周碧 廖玉芳 韓沁哲 高霞霞 段麗潔 杜東升 鄧劍波

摘要：利用HJ-1衛(wèi)星可見光相機(jī)（CCD）和紅外相機(jī)（IRS）數(shù)據(jù)，采用擴(kuò)展暗像元法，經(jīng)過輻射定標(biāo)、像元提取、云像元剔除、6S輻射傳輸模式查算等過程，反演了長(zhǎng)沙市氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）。結(jié)果表明，長(zhǎng)沙市AOD分布河?xùn)|高于河西，市區(qū)及周邊大部分地區(qū)在0.7以上，但也存在典型低值區(qū)，遠(yuǎn)郊大部分地區(qū)AOD分布在0.3～0.5。AOD分布的3處典型高值區(qū)分別為望城區(qū)湘江北路與湘江之間的霞凝港學(xué)校-新塘沖-長(zhǎng)塘（AOD為1.4～1.6）、四方坪立交橋與鴨子鋪路之間的區(qū)域（AOD為1.3～1.5）、雨花區(qū)長(zhǎng)沙火車南站北側(cè)區(qū)域（AOD為1.5～1.8）;3處典型低值區(qū)分別為岳麓區(qū)岳麓山-梅溪湖-桃花林公園、谷山林場(chǎng)、雨花區(qū)湖南省林業(yè)廳-湖南省林業(yè)科技示范園-天際嶺公園-湖南省植物園。將AOD與觀測(cè)得到的PM10、PM2.5濃度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，AOD分布與PM10濃度分布具有較好的一致性。

關(guān)鍵詞：HJ-1衛(wèi)星;氣溶膠光學(xué)厚度;霧霾;空間分布;長(zhǎng)沙市

中圖分類號(hào)：P407.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）17-0051-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.17.013? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： Based on the data of the CCD and IRS from HJ-1 satellite， the aerosol optical depth （AOD） in Changsha city was determined by the extended dark pixel algorithm with the processes of radiation calibration， pixels extracted， cloudy pixels deleted and 6S radiation transmission model used. The results show that the AOD in the east side of the Xiang River is higher than that in the west side. The values of AOD are more than 0.7 in the most of urban areas and surrounding with also typical low AODs existed， while they are between 0.3 and 0.5 in the outer suburbs. The typical high values of AOD distribute three places. One is located in Wangcheng district between the north of Xiang river road and Xiang river containing the Xianinggang School， Xintangchong， and Changtang， with the AOD between 1.4 and 1.6. One is located between Sifangping overpass and Yazipu road， with the AOD between 1.3 and 1.5. The last is located in Yuhua district in the north area of the south station of Changsha， with the AOD between 1.5 and 1.8. There are also three regions with low AOD in the city： The first is located in the belt of Yuelu mountain-Meixi lake-Taohua hill， while the second is located in Gushan forest farm and the third is located in the belt of Hunan Province Forestry Bureau and Hunan Forestry Science and Technology Demonstration Park-Tianji mountain park-Hunan Botanical Garden. The comparative analysis results betwwen inversed AOD and the concentrations of PM10 and PM2.5 show that the distributions between AODs and the concentrations of PM10 have a good consistency.

Key words： HJ-1satellite; aerosol optical depth; fog and haze; space distribution; Changsha city

大氣氣溶膠是指由自然或人為活動(dòng)排放的懸浮在大氣中粒徑為0.001～100 μm的各種固體和液體微粒與氣體載體組成的多相體[1]。氣溶膠作為大氣的重要組成成分，不僅通過自身的散射和吸收作用直接改變地氣系統(tǒng)的輻射收支，還可作為云的凝結(jié)核，通過改變?cè)频膲勖肮鈱W(xué)性質(zhì)間接影響氣候變化。此外，氣溶膠吸收短波輻射后改變大氣溫度層結(jié)，調(diào)整地氣系統(tǒng)輻射平衡。20世紀(jì)70年代以來，伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)和城市化擴(kuò)張，中國(guó)氣溶膠排放及其對(duì)全球和區(qū)域氣候變化的影響已經(jīng)成為國(guó)際上關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。由氣溶膠造成的能見度惡化現(xiàn)象已成為中國(guó)最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，尤其是2013年1月發(fā)生在中國(guó)中東部地區(qū)大范圍、持續(xù)性、高強(qiáng)度的霧霾天氣，更是引起了廣大學(xué)者和公眾的空前關(guān)注[5，6]。

