陳 鵬，張 青，李 悅

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊830011）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的日益加快，環(huán)境污染效應(yīng)不斷累積，大氣污染呈現(xiàn)出的區(qū)域化特點(diǎn)愈加明顯。各大城市霧霾天數(shù)有愈演愈烈的趨勢(shì)，在不同程度上影響著居民的生活環(huán)境，其中可吸入顆粒物污染成為空氣污染中的最主要污染物之一[1，2]。氣溶膠污染由于其對(duì)人體健康及大氣能見(jiàn)度的重要影響受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)難以在空間尺度和尚無(wú)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的區(qū)域獲得可吸入顆粒物的時(shí)空分布與變化資料，而衛(wèi)星遙感觀測(cè)的覆蓋范圍廣泛，能夠彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在空間分布上的不足，成為空氣污染監(jiān)測(cè)的新手段[3，4]。

空氣污染指數(shù)（API，Air pollution Index）是我國(guó)廣泛采用評(píng)價(jià)城市空氣質(zhì)量水平的一種標(biāo)準(zhǔn)，它能夠向公眾提供及時(shí)、準(zhǔn)確、易于理解的空氣質(zhì)量狀況，并可用來(lái)進(jìn)行環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、回顧性評(píng)價(jià)和趨勢(shì)評(píng)價(jià)[5-9]。2012年出臺(tái)規(guī)定，將用空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI，Air Quality Index）替代原有的API。AQI與API有著很大的區(qū)別。AQI分級(jí)計(jì)算參考的標(biāo)準(zhǔn)是新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012），參與評(píng)價(jià)的污染物為SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO；而API分級(jí)計(jì)算參考的標(biāo)準(zhǔn)是老的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-1996），評(píng)價(jià)的污染物僅為SO2、NO2和PM10，且AQI采用分級(jí)限制標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)。因此AQI較API監(jiān)測(cè)的污染物指標(biāo)更多，其評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀[10，11]。

衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠主要為氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），它是整層大氣氣溶膠消光系數(shù)的積分。如何使衛(wèi)星遙感獲得的AOD成為合理反映近地面可吸入顆粒物的指標(biāo)，是衛(wèi)星遙感資料在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)中應(yīng)用的難點(diǎn)和重點(diǎn)，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量針對(duì)性的研究。李成才等對(duì)2001年在北京地區(qū)利用太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度和NASA發(fā)布的MODIS氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了這一衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的可靠性，并證明了氣溶膠光學(xué)厚度具有明顯的時(shí)空變化特征[12]。他們還利用香港地區(qū)的地面可吸入顆粒物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的比較發(fā)現(xiàn)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品對(duì)于研究城市地區(qū)的空氣污染具有可行性[13]。王皓以南京市為研究區(qū)，建立MODIS反演的氣溶膠光學(xué)厚度AOD與空氣污染指數(shù)API的關(guān)系，試圖以氣溶膠光學(xué)厚度AOD來(lái)反映大氣污染狀況[14]。劉勇在此基礎(chǔ)上，考慮了氣象因子的影響，探討空氣污染指數(shù)和氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系，更能真實(shí)地反映地面空氣的污染狀況[15]。何秀等利用兩年的MODIS AOD數(shù)據(jù)與PM10質(zhì)量濃度資料進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度經(jīng)過(guò)垂直和濕度影響的訂正后，可用于地面PM10的監(jiān)測(cè)[16]；蔣民等利用AOD產(chǎn)品與南京市區(qū)API轉(zhuǎn)換得到的PM10質(zhì)量濃度進(jìn)行了相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行垂直和濕度影響訂正后，相關(guān)系數(shù)顯著提高[17]；王靜等利用AOD數(shù)據(jù)與PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)利用相對(duì)濕度和氣溶膠標(biāo)高等氣象條件進(jìn)行校正后，AOD與PM2.5具有較高的相關(guān)性[18]。從以上科研成果可以看出MODIS AOD數(shù)據(jù)與空氣污染指數(shù)以及具體污染物之間有一定的相關(guān)性，并且可以建立關(guān)系模型來(lái)反映大氣污染狀況。對(duì)MODIS AOD數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直和濕度影響訂正后，可以顯著提高M(jìn)ODIS AOD數(shù)據(jù)與空氣污染指數(shù)以及具體污染物之間的相關(guān)系數(shù)。本文利用MODIS AOD產(chǎn)品和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在考慮氣象因素的情況下建立烏魯木齊市全年（除冬季外剩余三季）、春季、夏季、秋季氣溶膠光學(xué)厚度和AQI的關(guān)系模型，分析兩者的相關(guān)性，但必要條件是研究區(qū)域某天的首要污染物為可吸入顆粒物，才能對(duì)AOD和AQI進(jìn)行相關(guān)性分析[19]。通過(guò)本文的研究證實(shí)了衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度在監(jiān)測(cè)空氣污染方面的應(yīng)用價(jià)值，以期為烏魯木齊市大氣污染進(jìn)行宏觀、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)以及政府環(huán)境治理與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概括

