管慶丹，左小清，李石華

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.云南省基礎(chǔ)地理信息中心，云南 昆明 650093)

1 引 言

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的固體或者液體顆粒物，其直徑大小多在 0.001 μm～100 μm之間[1]。大氣氣溶膠來源可分為人為源和自然源兩種。其中人為源包括：化石燃料的燃燒、秸稈燃燒、汽車尾氣的排放等；自然源包括：火山的噴發(fā)、風(fēng)吹揚(yáng)起的灰塵、海水濺沫蒸發(fā)形成的鹽粒等[2]。氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射和地面輻射來影響地氣輻射收支，或者通過改變云的特征來影響云的輻射傳輸，從而影響氣候[3～6]。在城市大氣中，汽車尾氣排放的氣溶膠占據(jù)很大比重，且其平均延續(xù)時間長，對人體健康有著重大的影響。細(xì)小的氣溶膠微粒通過影響人類的呼吸系統(tǒng)危害人的生命，密度大的氣溶膠微粒通過降低空氣的能見度，影響空氣質(zhì)量，從而干擾人的生產(chǎn)生活[7]。

為研究氣溶膠特性、大氣污染狀況，人們提出了氣溶膠光學(xué)厚度這一物理參數(shù)，它是指氣溶膠的消光系數(shù)在垂直方向上的積分[8]。而氣溶膠光學(xué)厚度可以用來估測大氣污染的程度，是當(dāng)前研究所能夠獲取的覆蓋度比較廣且比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[9，10]。研究氣溶膠時空變化特征對于氣候變化和環(huán)境保護(hù)具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

長株潭城市群位于湖南省東北部，人口、生產(chǎn)總值均占湖南省很大比重。近年來隨著長株潭區(qū)域一體化、城市開發(fā)與擴(kuò)張、人口聚集，該區(qū)域能源加劇消耗，環(huán)境問題也日漸突出。利用時空序列分析方法可以較好地研究長株潭城市群地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的時空變化特征，通過建立差分自回歸移動平均模型(簡稱ARIMA)可以實(shí)現(xiàn)對研究區(qū)域氣溶膠變化趨勢短期預(yù)測，其研究成果可直接用于空氣質(zhì)量監(jiān)測與環(huán)境保護(hù)，為相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門提供良好的科學(xué)支撐和決策。探究該區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度時空特征及變化趨勢對該區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測與環(huán)境保護(hù)有著重大意義。

大氣中的氣溶膠可以通過地基和衛(wèi)星遙感手段來探測。地基主要是利用太陽光度計(jì)觀測氣溶膠，如NASA的AERONET地基數(shù)據(jù)。為破除地基空間觀測的不足(點(diǎn)觀測)，許多學(xué)者利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取氣溶膠信息實(shí)現(xiàn)了高時空覆蓋。許多學(xué)者利用AERONET地基數(shù)據(jù)對遙感氣溶膠相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了全球驗(yàn)證。MikalaiFilonchyk等人利用MODIS-Aqua提供的數(shù)據(jù)探究了2002年～2019年的東歐10多個國家的氣溶膠光學(xué)特性的趨勢，并利用多個AERONET站點(diǎn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證[11]。Li等人利用13個AERONET站點(diǎn)的數(shù)據(jù)對MODIS AOD產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，證明了MODIS產(chǎn)品可以用于研究中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的時空分布[12]。

Levy等人研究表明MODIS與AERONET的AOD相關(guān)系數(shù)由0.847提高到了0.894[13]，其MODIS AOD的陸地上空的誤差范圍為0.05±15%(通常情況下為20%)。這些研究都表明氣溶膠遙感產(chǎn)品可靠，精度較好，可以用于區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測。

