郑州市城区的环境卫星数据反演PM2.5的研究

李光辉

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053)



郑州市城区的环境卫星数据反演PM2.5的研究

李光辉

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053)

摘要：研究通过暗目标法获得环境卫星数据的气溶胶光学厚度(AOD)，根据监测点所在的AOD值范围取AOD平均值进行标高订正获得AOD地面消光系数，再进行湿度订正获得AOD近地面“干”消光系数，用近地面“干”消光系数与观测站点的PM(2.5)观测值进行比较，获得PM(2.5)反演值，利用PM(2.5)反演值再与PM(2.5)观测值进行相关性分析比较，建立线性模型关系，并简要地进行了分析。

关键词：气溶胶光学厚度；近地面“干”消光系数；PM(2.5)

1引言

城市大气污染物主要为可吸入气溶胶颗粒物。大气颗粒物(亦称气溶胶)是指分散在大气中的固态或液态的颗粒状物质。按照空气动力学直径(Dp)划分，大气颗粒物包括总悬浮颗粒物TSP(Dp≤100 μm)和可吸入颗粒物PM10(Dp≤10 μm)，其中PM10又可分为细粒子PM2.5(Dp≤2.5 μm)和粗粒子(2.5 μm

关于PM2.5，一些学者进行了相关方面的研究，Wang等[5]发现美国Jefferon县7个站点的小时平均PM2.5质量浓度与MODIS气溶胶光学厚度有很好的相关性(R=0.7)，并指出MODIS的气溶胶光学厚度可以用于定量评估空气质量等级，在无云的情况下可以达到90%的准确率。王静等[6]利用MODIS数据分析了北京市气溶胶光学厚度和PM2.5质量浓度的特征及相关性。

由于我国是在2012年把PM2.5写入国家标准，PM2.5的监测数据也是2012年正式对外公布，所以关于反演PM2.5的文献比较少。利用地面遥感数据和近地层颗粒物浓度数据研究建立AOD与PM相关函数,将对发展卫星遥感近地层PM浓度提供重要的应用参考。建立AOD和PM2.5质量浓度之间的联系,对空气质量监测和健康效应研究有积极意义[1]。

2研究区概况

本文选择的研究区域为郑州市辖区。郑州位于东经112°42′～114°13′，北纬34°16′～34°58′，东西宽166 km，南北长75 km，其中郑州市区面积600 km2。郑州市北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原，东面是七朝古都东京开封市，西面为十三朝古都洛阳市，南面是许昌市，北面为焦作市和新乡市。

郑州市属北温带大陆性季风气候，冷暖适中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雪。郑州市冬季最长，夏季次之，春季较短。郑州年平均气温在14～14.3 ℃之间，年平均降雨量640.9 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2 400 h(图1)。

3研究数据

研究中使用的数据包括环境卫星数据、气象数据、地面监测站点数据。

3.1环境卫星数据

环境一号AB卫星于2008年9月成功发射，填补了我国在环境监测和减灾应急领域没有国产民用专用卫星和数据的空白。环境一号AB星的载荷包括CCD传感器、红外相机和超光谱成像仪。AB星分别携带两台宽覆盖多光谱CCD相机，联合工作可以共同完成对地刈宽为720 km、分辨率为30 m、4个谱段的推扫成像。CCD相机的波段设置类似TM数据，具有中空间分辨率、宽谱段的特点可以用于：对于陆地，需要探测土地覆被、城市环境、植被和土壤、草地和农田、荒漠化、冰雪覆盖等；对于水体，需要探测水体水环境质量、藻类、悬浮物和水生植物等；对于大气，需要探测水汽、雾霾覆盖、云和沙尘，气溶胶等[7]。

研究中使用的环境卫星数据分别是郑州市2015年4月28日、2015年6月21日、2015年7月21日、2015年8月25日、2015年10月06日及2015年11月25日的环境一号AB卫星数据。

