福建省空氣清新度衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)

李愷霖，張春桂，廖 廓，李麗純，王 宏

(1.福建省氣象信息中心，福州 350001；2.福建省氣象科學(xué)研究所，福州 350001)

0 引言

大氣氣溶膠通常是指懸浮在大氣中直徑小于100 μm 的液態(tài)和固態(tài)顆?？偡Q，其質(zhì)量?jī)H占整個(gè)大氣質(zhì)量的十億分之一，可散射和吸收太陽(yáng)短波輻射以及地球長(zhǎng)波輻射，從而影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡(直接效應(yīng))，并且可以作為凝結(jié)核影響云的輻射特性以及作為反應(yīng)表面，影響大量化學(xué)反應(yīng)的速度(間接效應(yīng))，因此其對(duì)大氣輻射傳輸和水循環(huán)均有重要影響[1]。氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)定義為氣溶膠的消光系數(shù)沿輻射傳播路徑在垂直方向上的積分[2]。該參數(shù)描述了氣溶膠對(duì)光的衰減作用，為無(wú)量綱量。AOD是大氣氣溶膠最基本的光學(xué)特性之一，同時(shí)也是描述氣溶膠特性、表征大氣渾濁度的重要物理量之一，能在一定程度上反映區(qū)域大氣的污染程度。

目前獲取大氣氣溶膠光學(xué)厚度資料的手段包括地基遙感和衛(wèi)星遙感[3-5]。與地基遙感相比，衛(wèi)星遙感具有連續(xù)、動(dòng)態(tài)、宏觀、快速的優(yōu)勢(shì)，為獲取大范圍的時(shí)空覆蓋、變化趨勢(shì)及氣溶膠輸送源的信息提供了強(qiáng)有力的監(jiān)測(cè)手段[6-7]。

日本氣象廳于2014年7月發(fā)射了新一代靜止氣象衛(wèi)星葵花-8(Himawari-8)并于2015年7月開(kāi)始提供運(yùn)營(yíng)[8]?？?8/AHI (Advanced Himawari Image)包含對(duì)氣溶膠敏感的藍(lán)光通道，在陸地氣溶膠反演方面具有很大的潛力。葛邦宇等[9]利用暗目標(biāo)法對(duì)葵花-8數(shù)據(jù)氣溶膠進(jìn)行了反演，分析了京津冀地區(qū)大氣的空間分布和日變化情況；Yan等[10]利用最小反射率氣溶膠反演方法對(duì)葵花-8衛(wèi)星資料在北京及其附近區(qū)域進(jìn)行了驗(yàn)證；Zhang等[11]利用葵花-8衛(wèi)星資料與新的AOD反演方法，與MODIS資料進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該衛(wèi)星在東亞地區(qū)的適用性，結(jié)果表明該衛(wèi)星與MODIS氣溶膠產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上，與陸基觀測(cè)相比，同樣達(dá)到了很高的相關(guān)系數(shù)(0.86)。

綠地在生態(tài)系統(tǒng)占據(jù)重要的位置，尤其突出的是其在吸收、降解大氣污染物中表現(xiàn)出的顯著效果，且與AOD大小關(guān)系十分密切[12-16]?，F(xiàn)在通用的表征城市綠色環(huán)境質(zhì)量特征的一個(gè)指標(biāo)就是歸一化植被指數(shù) (normalized difference vegetation index,NDVI)，它是影響城市空氣污染濃度的重要指標(biāo)[17]，它可以通過(guò)反映區(qū)域地表植被的種類、覆蓋密度等特征來(lái)表征區(qū)域下墊面的植被覆蓋情況。NDVI 數(shù)值愈大表示植物生長(zhǎng)愈多。眾多學(xué)者利用MODIS的NDVI指數(shù)與AOD之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的成果。張磊[18]利用MODIS的AOD數(shù)據(jù)與NDVI數(shù)據(jù)集研究了廣東地區(qū)AOD變化規(guī)律與影響因素，指出AOD與NDVI在廣東有著顯著的負(fù)相關(guān)；方煒[19]利用AOD建立與PM2.5相關(guān)模型，驗(yàn)證了其與NDVI在廣州市呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，植被對(duì)顆粒物的吸附效果明顯；岳輝[20]利用MODIS中AOD數(shù)據(jù)建立起了與PM10之間相關(guān)模型，并分析得出武漢市PM10數(shù)值與NDVI呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)；董自鵬等[21]指出陜西省氣溶膠波長(zhǎng)指數(shù)分布與植被覆蓋情況密切相關(guān)，地面揚(yáng)塵是粗模態(tài)氣溶膠的重要來(lái)源，NDVI上升和沙塵天氣的減少使秦嶺以北地區(qū)粗模態(tài)AOD逐年遞減。