為實(shí)現(xiàn)某區(qū)域長期的空氣質(zhì)量監(jiān)測，時間序列分析方法被應(yīng)用到氣溶膠時空特征研究領(lǐng)域。葉瑜等人通過建立ARIMA模型，經(jīng)過一次差分表明氣溶膠光學(xué)厚度與大氣污染物、氣象因素的關(guān)系[14]。蔡坤、鄭泰皓等人為探究PM2.5和NO2的時空變化，構(gòu)建了兩階段統(tǒng)計(jì)模型，包括線性混合模型和廣義相加模型[15]。劉狀、孫曦亮等人利用GIS統(tǒng)計(jì)分析和集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法來分析氣溶膠光學(xué)厚度的時空特征[16]。張亮林等人基于MODIS數(shù)據(jù)，通過線性趨勢法、標(biāo)準(zhǔn)偏差、Hurst指數(shù)法探究中國氣溶膠光學(xué)厚度時空分布特征[17]。鄭逢斌等人針對華北平原的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行了月、季、年三個時間尺度的特征分析[18]。劉狀、石晨烈等人通過聚類分析探究氣溶膠光學(xué)厚度時間序列變化[19]。其中ARIMA模型被廣泛應(yīng)用到諸多研究領(lǐng)域，如降水量、衛(wèi)生疾病、股票價格等[20～23]。這些研究表明該模型能很好地對參數(shù)和變量進(jìn)行預(yù)測和估計(jì)。因此本文基于2015年～2018年間的MODIS遙感數(shù)據(jù)分析長株潭地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)時空變化特征，并在此基礎(chǔ)上利用差分自回歸移動平均模型(簡稱ARIMA)，對研究區(qū)域氣溶膠變化趨勢進(jìn)行短期預(yù)測，探究該區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度時空特征及變化趨勢對該區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測與環(huán)境保護(hù)有著重大意義，同時也能為相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門提供良好的科學(xué)支撐和決策。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

長株潭城市群于2007年成為“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”改革試驗(yàn)區(qū)，是全國12個綜合改革試驗(yàn)區(qū)之一。城市群位于湖南省中東部，呈品字形分布，是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心，是全省的經(jīng)濟(jì)與政治文化中心，中心城區(qū)年平均人口數(shù)約占全省中心城區(qū)人口的38%。城市群以山地、丘陵為主，森林、湖泊資源豐富，氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，氣候溫和，雨量豐沛，其年平均氣溫在16℃～18℃之間，年均降水量均在 1 000 mm以上[24，25]。

2.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

(1)MODIS數(shù)據(jù)

本文選用從LAADS網(wǎng)站上下載的MOD04_L2數(shù)據(jù)，MOD04_L2數(shù)據(jù)為日產(chǎn)品，分辨率為 10 km×10 km，精度較高，但是受云覆蓋的影響致使數(shù)據(jù)中存在大量的無效值[26～28]。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理去除無效值，利用數(shù)據(jù)有效值對月、季節(jié)、年三個尺度求均值，然后分析其變化趨勢并做出短期預(yù)測。選取AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined數(shù)據(jù)集。

(2)地基數(shù)據(jù)

全球自動觀測網(wǎng)AERONET是由NASA和CNRS聯(lián)合建立的地基氣溶膠遙感觀測網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)在全球共有500多個站點(diǎn)并且覆蓋了全球的主要區(qū)域[26，27]。AERONET對于氣溶膠的光學(xué)、物理和輻射特性的鑒定、衛(wèi)星產(chǎn)品的驗(yàn)證等工作具有重要作用。AERONET數(shù)據(jù)觀測精度較高，其氣溶膠光學(xué)厚度的觀測精度高，觀測數(shù)值的誤差大小在0.01～0.02的范圍內(nèi)，因此AERONET數(shù)據(jù)可對MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行評估驗(yàn)證[26]。

(3)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

MODIS遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)集的選擇、HDF轉(zhuǎn)TIFF格式、定義坐標(biāo)系、影像鑲嵌、柵格轉(zhuǎn)矢量、矢量裁剪和數(shù)據(jù)還原。

3 研究方法

通過建立ARIMA模型，即差分自回歸移動平均模型，探究2015年～2018年的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)隨時間的變化并做出短期預(yù)測。這種方法可以有效地規(guī)避該方面的問題。ARIMA模型的實(shí)質(zhì)是差分和自回歸移動平均模型的結(jié)合，其又可以細(xì)分為三種模型。