地面觀測(cè)中，霧和霾屬于兩種不同的天氣現(xiàn)象。以往研究大多將兩者區(qū)分開進(jìn)行研究。實(shí)際中，霧滴和氣溶膠粒子之間在物理、化學(xué)方面有著密切的相互作用[7-9]，公眾感受到的霧霾天氣大多是霧和霾同時(shí)存在的情形[10]。另外，霧霾天氣與城市熱島效應(yīng)往往集中出現(xiàn)。Cao等[11]采用衛(wèi)星資料和氣候模型模擬得出霧霾在夜間加重?zé)釐u效應(yīng)，且能通過吸收額外的輻射，使得城市溫度升高0.7 ℃，這一現(xiàn)象在半干旱城市尤為明顯。綜上，霧霾發(fā)生是相當(dāng)復(fù)雜的過程，其研究的諸多方面存在較大的不確定性。氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）是反映整層大氣柱氣溶膠分布的一個(gè)綜合指數(shù)，對(duì)霧霾分布及霧霾強(qiáng)度等均具有較好的指示作用[12，13]。以往對(duì)區(qū)域AOD的分析主要是基于氣象衛(wèi)星或其他中分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行。隨著社會(huì)的發(fā)展，公眾對(duì)氣溶膠監(jiān)測(cè)的要求越來越高，越來越精細(xì)化，中等分辨率衛(wèi)星觀測(cè)已不能完全滿足社會(huì)及公眾的需求。

長(zhǎng)沙市位于中國(guó)中部地區(qū)，是近年來中部地區(qū)崛起的長(zhǎng)株潭城市群核心組成城市。地勢(shì)南高北低，南有五嶺，東有幕阜山，西有雪峰山，北為洞庭湖，形成北向開口的馬蹄形，此地形不利于大氣環(huán)流向南傳輸，氣溶膠易在此堆積。長(zhǎng)沙市氣候冬冷夏熱，屬于典型的亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，主汛期4—9月。近年來，長(zhǎng)沙市由氣溶膠引起的低能見度污染天氣時(shí)有發(fā)生，且集中在秋冬季節(jié)。有學(xué)者基于地面臺(tái)站氣象觀測(cè)資料分析了湖南省霾日的變化趨勢(shì)，指出20世紀(jì)70年代以來，湖南省年平均風(fēng)速線性減少，霾日急劇增多[14]。楊琨等[15]利用氣象觀測(cè)站水汽和能見度資料擬合氣溶膠光學(xué)厚度，分析了包括長(zhǎng)沙市在內(nèi)的70個(gè)站點(diǎn)AOD變化特征及與能見度的關(guān)系，結(jié)果表明長(zhǎng)沙市AOD與能見度呈顯著負(fù)相關(guān)。以往針對(duì)該地區(qū)氣溶膠和霾的研究多是基于地面觀測(cè)資料進(jìn)行，采用高分辨率衛(wèi)星資料對(duì)長(zhǎng)沙市氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布的分析尚未見報(bào)道。因此，有必要對(duì)長(zhǎng)沙市氣溶膠光學(xué)厚度開展精細(xì)化分析。2008年9月，中國(guó)HJ-1A/1B采用一箭雙星的方式發(fā)射成功，兩顆衛(wèi)星上均搭載可見光相機(jī)（CCD）;另外HJ-1B衛(wèi)星上還搭載了紅外相機(jī)（IRS）。本研究采用HJ-1A/1B CCD數(shù)據(jù)結(jié)合IRS數(shù)據(jù)反演了長(zhǎng)沙市各個(gè)季節(jié)AOD，并將反演結(jié)果與PM10、PM2.5濃度進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)長(zhǎng)沙市AOD空間分布圖進(jìn)行分析，提取出精確到街道和社區(qū)的AOD高值分布區(qū)和低值分布區(qū)。此項(xiàng)工作一方面可提高對(duì)長(zhǎng)沙市AOD整體分布的認(rèn)知;另一方面也可為霧霾強(qiáng)度精細(xì)化評(píng)估提供必要的技術(shù)支撐，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1? 數(shù)據(jù)資料與反演方法

1.1? 數(shù)據(jù)介紹

HJ-1衛(wèi)星全稱環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座，包含兩顆光學(xué)小衛(wèi)星（即HJ-1A和HJ-1B）和一顆合成孔徑雷達(dá)小衛(wèi)星（HJ-1C），是中國(guó)第一個(gè)專門用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的小衛(wèi)星星座，具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率的特點(diǎn)，可對(duì)中國(guó)環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)大范圍、全天候、全天時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。HJ-1A上搭載了2臺(tái)CCD相機(jī)和1臺(tái)超光譜成像儀（HSI），2臺(tái)CCD相機(jī)拼接得到700 km的幅寬;HJ-1B搭載了2臺(tái) CCD相機(jī)和1臺(tái)紅外相機(jī)（IRS），其中CCD相機(jī)與HJ-1A上CCD相機(jī)完全相同。HJ-1A與HJ-1B軌道完全相同，相位相差180°，A、B雙星CCD相機(jī)組網(wǎng)后重訪周期為2 d，IRS重訪周期為4 d。CCD和IRS數(shù)據(jù)均來源于中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心官網(wǎng)。CCD和IRS觀測(cè)波段及地面像元分辨率見表1。

