李光輝

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

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鄭州市城區(qū)的環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演PM2.5的研究

李光輝

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

摘要：研究通過(guò)暗目標(biāo)法獲得環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的AOD值范圍取AOD平均值進(jìn)行標(biāo)高訂正獲得AOD地面消光系數(shù)，再進(jìn)行濕度訂正獲得AOD近地面“干”消光系數(shù)，用近地面“干”消光系數(shù)與觀測(cè)站點(diǎn)的PM(2.5)觀測(cè)值進(jìn)行比較，獲得PM(2.5)反演值，利用PM(2.5)反演值再與PM(2.5)觀測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析比較，建立線性模型關(guān)系，并簡(jiǎn)要地進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：氣溶膠光學(xué)厚度；近地面“干”消光系數(shù)；PM(2.5)

1引言

城市大氣污染物主要為可吸入氣溶膠顆粒物。大氣顆粒物(亦稱氣溶膠)是指分散在大氣中的固態(tài)或液態(tài)的顆粒狀物質(zhì)。按照空氣動(dòng)力學(xué)直徑(Dp)劃分，大氣顆粒物包括總懸浮顆粒物TSP(Dp≤100 μm)和可吸入顆粒物PM10(Dp≤10 μm)，其中PM10又可分為細(xì)粒子PM2.5(Dp≤2.5 μm)和粗粒子(2.5 μm

關(guān)于PM2.5，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，Wang等[5]發(fā)現(xiàn)美國(guó)Jefferon縣7個(gè)站點(diǎn)的小時(shí)平均PM2.5質(zhì)量濃度與MODIS氣溶膠光學(xué)厚度有很好的相關(guān)性(R=0.7)，并指出MODIS的氣溶膠光學(xué)厚度可以用于定量評(píng)估空氣質(zhì)量等級(jí)，在無(wú)云的情況下可以達(dá)到90%的準(zhǔn)確率。王靜等[6]利用MODIS數(shù)據(jù)分析了北京市氣溶膠光學(xué)厚度和PM2.5質(zhì)量濃度的特征及相關(guān)性。

由于我國(guó)是在2012年把PM2.5寫入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也是2012年正式對(duì)外公布，所以關(guān)于反演PM2.5的文獻(xiàn)比較少。利用地面遙感數(shù)據(jù)和近地層顆粒物濃度數(shù)據(jù)研究建立AOD與PM相關(guān)函數(shù),將對(duì)發(fā)展衛(wèi)星遙感近地層PM濃度提供重要的應(yīng)用參考。建立AOD和PM2.5質(zhì)量濃度之間的聯(lián)系,對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和健康效應(yīng)研究有積極意義[1]。

2研究區(qū)概況

本文選擇的研究區(qū)域?yàn)猷嵵菔休爡^(qū)。鄭州位于東經(jīng)112°42′～114°13′，北緯34°16′～34°58′，東西寬166 km，南北長(zhǎng)75 km，其中鄭州市區(qū)面積600 km2。鄭州市北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，東面是七朝古都東京開(kāi)封市，西面為十三朝古都洛陽(yáng)市，南面是許昌市，北面為焦作市和新鄉(xiāng)市。

鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖適中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長(zhǎng)，冬季寒冷少雪。鄭州市冬季最長(zhǎng)，夏季次之，春季較短。鄭州年平均氣溫在14～14.3 ℃之間，年平均降雨量640.9 mm，無(wú)霜期220 d，全年日照時(shí)間約2 400 h(圖1)。

3研究數(shù)據(jù)

研究中使用的數(shù)據(jù)包括環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.1環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)

環(huán)境一號(hào)AB衛(wèi)星于2008年9月成功發(fā)射，填補(bǔ)了我國(guó)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和減災(zāi)應(yīng)急領(lǐng)域沒(méi)有國(guó)產(chǎn)民用專用衛(wèi)星和數(shù)據(jù)的空白。環(huán)境一號(hào)AB星的載荷包括CCD傳感器、紅外相機(jī)和超光譜成像儀。AB星分別攜帶兩臺(tái)寬覆蓋多光譜CCD相機(jī)，聯(lián)合工作可以共同完成對(duì)地刈寬為720 km、分辨率為30 m、4個(gè)譜段的推掃成像。CCD相機(jī)的波段設(shè)置類似TM數(shù)據(jù)，具有中空間分辨率、寬譜段的特點(diǎn)可以用于：對(duì)于陸地，需要探測(cè)土地覆被、城市環(huán)境、植被和土壤、草地和農(nóng)田、荒漠化、冰雪覆蓋等；對(duì)于水體，需要探測(cè)水體水環(huán)境質(zhì)量、藻類、懸浮物和水生植物等；對(duì)于大氣，需要探測(cè)水汽、霧霾覆蓋、云和沙塵，氣溶膠等[7]。

研究中使用的環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)分別是鄭州市2015年4月28日、2015年6月21日、2015年7月21日、2015年8月25日、2015年10月06日及2015年11月25日的環(huán)境一號(hào)AB衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