3.2监测站点数据

郑州市设立了8个环境空气质量监测点，各观测点分别是：市监测站、烟厂、医学院、郑纺机、银行学校、供水公司、四十七中、十一中(图2)。

3.3气象数据

根据选择研究的环境卫星数据日期，选择相应日期的气象数据，气象数据包括风速(风级、风向)、 相对湿度、能见度数据。

4研究方法

4.1AOD的订正

反演PM2.5需要进行AOD标高订正和湿度订正。订正过程为通过HJ-1的CCD数据，利用暗目标法获得大气层气溶胶光学厚度(AOD)，然后进行标高订正和湿度订正，得到近地面“干”消光系数。

4．1．1气溶胶标高

气溶胶标高与地面能见度的关系可以用公式R=3.91Hτ-1(R为能见度，H为标高，τ为AOD值)来表示，通过公式R=3.91Hτ-1求出气溶胶标高[8]。

4．1．2地面消光系数

AOD是垂直方向上消光系数的积分， 而PM2.5代表地面空气质量，因此需要对AOD进行标高订正。经过标高订正的AOD即为地面消光系数。AOD和地面消光系数的关系可以用以下公式表示：

地面消光系数=垂直消光系数/标高=AOD/H。

4．1．3湿度订正

气溶胶光学厚度的遥感是在环境背景下进行，气溶胶颗粒物的消光系数受到相对湿度的显著影响。在相对湿度比较高的情况下，水溶性气溶胶颗粒能够吸湿膨胀，消光系数可以增大数倍。湿度影响因子可以用下式表示：(RH)=1/(1.0-RH/100)(RH 为相对湿度)[9]。

4．1．4近地面“干”消光系数

经过标高订正和湿度订正的AOD，成为近地面“干”消光系数，近地面“干”消光系数可以用公式近地面“干”消光系数=地面消光系数/(RH)或者公式近地 面“干”消光系数=地面消光系数/g(RH)表示。

4.2近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的比较

对经过订正反演的近地面“干”消光系数(AODSEC-RH)与8个监测点(市监测站、烟厂、医学院、郑纺机、银行学校、供水公司、四十七中、十一中)的PM2.5实际观测值进行对照比较。

使用2015年4月28日、2015年6月21日、2015年7月21日、2015年8月25日、2015年10月06日及2015年11月25日的近地面“干”消光系数(AODSEC-RH)与PM2.5观测值进行比较(本节中浓度值的单位均为ug/m3)。

2015年4月28日近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的比较见表2。

表2　2015年4月28日各监测点AODSEC-RH

2015年6月21日近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的比较见表3。

2015年7月21日近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的比较见表4。

2015年8月25日近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的比较见表5。

2015年10月06日近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的比较见表6。

表3　2015年6月21日各监测点AODSEC-RH

表4　2015年7月21日各监测点AODSEC-RH

表5　2015年8月25日各监测点AODSEC-RH

表6　2015年10月06日各监测点AODSEC-RH

2015年11月25日近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的比较见表7。

表7　2015年11月25日各监测点AODSEC-RH

4.3近地面“干”消光系数与PM2.5观测值比较散点图

通过2015年4月28日、6月21日、7月21日、8月25日、10月06日及11月25日的6景数据的8个站点近地面“干”消光系数与PM2.5观测值进行比较，得出了近地面“干”消光系数与PM2.5观测值的散点图，得出了各个散点图的R2的值，R2值代表地面“干”消光系数和PM2.5的相关性(图3)。

4.4线性拟合

经过线性拟合得出PM2.5与AODSEC-R之间的回归模型，PM2.5-AODSEC-R回归模型为y=0.390x+15.07，拟合后R2为0.731，表明拟合的效果非常好，说明PM2.5与AODSEC-R之间具有很好的相关性(表8)。