選取2009—2016年CCD和IRS影像數(shù)據(jù)，篩選出覆蓋長(zhǎng)沙市（包含雨花區(qū)、天心區(qū)、芙蓉區(qū)、岳麓區(qū)、望城區(qū)和長(zhǎng)沙縣）云量小于20%的CCD和IRS數(shù)據(jù)。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，提取出長(zhǎng)沙市無云的CCD和IRS數(shù)據(jù)。具體選擇反演的數(shù)據(jù)見表2。PM2.5和PM10資料來源于湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，資料選取2016年7月至2017年6月小時(shí)平均數(shù)據(jù)。

1.2? 反演方法

衛(wèi)星數(shù)據(jù)在使用之前必須經(jīng)過預(yù)處理，即對(duì)CCD和IRS數(shù)據(jù)做輻射訂正、波段融合和圖像裁剪處理。此外，由于CCD分辨率為30 m，IRS分辨率為150 m，需對(duì)CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣處理，將分辨率重采樣為150 m。采用的數(shù)據(jù)均經(jīng)過上述預(yù)處理，反演得到的AOD分辨率為150 m。

假設(shè)地表為朗伯體，大氣水平均一，衛(wèi)星接受到大氣層頂?shù)姆瓷渎嗜缦拢?/p>

本研究重點(diǎn)關(guān)注城市區(qū)域AOD反演，因此采用擴(kuò)展的暗像元方法反演AOD。MODIS基于2.1 μm波段地表反射率和植被指數(shù)（NDVI）來確定暗像元，并且將使用范圍擴(kuò)展到了亮地表[18]。采用Karnieli等[17]提出的AFRI植被指數(shù)，通過設(shè)置合適的AFRI閾值來確定暗像元。AFRI指數(shù)具有很好的抗大氣干擾的作用，能夠較好地反映地表植被的實(shí)際情況，本研究取AFRI=0.3。再結(jié)合植被指數(shù)（NDVI<0）剔除云像元。最后采用6S輻射傳輸模型，輸入角度幾何參數(shù)、大氣模式和氣溶膠模式，構(gòu)建AOD反演查算表，從而得到AOD值。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 氣溶膠光學(xué)厚度與PM10、PM2.5濃度對(duì)比驗(yàn)證

地表反射率和氣溶膠類型是采用暗像元法反演AOD的關(guān)鍵步驟，也是誤差來源的主要因子。將反演得到的AOD與地面PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)反演結(jié)果的可靠性進(jìn)行分析。年平均AOD與年平均PM10濃度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除湖南師范大學(xué)站點(diǎn)之外，AOD空間分布與PM10濃度空間分布高值區(qū)均分布于河?xùn)|（AOD>0.6，PM10>70 μg/m3），低值區(qū)分布于河西和望城區(qū)（AOD≤0.6，PM10≤70 μg/m3），AOD與PM10濃度空間整體分布趨勢(shì)基本一致。此外，伍家?guī)X站PM10濃度是所有站點(diǎn)的最高值，該站點(diǎn)的AOD也呈現(xiàn)出最高值特點(diǎn)，其他絕大部分站點(diǎn)PM10濃度與AOD之間的高低值對(duì)應(yīng)一致（圖1）。年平均AOD與年平均PM2.5濃度進(jìn)行對(duì)比分析表明，AOD與PM2.5濃度空間分布均呈西低東高的趨勢(shì)，但兩者高低值分布趨勢(shì)具有一定的差異，如湖南師范大學(xué)和新火車站的PM2.5濃度分別是50 μg/m3和49 μg/m3，而兩站的AOD分別是0.44和0.66;伍家?guī)X和雨花區(qū)環(huán)保局PM2.5濃度分別是48 μg/m3和46 μg/m3，而兩站的AOD分別是0.84和0.82。AOD與PM2.5濃度的空間整體趨勢(shì)分布一致，各站點(diǎn)高低值分布趨勢(shì)并不一致（圖2）。這一現(xiàn)象說明長(zhǎng)沙市氣溶膠PM2.5占主導(dǎo)，粒徑大于2.5 μm的粒子有一定的含量，這是造成AOD與PM2.5濃度各站點(diǎn)高低值分布趨勢(shì)存在一定差異的主要原因。以上結(jié)果表明，長(zhǎng)沙市AOD分布河?xùn)|高于河西，AOD與PM10濃度分布趨勢(shì)基本一致，佐證了采用的反演方法可靠。

