)行了反演，此后該方法得到廣泛運(yùn)用，基于MODIS數(shù)據(jù)的氣溶膠反演也成為了研究的熱點(diǎn)，Kaufman的暗像元法也成為了反演氣溶膠光學(xué)厚度的最常用方法。此階段相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量出現(xiàn)大幅增加，從2003年的5篇文章，增長到2013年的46篇文章，11年間發(fā)表了文獻(xiàn)333篇，占?xì)v年文獻(xiàn)總數(shù)的54.9%。

3）穩(wěn)定發(fā)展階段（2013年以后）：2013年汪曦[10]利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)PM2.5濃度與居民日死亡率的關(guān)聯(lián)性研究，首先建立了PM2.5與氣溶膠光學(xué)厚度的估算模型，自此有更多的研究學(xué)者開始關(guān)注氣溶膠光學(xué)厚度與近地面污染物濃度之間的定量化關(guān)系。與此同時(shí)，氣溶膠反演的數(shù)據(jù)來源也日漸豐富，基于環(huán)境一號(hào)、MSIR、AIRS、POLDER等數(shù)據(jù)的研究，使得氣溶膠反演的研究獲得新的突破。這一時(shí)期的文獻(xiàn)總數(shù)，尤其是核心期刊數(shù)量有了明顯的增長。

2.2 所涉學(xué)科與基金支持

從文獻(xiàn)研究所涉學(xué)科角度來看，氣溶膠反演研究涉及環(huán)境科學(xué)與資源應(yīng)用（390篇）、氣象學(xué)（147篇）、自動(dòng)化技術(shù)（46篇）、工業(yè)通用技術(shù)及設(shè)備（41篇）、電信技術(shù)（38篇）、海洋學(xué)（11篇）、自然地理學(xué)和測(cè)繪學(xué)（9篇）、物理學(xué)（6篇）、化學(xué)（5篇）、地理物理學(xué)（3篇）、航空航天科學(xué)與工程（3篇）、儀器儀表工業(yè)（3篇）、計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用（2篇）、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)（2篇）、水利水電工程（2篇）、無線電電子學(xué)（2篇）、軍事醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生（1篇）、地質(zhì)學(xué)（1篇）、心血管系統(tǒng)疾病（1篇）、生物學(xué)（1篇）、特種醫(yī)學(xué)（1篇）、預(yù)防醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生學(xué)（1篇）、礦業(yè)工程（1篇）、神經(jīng)病學(xué)（1篇）、電力工業(yè)（1篇）、農(nóng)藝學(xué)（1篇）、建筑科學(xué)與工程（1篇）、武器工業(yè)與軍事技術(shù)（1篇）、呼吸系統(tǒng)疾?。?篇）、資源科學(xué)（1篇）、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1篇）。氣溶膠反演在環(huán)境、資源領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，符合當(dāng)下對(duì)大氣污染等環(huán)境動(dòng)態(tài)的熱點(diǎn)關(guān)注。

從基金項(xiàng)目支撐角度進(jìn)行分析，氣溶膠反演研究得到較為廣泛的基金項(xiàng)目支持。國家自然科學(xué)基金占據(jù)48.6%（178項(xiàng)），國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973和國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863分別占據(jù)17.8%（65項(xiàng)）、11.7%（43項(xiàng)），此外還包括國家科技支撐計(jì)劃（18項(xiàng)），中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程基金（16項(xiàng)），中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”基金（6項(xiàng)），其他基金大都為地方性資助基金，且數(shù)量較少。其中來自國家級(jí)的基金項(xiàng)目占據(jù)較大比重，反映了氣溶膠反演研究具有一定熱度。同時(shí)氣溶膠反演要求較高的技術(shù)性與精準(zhǔn)性，充足的基金支持對(duì)其尤為重要,如圖2所示。

圖2 氣溶膠反演研究基金項(xiàng)目支持?jǐn)?shù)量及比例分析Fig.2 Support quantity and proportion analysis of aerosol inversion research fund projects

2.3 作者分析

氣溶膠反演相關(guān)研究的學(xué)者較多，發(fā)文3篇以上的學(xué)者達(dá)到49人，發(fā)文8篇以上的學(xué)者達(dá)到7人，其中邱金桓、徐青山、陳良富的工作研究單位分別為中國科學(xué)院大氣物理研究所、中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所。氣溶膠反演相關(guān)研究具有良好的發(fā)展前景，中國科學(xué)院等高等科研機(jī)構(gòu)在氣溶膠反演領(lǐng)域投入較大比例，如圖3所示。

圖3 專家學(xué)者氣溶膠反演文章發(fā)表量分析Fig.3 Aerosol inversion article published analysis by experts and scholars

2.4 核心期刊分析

2.4.1 研究區(qū)域

研究尺度對(duì)科學(xué)研究具有重要意義?？臻g研究可分成分子尺度、微觀尺度、區(qū)域尺度、全國尺度、全球尺度，時(shí)間研究從一秒到一年不等[11]。不同的尺度對(duì)于數(shù)據(jù)數(shù)量和數(shù)據(jù)精度的要求不同，對(duì)研究思路具有一定的影響，所以探究氣溶膠反演研究尺度對(duì)于進(jìn)一步深入探究氣溶膠反演的相關(guān)技術(shù)、成因機(jī)理、影響因素具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