綜上的研究表明地表植被的覆蓋能夠有效吸附空氣中的懸浮物，對(duì)大氣中的粉塵、微小顆粒具有附擋、吸附、滯留和過(guò)濾的作用，從而達(dá)到“凈化”空氣的效果，抑制了AOD高值的產(chǎn)生，對(duì)改善透明度有很大作用。衛(wèi)星具有觀測(cè)范圍大，時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，那么如何通過(guò)衛(wèi)星定量描述清新福建，并通過(guò)定義一種指數(shù)，建立起NDVI與AOD之間關(guān)系，用以表征福建省的清新程度，并闡述其在建設(shè)清新福建中的應(yīng)用，本文將在這方面進(jìn)行探索。

1 研究區(qū)概況

福建省地處東南沿海，地理范圍在E115°40′～120°30′，N23°30′～28°20′之間，森林覆蓋率達(dá)65.95%，連續(xù)37年位居全國(guó)第一，是全國(guó)“最綠”省份。生態(tài)資源已經(jīng)成為福建省最寶貴的資源，生態(tài)優(yōu)勢(shì)是福建省最具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，森林生態(tài)系統(tǒng)是開(kāi)展養(yǎng)生旅游的重要載體和場(chǎng)所之一[22]。從2013年初開(kāi)始，全國(guó)多地遭遇霧霾沙塵天氣，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境非常關(guān)注，從那時(shí)候起提出了“清新福建”的概念[23]。2014年福建省優(yōu)質(zhì)生態(tài)旅游景區(qū)“清新指數(shù)”正式對(duì)外發(fā)布，在全國(guó)率先發(fā)布涵蓋PM2.5、負(fù)氧離子等指標(biāo)的指數(shù)，以數(shù)據(jù)建立生態(tài)旅游新標(biāo)準(zhǔn)[24]。衛(wèi)星遙感空氣清新度(remote sensing atmosphere index,RSAI)指數(shù)的建立將有助于深入了解福建的生態(tài)環(huán)境情況，能更好更全面地描述“清新福建”。

2 數(shù)據(jù)源

葵花-8衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)來(lái)源于日本氣象廳，數(shù)據(jù)的下載地址為http://www.eorc.jaxa.jp/ptree/?？?8衛(wèi)星采用了全盤掃描的方法，觀測(cè)范圍為S60°～N60°，E80°～W160°。AOD僅有日間觀測(cè)資料，分為二級(jí)(L2)和三級(jí)(L3)資料，空間分辨率均為5 km×5 km，其中L2資料10 min產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)，L3資料1h產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)。葵花-8衛(wèi)星AOD質(zhì)量控制分為4個(gè)等級(jí)，分別為“very good”(很好)、“good”(好)、“marginal”(邊緣的)、“no confidence”(不可信任的)。Zang等[25]選取了超過(guò)10 000個(gè)質(zhì)量為“very good”的數(shù)據(jù)與氣溶膠自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng) (Aerosol Robotic Network,AERONET)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.74，不確定性為0.24，分時(shí)段對(duì)比發(fā)現(xiàn)，AOD的反演質(zhì)量在當(dāng)?shù)貢r(shí)間12：00—14：00時(shí)，質(zhì)量最好；14:00—17:00時(shí)，質(zhì)量次之；9:00—11:00時(shí)，質(zhì)量最差。文中選擇觀測(cè)時(shí)段為北京時(shí)間8:00—17:00時(shí)的逐時(shí)數(shù)據(jù)。

本研究采用的NDVI來(lái)源于國(guó)家衛(wèi)星氣象中心業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)，是以EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為信息源，在對(duì)EOS/MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行包括地理定位、通道定標(biāo)和投影變換等預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用NDVI公式計(jì)算出來(lái)的。為了與葵花-8的AOD資料的時(shí)空分辨率相一致，本研究將NDVI數(shù)據(jù)通過(guò)重采樣稀疏化處理成與葵花-8的AOD產(chǎn)品相同的5 km空間分辨率，研究的時(shí)段為2015年12月—2018年9月，并根據(jù)福建的氣候特點(diǎn)，定義春季為3—6月，夏季為7—9月，秋季為10—11月，冬季為12—來(lái)年2月[26]。為了與周邊區(qū)域進(jìn)行比較，將區(qū)域范圍擴(kuò)大到E110°～125°，N20°～35°。

