济南市气溶胶光学厚度变化与城市发展水平研究

宋春城，怀保娟，张泽钰，刘晓倩，周 君，朱燕文

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250358)

1 引言

大气气溶胶通常被定义为悬浮在地球大气中具有一定稳定性，沉降速度小，粒径范围在10-3～10-2μm之间的分子团、固态或液态微粒所组成的分散体系[1]。其对地-气系统的辐射收支平衡有着直接或间接的影响，从而影响生态环境和气候，是气候变化中最不确定的因素[2,3]。随着卫星遥感数据的发展，为获取大范围内的气溶胶数据提供了便利，且自2000年以来利用MODIS数据进行大气气溶胶光学厚度的反演，已经广泛应用于环境污染监测中[4,5]。

目前在济南市气溶胶时空分布的领域已取得了一些研究成果。史同广等[6]应用暗像元法对MODIS数据进行反演，得到了济南市2005年11月底至12月初的气溶胶光学厚度的时空分布；张佃国等[7]分析了济南市区及周边地区的气溶胶空间分布特征，发现逆温层的存在和相对湿度峰值对气溶胶分布影响很大；陈飞龙等[8]利用MODIS数据反演济南市气溶胶光学厚度并与济南市5个站点的PM2.5浓度值进行特征及相关性分析。National Aeronautics and Space Administration(NASA)2014年发布的MODISC006版本气溶胶产品引入了3 km高空间分辨率的AOD产品[9]；孙晓雷等[10]在基于该气溶胶产品下，对于在新疆阿克苏区域的精度和稳定性进行了评价分析，最终表明该产品质量稳定、长时间尺度结果有更好的空间覆盖，能够满足区域环境空气质量评估的需要。但在区域气溶胶时空特征中的应用上对该气溶胶产品研究较少。

关于城市发展与气溶胶光学厚度(AOD)的相关研究，多集中于选用社会经济指标来表征城市的发展水平。王浩洋与吴艳兰[11]以人口分布数据和工业总产值数以及MODISAOD月均值数据为依托，对安徽及周边地区的人类活动及经济发展对气溶胶的影响进行了研究。董自鹏等[12]利用生产总值数据和MODISAOD数据分析了人类活动对陕西省的AOD时空分布的影响作用。

夏安全[13]曾利用MOD04气溶胶产品对济南市的气溶胶进行反演研究分析，可知MODIS C006 3km数据可在济南市具有适用性。因此，本文使用MODIS C006 3km数据，对2009～2013年进行气溶胶厚度反演，研究从城市的发展及济南市GDP变化与济南市AOD在时间和空间上的变化。

2 研究区概况

济南处在鲁中南低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，地势南高北低[14]。该地区位于山东中西部，是山东半岛城市群的核心城市，南依泰山，北跨黄河，背山面水，与西南部的聊城、北部的德州和滨州、东部的淄博、南部的泰安交界。济南包括历下区、市中区、槐荫区、天桥区、济阳区、章丘区、历城区和长清区在内的8个城区以及平阴县和商河县在内的2个县市，如图1所示。其地处中纬度地带，因受太阳辐射、大气环流和地理环境的影响，属于温带季风气候[13]。该地区的特点是季风气候明显、四季比较分明、春季干旱少雨、夏季温热多雨、秋季凉爽干燥、冬季寒冷少雪。

图1 济南市行政区划

3 研究数据

3.1 气溶胶数据

MODIS C006 3km是由Terra和Aqua卫星搭载的MODIS传感器反演出的气溶胶数据，C006版本是深蓝算法(Deep Blue，DB)和暗像元算法(Dark Target，DT)的合成产品。其中，MODIS Terra Aerosol 5-min L2 Swath 3km(MOD04_3K)是NASA发布的Level 2级气溶胶产品，空间分辨率为3km，数据质量稳定且能反映更多的细节，其明显优于10 km×10 km的MODIS气溶胶产品数据[15，16]。

3.2 土地利用类型数据

土地利用数据产品是地理国情监测云平台推出的土地资源类系列数据产品之一，它基于Landsat TM遥感影像，利用遥感信息提取方法，同时与野外实测结合，并且参照现有的土地利用/土地覆盖分类体系，经过图像处理获得的数据，全国土地利用类型分为6个一级类，25个二级分类以及部分三级分类的土地利用/土地覆盖数据产品[17]。本产品的基本时间序列包括：1980、1990、1995、2000、2005、2008、2010、2013、2015和2017年[18]，本文采用2010～2015年作为研究城市发展水平的时间阈值。