(1)AR模型

AR模型是p階自回歸模型，記為AR(p)[28]，其數(shù)學(xué)公式為：

χt=φ0+φ1χt-1+φ2χt-2+…+φpχt-p+εt

(1)

其中，在t時刻的隨機(jī)變量χt的取值χt是前p期χt-1，χt-2…，χt-p的多元線性回歸，隨機(jī)干擾誤差項(xiàng)ε為零均值白噪聲序列。

(2)MA模型

MA模型是q階自回歸模型，記為MA(q)[28]，其數(shù)學(xué)公式為：

χt=μ+εt-θ1εt-1-θ2εt-2-…-θqεt-q

(2)

其中，在t時刻的隨機(jī)變量Xt的取值Xt是前q期εt-1，εt-2…，εt-p的多元線性回歸，隨機(jī)干擾誤差項(xiàng)ε為零均值白噪聲序列。

(3)ARMA模型

ARMA模型是自回歸平均模型，記為ARMA(p，q)[28]，其數(shù)學(xué)公式為：

χt=φ0+φ1χt-1+φ2χt-2+…+φpχt-p+εt-θ1εt-1-θ2εt-2-…-θqεt-q

(3)

其中(φ1、φ2…φq)為自回歸系數(shù)，p為自回歸階數(shù)，(θ1、θ2…θq)為移動平均系數(shù)，q為移動平均階次，{εt}為白噪聲序列，若以d表示差分階次，則模型可以記為ARIMA(p，d，q)。

(4)ARIMA模型的建模過程

ARIMA模型要求原始序列為平穩(wěn)序列。若原始序列為非平穩(wěn)序列，則需要差分處理得到平穩(wěn)非白噪聲序列，然后通過觀察自相關(guān)和偏自相關(guān)函數(shù)圖確定p、q值(表1)，并通過不斷的嘗試尋找最優(yōu)的模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測。

ACF和PACF對應(yīng)表 表1

4 結(jié)果與分析

4.1 氣溶膠光學(xué)厚度月均值變化特征

2015年～2018年長株潭城市群AOD月均值范圍為0.14～1.06，在2015年12月達(dá)到最低，在2016年4月達(dá)到最高，4個研究對象的月均值整體波動性趨于一致，且不同的月份之間對比波動性比較大。城市群氣溶膠光學(xué)厚度在2015年～2018年間呈下降趨勢，月均值在2016年4月達(dá)到最高，最大值為1.01；2015年12月達(dá)到最低，最小值為0.14，如圖1所示。

圖1 2015年～2018年氣溶膠光學(xué)厚度月均值變化趨勢圖

4.2 季均值變化特征

春季AOD遠(yuǎn)高于其他三個季節(jié)，而夏、秋、冬三個季節(jié)在不同年份有所波動。劉海知等人通過研究2001年～2017年全國氣溶膠光學(xué)厚度的時空變化，將AOD值季節(jié)性差異分為三種類型，指出AOD值春夏達(dá)到高峰且春季最高是由于西北地區(qū)沙塵的大量輸送，另外生物質(zhì)的燃燒和自然揚(yáng)塵也是造成春季AOD值高的原因[28]。王曉玲等人通過研究湖北省氣溶膠光學(xué)特性的時空變化，也指出由于受到遠(yuǎn)距離輸送的沙塵的影響，春季AOD值遠(yuǎn)高于其他三個季節(jié)，而其他三個季節(jié)AOD值相差不大說明除春季外，該地區(qū)氣溶膠排放源比較穩(wěn)定[29]。夏季雨量充沛，由于雨水具有降塵的作用，使得夏季AOD值低于春季。秋季是農(nóng)作物豐收的季節(jié)，人類活動對氣溶膠的產(chǎn)生有很大影響，可能會使秋季AOD值高于夏季。冬季降雨量最少且溫度低，空氣運(yùn)動緩慢，氣溶膠擴(kuò)散速率降低，所以冬季的AOD值相對較低，如圖2所示。

