盧 秀，李 佳，段 平，程 峰

(1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空間信息技術(shù)工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500)

近年來，由于經(jīng)濟的不斷發(fā)展帶來的工業(yè)污染、交通污染及人為破壞自然生態(tài)環(huán)境等，給我國大部分地區(qū)空氣質(zhì)量帶來一定影響，因此監(jiān)測大氣質(zhì)量中的氣溶膠粒子有著重要作用。由大氣和懸浮在其中的固體與液體微粒構(gòu)成的多相體系稱為大氣氣溶膠，其粒徑絕大部分介于0.001～10 μm，文中的氣溶膠均指大氣氣溶膠。對于氣溶膠而言，氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth，AOD)是其最為重要的光學(xué)屬性之一，有兩種獲取途徑：地面觀測法和遙感反演法[1]。雖然地面觀測數(shù)據(jù)較為準確，但在空間上僅有離散點數(shù)據(jù)，不能全面反映整個范圍上氣溶膠的時空分布。遙感反演法具有覆蓋面廣、采集獲取方便等特點，可以更高效地獲得AOD信息，彌補地面觀測的短缺，為了解氣溶膠大范圍的空間分布與變化趨勢提供了強有力的手段。

MODIS是監(jiān)測AOD最廣泛的數(shù)據(jù)源。Engel-cox等從MODIS獲得的真彩色圖像和AOD信息及地基數(shù)據(jù)對美國城市進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MODIS數(shù)據(jù)可以確定大氣污染的污染物的類型、區(qū)域及污染物的強度和動向[2]。除了對數(shù)據(jù)來源的研究以外，還有針對AOD反演方法的研究。在利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演陸地上氣溶膠研究進展的基礎(chǔ)上，可以將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演AOD的方法歸納為以下幾類：暗像元法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法、偏振算法、紫外算法、多角度算法、深藍算法[3-7]。暗像元算法是這些算法中最為重要的方法之一，它是由Kaufman等為了獲取陸地大氣AOD信息而提出的一種算法[3]，這種算法已經(jīng)成為利用衛(wèi)星遙感獲取全球陸地氣溶膠參數(shù)中應(yīng)用最廣泛的算法之一。近年來國內(nèi)學(xué)者利用各種遙感資料及方法獲取AOD，探討分析AOD的分布及變化規(guī)律，取得了一定的成果[8-12]。結(jié)合以上學(xué)者的研究方法，采用2016年3月至9月的MODIS數(shù)據(jù)，基于6S大氣傳輸模型建立AOD查找表[13]，利用地面暗像元法對江蘇省徐州市AOD進行反演，并進一步分析研究區(qū)氣溶膠厚度時空變化及差異特征。

1 數(shù)據(jù)源與方法

1.1 研究區(qū)

徐州位于江蘇西北部，長江三角洲的北翼，華北平原的東南部，徐州作為重工業(yè)城市，污染嚴重，因此研究徐州地區(qū)有其現(xiàn)實意義。徐州現(xiàn)轄徐州市、邳州市、豐縣、沛縣、銅山縣、新沂市、睢寧縣等市縣區(qū)域。

1.2 研究數(shù)據(jù)

試驗選擇2016年3月4日、4月21日、5月30日、6月27日、7月29日、8月29日和9月8日MODIS傳感器的MOD021KM數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

對研究區(qū)進行AOD反演，采用的數(shù)據(jù)是MODIS L1B 1KM，過程包括MODIS影像的輻射校正、幾何校正、云檢測及AOD反演。

1.3.1 AOD反演基本原理

AOD反演是在表面雙向反射率特性和大氣頂輻亮度兩者之間關(guān)系的基礎(chǔ)上進行的。首先假設(shè)衛(wèi)星觀測的地表是朗伯體，不考慮氣體吸收的情況，則衛(wèi)星觀測的表觀反射率表達式為

(1)

式中，ρ*為衛(wèi)星觀測到的表觀反射率；ρa為整層大氣反射率，是由大氣氣溶膠散射造成的路徑輻射；μ、φ、μ0、φ0分別為衛(wèi)星(觀測)天頂角、衛(wèi)星方位角、太陽天頂角、太陽方位角；T(μ)、T(μ0)分別表示從地面到衛(wèi)星和從太陽到地面的大氣層總的透射率(漫射及直射)；s表示大氣的球面反射率；ρ表示地表反射率。對于朗伯體表面，大氣在垂直方向上變化均勻，表觀反射率表達式為[14]

