長(zhǎng)沙市MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5濃度的相關(guān)性研究

1、    長(zhǎng)沙市modis氣溶膠光學(xué)厚度與pm2.5濃度的相關(guān)性研究    龔奕霖 吳鑫 張貴摘  要：利用modis數(shù)據(jù)研究區(qū)域大氣pm2.5濃度分布是環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效方法。獲取美國(guó)nasa發(fā)布的分辨率為3km的mod光學(xué)厚度產(chǎn)品;提取2016年1月至2017年7月期間長(zhǎng)沙市10個(gè)大氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的pm2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，建立pm2.5濃度與aod之間的線性、冪函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)3種相關(guān)性模型;引入濕度影響因子建立大氣pm2.5濃度訂正模型，采用pm2.5濃度訂正模型訂正pm2.5濃度。結(jié)果表明：濕度訂正提高了pm2.5與aod相關(guān)性，冪

2、函數(shù)相關(guān)性模型的方差值相對(duì)其他2種模型較好，運(yùn)用冪函數(shù)相關(guān)性模型研究長(zhǎng)沙市modis氣溶膠光學(xué)厚度與pm2.5濃度的相關(guān)性較好。關(guān)鍵詞：modis  氣溶膠光學(xué)厚度  pm2.5：x513    ：a ：1672-3791（2020）02（a）-0066-05abstract： using modis data to study regional atmospheric pm2.5 concentration distribution is an effective method for environmental monitoring. a mod o

3、ptical thickness product with a resolution of 3km was obtained by american nasa， and the correlation analysis of the pm2.5 concentration data of 10 atmospheric monitoring stations in changsha from january 2016 to july 2017 was extracted. the linear， power function and exponential function between pm

4、2.5 concentration and aod were established， and the humidity influence factors were introduced. the correction model of atmospheric pm2.5 concentration was established， and pm2.5 concentration correction model was used to correct pm2.5 concentration. the results showed that the correlation between p

5、m2.5 and aod was improved. the variance value of the power function correlation model was better than the other 2 models. the correlation between the modis aerosol optical thickness of modis and the concentration of pm2.5 was better with the power function correlation model.key words： modis; aod; pm

6、2.5pm2.5（空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5m的細(xì)顆粒物）會(huì)造成能見(jiàn)度下降1，并危害人的身體健康，對(duì)人們生活造成了極大的影響。目前全國(guó)各地均有多個(gè)站點(diǎn)對(duì)pm2.5等污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但數(shù)量仍然不足，并且地面監(jiān)測(cè)站是基于該點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，不具有空間上的連續(xù)性。衛(wèi)星遙感反演的aod（aerosol optical deep）則能夠提供大范圍連續(xù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并且與pm2.5存在一定的關(guān)系2，因此，研究aod與pm2.5的相關(guān)性具有十分重要的意義3，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)此有不少的研究4-5。不少研究者利用多種回歸方法來(lái)量化二者的相關(guān)性6，建立了aod與pm2.5之間的相關(guān)關(guān)系7，以研究細(xì)顆粒物污染情況和對(duì)人們的健康效應(yīng)

7、，并認(rèn)為能夠提高遙感手段監(jiān)測(cè)和估算地面細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的能力8。利用aod數(shù)據(jù)與衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的pm2.5小時(shí)平均值建立相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)存在很大的波動(dòng)性9。對(duì)aod和pm2.5進(jìn)行相對(duì)濕度訂正后，相關(guān)系數(shù)整體上升10。該文以長(zhǎng)沙為研究區(qū)域，利用modis氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品aod與長(zhǎng)沙空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所測(cè)得的pm2.5質(zhì)量濃度以及相對(duì)濕度因子進(jìn)行aod與pm2.5的相關(guān)性分析。1  數(shù)據(jù)資料和處理方法1.1 modis氣溶膠數(shù)據(jù)modis aod數(shù)據(jù)采用精度已得到廣泛驗(yàn)證的美國(guó)nasa發(fā)布的mod光學(xué)厚度產(chǎn)品（https：/）

