大氣氣溶膠遙感反演

張樹輝 張雅莉

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市的擴張，大氣氣溶膠污染日益嚴重，已經(jīng)成為大氣研究的重點。遙感技術(shù)具有快速、大面積同步觀測、良好的經(jīng)濟社會效益等特點，現(xiàn)在已經(jīng)成為一種常用的監(jiān)測手段，在大氣研究中應用廣泛。本文從氣溶膠、氣溶膠光學厚度以及氣溶膠與空氣污染等方面進行了闡述，分析了國內(nèi)外對于氣溶膠遙感反演的研究進展以及反演方法的優(yōu)缺點進行了分析，最后對氣溶膠反演的前景和發(fā)展進行了討論和展望。

關(guān)鍵詞：氣溶膠;氣溶膠遙感反演;氣溶膠光學厚度（AOD）

1 引言

氣溶膠通常是由大氣介質(zhì)和混合與其中的在氣體介質(zhì)中直徑小于10pm的固態(tài)或液態(tài)微小粒子組成的體系。氣溶膠的來源分為人為源（工業(yè)排放、秸稈燃燒、汽車尾氣、建筑施工、地面揚塵）和自然源（海鹽顆粒、森林野火、火山噴發(fā)、風沙揚塵）。雖然其含量很少，但是對大氣中發(fā)生的許多物理化學過程都有很重要的影響。例如，氣溶膠對太陽輻射的吸收和散射會改變地球大氣系統(tǒng)的行星反照率，從而影響到地氣系統(tǒng)的能量平衡;大氣氣溶膠還起到云凝結(jié)核的作用;大量的氣溶膠顆粒有可能使云滴的數(shù)密度增加，云滴的平均半徑變小，這有可能使云對太陽輻射的反射率增加或使云的維持時間加長，甚至使降水減少。這些都會影響到地氣系統(tǒng)的能量平衡，從而對氣候變化有影響。

氣溶膠光學厚度（AOD）是氣溶膠最基礎(chǔ)的光學特性，它是消光系數(shù)在垂直方向上的積分，描述的是氣溶膠對光的衰減作用，也是確定氣溶膠氣候因子的關(guān)鍵因子[1]，氣溶膠光學厚度在一定程度上反映了整個大氣污染的時空分布及污染水平，一般情況下，氣溶膠縱向的累積值越大，代表含量越高，大氣渾濁度越高，空氣污染越嚴重，所以對氣溶膠光學厚度進行時空監(jiān)測對研究大氣污染及空氣質(zhì)量評價具有重要意義。由于氣溶膠監(jiān)測站點分布稀疏，且只能監(jiān)測地表氣溶膠，而氣溶膠光學厚度可以表征整個大氣中的污染情況，且方便獲取，覆蓋范圍廣。目前，獲取氣溶膠光學厚度的方法為地基方法和遙感方法?，F(xiàn)今，國內(nèi)外已經(jīng)建立了AERONET（美國NASA全球氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)）、CARSNET（中國氣溶膠地基遙感監(jiān)測網(wǎng)）對氣溶膠的光學厚度進行長期觀測，并獲取氣溶膠的輻射特性及物理特性。地基觀測網(wǎng)絡(luò)的精度高，其直接測算太陽輻射從大氣層頂?shù)竭_地表的消光性，是最準確的氣溶膠光學厚度，但是太陽光度計的數(shù)量有限，分布稀疏，不能獲取到連續(xù)的空間分布特征?；谶b感手段的反演算法可以獲得大范圍連續(xù)分布的氣溶膠光學厚度，己經(jīng)有學者提出了多種適用于不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)和不同地區(qū)的反演方法。