(2)

式中，L為衛(wèi)星傳感器的測量輻亮度；ES為大氣頂?shù)奶栞椛渫浚沪訛锳OD。

由式(1)和式(2)可知，表觀反射率ρ*不只是地表反射率ρ的函數(shù)，同時也是氣溶膠光學(xué)厚度τ的函數(shù)。因此，得到地表反射率ρ，并且給定提供ρa等參數(shù)的氣溶膠模式和大氣模式，理論上就可以反演出該地區(qū)上空的AOD，即τ。

1.3.2 反演的參數(shù)選擇與建模

根據(jù)AOD反演原理，首先確定地表反射率、大氣和大氣氣溶膠模式，然后選擇合適的大氣輻射傳輸模式，最后建立特定的衛(wèi)星反射率下的AOD查找表。本文使用6S大氣輻射模式建立查找表。

1.3.2.1 地表反射率的確定

采用暗像元法確定地表反射率方法，圖像的可見光通道只受到氣溶膠散射影響，除2.1 μm通道的圖像不會受到影響，該通道處反映的是地表面的特性[15]。同時暗像元法還根據(jù)濃密的植被在藍光、紅光波段反射率較低的特征，從而判別2.1 μm附近的波段反射率是否是暗像元，采用以下經(jīng)驗公式確定藍光、紅光波段暗像元的地表反射率

ρred=ρ2.1/2

(3)

ρblue=ρ2.1/4

(4)

式(3)、式(4)中是傳感器在2.1 μm波長處的大氣外界監(jiān)測到的地面表觀反射率。ρred為紅波段(0.66 μm)的地表反射率；ρblue為藍波段(0.47 μm)的地表反射率。

1.3.2.2 確定大氣模式和大氣氣溶膠模式

確定大氣氣溶膠模式之前需確定大氣模式。6S模型提供7種大氣模式和3個用戶自定義的大氣模式，合適的大氣模式需結(jié)合觀測的時間及觀測點的緯度位置。常見大氣模式有5種：亞北極區(qū)冬季大氣、亞北極區(qū)夏季大氣、中緯度冬季大氣、中緯度夏季大氣、熱帶大氣。緯度45°—60°，觀測時間10月到次年3月選擇亞北極區(qū)冬季大氣，4月至9月選擇亞北極區(qū)夏季大氣；緯度15°—45°觀測時間4月至9月選擇中緯度夏季大氣，10月到次年3月選擇中緯度冬季大氣；北半球緯度位置15°以下選擇熱帶大氣。

合適的氣溶膠模式對反演AOD起到關(guān)鍵作用。6S模型提供8種氣溶膠模式和4個自定義氣溶膠類型。通常用到的是1個自定義氣溶膠類型和5種氣溶膠模式：海洋型氣溶膠、城市型氣溶膠、大陸型氣溶膠、平流層模式、沙漠型氣溶膠及用戶自行輸入下面4種粒子所占體積的百分比：煙灰、灰塵、海洋型、水溶型。

1.3.2.3 建立查找表

待地表反射率和氣溶膠類型確定后，根據(jù)6S輻射傳輸模式建立MODIS藍光、紅光波段550 nm AOD查找表。查找表參數(shù)設(shè)定依據(jù)試驗數(shù)據(jù)的日期及研究區(qū)地理位置確定。研究日期為3—9月，研究區(qū)為東經(jīng)116°22′—118°40′、北緯33°43′—34°58′之間，選取大氣模式：中緯度夏季大氣輪廓線，氣溶膠模式：大陸氣溶膠。AOD選擇0～2.0，根據(jù)實際情況增加中間值；衛(wèi)星、太陽的天頂角選取0°～60°，以12°為步長；衛(wèi)星和太陽之間的方位角差取(0°，24°，48°，72°，96°，120°，144°，168°，180°)。每個參數(shù)確定后可采用6S大氣輻射傳輸模型反演所需AOD查找表，其他值在AOD、天頂角、方位角差等給定值之間進行線性內(nèi)插計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 反演結(jié)果

反演徐州地區(qū)AOD空間分布情況如圖1所示。

圖1 徐州地區(qū)3—9月氣溶膠反演結(jié)果

2.2 徐州地區(qū)氣溶膠的時間變化

統(tǒng)計AOD在3—9月所占的百分比，結(jié)果見表1。

圖2(a)-(e)分別表示AOD厚度從0～2之間的月變化趨勢。根據(jù)AOD的定義，它是一個無量綱的值。當AOD的值越接近0時表示大氣的透明度越差；當AOD的值越接近2時表示大氣的透明度越好。