圖2 2018年氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)均值變化趨勢圖

4.3 氣溶膠光學(xué)厚度年均變化特征

如圖3所示，長株潭城市群AOD值在0.42～0.60間，這四年的AOD值整體呈下降趨勢，并且湘潭市AOD年均值最高、長沙市次之、株洲市最低。但株洲市AOD值在2018年有升高趨勢。

圖3 2015年～2018年氣溶膠光學(xué)厚度年均值變化趨勢

從2015年～2018年長株潭城市群AOD均值統(tǒng)計(jì)空間分布圖(圖4)可以看出長株潭城市群的AOD值逐漸降低，尤其是高值地區(qū)的AOD變化十分明顯。胡順石等人通過研究城市擴(kuò)張對長株潭城市群的植被指數(shù)的影響，表明在城市擴(kuò)張的同時，其生態(tài)環(huán)境和城市綠化得到了保護(hù)，并且城市擴(kuò)張區(qū)域的植被指數(shù)緩慢增長趨勢，僅有部分周邊區(qū)域植被指數(shù)有下降趨勢[30]。劉大逵等人通過研究長株潭區(qū)域的森林植被變化，也表明了長株潭城市群的植被指數(shù)有上升趨勢，其生態(tài)建設(shè)取得了一定的成效[31]。結(jié)合省內(nèi)相關(guān)政策可知，從“十二五”規(guī)劃，湖南省大力實(shí)施“四化兩型”戰(zhàn)略，打造“三量齊升”的新形態(tài)。在2015年，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、基礎(chǔ)設(shè)施的完善、區(qū)域發(fā)展的格局、兩型建設(shè)的成就等各個方面都取得了重大突破。2016年～2020年繼續(xù)推行“十三五”規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的不斷壯大、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，在各個方面取得突破。近年來，長株潭城市群通過產(chǎn)業(yè)調(diào)整，淘汰落后產(chǎn)能和“高消耗、高污染、高排放”的產(chǎn)業(yè)，增加高技術(shù)含量、高附加值產(chǎn)業(yè)和綠色低碳產(chǎn)業(yè)。在環(huán)境治理方面，加強(qiáng)治理湘江流域污染，注重濕地的保護(hù)和回復(fù)，以山脈和水系為依托，加上交通要道兩側(cè)綠化建設(shè)和城市交界處的環(huán)境建設(shè)，構(gòu)建生態(tài)良性循環(huán)系統(tǒng)。由此可見，AOD值呈下降趨勢得益于政府對生態(tài)環(huán)境的相關(guān)建設(shè)。

圖4 2015年～2018年氣溶膠光學(xué)厚度年均值空間分布圖

長株潭城市群的氣溶膠在西北部地區(qū)較高，而在南部和東北部相對較低。高值地區(qū)處于長沙市和湘潭市的市區(qū)，該地區(qū)人口密度大、工業(yè)發(fā)展迅速，因此人類活動對氣溶膠的影響很大，工業(yè)排放、汽車尾氣排放、生活垃圾等方面都有可能是導(dǎo)致AOD值較高的原因。結(jié)合長株潭城市群的地形分布分析，長株潭城市群的湘潭市市區(qū)、長沙市市區(qū)、株洲市市區(qū)的地勢相對較低，四周皆有山地、丘陵圍繞，由于地勢較低的地區(qū)產(chǎn)生的氣溶膠不易向地勢高的地區(qū)擴(kuò)散，因此容易造成該地區(qū)氣溶膠聚集，AOD值偏高。而地勢高的地區(qū)人類活動較少、污染程度不高，再者群山圍繞，植被覆蓋率較高，因此AOD值偏低。

4.4 氣溶膠光學(xué)厚度預(yù)測分析

根據(jù)整理好的長株潭城市群的氣溶膠光學(xué)厚度月均值數(shù)據(jù)，采用ARIMA建模方法進(jìn)行長株潭地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)變化趨勢的未來預(yù)測，預(yù)測結(jié)果為ARIMA(12，1，16)擬合度較好，從圖5和圖6中可以看出ARIMA(10，1，11)和ARIMA(12，1，16)模型氣溶膠光學(xué)厚度月均值預(yù)測結(jié)果，其中各個月份的AOD值均在置信區(qū)間內(nèi)，且預(yù)測值的大概趨勢和真實(shí)值一致，說明ARIMA模型能夠有效預(yù)測長株潭城市群未來氣溶膠光學(xué)厚度的發(fā)展趨勢。根據(jù)兩個模型的擬合度，擬合度越高，預(yù)測越好，ARIMA(12，1，16)預(yù)測結(jié)果更好，如表2所示。

