MODIS气溶胶光学厚度与青岛市市南区空气污染指数的回归分析

黄 靖,陈文忠

(中国海洋大学 信息科学与工程学院海洋遥感研究所，海洋遥感教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

卫星遥感技术的兴起使通过遥感技术有效的检测和预测大气污染成为一项迫切的任务[1].不少学者开始采取气溶胶卫星遥感方法进行监测大气污染的研究工作，建立空气污染指数(API)与大气气溶胶光学厚度(AOT)之间的关系[2].本文通过对大气气溶胶光学厚度和空气污染指数进行回归分析，研究二者之间的相关性.

1 研究目的及数据

本文以青岛市市南区为研究区域，利用2006-2008年的MODIS气溶胶产品、API数据，结合实测AOT数据建立数学模型，找出AOT与API之间的关系，期待可以利用AOT数据反映空气污染状况.

1.1 MODIS气溶胶产品

中等分辨率成像光谱仪MODIS是NASA发射的EOS-TERRA和EOS- AQUA卫星上最重要的星载仪器，每一到两天观测可覆盖全球一次[3].本文使用MODIS Level-2气溶胶产品MOD04，其星下点分辨率为10 km×10 km[4]，所采用的数据时间是从2006年4月到2008年12月，其中有效数据的天数为279 d.

1.2 API数据

本文采用青岛市环境监测站和青岛市气象台官方网站提供的API数据，其对可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)的浓度进行监测，并将结果表示成一个单一的数值以表征空气污染程度[5-6].

由于天空辐射计设置在中国海洋大学鱼山校区逸夫科技馆五楼顶进行观测，因此在利用API资料讨论相关性的时候,为了减小因区域不同带来的误差，选取市南区西部作为主要研究对象.

图1 青岛市南区AOT与API变化图

1.3 实测AOT数据

实测AOT数据由7波段全自动天空辐射计(POM01MARKⅡ)[7]反演得到，观测地点位于青岛市市南区、中国海洋大学鱼山校区逸夫科技馆五楼顶，经纬度为120.33°E, 36.06°N，是天空辐射计500 nm处反演得到的气溶胶光学厚度数值.

2 相关性分析

2.1 实测数据统计分析

由图1可知，4-6月青岛市南区AOT比其他月份都要明显高，7、8月份达到低值.这是因为春季气候干燥、沙尘较大，容易出现扬尘，进而造成光学厚度的最大值.夏秋季节空气比较湿润，降水频繁，使得气溶胶光学厚度不会太高.青岛市南区4、5、11、12月份的空气污染指数较高，这也许是因为11、12月份处在供暖期，燃煤量较大，而4、5月份正值春季，空气比较干燥.结合AOT变化可以看出，两者都与大气污染有关，在一定程度上是存在相关性的，但结果有可能并不明显，甚至很难得到一个明确的相关系数.

2.2 实测AOT与MODIS产品关系模型

根据研究区域经纬度在MODIS数据中选择以实测数据经纬度坐标为中心，10 km×10 km空间范围内的有效像素值，再根据得到的MODIS有效数据的过境时间在现场数据中选取据此时间最为接近的数据，要求是实测数据时间与卫星过境的时间间隔小于1 h，得到天空辐射计现场观测气溶胶光学厚度与MODIS卫星产品数据的匹配结果，并根据结果得到图2.由左边的趋势图可知二者虽然在数值上有差异，但变化趋势基本一致，进而对两者做回归分析得到线性关系图，得出二者相关系数为0.883，这说明实测数据和MODIS产品之间相关性还算比较好，几个较为离散的数值点应该是由于MODIS气溶胶光学厚度产品空间分辨率较低的缘故.

2.3 AOT与API关系模型

分别采用MODIS产品和实测AOT与API进行线性分析，得到MODIS气溶胶产品数据的AOT值与API的相关系数只有-0.002，而实测数据AOT与API的相关性也不过是-0.159，不论是遥感数据还是实测数据的AOT值与API数值相关性都不理想.

API的首要污染物绝大多数是PM10，PM10浓度的测定一般首先通过一个干燥的过程，结果是比较固定的相对湿度下的质量浓度情况，而MODIS的AOT产品时自然环境背景下测量的，AOT的消光系数受到相对湿度的显著影响.所以，考虑湿度因子影响之后再与AOT进行比较，得到AOT值与API的相关系数变为0.147，而实测数据AOT与API的相关性是0.171，相关系数有略微提高但总体说来还是非常低，这也许由于青岛市属于北温带，四季气候条件不同，所以空气污染状况和气溶胶光学厚度也不尽相同.按照季节进行研究，可得到表1.

左边为趋势对比图，右边线性关系图

表1 API与AOT的线性拟合模型表

Tab.1 API and the linear fitting model table AOT

季节API与实测AOT相关系数API与MODIS产品相关系数春季0.2930.428夏季0.0170.267秋季0.3690.492冬季0.0930.089

3 结论

分季节讨论之后，AOT与API的相关程度较之前稍好，但也不是特别如意，特别是夏、冬两季，夏季是因为数据较少的缘故，而冬季处于集中供暖时期，燃煤量高，导致空气中SO2和氮氧化物浓度增加.春季精度低于秋季，这是因为春季天气干燥，容易扬尘，再加上春季数据最少，统计并不精确.

API与AOT的相关性并不高，这就意味着并不能利用卫星遥感得到的AOT数据来反映大气污染情况.产生问题的具体原因有很多方面：一是数据的空间分辨率较低；二是大气污染指数虽然可以用PM10浓度来表征，但是也会受到其他因素如气象因子、SO2浓度、空气湿度等其他因素的制约，而且PM10粒子直径过大，之后的研究可以考虑PM2.5；三是因为有效数据较少.

MODIS产品数据空间分辨率太低，而实测的有效数据太少，这就对本研究有了一定的限制.API是在干燥的环境下测定，且只用PM10浓度表征，并不能体现SO2和氮氧化物浓度带来的影响.相信解决了这两个问题，二者的相关程度会更高.

参考文献:

[1]李成才.MODIS遥感气溶胶光学厚度及应用于区域环境大气污染研究[D].北京：北京大学，2002.

[2]王皓.南京市区空气污染指数与MODIS气溶胶光学厚度的回归分析[D].南京：南京师范大学，2006.

[3]李成才，毛节泰，刘启汉，等.MODIS卫星遥感气溶胶产品在北京市大气污染研究中的应用[J].中国科学(D辑)：地球科学，2005,35(S1)：177-186.

[4]刘玉光.卫星海洋学[M].北京：高等教育出版社，2009:115-118.

[5]李霞,任宜勇,吴彦,等.乌鲁木齐污染物浓度和大气气溶胶光学厚度的关系[J].高原气象,2007,26(3)：112-115.

[6]王皓,查勇.MODIS气溶胶光学厚度对城市空气质量的指示[J].城市环境与城市生态,2006，19(3)：21-24.

[7]董文.中国北黄海海区大气气溶胶光学特性观测研究[D].青岛：中国海洋大学，2005:2-13.