2 氣溶膠與大氣污染

國內(nèi)外許多學者都對氣溶膠對大氣的影響進行了研究。如鄭俊[2]等選取陜西省西安市為研究區(qū)域，獲取西安地區(qū)2017年氣溶膠分布圖及AOD與顆粒物濃度的關(guān)系模型，結(jié)果表明MODIS光學厚度與地面PM2.5、PM10濃度的直接相關(guān)性較差，經(jīng)過濕度訂正與垂直訂正后得到的相關(guān)性進一步提高，可用于估算地面顆粒物濃度并監(jiān)測區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量。He等[3]利用AERONET在中國北京、太湖、香河等3個地區(qū)的站點數(shù)據(jù)對于3個地區(qū)的氣溶膠光學厚度與當?shù)乜諝馕廴局笖?shù)不同季節(jié)之間的相關(guān)性進行了分析，結(jié)果表明夏季空氣污染程度的相關(guān)性普遍較高。Khoshsima等[4]利用詹贊當?shù)氐墓舛扔嫷玫搅水數(shù)貧馊苣z的各項光學特性，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)AOD和PM10濃度之間在冬季的相關(guān)性很高，同時對NO2與PM10濃度之間的相關(guān)性進行了分析。張浩等[5]利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品和氣象觀測資料分析了能見度與MODIS氣溶膠產(chǎn)品和氣象要素的相關(guān)關(guān)系，并運用多元回歸方法建立了安徽省不同季節(jié)能見度的反演模型，在此基礎(chǔ)上分析安徽省能見度的時空分布特征。李正強等[6]使用AOD數(shù)據(jù)反演了灰霾指數(shù)計算的空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，AQI），并借助實測的AQI數(shù)據(jù)進行驗證，發(fā)現(xiàn)平均只相差0.7個等級。綜上研究，大氣顆粒物的存在嚴重影響著空氣質(zhì)量，因此快速進行地面實測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合以實現(xiàn)氣溶膠監(jiān)測的業(yè)務(wù)化，及時發(fā)布城市環(huán)境空氣質(zhì)量以便城市居民能夠科學出行，具有重大的現(xiàn)實意義。

3氣溶膠遙感的發(fā)展趨勢

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，在大氣監(jiān)測和氣溶膠光學特性反演等方面已經(jīng)取得了眾多的成果，但也面臨建立具有普遍適用性的氣溶膠反演模型以及地表反射率的處理等等。未來關(guān)于氣溶膠遙感反演的趨勢應該要在以下3個方面有所突破。

（1）氣溶膠遙感反演與地面監(jiān)測、地基遙感監(jiān)測相結(jié)合;如多波光度計、華蓋計、無線傳感器、激光雷達、無人機等，這將大大提高遙感監(jiān)測速度和反演精度;

（2）建立起基于輻射傳輸理論的氣溶膠反演模型。目前比較常見的氣溶膠（如氣溶膠濃度等）反演方法都是基于統(tǒng)計模型建立起的經(jīng)驗公式，物理意義不夠明確，適用性不強。因此需要從大氣輻射傳輸理論出發(fā)，研究不同形狀不同大小粒子的散射和吸收機理，從而建立起具有普遍適用性，物理意義明確的氣溶膠反演體系;

（3）提高氣溶膠模型的確定精度。氣溶膠模型的選定對氣溶膠反演的精度有較大影響，因此確定氣溶膠模型非常重要，以后可以通過長時間的地基觀測或者建立更為合理的氣溶膠模型來提高氣溶膠模型的確定精度;

參考文獻

[1]陳本清， 楊燕明. 臺灣海峽及周邊海區(qū)MODIS氣溶膠光學厚度有效性驗證 [J]. 海洋學報（中文版）， 2005， 06）： 172-8.

[2]鄭俊， 楊志強， 張凱南， et al. MODIS氣溶膠光學厚度反演的西安市顆粒物濃度研究 [J]. 測繪工程， 2018， 27（12）： 19-23+30.

[3]HE J， ZHA Y， ZHANG J， et al. Aerosol indices derived from MODIS data for indicating aerosol-induced air pollution [J]. Remote Sensing， 2014， 6（2）： 1587-604.

[4]KHOSHSIMA M， AHMADI-GIVI F， BIDOKHTI A A， et al. Impact of meteorological parameters on relation between aerosol optical indices and air pollution in a sub-urban area [J]. Journal of Aerosol Science， 2014， 68（46-57.

[5]張浩， 鄧學良， 石春娥. MODIS氣溶膠產(chǎn)品在大氣能見度監(jiān)測中的應用 [J]. 環(huán)境科學與技術(shù)， 2015， 38（08）： 49-55.

[6]李正強， 許華， 張瑩， et al. 基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的灰霾污染遙感監(jiān)測方法及系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 2014，

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