烏魯木齊市位于86毅37憶耀88毅58憶E，42毅45憶耀44毅08憶N，是新疆維吾爾自治區(qū)首府，我國(guó)西北地區(qū)重要的中心城市和面向中亞西亞的國(guó)際商貿(mào)中心。是全疆政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教和交通中心。市域面積為14 216.3 km2，轄7區(qū)1縣，2016年末常住人口為355萬(wàn)。烏魯木齊市位于歐亞大陸腹地，地處天山北坡，東南西三面環(huán)山，北面為沖積平原。呈喇叭口形狀。地勢(shì)東南高，西北低。全年盛行東北風(fēng)和西南風(fēng)，早晚溫差較大，春秋換季多大風(fēng)，年平均風(fēng)速不大，冬季靜風(fēng)頻率高，風(fēng)速較小。穩(wěn)定天氣居多，降水少，霧霾天較多，逆溫頻率高[20，21]。

根據(jù)烏魯木齊市環(huán)保局2016年環(huán)境質(zhì)量公報(bào)報(bào)導(dǎo)：首府烏魯木齊市環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)為246 d，占全年天數(shù)的67.2%，輕度、中度、重度、嚴(yán)重污染比例分別為10.4%、6.8%、12.0%、3.6%?？諝庵锌晌腩w粒物、細(xì)顆粒物、二氧化硫和二氧化氮年均濃度分別為115、74、14 滋g/m3和53 滋g/m3。可吸入顆粒物、細(xì)顆粒物、二氧化氮年均濃度均超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，二氧化硫年均濃度達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。與上年相比，優(yōu)良天數(shù)比例增加2.0個(gè)百分點(diǎn)，空氣質(zhì)量略有好轉(zhuǎn)。細(xì)顆粒物和二氧化氮年均濃度分別上升12.1%和1.9%，可吸入顆粒物和二氧化硫年均濃度分別下降13.5%和6.7%。

2 數(shù)據(jù)資料與處理方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)

AOD數(shù)據(jù)為美國(guó)NASA所發(fā)布的MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其空間分辨率為10 km。數(shù)據(jù)可從NASA的GSFC（Goddard Space Flight Center）中下載（http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search。 html）。每日氣溶膠產(chǎn)品文件（MOD04）包括陸地和海洋上空的氣溶膠光學(xué)性質(zhì)參數(shù)，其中陸上AOD主要反演方法為暗像元算法，為了提高亮目標(biāo)陸表AOD的反演精度，后又增加了深藍(lán)算法[22]。本文采用2016年3—11月上午星TERRA的MODIS AOD產(chǎn)品，版本為C5.1、波長(zhǎng)為550 um的Lever 2 AOD產(chǎn)品，其為每日氣溶膠數(shù)據(jù)集，空間分辨率為10 km伊10 km，通過(guò)ENVI軟件對(duì)其進(jìn)行幾何校正、投影、矢量裁剪以及AOD數(shù)值提取等操作，最終得到覆蓋研究區(qū)域的Geo TIFF格式文件，投影方式為等經(jīng)緯度投影的AOD日數(shù)據(jù)。

2.2 空氣質(zhì)量指數(shù)及氣象數(shù)據(jù)

采用的AQI數(shù)據(jù)源于國(guó)家環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)上公布的烏魯木齊市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)資料，并從中選擇每日的首要污染物為可吸入顆粒物的情況[11]。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆氣象局信息中心提供的烏魯木齊市共6個(gè)（米泉站、烏魯木齊站、烏魯木齊牧試站、達(dá)坂城站、天山大西溝站以及小渠子站）地面氣象觀測(cè)站資料。為了與TERRA衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間（地方時(shí)11：30 am左右）相對(duì)應(yīng)，選取2016年3—11月期間與AOD對(duì)應(yīng)日期的11：00、12：00的相對(duì)濕度以及水平能見(jiàn)度要素，計(jì)算其均值作為當(dāng)日的有效值。

