基于MODIS數(shù)據(jù)的三門峽市氣溶膠時空變化特征分析

李卿

摘要 通過收集MODIS/Terra中Collection6數(shù)據(jù)集做分析，探討三門峽市氣溶膠在不同時間階段、季節(jié)情況及空間區(qū)域中的光學厚度（AOD），分析三門峽市氣溶膠光學厚度的時空變化特征。結(jié)果表明：（1）2001—2020年三門峽市年均值整體以每年0.003 3的速率增加，最大峰值出現(xiàn)在2011年（1.01）;以2011年為界，2001—2011年呈顯著增長趨勢，2012—2020年呈顯著下降趨勢。AOD季節(jié)均值夏季的最大，春季的次之，冬季的最小。（2）2001—2020年三門峽市。夏季均值波動較大，春季均值與年均值趨勢基本一致。年均值和季均值與對應(yīng)時間尺度的降水量有負相關(guān)關(guān)系。工業(yè)產(chǎn)值占GDP比重與NOD年均值呈正相關(guān)關(guān)系。（3）2001—2020年三門峽市AOD年均值空間分布呈現(xiàn)北高南低、東高西低的特征，高值區(qū)主要分布在澠池縣、義馬區(qū)西北部。春、夏和秋季的均值空間分布形態(tài)基本與年均值的分布一致，冬季的高值區(qū)集中在三門峽市東南部。

關(guān)鍵詞 MODIS數(shù)據(jù);三門峽市;氣溶膠;氣溶膠時空分布

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）01–0049–02

MODIS即中分辨率成像光譜儀。遙感影像的三個特點：空間分辨率，時間分辨率，光譜分辨率。一般通過這三個參數(shù)來了解不同傳感器影像，進而判斷它的使用領(lǐng)域。其中，空間分辨率：250 m、500 m、1 000 m，適用于中尺度、大尺度研究，即省級、全國、全球[1];時間分辨率：1 d，最高晝夜波譜分辨率，36個波段可免費下載，需要預(yù)先搭梯子注冊相應(yīng)的賬號，數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富，經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理，進行簡單的操作就可以使用（相對于其他數(shù)據(jù)，預(yù)處理會占用大量精力）。此外，更新頻率快，波段多，對于研究長時間序列的數(shù)據(jù)，是最佳的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。適宜領(lǐng)域包括氣溶膠、大氣標準產(chǎn)品、植被動態(tài)變、MOD13（植被指數(shù)）、MOD15（葉面積指數(shù)）、MOD17（植被綠量）、溫度變化、海洋變化、MOD19（色素濃度）、MOD20（葉綠素熒光）、MOD21（葉綠素濃度）等[2]。

氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系。根據(jù)其形成來源的不同，顆粒大小相差巨大，通常在0.01～100 μm。被風吹起的土壤微粒，海水飛濺揚入大氣后而被蒸發(fā)的鹽粒、細菌、微生物、植物的孢子花粉、礦物燃料的燃燒物質(zhì)、車輛排出的廢氣等等，都屬于氣溶膠[3]。三門峽市位于豫晉陜?nèi)〗唤?，北靠黃河，在秋冬季節(jié)很容易因為各種顆?；烊肟諝舛纬蓺馊苣z，影響人們的身體健康。

氣溶膠的特性：（1）具有膠體性質(zhì)，越小的顆粒，空氣的黏性作用就越明顯;（2）氣溶膠質(zhì)點有相當大的比表面積和表面能;（3）布朗運動非常劇烈，當微粒小時具有擴散性質(zhì);當微粒大時，沉降顯著。粒徑1 μm的氣溶膠，也就是1 mm的千分之一大小，肉眼是不可見的。但是氣溶膠顆?？缮⑸浠蛭仗柟?，因此，只要顆粒足夠大，就可以被肉眼看到。這也是使天空成為藍色，太陽落山時成為紅色的原因[4]。大氣中氣溶膠的消除，主要靠降水、小粒子間的碰聚、凝聚、聚合和沉降的過程。為研究三門峽市氣溶膠時空變化特征，利用MODIS數(shù)據(jù)，分析了不同時段、空間的氣溶膠的分布狀況，希望有利于加強氣溶膠治理。