2.2? 氣溶膠光學(xué)厚度空間分布特征

基于上述建立的AOD反演方法，計(jì)算得到長(zhǎng)沙市春、夏、秋、冬AOD空間分布圖。由圖3和圖4可知，長(zhǎng)沙市區(qū)、望城區(qū)及市區(qū)周邊地區(qū)AOD較高，整體呈自市區(qū)向外減少的趨勢(shì)。其中市區(qū)及市區(qū)周邊地區(qū)AOD分布于0.7以上，但也存在典型低值區(qū);郊區(qū)大部分地區(qū)AOD在0.3～0.5。整體而言，長(zhǎng)沙市AOD分布河?xùn)|高于河西，這一結(jié)果與PM10、PM2.5濃度空間分布一致。

2.3? 氣溶膠光學(xué)厚度典型高值區(qū)和低值區(qū)分析

結(jié)合GIS技術(shù)及高精度電子地圖，將每個(gè)季節(jié)AOD排位在前10%的像元提取出來，四季均存在3處AOD典型高值區(qū)，具體分布在望城區(qū)湘江北路與湘江之間的霞凝港學(xué)校-新塘沖-長(zhǎng)塘一帶（高值區(qū)1）AOD為1.4～1.6;四方坪立交橋與鴨子鋪路之間的區(qū)域（高值區(qū)2）AOD為1.3～15;雨花區(qū)長(zhǎng)沙火車南站北側(cè)區(qū)域（高值區(qū)3）AOD為1.5～1.8。AOD高值區(qū)詳細(xì)分布如圖5和圖4所示。將每個(gè)季節(jié)AOD排位在最后10%的像元提取出來，分析得到長(zhǎng)沙市四季均存在3處AOD典型低值區(qū)，分布在岳麓區(qū)岳麓山-梅溪湖-桃花林公園一帶、岳麓區(qū)谷山林場(chǎng)一帶、雨花區(qū)湖南省林業(yè)廳-湖南省林業(yè)科技示范園-天際嶺公園-湖南省植物園一帶。綜上可知，AOD典型高值區(qū)分布于人流量和車流量較大的交通路段，AOD典型低值區(qū)主要分布于下墊面植被覆蓋度良好的林區(qū)、公園及園林示范區(qū)，長(zhǎng)沙市AOD分布受下墊面和人為活動(dòng)影響密切。

3? 小結(jié)與討論

基于探索城市霧霾強(qiáng)度空間分布的目標(biāo)，利用HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD和IRS數(shù)據(jù)對(duì)觀測(cè)波段進(jìn)行分析，采用擴(kuò)展的暗像元法反演了長(zhǎng)沙市氣溶膠光學(xué)厚度，將反演結(jié)果與氣溶膠濃度資料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合GIS技術(shù)，提取出四季均存在的AOD典型高值區(qū)和低值區(qū)，主要結(jié)論如下。

1）反演得到的AOD空間分布與PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度空間分布趨勢(shì)一致，各站點(diǎn)AOD的高低分布趨勢(shì)與PM10濃度站點(diǎn)值分布基本一致，與PM2.5濃度分布趨勢(shì)存在一定差異。

2）長(zhǎng)沙市AOD分布河?xùn)|高于河西，長(zhǎng)沙市區(qū)、望城區(qū)及市區(qū)周邊地區(qū)AOD主要分布在0.7以上，整體由市區(qū)向遠(yuǎn)郊減少，郊區(qū)絕大部分AOD分布于0.3～0.5。

3）長(zhǎng)沙市區(qū)存在3處AOD高值區(qū)和3處AOD低值區(qū)，前者分布于人流量和車流量較大的路段，后者分布于下墊面植被覆蓋度良好的林區(qū)、公園及園林示范區(qū)。

采用高分辨率衛(wèi)星遙感手段反演氣溶膠光學(xué)厚度，能對(duì)霧霾精細(xì)化空間分布評(píng)估提供必要的科技支撐。但由于觀測(cè)資料有限，研究中僅將反演得到的AOD與有觀測(cè)點(diǎn)的PM10、PM2.5濃度進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度與其濃度之間有差異，因此，后期如果能夠取得同期其他高精度衛(wèi)星觀測(cè)資料，可以對(duì)本研究結(jié)果進(jìn)行更深入的驗(yàn)證和評(píng)估。

致謝：AOD算法建立得到成都信息工程大學(xué)劉志紅教授、張洋的幫助，在此謹(jǐn)致謝忱。

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收稿日期：2019-06-20

基金項(xiàng)目：中國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)（CCSF201839）;湖南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2017JJ2148）;湖南省氣象局預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力建設(shè)

專項(xiàng)（YBNL16-13-2）

作者簡(jiǎn)介：周? 碧（1984-），女（瑤族），湖南道縣人，高級(jí)工程師，博士，主要從事氣溶膠光學(xué)特性研究，（電話）15173141527（電子信箱）