表8　PM2.5线性拟合

4.5PM2.5的反演

通过上面的PM2.5与近地面“干”消光系数的模型计算出8个站点的PM2.5反演值。

表9　2015年4月28日PM2.5的反演

表10　2015年6月21日PM2.5的反演

表11　2015年7月21日PM2.5的反演

表9～表14是2015年4月28日、6月21日、7月21日、8月25日、10月06日及11月25日的6景数据的8个站点PM2.5的反演值结果。

4.6PM2.5观测值与反演值比较

对反演的PM2.5的浓度值与PM2.5观测值进行比较，分析它们之间的关系。(2)PM2.5观测值与反演值比较。

表15～表20为PM2.5的反演值与观测值的对照比较基础上，做了PM2.5的反演值与观测值的散点图，见图4。

表12　2015年8月25日PM2.5的反演

表13　2015年10月06日PM2.5的反演

表14　2015年11月25日PM2.5的反演

表15　郑州市2015年4月28日PM2.5观测值与反演值对照

表16　郑州市2015年6月21日PM2.5观测值与反演值对照

表17　郑州市2015年7月21日

表18　郑州市2015年8月25日PM2.5观测值与反演值对照

表19　郑州市2015年10月06日

表20　郑州市2015年12月12日

图4PM2.5的反演值与观测值比较散点图

通过PM2.5的六幅反演值与观测值的散点图中得出，R2的值在0.278和0.605范围之间，PM2.5的反演值与观测值散点图的R2值具有一定较好的相关性。表明通过卫星数据反演的PM2.5浓度值能代替地面的PM2.5观测值。

5结语

研究使用了环境卫星数据进行了PM2.5的反演，环境卫星数据的空间分辨率为30 m，比较适合于进行城市空间尺度的反演研究。

PM2.5的反演对于了解城市的PM2.5的空间分布、污染源以及区域输送具有重要作用。进行城市PM2.5的反演对城市的大气污染的治理能够提供思路和方法，对于改善城市的大气污染环境具有重要的意义。

参考文献：

[1]林海峰．京津冀大气颗粒物浓度与气溶胶光学厚度监测及相关性分析研究[D]．兰州：兰州大学，2012．

[2]刘强，王明星，等.大气气溶胶研究现状和发展趋势[J].中国粉体技术，1999，5(3)：17～23.

[3]魏复盛，胡伟，滕恩江，等．空气污染与儿童呼吸系统患病率的相关分析[J]．中国环境科学， 2000 ，20(3)：220～224．

[4]李成才，毛节泰，刘启汉．利用MODIS遥感大气气溶胶及气溶胶产品的应用[J]．北京大学学报，2003(12)．

[5]Wang J，Christopher S A．Intercomparison between satellite-derived aerosol optical thickness and PM2. 5mass:implications for air quality studies[J]．GeophysicalResearchLetters，2003，30(21)．

[6]王静,杨复沫,王鼎益,等.北京市MODIS气溶胶光学厚度和PM2.5质量浓度的特征及其相关性[J].中国科学院研究生院学报,2010,27(1):11～16.

[7]王桥，魏斌，王昌佐，等．基于环境一号卫星的生态环境遥感监测[M]．科学出版社，2010．

[8]李成才，毛节泰，刘启汉，等．利用MODIS卫星遥感气溶胶产品研究北京及周边地区的大气污染[J]．大气科学，2003，27(5)：869～880．

[9]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，2005，35(增刊)：177～18．

Research on the Inversion of PM2.5Based on Environmental Satellite Data in Zhengzhou City

Li Guanghui

(HenanAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenter,Zhengzhou450053,China)

Abstract:The research obtains the aerosol optical depth (AOD) of environment satellite data through the dark target method.According to the AOD value range in monitoring points,the article takesthe average value of AOD to do the elevation corrections and gets the AOD extinction coefficient on the ground.Then,through the humidity correction, the article obtains the AODSEC-RH.The article obtains the PM(2.5) inversion values through the comparison of the AODSEC-RH and PM(2.5) observed valuein observation sites.Through the correlation analysis and comparison betweenthe PM(2.5) inversion value and PM(2.5) observed values,the article establishes the linear modeland briefly analyzes it.

Key words:aerosol optical depth (AOD);AODSEC-RH;PM(2.5)

文章编号：1674-9944(2016)02-0092-06

中图分类号：X87

文献标识码：A

作者简介：李光辉(1975—)，男，河南灵宝人，主要从事遥感地质方面的工作。

收稿日期：2015-12-07