3 研究方法

3.1 AOD

AOD和?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)是表征大氣光學(xué)特性的基本參數(shù)，可以用來(lái)推算大氣氣溶膠的含量。AOD的具體的計(jì)算公式為[27]

τ(λ)=βλ-α，

(1)

式中：τ(λ)為AOD；β為渾濁系數(shù)；α為?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)。α是定性衡量氣溶膠粒子大小的一個(gè)重要光學(xué)參數(shù)，其值越小說(shuō)明粒子越大，反之亦然[28]。α通過(guò)在式(2)中代入不同的波長(zhǎng)相除后，取以常數(shù)e為底數(shù)的對(duì)數(shù)ln得到，即

(2)

葵花-8的AOD數(shù)據(jù)的具體計(jì)算方法為：首先通過(guò)利用公式(3)計(jì)算出α；然后將其代入公式(2)計(jì)算出τ(λ)；最后通過(guò)引用基于確定的球形粒子氣溶膠模型查找表，查找出相應(yīng)的AOD數(shù)值。

葵花-8的AOD資料為逐時(shí)數(shù)據(jù)，為了得到日平均、月平均和季節(jié)平均的結(jié)果，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。平均值可表示為

(3)

式中：avalid表示在行數(shù)為i，列數(shù)為j格點(diǎn)上的平均值；N表示不同文件同一格點(diǎn)上，有數(shù)值并且通過(guò)質(zhì)量控制的文件個(gè)數(shù)；aij代表行數(shù)為i，列數(shù)為j格點(diǎn)上的AOD數(shù)值，aij數(shù)值有3種情況，分別為缺測(cè)、反演失敗、有數(shù)值并且有質(zhì)量保證[29]。在文中采用的有數(shù)值且有質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)即為質(zhì)量控制等級(jí)為“very good”的數(shù)據(jù)。3種情況下AOD的數(shù)值分別為：0，0，實(shí)際值。只有當(dāng)AOD為實(shí)際值時(shí)，該格點(diǎn)才參與運(yùn)算，所得的日平均為參與計(jì)算格點(diǎn)的平均值。在此基礎(chǔ)上進(jìn)而得到月數(shù)據(jù)和季節(jié)數(shù)據(jù)。

3.2 NDVI

為了能有效地排除大氣的干擾和福建地區(qū)多云天氣的影響，本研究的NDVI資料采用月合成資料，具體方法是先根據(jù)目前最為常用的NDVI計(jì)算公式計(jì)算出福建地區(qū)晴空NDVI值，即

NDVI=(Xnir-Xred)/(Xnir+Xred)，

(4)

式中，Xnir和Xred分別是近紅外波段和紅光波段的反射率，對(duì)于MODIS數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，分別對(duì)應(yīng)于CH2波段(0.841～0.876 μm)和CH1波段(0.62～0.67 μm)。

然后通過(guò)最大值合成法(maximum value composite,MVC)將每天NDVI數(shù)據(jù)合成為每月NDVI數(shù)據(jù)，MVC法可以進(jìn)一步消除大氣對(duì)NDVI削弱的影響以及消除云的影響，MVC表達(dá)式為

Mt=max[NDVI(t)]，

(5)

式中，Mt為月NDVI值；t為月份。

3.3 指數(shù)構(gòu)建

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，福建省內(nèi)AOD與NDVI多年平均值均在[0,1]之間。為了建立起AOD與NDVI之間的聯(lián)系，定義了衛(wèi)星遙感空氣清新度(remote sensing atmosphere index,RSAI)指數(shù)，其具體計(jì)算公式為

(6)

式中：c，d為權(quán)重系數(shù)。為了使AOD與NDVI單調(diào)性一致，且有相同的取值范圍，對(duì)2個(gè)變量進(jìn)行了均一化處理。當(dāng)AOD與NDVI都有數(shù)值，且經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后RSAI數(shù)值為有效，否則設(shè)為缺測(cè)。數(shù)值越大表示空氣越清新。表1為參考世界衛(wèi)生組織關(guān)于空氣清新度等級(jí)劃分中的負(fù)氧離子指標(biāo)[30]，結(jié)合福建實(shí)際，制訂的RSAI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 衛(wèi)星遙感空氣清新度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grinding standard of RSAI