3.2監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)

鄭州市設(shè)立了8個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各觀測(cè)點(diǎn)分別是：市監(jiān)測(cè)站、煙廠、醫(yī)學(xué)院、鄭紡機(jī)、銀行學(xué)校、供水公司、四十七中、十一中(圖2)。

3.3氣象數(shù)據(jù)

根據(jù)選擇研究的環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)日期，選擇相應(yīng)日期的氣象數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速(風(fēng)級(jí)、風(fēng)向)、 相對(duì)濕度、能見(jiàn)度數(shù)據(jù)。

4研究方法

4.1AOD的訂正

反演PM2.5需要進(jìn)行AOD標(biāo)高訂正和濕度訂正。訂正過(guò)程為通過(guò)HJ-1的CCD數(shù)據(jù)，利用暗目標(biāo)法獲得大氣層氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)，然后進(jìn)行標(biāo)高訂正和濕度訂正，得到近地面“干”消光系數(shù)。

4．1．1氣溶膠標(biāo)高

氣溶膠標(biāo)高與地面能見(jiàn)度的關(guān)系可以用公式R=3.91Hτ-1(R為能見(jiàn)度，H為標(biāo)高，τ為AOD值)來(lái)表示，通過(guò)公式R=3.91Hτ-1求出氣溶膠標(biāo)高[8]。

4．1．2地面消光系數(shù)

AOD是垂直方向上消光系數(shù)的積分， 而PM2.5代表地面空氣質(zhì)量，因此需要對(duì)AOD進(jìn)行標(biāo)高訂正。經(jīng)過(guò)標(biāo)高訂正的AOD即為地面消光系數(shù)。AOD和地面消光系數(shù)的關(guān)系可以用以下公式表示：

地面消光系數(shù)=垂直消光系數(shù)/標(biāo)高=AOD/H。

4．1．3濕度訂正

氣溶膠光學(xué)厚度的遙感是在環(huán)境背景下進(jìn)行，氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)受到相對(duì)濕度的顯著影響。在相對(duì)濕度比較高的情況下，水溶性氣溶膠顆粒能夠吸濕膨脹，消光系數(shù)可以增大數(shù)倍。濕度影響因子可以用下式表示：(RH)=1/(1.0-RH/100)(RH 為相對(duì)濕度)[9]。

4．1．4近地面“干”消光系數(shù)

經(jīng)過(guò)標(biāo)高訂正和濕度訂正的AOD，成為近地面“干”消光系數(shù)，近地面“干”消光系數(shù)可以用公式近地面“干”消光系數(shù)=地面消光系數(shù)/(RH)或者公式近地 面“干”消光系數(shù)=地面消光系數(shù)/g(RH)表示。

4.2近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的比較

對(duì)經(jīng)過(guò)訂正反演的近地面“干”消光系數(shù)(AODSEC-RH)與8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(市監(jiān)測(cè)站、煙廠、醫(yī)學(xué)院、鄭紡機(jī)、銀行學(xué)校、供水公司、四十七中、十一中)的PM2.5實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)照比較。

使用2015年4月28日、2015年6月21日、2015年7月21日、2015年8月25日、2015年10月06日及2015年11月25日的近地面“干”消光系數(shù)(AODSEC-RH)與PM2.5觀測(cè)值進(jìn)行比較(本節(jié)中濃度值的單位均為ug/m3)。

2015年4月28日近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的比較見(jiàn)表2。

表2　2015年4月28日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)AODSEC-RH

2015年6月21日近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的比較見(jiàn)表3。

2015年7月21日近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的比較見(jiàn)表4。

2015年8月25日近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的比較見(jiàn)表5。

2015年10月06日近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的比較見(jiàn)表6。

表3　2015年6月21日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)AODSEC-RH

表4　2015年7月21日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)AODSEC-RH

表5　2015年8月25日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)AODSEC-RH

表6　2015年10月06日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)AODSEC-RH

2015年11月25日近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的比較見(jiàn)表7。

表7　2015年11月25日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)AODSEC-RH

4.3近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值比較散點(diǎn)圖

通過(guò)2015年4月28日、6月21日、7月21日、8月25日、10月06日及11月25日的6景數(shù)據(jù)的8個(gè)站點(diǎn)近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值進(jìn)行比較，得出了近地面“干”消光系數(shù)與PM2.5觀測(cè)值的散點(diǎn)圖，得出了各個(gè)散點(diǎn)圖的R2的值，R2值代表地面“干”消光系數(shù)和PM2.5的相關(guān)性(圖3)。

4.4線性擬合

經(jīng)過(guò)線性擬合得出PM2.5與AODSEC-R之間的回歸模型，PM2.5-AODSEC-R回歸模型為y=0.390x+15.07，擬合后R2為0.731，表明擬合的效果非常好，說(shuō)明PM2.5與AODSEC-R之間具有很好的相關(guān)性(表8)。

