大氣氣溶膠遙感監(jiān)測及其網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的研究

郝震寰 陳旭 管守標(biāo) 高妮 劉偉霞 饒琬婧

摘? 要：大氣氣溶膠對(duì)地球的氣候和環(huán)境有著直接的影響，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷向前發(fā)展，顆粒污染物的排放越來越多，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。在我國大氣嚴(yán)重污染的現(xiàn)狀下，利用遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控和定量分析已經(jīng)迫在眉睫。該文主要介紹大氣氣溶膠監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，旨在為我國環(huán)境保護(hù)提供思路和方法。

關(guān)鍵詞：大氣氣溶膠? 顆粒污染物? 遙感技術(shù)? 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

中圖分類號(hào)：P407? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（b）-0028-02

在大氣中存在大量的氣溶膠，其來源廣泛且復(fù)雜，包括由自然原因形成的初級(jí)和次級(jí)大氣氣溶膠顆粒，如灰塵、沙子、火山灰、煙塵、植被排放等，以及人類活動(dòng)如農(nóng)業(yè)和林業(yè)發(fā)展、建筑物產(chǎn)生的初級(jí)大氣氣溶膠排放、塵埃、汽車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)等，其中SO2、NO2和其他氣體會(huì)通過二次大氣氣溶膠顆粒的均相和非均相化學(xué)反應(yīng)。

在過去的半個(gè)世紀(jì)里，全球人類活動(dòng)在大多數(shù)地區(qū)強(qiáng)行增加了大氣氣溶膠的含量，衛(wèi)星遙感監(jiān)測氣溶膠的科學(xué)目的是為了保證氣候評(píng)估的準(zhǔn)確性，人類活動(dòng)形成的大氣氣溶膠的含量不斷增加，其中極高值區(qū)會(huì)嚴(yán)重威脅和危害人類健康，因此大氣氣溶膠成為了人們普遍關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。通過遙感衛(wèi)星進(jìn)行大氣氣溶膠的監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)在環(huán)境及身體健康評(píng)估方面有著極其普遍的應(yīng)用。

沙塵暴和霧霾兩種極端天氣現(xiàn)象是由于大氣中高濃度的氣溶膠導(dǎo)致的;氣溶膠與干旱、暴雨等極端天氣事件有間接關(guān)系;由于不同類型氣溶膠的輻射特性不同，直接和間接輻射強(qiáng)迫導(dǎo)致全球氣候的變暖和降溫，這種影響已經(jīng)成為在氣候研究中成為最大的不確定因素。大氣氣溶膠不管是在短期的天氣預(yù)報(bào)，還是長期的氣候監(jiān)測中都有著舉足輕重的地位。人為因素產(chǎn)生的氣溶膠已成為工業(yè)集中區(qū)大氣污染的嚴(yán)重組成部分，因此利用遙感技術(shù)對(duì)大氣氣溶膠的監(jiān)測計(jì)算有著重要意義。

1? 氣溶膠遙感監(jiān)測技術(shù)

1.1 多光譜手段氣溶膠遙感探測

多光譜方法是最早的氣溶膠遙感反演方法，它是標(biāo)量探測方法。它探測機(jī)制是在成像區(qū)域中搜索暗像素以獲得多光譜（0.47～2.12μm）的大氣輻射，然后反演氣溶膠光學(xué)厚度以及其他參數(shù)。它有極好的覆蓋面，但缺點(diǎn)是在明亮的表面區(qū)域沒有氣溶膠檢測能力，由于多角度和偏振信息的缺乏，只能建立簡單的氣溶膠微物理模型，從而反演結(jié)果不精確。

1.2 激光雷達(dá)手段氣溶膠探測

GLAS激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種主動(dòng)傳感器，主要分為高度測量、后向散射、差分吸收、多普勒測風(fēng)等，專為NASA測量海冰而設(shè)計(jì)的。它由10cm的表面激光高度計(jì)和雙波長背向散射激光雷達(dá)組成，用于測量云和氣溶膠，CATS太空激光雷達(dá)于2012年由美國美國宇航局提出，計(jì)劃安裝在國際空間站的多波長散射氣溶膠和云測量激光雷達(dá)。

1.3 單通道遙感和多通道遙感

單通道方法利用可見光通道反演和分析大氣中的氣溶膠，這種方法廣泛應(yīng)用在海洋上空的平流層和對(duì)流層的氣溶膠分布。在使用可見光和近紅外波段建立雙波段模式時(shí)，多通道遙感是最常見的。因此，對(duì)于太陽輻射，氣體分子帶來的散射可以直接忽略掉，但是云滴和氣溶膠的散射不能忽略不計(jì)?？傊瑔瓮ǖ篮投嗤ǖ婪椒ㄖ饕獞?yīng)用于低反射率像元，例如清水或茂密植被，并且要求關(guān)于地表反射率的先驗(yàn)過程。

1.4 多角度多通道遙感

多角度多通道遙感是對(duì)單通道和多通道反演方法的升級(jí)。在陸地上可以使用兩種不同的方法，如果存在暗、稠密的植被，則利用低地表反射率的暗、稠密的植被，結(jié)合多角度觀測，可以反演氣溶膠參數(shù)。如果不存在，則通過觀測信號(hào)的空間對(duì)比度和角的變化信息，將地表和大氣信號(hào)進(jìn)行分離處理，得到觀測區(qū)域的氣溶膠參數(shù)。近年來，多角度觀測是大氣氣溶膠反演的新思路，多角度傳感器也隨之問世，遙感氣溶膠在精確度方面也得到了明顯的提高。