4 結(jié)果分析

4.1 AOD的季節(jié)分布

圖1給出了福建地區(qū)AOD季節(jié)變化的時(shí)空分布，從圖中可以看出，春季，福建省大部分AOD數(shù)值在0.2左右，閩西北部分山區(qū)的數(shù)值在0.1左右，福建省沿海地區(qū)為AOD的大值區(qū)，數(shù)值在0.4左右，對(duì)比大陸周邊省份，春季福建省大部AOD數(shù)值較低；夏季，福建省大部AOD的數(shù)值范圍在0.2～0.3之間，AOD大值區(qū)在福建中南部沿海，相比于大陸周邊省份，夏季福建省AOD總體數(shù)值較低；秋季，福建省西部大部地區(qū)AOD都在0.2以下，福建省中北部AOD大值區(qū)數(shù)值相比較于春夏有所降低，但閩南地區(qū)AOD數(shù)值上升，達(dá)到全年的最大值，福建省秋季整體AOD數(shù)值大大低于大陸周邊省份，是一年中數(shù)值最低的季節(jié)；冬季福建省大部分AOD數(shù)值在0.2左右，AOD的高值區(qū)在福建省閩南沿海，冬季福建全省AOD數(shù)值低于大陸周邊省份。

造成上述現(xiàn)象的原因有3點(diǎn)：①沿海地區(qū)污染排放源強(qiáng)度大于內(nèi)陸地區(qū)，其中中南部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密、汽車保有量大，并有較多工業(yè)區(qū)，氣溶膠排放量相對(duì)大；而北部沿海地區(qū)受北霾南輸影響，是區(qū)域污染輸送開(kāi)始的第一站，結(jié)束的最后一站，因此全年氣溶膠濃度平均值也高于內(nèi)陸；②天氣氣候原因，沿海地區(qū)常年降水(不考慮臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的極端降水)平均值低于內(nèi)陸地區(qū)，大氣濕清除條件不如內(nèi)陸地區(qū)好，尤其漳州地區(qū)為福建省降水最少的地區(qū)，晴熱干燥的氣象條件下造成AOD數(shù)值較大；③沿海森林覆蓋率低于內(nèi)陸，植被對(duì)顆粒物吸附能力總量較低。

有研究表明[31]：顆粒物通過(guò)對(duì)光的吸收和散射使地面大氣水平能見(jiàn)度急劇降低，進(jìn)而對(duì)居民生活、工作等造成不利影響，特別是能見(jiàn)度的改變會(huì)影響個(gè)體行為，降低對(duì)自然保護(hù)區(qū)、公園、景點(diǎn)的參觀頻率，從而減少旅游收入。與能見(jiàn)度直接相關(guān)的AOD起到直接作用。結(jié)合上述分析，福建省一年四季AOD數(shù)值較低，四季能見(jiàn)度優(yōu)良，尤其以秋季閩西地區(qū)能見(jiàn)度極佳，均適合開(kāi)發(fā)生態(tài)游項(xiàng)目。

(a)春 (b)夏

(c)秋 (d)冬

圖1 福建省氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)變化時(shí)空分布示意圖

Fig.1SpatialdistributionofseasonalmeanAODinFujianProvince

4.2 NDVI的季節(jié)分布

通過(guò)MODIS的NDVI數(shù)據(jù)集能更直觀地了解福建省內(nèi)植被四季的覆蓋情況，為生態(tài)、鄉(xiāng)村旅游提供參考。

圖2位置中，給出了福建省NDVI的時(shí)空變化分布。從圖中可以看出，春夏2季全省大部的NDVI都在0.7以上，植被覆蓋良好，而且NDVI數(shù)值在0.7左右的區(qū)域，福建省所占面積大于大陸周邊省份，這與福建全省森林覆蓋率排名全國(guó)第一的情況吻合；秋冬2季由于作物收割或長(zhǎng)勢(shì)弱化，NDVI的數(shù)值有所降低，但植被覆蓋率依舊高于大陸周邊省份。與長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲和南昌市城市群相比，福建境內(nèi)福夏泉城市群植被覆蓋良好，季節(jié)差異不大。