2.3 數(shù)據(jù)匹配

研究中涉及到的變量有MODIS AOD、空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）、相對(duì)濕度（RH）、水平能見(jiàn)度（V）。本文對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和匹配以便于建模、驗(yàn)證和分析。數(shù)據(jù)匹配原則是空間上以AQI為準(zhǔn)，時(shí)間上以衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間為準(zhǔn)，選取晴空無(wú)云天氣，剔除RH>80%（降水天氣）的數(shù)據(jù)。經(jīng)匹配處理后共得到研究區(qū)2016年3月1日—11月30日期間140對(duì)數(shù)據(jù)，其中包括春季（3—5月）43對(duì)、夏季（6—8月）52對(duì)、秋季（9—11月）45對(duì)。冬季衛(wèi)星遙感產(chǎn)品在“亮背景”下反演效果較差、有效數(shù)據(jù)較少，因此沒(méi)有進(jìn)行冬季的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。將AQI按照升序排列后，每隔3個(gè)樣本選取1個(gè)樣本作為模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)，最后得到建模數(shù)據(jù)94對(duì)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)46對(duì)[23]。

3 討論與分析

3.1 AOD與AQI線性關(guān)系模型

將建模用的140對(duì)數(shù)據(jù)中的AOD作為自變量，AQI作為因變量進(jìn)行相關(guān)性分析（圖1），二者相關(guān)系數(shù)為0.664，大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%的置信度要求。證明了由AOD估算近地面空氣質(zhì)量指數(shù)的可行性。

圖1 MODIS AOD與AQI的相關(guān)性分析

3.2 AOD垂直訂正和濕度訂正

AOD反映了氣溶膠從地面至大氣層頂垂直方向上消光系數(shù)的積分，而AQI只是地面測(cè)量值，因此兩者具有不同的物理意義。它們之間的相關(guān)性會(huì)受到氣溶膠垂直分布的影響。此外，大氣相對(duì)濕度也會(huì)影響氣溶膠的消光系數(shù)，進(jìn)而對(duì)二者的關(guān)系產(chǎn)生重要影響，使得相關(guān)性不理想。因此不能直接用AOD進(jìn)行地面大氣污染程度的監(jiān)控。

AOD是從遙感角度表征整層大氣中氣溶膠消光特性的指標(biāo)，同地面觀測(cè)的AQI值物理屬性上有較大的差異?？紤]到兩者的差異對(duì)AOD進(jìn)行垂直訂正有望提高其與AQI的相關(guān)性。本文采用李成才的垂直訂正方法[12]，即假定大氣氣溶膠在垂直方向上按照指數(shù)遞減分布，大氣氣溶膠標(biāo)高（H）定義為整個(gè)大氣氣柱中顆粒物按地面濃度在垂直方向上均勻分布所能達(dá)到的高度，利用AOD與整層大氣氣溶膠消光系數(shù)的積分公式可以得到H與AOD、V之間的關(guān)系式為：

式中V表示水平能見(jiàn)度，利用公式（1）得到每日垂直標(biāo)高H，然后將AOD除以標(biāo)高，完成氣溶膠垂直訂正，得到訂正后的氣溶膠消光系數(shù)。

由于空氣質(zhì)量指數(shù)一般是在干燥的環(huán)境下測(cè)量得到的，而AOD是在大氣環(huán)境下獲取的，較高的大氣濕度將使氣溶膠顆粒物吸濕膨脹，造成AOD變大[13]。對(duì)AOD進(jìn)行濕度訂正有望減小其與AQI在監(jiān)測(cè)環(huán)境上的差異，進(jìn)而提高兩者的相關(guān)性。濕度影響因子可表示為：

式中，RH為相對(duì)濕度，將AOD除以f（RH）對(duì)其進(jìn)行濕度訂正。經(jīng)AOD垂直和濕度訂正后，分析兩者的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.805。訂正前后兩者的相關(guān)性變化如圖2所示。

分析圖2可知，AQI與AOD、AOD垂直訂正值和AOD垂直濕度訂正值的相關(guān)系數(shù)依次為0.664、0.752，0.805，均大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%的置信度要求。經(jīng)過(guò)垂直和濕度訂正后的AOD與AQI的相關(guān)系數(shù)有了明顯的提高。利用訂正后的AOD對(duì)地面觀測(cè)的AQI數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并分別進(jìn)行線性、對(duì)數(shù)、一元二次、乘冪和指數(shù) 5種類型的建模擬合，結(jié)果見(jiàn)表2、圖3。

表2 5種擬合模型對(duì)比

從表2可以看出，用垂直訂正和濕度訂正后的AOD數(shù)據(jù)與AQI進(jìn)行模型擬合，不論采用何種擬合方法，均在一定程度上提升了AOD與AQI之間的決定系數(shù)R2。其中一元二次模型決定系數(shù)最高，為0.696，即為全年（除冬季外剩余3季）最優(yōu)擬合模型。