表8　PM2.5線性擬合

4.5PM2.5的反演

通過(guò)上面的PM2.5與近地面“干”消光系數(shù)的模型計(jì)算出8個(gè)站點(diǎn)的PM2.5反演值。

表9　2015年4月28日PM2.5的反演

表10　2015年6月21日PM2.5的反演

表11　2015年7月21日PM2.5的反演

表9～表14是2015年4月28日、6月21日、7月21日、8月25日、10月06日及11月25日的6景數(shù)據(jù)的8個(gè)站點(diǎn)PM2.5的反演值結(jié)果。

4.6PM2.5觀測(cè)值與反演值比較

對(duì)反演的PM2.5的濃度值與PM2.5觀測(cè)值進(jìn)行比較，分析它們之間的關(guān)系。(2)PM2.5觀測(cè)值與反演值比較。

表15～表20為PM2.5的反演值與觀測(cè)值的對(duì)照比較基礎(chǔ)上，做了PM2.5的反演值與觀測(cè)值的散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖4。

表12　2015年8月25日PM2.5的反演

表13　2015年10月06日PM2.5的反演

表14　2015年11月25日PM2.5的反演

表15　鄭州市2015年4月28日PM2.5觀測(cè)值與反演值對(duì)照

表16　鄭州市2015年6月21日PM2.5觀測(cè)值與反演值對(duì)照

表17　鄭州市2015年7月21日

表18　鄭州市2015年8月25日PM2.5觀測(cè)值與反演值對(duì)照

表19　鄭州市2015年10月06日

表20　鄭州市2015年12月12日

圖4PM2.5的反演值與觀測(cè)值比較散點(diǎn)圖

通過(guò)PM2.5的六幅反演值與觀測(cè)值的散點(diǎn)圖中得出，R2的值在0.278和0.605范圍之間，PM2.5的反演值與觀測(cè)值散點(diǎn)圖的R2值具有一定較好的相關(guān)性。表明通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的PM2.5濃度值能代替地面的PM2.5觀測(cè)值。

5結(jié)語(yǔ)

研究使用了環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了PM2.5的反演，環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，比較適合于進(jìn)行城市空間尺度的反演研究。

PM2.5的反演對(duì)于了解城市的PM2.5的空間分布、污染源以及區(qū)域輸送具有重要作用。進(jìn)行城市PM2.5的反演對(duì)城市的大氣污染的治理能夠提供思路和方法，對(duì)于改善城市的大氣污染環(huán)境具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]林海峰．京津冀大氣顆粒物濃度與氣溶膠光學(xué)厚度監(jiān)測(cè)及相關(guān)性分析研究[D]．蘭州：蘭州大學(xué)，2012．

[2]劉強(qiáng)，王明星，等.大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)粉體技術(shù)，1999，5(3)：17～23.

[3]魏復(fù)盛，胡偉，滕恩江，等．空氣污染與兒童呼吸系統(tǒng)患病率的相關(guān)分析[J]．中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2000 ，20(3)：220～224．

[4]李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢．利用MODIS遙感大氣氣溶膠及氣溶膠產(chǎn)品的應(yīng)用[J]．北京大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(12)．

[5]Wang J，Christopher S A．Intercomparison between satellite-derived aerosol optical thickness and PM2. 5mass:implications for air quality studies[J]．GeophysicalResearchLetters，2003，30(21)．

[6]王靜,楊復(fù)沫,王鼎益,等.北京市MODIS氣溶膠光學(xué)厚度和PM2.5質(zhì)量濃度的特征及其相關(guān)性[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào),2010,27(1):11～16.

[7]王橋，魏斌，王昌佐，等．基于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)[M]．科學(xué)出版社，2010．

[8]李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢，等．利用MODIS衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品研究北京及周邊地區(qū)的大氣污染[J]．大氣科學(xué)，2003，27(5)：869～880．

[9]李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢，等．MODIS衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品在北京市大氣污染研究中的應(yīng)用[J]．中國(guó)科學(xué)：D輯，2005，35(增刊)：177～18．

Research on the Inversion of PM2.5Based on Environmental Satellite Data in Zhengzhou City

Li Guanghui

(HenanAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenter,Zhengzhou450053,China)

Abstract:The research obtains the aerosol optical depth (AOD) of environment satellite data through the dark target method.According to the AOD value range in monitoring points,the article takesthe average value of AOD to do the elevation corrections and gets the AOD extinction coefficient on the ground.Then,through the humidity correction, the article obtains the AODSEC-RH.The article obtains the PM(2.5) inversion values through the comparison of the AODSEC-RH and PM(2.5) observed valuein observation sites.Through the correlation analysis and comparison betweenthe PM(2.5) inversion value and PM(2.5) observed values,the article establishes the linear modeland briefly analyzes it.

Key words:aerosol optical depth (AOD);AODSEC-RH;PM(2.5)

文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0092-06

中圖分類號(hào)：X87

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李光輝(1975—)，男，河南靈寶人，主要從事遙感地質(zhì)方面的工作。

收稿日期：2015-12-07