(a)春 (b)夏

圖2-1 福建省歸一化的植被指數(shù)(NDVI)季節(jié)變化時(shí)空分布示意圖

Fig.2-1SpatialdistributionofseasonalmeanNDVIinFujianProvince

(c)秋 (d)冬

圖2-2 福建省歸一化的植被指數(shù)(NDVI)季節(jié)變化時(shí)空分布示意圖

Fig.2-2SpatialdistributionofseasonalmeanNDVIinFujianProvince

4.3 RSAI的季節(jié)分布

通過(guò)結(jié)合AOD與NDVI 2個(gè)生態(tài)環(huán)境的重要物理量，新構(gòu)建了RSAI指數(shù)，定量描述了福建省生態(tài)總體情況。

圖3給出了福建省衛(wèi)星遙感清新度季節(jié)變化時(shí)空分布，根據(jù)表1中給出的標(biāo)準(zhǔn)，定義了非常清新、清新、較清新、一般和不清新4個(gè)等級(jí)。從圖中可以看出，春季，福建省大部RSAI為清新，沿海地區(qū)為一般；夏季，福建省大部RSAI清新和較清新，沿海地區(qū)一般；秋季，福建省大部地區(qū)RSAI以清新為主，部分地區(qū)RSAI為非常清新，但閩南沿海地區(qū)RSAI一般，少部地區(qū)為不清新；冬季，福建省大部RSAI以清新和較清新為主，閩南沿海少部地區(qū)為不清新。根據(jù)RSAI分級(jí)，福建省四季皆以清新以上等級(jí)為主，四季RSAI皆高于大陸周邊省份，顯示出福建省特有的生態(tài)優(yōu)勢(shì)。

(a)春 (b)夏

(c)秋 (d)冬

圖3 福建省衛(wèi)星遙感清新度季節(jié)變化時(shí)空分布示意圖

Fig.3SpatialdistributionofseasonalmeanRSAIinFujianProvince

5 結(jié)論與討論

通過(guò)綜合利用葵花-8衛(wèi)星AOD數(shù)據(jù)三級(jí)(L3)資料和MODIS的NDVI資料，構(gòu)建了RSAI指數(shù)，并以福建省為例分析了其季節(jié)變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)四季福建省大部AOD變化不大，低值區(qū)一般分布在閩西北山區(qū)，東南沿海為大值區(qū)，其中閩南沿海均為當(dāng)季福建省AOD大值區(qū)。福建省四季整體AOD皆低于大陸周邊省份，以秋季最為明顯。

2)造成福建省AOD沿海高內(nèi)陸低，閩南沿海為大值中心這種現(xiàn)象的原因是，沿海地區(qū)污染排放源強(qiáng)大于內(nèi)陸地區(qū)，氣溶膠排放量相對(duì)大；而北部沿海地區(qū)受北霾南輸影響，全年AOD平均值也高于內(nèi)陸；沿海地區(qū)常年降水平均值低于內(nèi)陸地區(qū)，大氣濕清除條件不如內(nèi)陸地區(qū)好，尤以漳州地區(qū)降水最為稀少，晴熱干燥的氣象條件下造成AOD數(shù)值較大；沿海森林覆蓋率低于內(nèi)陸，植被對(duì)顆粒物吸附能力總量較低。

3)春夏兩季全省大部植被覆蓋良好，NDVI較大數(shù)值福建省所占面積大于大陸周邊省份。秋冬兩季，NDVI的數(shù)值有所降低，但植被的覆蓋率依舊高于大陸周邊省份。與研究范圍內(nèi)城市群相比，福建境內(nèi)福夏泉城市群植被覆蓋良好，季節(jié)差異不大。

4)四季福建省大部RSAI指數(shù)以清新為主，其中秋季RSAI指數(shù)最佳。RSAI指數(shù)一般的地區(qū)集中在福建沿海，閩南沿海為RSAI指數(shù)較差地區(qū)。福建四季RSAI指數(shù)皆高于大陸周邊省份，顯示出福建特有的生態(tài)優(yōu)勢(shì)。

5)通過(guò)對(duì)AOD，NDVI和RSAI的分析，福建氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)值較低，植被覆蓋好，衛(wèi)星遙感空氣清新度指數(shù)高，對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明，推動(dòng)既要金山銀山，又要綠水青山的實(shí)踐有著一定的參考意義。

但是，在使用葵花-8衛(wèi)星和MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)候主要考慮了季節(jié)變化，指數(shù)的構(gòu)建也多依賴于平時(shí)業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)。因此，今后將更加深入開(kāi)展AOD與NDVI之間的關(guān)系研究，使RSAI的構(gòu)建更加科學(xué)合理。