1 材料與方法

1.1 研究領(lǐng)域

三門峽市（33°31′24″N～35°05′48″N、

110°21′42″E～112°01′24″E），管轄陜州區(qū)、澠池縣、盧氏縣、靈寶市、義馬市、湖濱區(qū)，主要為山地丘陵、盆地地形。位于其中最著名的是三門峽大壩這一橫跨黃河的重要水利工程。三門峽位于黃河中游，豫陜晉三省的交界處，黃河從壺口南下行至潼關(guān)，然后以神奇的角度拐向東北，在130 km處流經(jīng)三門峽。三門峽兩岸夾水，壁立千仞，怪石嶙峋，十分險要。在水中陡然立著六個巨大的石島，人稱人門島，神門島，鬼門島，張公島，砥柱山，梳妝臺，合稱“三門六山”。對三門峽市轄區(qū)內(nèi)的氣溶膠厚度分布進行研究，有利于管理污染狀況。

1.2 數(shù)據(jù)介紹

通過MODIS進行數(shù)據(jù)收集、下載和分析，并對其進行低質(zhì)量數(shù)據(jù)篩查及解譯分析。拿到的MODIS數(shù)據(jù)，多數(shù)人認為只有空值的區(qū)域，數(shù)據(jù)才會異常。然而事實并非如此，往往MODIS產(chǎn)品某個像元處，只有當所有輸入的反演參數(shù)都為異常值時，這個像元才會被設(shè)置為空值。而部分反演參數(shù)有異常值時，MODIS會有一個對應(yīng)的質(zhì)量控制文件，對應(yīng)位置的值會反映該位置處的產(chǎn)品值的質(zhì)量。以地表溫度產(chǎn)品MOD11A2為例，質(zhì)量控制QC文件以二進制形式進行編碼編寫在HDF文件的一個數(shù)據(jù)集中。每一個產(chǎn)品像元對應(yīng)一個質(zhì)量控制圖層的像元。每個質(zhì)量控制像元包含一個8位的整型數(shù)值，需要將其轉(zhuǎn)化位二進制數(shù)值，才能進行解譯。

1.3 研究方法

通過最小二乘法計算擬合方程研究其光學厚度在不同時間的回歸斜率，并運用滑動平均法、M—K趨勢檢驗法來驗證研究準確性。

滑動平均法的計算公式為：。

2 結(jié)果

2.1 三門峽市氣溶膠光學厚度的綜合變化情況

由氣溶膠光學厚度季節(jié)平均值的計算結(jié)果得知，三門峽市氣溶膠光學厚度夏季的（1.00）最大，春季的（0.98）次之，冬季的（0.28）最小，與河南省的氣溶膠光學厚度季節(jié)變化一致。較大的3個峰值出現(xiàn)在2007年（1.18）、2012年（1.48）和2014年（1.14）。

2.2 三門峽市氣溶膠光學厚度的季節(jié)變化

春季的氣溶膠光學厚度都在0.7以上，呈現(xiàn)三峰的特征：第一個峰值出現(xiàn)在2001年（1.05），第二個峰值岀現(xiàn)在2006年（1.43），第三個峰值出現(xiàn)在2012年（1.15）。3個峰值對應(yīng)年份的季節(jié)平均降水量距平值基本為負，表明降水對氣溶膠具有清洗和凈化作用，可以在一定程度上降低氣溶膠光學厚度。2012—2020年春季氣溶膠光學厚度呈現(xiàn)下降趨勢，與年均值變化趨勢一致。三門峽市春季平均風速為24.9 m/s，大于其他三個季節(jié)，較大的風速使道路和施工工地產(chǎn)生更多的揚塵，從而增加氣溶膠光學厚度。

夏季的氣溶膠光學厚度波動劇烈，較大的3個峰值出現(xiàn)在2007年（1.18）、2012年（1.48）和2014年（1.14）。三門峽市夏季降雨最多，季節(jié)平均降雨量為353.4 mm，降雨量波動最大，2001—2020年三門峽市夏季季節(jié)平均降雨量在124.2～520.7 mm波動。雨水一方面對氣溶膠有沖刷作用，另一方面也會導致空氣濕度升高，吸濕性的氣溶膠粒子散射效率也會提高，從而使氣溶膠光學厚度增大。