圖2 訂正前后AOD與AQI的相關(guān)性變化

3.3 各季節(jié)AOD與AQI關(guān)系模型

烏魯木齊市不同季節(jié)的氣溶膠來(lái)源差異較大，夏季主要是大風(fēng)揚(yáng)起的沙塵氣溶膠，春季、秋季主要是供暖等釋放的黑碳?xì)馊苣z。不同來(lái)源的氣溶膠理化特征和大氣邊界層可能存在較大差異，因而不同季節(jié)的垂直訂正和濕度訂正效果也可能不同。為了研究不同季節(jié)AOD與AQI的相關(guān)性，本文按照季節(jié)對(duì)MODIS AOD產(chǎn)品進(jìn)行了分季節(jié)訂正擬合（表3）。

由表3可知，按照季節(jié)分類統(tǒng)計(jì)和訂正，春、夏、秋3季的相關(guān)系數(shù)R分別為0.775、0.608和0.822，均大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%的置信度要求。與全年相關(guān)系數(shù)0.805相比，春、夏兩季的相關(guān)系數(shù)較全年有所降低，秋季較全年增大，表明受到不同季節(jié)氣溶膠來(lái)源、特征及數(shù)據(jù)樣本差異的影響，秋季的訂正更為有效，可用性更高。綜合以上因素并考慮模型易于利用的因素，依據(jù)各擬合模型決定系數(shù)大小選取各季節(jié)最優(yōu)擬合模型，所選結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 AOD與AQI各季節(jié)回歸擬合模型

圖3 基于散點(diǎn)數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果

表4 各季節(jié)最優(yōu)擬合模型

3.4 模型精度驗(yàn)證

將表2和表4中建立的全年（除冬季外剩余三季）、春季、夏季、秋季最優(yōu)擬合模型分別應(yīng)用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)，然后將估算得到的AQI指數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析（圖4）。

由圖4可知全年（除冬季外剩余三季）、春季、秋季的AQI模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較符合，二者的相關(guān)系數(shù)R分別為0.879、0.867、0.917，均為強(qiáng)相關(guān)且大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%的置信度要求，說(shuō)明全年（除冬季外剩余3季）、春季、秋季的MODIS AOD資料可以很好地反演AQI值。而夏季的AQI模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)僅為0.457，為中等相關(guān)，故夏季MODIS AOD資料反演AQI值效果一般。

4 結(jié)論

通過(guò)利用烏魯木齊市2016年3—11月共140組有效AOD數(shù)據(jù)和AQI數(shù)據(jù)，在考慮氣象因素的情況下分析兩者之間的相關(guān)性，并建立回歸關(guān)系模型，從而實(shí)現(xiàn)了利用遙感手段來(lái)對(duì)城市空氣污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。本文得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

圖4 AQI實(shí)測(cè)結(jié)果與反演結(jié)果散點(diǎn)圖

（1）采用MODIS AOD產(chǎn)品與空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，二者相關(guān)系數(shù)為0.664。利用氣象要素水平能見(jiàn)度數(shù)據(jù)以及相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)AOD進(jìn)行垂直、濕度訂正后，兩者的相關(guān)系數(shù)從原來(lái)的0.664提升至0.805。

（2）按照季節(jié)分類統(tǒng)計(jì)訂正，春、夏、秋3季的相關(guān)系數(shù)R分別為0.775、0.608、0.822，均大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%的置信度要求。分季節(jié)后，春、夏兩季的相關(guān)系數(shù)較全年有所降低，秋季較全年增大，表明受到不同季節(jié)氣溶膠來(lái)源、特征以及數(shù)據(jù)樣本差異的影響，秋季的訂正更為有效，可用性更高。

（3）利用訂正后的AOD對(duì)AQI數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，分別建立了全年（除冬季外剩余3季）、春季、夏季和秋季的線性、對(duì)數(shù)、一元二次、乘冪和指數(shù)5種類型的擬合模型?？紤]模型易于利用的因素，依據(jù)各擬合模型決定系數(shù)大小選取全年以及各季節(jié)最優(yōu)擬合模型，進(jìn)而反演烏魯木齊市AQI值。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析二者的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)全年（除冬季外剩余3季）、春季、秋季的AQI模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較符合，二者的相關(guān)系數(shù)r分別為0.879、0.867、0.917，均為強(qiáng)相關(guān)且大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%的置信度要求，說(shuō)明全年（除冬季外剩余3季）、春季、秋季的MODIS AOD資料可以很好地反演AQI值。而夏季為中等相關(guān)，相關(guān)系數(shù)僅為0.457，故夏季MODIS AOD資料反演AQI值效果一般。

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