全國尺度下氣溶膠研究共有4篇。在區(qū)域尺度下除北京外，較少有相關(guān)研究以市為區(qū)域展開研究，這與北京地區(qū)研究水平較為領(lǐng)先有關(guān)，其他區(qū)域研究中多以地區(qū)與流域?yàn)橹?。氣溶膠為液態(tài)或固態(tài)懸浮微粒在空氣中形成的懸浮體系，由于在空氣中的懸浮微粒具有自由擴(kuò)散性，所以氣溶膠的影響范圍較廣，不易以較小尺度為單位開展相關(guān)研究。通過關(guān)鍵詞搜索、整理、篩選，氣溶膠研究地區(qū)主要分布于華北（35篇）、華東（19篇）、海域（15篇）、西北（8篇）、港澳臺(tái)（5篇）、華南（4篇）、東北（3篇）、華中（2篇）、西南（2篇）。其中華北地區(qū)相關(guān)研究以京津冀三地及其輻射圈為主。京津冀是近些年來城市快速發(fā)展的典型地域，大氣污染是影響京津冀地區(qū)人民生產(chǎn)生活的重要因素之一，華北地區(qū)氣溶膠研究多以霧霾為主要研究對(duì)象，探究其形成原因與形成過程。氣溶膠反演研究覆蓋區(qū)域較廣，但多集中于東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，鮮有在中部或西部地域開展相關(guān)研究。在未來應(yīng)加強(qiáng)中西部地區(qū)的氣溶膠反演研究，建立西、中、東部聯(lián)動(dòng)研究體系，上至全國尺度下至市域尺度的相關(guān)方法理論，探究氣溶膠反演研究不同區(qū)域所適宜的不同研究手段。系統(tǒng)研究體系的建立，將為我國氣溶膠反演研究的長足發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4.2 研究方法

根據(jù)研究方法將氣溶膠衛(wèi)星遙感反演文獻(xiàn)主要分為五大類[2]?；趩瓮ǖ篮投嗤ǖ婪ǖ姆囱莘椒?，共58篇文獻(xiàn)；其中應(yīng)用最多的是暗像元法，利用暗目標(biāo)在紅、藍(lán)波段的線性關(guān)系消除地表貢獻(xiàn)率實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠的監(jiān)測(cè)[12]，其次是深藍(lán)算法，基于地表反射率庫獲取地表反射率進(jìn)行氣溶膠反演，適用于暗目標(biāo)和干旱、半干旱地區(qū)[13]。結(jié)構(gòu)函數(shù)法，共2篇，能反演荒漠、城市等亮地表地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度，且得到的光學(xué)厚度不受氣溶膠散射相函數(shù)的影響[14]。基于多角度數(shù)據(jù)的反演方法，共1篇，能夠準(zhǔn)確地反演氣溶膠光學(xué)厚度，對(duì)均一的亮、暗地表都有較好的適用性[2]?；谄駭?shù)據(jù)的反演方法，共11篇，偏振輻射只對(duì)氣溶膠粒子的特性敏感，其信息有助于氣溶膠信息的提取[15]?；谛禽d激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的反演方法，共11篇，可以獲得氣溶膠的垂直分布信息，并在一定程度上區(qū)分氣溶膠類型[16]。

通過文獻(xiàn)分析可得，氣溶膠衛(wèi)星遙感反演研究方法較為豐富，不同的方法對(duì)不同的氣象條件、研究尺度、區(qū)域條件的要求不盡相同。氣溶膠反演研究往往是基于一定研究區(qū)域的某一時(shí)段進(jìn)行反演，再深入分析氣溶膠成因及其影響機(jī)理。

3 結(jié)束語

3.1 研究結(jié)果

文章結(jié)合圖表統(tǒng)計(jì)與定性定量的研究方法，搜索整理CNKI學(xué)術(shù)期刊子數(shù)據(jù)庫中1985至2018年3月的614篇?dú)馊苣z反演文獻(xiàn)，從發(fā)展時(shí)間、研究區(qū)域、研究方法等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究結(jié)果表明：

1）氣溶膠反演研究主要集中在城市化程度較高的區(qū)域，如華北地區(qū)、華東地區(qū)等，城市發(fā)展導(dǎo)致的霧霾和環(huán)境污染在這些區(qū)域較為集中，與氣溶膠反演研究密切相關(guān)。

2）氣溶膠衛(wèi)星遙感反演研究具有較強(qiáng)的科學(xué)性和系統(tǒng)性，研究方法分門別類，且日趨成熟與完善，其中以暗目標(biāo)法及其改進(jìn)方法為主要研究方法。

3）隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，以及當(dāng)下對(duì)大氣環(huán)境的高度關(guān)注，氣溶膠反演研究不斷深入，重大基金項(xiàng)目的支持力度不斷增大，權(quán)威專家學(xué)者深入探索，文獻(xiàn)數(shù)量日趨增長，氣溶膠反演研究呈蓬勃增長態(tài)勢(shì)。

3.2 展望

通過上述研究成果，文章提出以下幾點(diǎn)展望：

1）氣溶膠反演研究在中國東部地區(qū)研究較為廣泛，但在中國中西部地區(qū)涉及較少，未來需要加強(qiáng)中國中西部地區(qū)氣溶膠反演力度。

2）針對(duì)不同區(qū)域與地表情況，現(xiàn)有的氣溶膠衛(wèi)星遙感反演算法都存在較為明顯的局限性，未來的研究方向應(yīng)該集中于對(duì)各類方法的優(yōu)化擴(kuò)展，以及方法間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3）現(xiàn)有研究對(duì)氣溶膠形成因素的探究深度不足，未來應(yīng)予增強(qiáng)，尤其是針對(duì)霧霾形成因素的探究。對(duì)霧霾形成原因、影響范圍的不斷深入的研究將有效促進(jìn)我國霧霾治理技術(shù)的發(fā)展。