冬季的氣溶膠光學厚度較小，這顯然與多霧霾的冬季空氣質(zhì)量不符。這是由于暗像元算法是基于下墊面為濃密植被等在可見光波段反射率極低的區(qū)域建立起來的，三門峽市區(qū)域內(nèi)存在許多落葉植被使該區(qū)域冬季的反演效果變差，并且大規(guī)模的霧霾也會影響氣溶膠光學厚度的反演，因此冬季的有效數(shù)據(jù)較少，從而導致冬季的氣溶膠光學厚度的平均結(jié)果代表性差。

3 討論

利用MODIS數(shù)據(jù)，通過滑動平均等方法，在時間更新頻率上相配合，實時觀測了三門峽市氣溶膠時空特點?？梢钥闯?，位于黃河三門峽重要波段的三門峽市氣溶膠，在時間分布上，均值整體以每年0.003 3的速率增加，最大峰值出現(xiàn)在2011年（1.01），隨后呈顯著下降趨勢。氣溶膠夏季均值波動較大，春季均值與年均值趨勢基本一致。在空間分布上，三門峽市AOD年均值空間分布呈現(xiàn)北高南低、東高西低的特征，高值區(qū)主要分布在澠池縣、義馬區(qū)西北部，有較大的實用價值。

參考文獻

[1] 魏亞瑞.基于MODIS數(shù)據(jù)中國典型積雪區(qū)黑碳和雪粒徑遙感反演及時空變化研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2020.

[2] TANG ZG，WANG XR，DENG G，et al.Spatiotemporal variation of snowline altitude at the end of melting season across High Mountain Asia， using MODIS snow cover product[J].Advances in Space Research，2020（11）：2629-2645.

[3] 蔣超.基于MODIS和地面監(jiān)測的粵港澳大灣區(qū)PM_2.5濃度時空分異特征[D].廣州：廣州大學，2020.

[4] 鄧剛，唐志光，李朝奎，等.基于MODIS時序數(shù)據(jù)的湖南省水稻種植面積提取及時空變化分析[J].國土資源遙感，2020（2）： 177-185.

責任編輯：黃艷飛

Analysis of the characte-ristics of aerosol temporal and spatial changes in Sanmenxia City based on MODIS data

Li Qing （Sanmenxia Ecological Environment Monitoring Center of Henan Province， ??Sanmenxia， Henan 472000）

Abstract Based on the lightning location data， the occurrence time， intensity and area of positive ground lightning in Yulin area of Shaanxi Province were analyzed. The results showed that the positive ground lightning accounted for 9.01% of the total lightning in Yulin area， and the annual average proportion was 8.68%. The frequency of positive ground flash was higher from June to August， accounting for 67.54% of the annual positive ground flash frequency， while the frequency was lower from March to April and October to November， accounting for 15.07% of the annual positive ground flash frequency. The diurnal variation of positive， negative and total lightning is similar， and the variation curve is approximately single valley and double peak type. The diurnal distribution of positive ground flash mainly concentrated in the main peak period of the high occurrence period， and the proportion of positive ground flash was large in the period of the low total flash frequency. The frequency distribution curves of each range of positive lightning current intensity in each year are roughly the same， and the current intensity is mainly distributed in the range of 11～30 kA. When the current intensity is less than 50 kA， the positive flash frequency increases with the current intensity， and when the current intensity is less than 50 kA， the positive flash frequency decreases with the current intensity. The annual mean value of positive lightning current intensity in Fugu area is the highest， reaching 109.92 kA. Positive ground flash mainly occurred in Jingbian， Hengshan， Shenmu and Yulin counties， accounting for 55.90% of the average annual frequency of positive ground flash. The maximum frequency was 207 times in Shenmu county. The lowest frequency was found in Wubao County， with an average annual frequency of 28.

Key words MODIS data; Sanmenxia City; aerosol; aerosol temporal and spatial distribution