1.5 對(duì)比度降低法

可見光和近紅外區(qū)，大氣效應(yīng)主要來源于大氣分子和氣溶膠的散射。因此要消除掉大氣的影響，有兩種消除大氣影響的方法。其中一種是尋找穩(wěn)定的參照物，如純水和暗植被等，以它們?yōu)槁窂捷椛涞膮⒖贾?，用來目?biāo)反射率的不確定性，從而降低氣溶膠光學(xué)厚度的估計(jì)誤差。

1.6 熱對(duì)比法

熱對(duì)比法是研究光亮地區(qū)的光學(xué)厚度。該算法假設(shè)從地球表面發(fā)射的輻射保持不變，或與觀測時(shí)間線性相關(guān)，其中氣溶膠非常小并趨于收斂。當(dāng)存在氣溶膠時(shí)，從表面發(fā)射的長波輻射被截獲，并且傳感器的接收輻射減少。另一方面，它也減少了對(duì)表面的輻射，從而降低了地表溫度。這增加了在晴朗和多云的大氣中的熱對(duì)比度，相反，熱對(duì)比度反映了氣溶膠的變化，因此這種方法適用于紅外受氣溶膠影響較大的區(qū)域。

1.7 陸海反差法

在衛(wèi)星監(jiān)測過程中，氣溶膠光學(xué)厚度和單次散射相位函數(shù)決定了地表的低反射率?，F(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中有一種適用于地表反射率實(shí)時(shí)變化的區(qū)域，如陸水界面的反演算法，該算法近似于輻射傳輸方程，適用于平面平行大氣，其中可用波長限制在400～800nm的范圍內(nèi)。

2? 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法

其中：

θs為太陽天頂角，θv為衛(wèi)星天頂角;

φ為相對(duì)方位角;

為向下整層大氣透過率（直射），T（v）為向上整層大氣透過率（漫射）;

S為大氣的球面反照率;

P為地表反射率。

MODIS的暗像素算法是主流的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法，由上述方程得知，衛(wèi)星觀測反射率在地表反射率較小時(shí)主要取決于方程式右邊第一項(xiàng)，而第二項(xiàng)較小可忽略。具體步驟如下所述。

（1）選擇氣溶膠光學(xué)厚度的反演應(yīng)為晴天，即對(duì)衛(wèi)星輻射信息進(jìn)行云監(jiān)測。使用標(biāo)準(zhǔn)化云端口產(chǎn)品，刪除包含云的像素點(diǎn);使用標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)篩選水像素點(diǎn)、雪像素點(diǎn)和冰像素點(diǎn);在10km×10km范圍內(nèi)選擇無云的像素點(diǎn)。

（2）使用中紅外通道的反射率與低反射率表面的紅色和藍(lán)色可見光通道，計(jì)算兩者間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，確定可見光通道的地表反射率。衛(wèi)星從2.13μm通道的表觀反射率受氣溶膠的影響較小，可以忽略不計(jì)，因此2.13um通道的反照率選擇從0.01到0.25之間的暗像元;剩下的像素由0.66μm進(jìn)行分析，地表反射率（其中不包括最暗的20%的和最亮50%，剩余的30%至少存在120個(gè)像素點(diǎn)）平均值作為10km×10km區(qū)域內(nèi)的平均值。

（3）選擇氣溶膠模型。紅色和藍(lán)色光路的輻射比率用于確定氣溶膠的類型，在反演過程中，采用動(dòng)態(tài)氣溶膠輸入模式，對(duì)于不同的氣溶膠類型，要選擇不同的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析。

（4）基于氣溶膠類型和地表反照率，檢查獲得氣溶膠光學(xué)厚度等參數(shù)。MODIS反演算法是以暗背景算法為基礎(chǔ)的，因此適合用于具有植被的陸地表面，不適用于沙漠、戈壁等明亮地表，不可能在大部分地區(qū)給出氣溶膠的分布，如中國西北沙漠和植被較少的地區(qū)。在干旱的沙漠和戈壁等明亮的表面區(qū)域，即小于0.5μm的藍(lán)光波段的地表反照率很小，可以通過模擬藍(lán)色通道計(jì)算地表反照率，進(jìn)而反演大氣氣溶膠的光學(xué)厚度，此算法又被稱為深藍(lán)算法。

3? 結(jié)語

大氣輻射平衡受到大氣氣溶膠直射和散射的直接影響，這種影響不僅破壞當(dāng)?shù)鼗蛉蛏鷳B(tài)環(huán)境、影響氣候，而且對(duì)人類身體健康產(chǎn)生極大的威脅和危害。因此，充分認(rèn)識(shí)氣溶膠對(duì)生態(tài)和環(huán)境的影響具有重要的意義，也有必要深入研究氣溶膠和光學(xué)性質(zhì)的反演。

參考文獻(xiàn)

[1] 宗葉平.探討城市大氣污染的定量遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2018（10）：57.

[2] 陳洪濱，范學(xué)花，夏祥鰲.大氣氣溶膠的衛(wèi)星遙感及其在氣候和環(huán)境研究中的應(yīng)用[J].大氣科學(xué)，2018，42（3）：621-633.

[3] 夏安全.基于MODIS影像的濟(jì)南市氣溶膠反演研究與系統(tǒng)開發(fā)[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

①基金項(xiàng)目：高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)——基于高分?jǐn)?shù)據(jù)的京津冀一體化協(xié)同發(fā)展區(qū)域監(jiān)測技術(shù)（項(xiàng)目編號(hào)：67-Y20A07-9002-16/17）。