表1 3—9月AOD百分比 (%)

從圖2分析可知，在徐州地區(qū)大氣透明度高，空氣污染少的地區(qū)相對來說較少。不同月份的AOD的值不盡相同，其中7、8月的AOD值越靠近2，所占百分比越高，意味著7、8月大氣透明度較好，也就是污染較少；3—6月的AOD值越靠近2，所占百分比越低，污染越嚴重。根據(jù)AOD的變化趨勢圖，可以作出以下推斷：春季和冬季的污染較為嚴重，夏季污染較少，空氣透明度較高。這主要是由于春季天氣干燥少雨，空氣中的浮塵越來越多，大氣透明度低；而夏季降雨與高溫同步，可以在一定程度上緩解大氣污染的現(xiàn)象；秋冬季節(jié)，天氣逐漸變得干燥、少雨，而且徐州地區(qū)為北方地區(qū)，冬季較為寒冷，部分地區(qū)供暖也在一定程度上增加了大氣污染的程度，因此冬季污染會重于夏季和初秋。

圖2 AOD的變化趨勢

2.3 徐州地區(qū)AOD的空間差異

本文研究將徐州劃分成7個地域單元，對徐州地區(qū)不同月份的AOD進行分區(qū)統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 按地域單元統(tǒng)計徐州地區(qū)氣溶膠AOD平均值

由圖3可知，不同地域單元的AOD均一致表現(xiàn)出7月最大，5月次之，3月第三，4、6、8和9月最低的規(guī)律。然而不同地域單元的AOD也存在著一定的差異。銅山縣、邳州市、徐州市的AOD明顯高于徐州地區(qū)的平均水平，其中徐州市最高，徐州市的3—9月的平均AOD為0.647 6，而徐州地區(qū)平均水平為0.591 7；沛縣和豐縣明顯低于徐州地區(qū)的平均水平，豐縣最低，3—9月平均AOD僅為0.495 5；新沂市和睢寧縣的AOD接近于徐州地區(qū)的平均水平。徐州地區(qū)7個地域單元均表現(xiàn)出7月AOD最高，尤以邳州、銅山和徐州最為明顯，AOD值分別達到1.14、1.24及1.19。形成原因可歸納如下：在經(jīng)濟發(fā)展方面，徐州市相對于蘇南、北上廣等地經(jīng)濟欠發(fā)達，市中心的人口量、機動車輛流量等相對較少，產(chǎn)生的大氣污染也就相對較少，而且由于這3個縣域單元位于市中心及附近，制造廠、生產(chǎn)企業(yè)等多不設(shè)置于此，對于大氣的污染也就相對較輕。在季節(jié)變化方面，夏季對流活動較多，溫度和濕度較高有利于氣體和粒子的轉(zhuǎn)化，同時，夏季水汽充足，氣溶膠吸收濕度后散射效率得到增強[16]，導(dǎo)致夏季的AOD值較高。沛縣、豐縣等地位于徐州郊區(qū)及周邊地區(qū)，工廠多設(shè)置于此，導(dǎo)致大氣污染嚴重，而且城市中心熱島環(huán)流將空氣中的一部分煙塵吹向郊區(qū)及周邊地區(qū)，致使這些地區(qū)AOD相對較低，沛縣最低為0.26，而豐縣最低達到0.23。新沂和睢寧地區(qū)的AOD也相對較高，除了一些工礦企業(yè)建造在此，還有采暖燃煤、建筑工地就地揚沙等其他原因。

3 結(jié) 語

本文利用2016年3—9月的MODIS數(shù)據(jù)，基于暗像元法和6S大氣輻射傳輸模式對徐州市AOD進行反演，并在反演結(jié)果基礎(chǔ)上分析時空變化。徐州地區(qū)AOD在時間變化上較明顯，7月的AOD值是所有月份中最高的，7、8月的AOD值更接近于2，大氣透明度較好，污染較少；3—6月的AOD值較接近于0，其大氣透明度較低，污染較重。不同地域單元的AOD也存在一定的差異，銅山縣、邳州市、徐州市這3個縣市的AOD明顯高于徐州地區(qū)的平均水平，尤以徐州市最高，最高可達1.19，新沂和睢寧地區(qū)的AOD也相對較高，沛縣和豐縣AOD反演值明顯低于徐州地區(qū)的平均水平，豐縣最低，最低僅為0.23。