4 AOD与城市发展水平水平时空分布关系

4.1 济南市AOD变化与城镇建设关系

本文采用土地利用类型数据来分析济南市2010～2015年土地利用类型变化。根据表1可以看出，在济南市城市发展建设过程中，主要以占用耕地类型为主，有76.032 km2的耕地转换成了城镇用地，其次是林地和草地，但占用较少，仅为3.145 km2、1.748 km2。总体来看，济南市在5年内，城市扩展较为明显，相对与2010年城建区面积增加了5.88%，耕地面积减少了60.98 km2。

表1 济南市2010～2015年土地利用类型转移矩阵

为了研究济南市2009～2013年的气溶胶随时间的时空变化，本文采用线性倾向估计法对济南市AOD时空变化趋势进行分析，x轴表示年份，y轴表示AOD，建立一元线性回归方程y=a+bx，其中b为倾向率，当b>0时，表明AOD近几年有所增长，当b<0时，表明AOD近几年有所下降。由于2013年AOD年均值值较低，去掉2013年误差，以2009年到2012年为研究对象，运用ENVI、ERDAS进行波段运算。根据公式(1)对每个像元用最小二乘法求得回归直线方程的系数。

(1)

其中，b为斜率；n为研究年数，Xi表示研究时段的第几年，Yi表示第i年AOD的平均值。

图2中分别显示了气溶胶在2009～2012年的回归系数的空间分布以及济南市在2009年的城镇用地与工业用地和2015年新增加的城镇用地与工业用地分布。济南市全境绝大部分地区b>0，其中济南市西部地区、北部地区及南部地区气溶胶增长较快，济南市东南部气溶胶年增长较慢。具体来看，济南市主城区以东西发展为主发展较快，其他区市均以市中心向外扩展为主。工业区主要分布在各区市中心周围，其中，历城区、主城区、长清区工业分布较多。新城区的气溶胶年增长较旧城区年气溶胶增长明显，工业区气溶胶年增长速度较快。济南市东南部为山地，植被茂盛，气溶胶年增长较小。

图2 济南市2009～2012年气溶胶回归系数及

4.2 济南市AOD与GDP相关关系

图3表示济南市各区市2009～2013年GDP总值，其中历下区、章丘区、市中区、槐荫区、天桥区经济增长较快，其他地区经济略有浮动呈缓慢递增趋势。图4表示济南市各区市2009～2013年AOD年均值，在2009～2012年各区市AOD值均有不同程度增长，2013年济南市全境AOD年均值下降明显。总体来看，济南市各区市的AOD年均值与GDP增长趋势相似，随着经济增长气溶胶厚度有所增加。在经济较为落后地区，气溶胶年均值较大。

图4 济南市各市区2009～2013年AOD年均值

图3 济南市各市区2009～2013年GDP总值

对济南市全境在2009～2012年的GDP产值和AOD年平均值进行相关性分析，GDP与AOD的相关性为0.991，通过了0.01的相关性检验。济南市AOD的厚度与城市发展水平显著相关。

5 研究结论

本文利用济南市2009～2013年MODIS C006 3 km气溶胶产品数据与土地利用类型数据，分析了济南市AOD的时空分布特征和城市发展水平之间的相关关系，主要结论如下。

图5 济南市2009～2013年AOD与GDP趋势

济南市的城市建设多集中在济南各区市的城市中心周围，主城区在东西方向延展，城市建设速度较快。工业区主要分布在，各区市中心周围，历城区、主城区、长清区分布较多。济南市大部分地区AOD随时间变化的倾向率为正值，其中济南市西部地区、北部地区及南部地区气溶胶增长较快，济南市东南部气溶胶年增长较慢。其中，新城区、工业区分布地区，气溶胶年增长较快。济南市东南部为山地地区，气溶胶年增长较小。

济南市各区市经济增速不均，历下区、章丘区、市中区经济增长速度较快，长清区、平阴县、济阳区、商河县经济增速迟缓。在济南各区市，气溶胶年均值变化相似，在2009～2012年增加，2013年减少。气溶胶年均值均随经济增长有所增加，在经济较为落后地区，AOD数值较大。对济南市整体，在2009～2012年GDP产值与AOD年均值相关性为0.991。济南市AOD的厚度与城市发展水平密切相关，但也会受到城市发展水平产业与政府政策影响。