圖5 ARIMA(10，1，11)氣溶膠光學(xué)厚度月均值預(yù)測結(jié)果圖

圖6 ARIMA(12，1，16)氣溶膠光學(xué)厚度月均值預(yù)測結(jié)果圖

模型擬合度統(tǒng)計(jì)表 表2

5 結(jié) 論

本文基于2015年～2018年間的MODIS遙感數(shù)據(jù)分析長株潭地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)時空變化特征，并在此基礎(chǔ)上利用差分自回歸移動平均模型(簡稱ARIMA)，對研究區(qū)域氣溶膠變化趨勢進(jìn)行短期預(yù)測。研究結(jié)論為：

(1)長株潭城市群氣溶膠光學(xué)厚度在2015年～2018年的月均值的波動變化是一致的，但在月均值的變化中存在突變。氣溶膠光學(xué)厚度月均值在2016年4月達(dá)到最高，最大值為1.01；在2015年12月達(dá)到最低，最小值為0.14。季節(jié)變化特征來看，春季5月份AOD值達(dá)到最高；夏季7月份發(fā)生突變達(dá)到最低；秋季整體來說AOD值偏低；冬季12月份最低。

(2)春季的氣溶膠光學(xué)厚度遠(yuǎn)高于其他三個季節(jié)，而夏、秋、冬三個季節(jié)呈現(xiàn)一定的波動性，但總體差異不大。原因是除了春季受到遠(yuǎn)距離沙塵輸送，其他三個季節(jié)，長株潭城市群的排放源相對穩(wěn)定。從氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)均值空間分布特征來看，高值地區(qū)集中在湘潭市和長沙市。從地域AOD值變化趨勢來看，在春季AOD值從東南部向西北不斷增高；夏季單看長沙、湘潭，有從西向東擴(kuò)張的趨勢。

(3)長株潭城市群2015年～2018年的氣溶膠光學(xué)厚度年均值整體呈下降趨勢，政府對長株潭城市群的管控與調(diào)整取得了明顯成效。年均值空間分布上，氣溶膠光學(xué)厚度在西北部地區(qū)AOD值偏高，東南部AOD值偏低，并且AOD值湘潭市>長沙市>株洲市的結(jié)論。AOD值與地勢的關(guān)系體現(xiàn)在地勢低的地方人口密度大使得人類活動對氣溶膠影響大，AOD值偏高；地勢高的地方人口少，植被指數(shù)高，AOD值偏低。

(4)預(yù)測結(jié)果表明2019年～2021年長株潭城市群的氣溶膠光學(xué)厚度呈下降趨勢。同時也說明ARIMA模型可以有效預(yù)測氣溶膠光學(xué)厚度未來的發(fā)展趨勢。

研究表明氣溶膠光學(xué)厚度在長株潭區(qū)域存在明顯的時空分布特征，季節(jié)性變化明顯，春季顯著偏高，湘潭地區(qū)尤為突出。通過對比其他季節(jié)，該區(qū)域在春季主要受外來排放源影響較大。通過預(yù)測結(jié)果表明，政府實(shí)施的長株潭城市群“綠心計(jì)劃”對該區(qū)域的環(huán)境保護(hù)起到了良好的正面作用。本文利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行探究，缺少AERONET地基數(shù)據(jù)的驗(yàn)證工作，后續(xù)研究可以對此進(jìn)行補(bǔ)充。另外僅分析了造成氣溶膠光學(xué)厚度發(fā)生變化的可能性原因，并未對氣溶膠的類型和影響氣溶膠發(fā)生變化的因素進(jìn)行探究，后面的研究中將加強(qiáng)驅(qū)動因素分析的研究。