8、，分辨率3km。1.2 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及pm2.5濃度數(shù)據(jù)pm2.5質(zhì)量濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)。數(shù)據(jù)包含周期（2016年1月至2017年7月）的中國(guó)湖南長(zhǎng)沙地區(qū)10個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1）逐小時(shí)平均 pm2.5濃度地面觀測(cè)值。以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成terra衛(wèi)星過(guò)境前后2h的pm2.5平均值。1.3 數(shù)據(jù)匹配為了準(zhǔn)確反映aod與pm2.5的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從氣溶膠產(chǎn)品中提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在位置周圍個(gè)像元范圍的aod數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值。剔除掉因?yàn)樵普趽醯仍蛩斐傻腶od缺失。對(duì)于pm2.5數(shù)據(jù)，同樣剔除缺失數(shù)據(jù)，與aod同一天數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。得到的有效數(shù)據(jù)如表1所示。2  曲線擬合

9、與濕度訂正2.1 aod與原始pm2.5擬合獲取相匹配的aod與pm2.5數(shù)據(jù)之后，我們將兩者進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表2所示。表2是modis aod與pm2.5原始數(shù)據(jù)的線性擬合情況。我們可以看到長(zhǎng)沙地區(qū)的aod與pm2.5的相關(guān)性較低，選用效果稍好一點(diǎn)的冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)得到的r2也較低。地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所測(cè)得的pm2.5濃度的是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0，101.3kpa）下測(cè)定的，而aod是在當(dāng)時(shí)的大氣環(huán)境中得到的，它們之間的關(guān)系受到多種因素的影響，因而在相關(guān)性分析中會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。相關(guān)研究表明，由于氣溶膠垂直分布不均的特性，氣溶膠標(biāo)高對(duì)兩者相關(guān)性影響很大，其次它還受相對(duì)濕度、降雨、風(fēng)速、溫度等氣象條件

10、的影響，特別是相對(duì)濕度能夠使水溶性氣溶膠顆粒吸濕膨脹數(shù)倍。因此，直接擬合得到的結(jié)果相關(guān)性較低。2.2 濕度訂正大氣氣溶膠的吸濕性質(zhì)，是聯(lián)系氣溶膠微物理、化學(xué)參數(shù)的橋梁和紐帶之一，更是氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的決定性參數(shù)之一，因此氣溶膠吸濕性質(zhì)在整個(gè)大氣氣溶膠科學(xué)研究中處于基礎(chǔ)地位。親水性干粒子吸濕后，其粒子直徑有明顯的增長(zhǎng)，而折射指數(shù)單調(diào)較小。這樣就導(dǎo)致相同濃度氣溶膠在吸濕前后或者組分不同的情況下表現(xiàn)出不同的消光特性。相對(duì)濕度因子會(huì)對(duì)pm2.5粒子的粒徑分布、復(fù)折射率和形態(tài)等產(chǎn)生影響，尤其在相對(duì)濕度較高的情況下，會(huì)對(duì)aod產(chǎn)生很大的影響。因此，我們對(duì)結(jié)果進(jìn)行了濕度訂正。而地面監(jiān)測(cè)可吸入顆粒物一般是在干燥

11、的條件下進(jìn)行的，得到的是干燥環(huán)境下的粒子質(zhì)量濃度。將氣溶膠光學(xué)厚度化為顆粒物質(zhì)量濃度，還需要進(jìn)行濕度訂正，將濕粒子的消光系數(shù)轉(zhuǎn)化為干粒子消光系數(shù)，以減少粒子吸濕特性造成的不確定性。該文所采用的是相對(duì)濕度訂正因子經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停簼穸扔喺捎孟律瞎降玫接喺蟮臄?shù)據(jù)，得到長(zhǎng)沙10個(gè)站點(diǎn)的擬合結(jié)果。我們選用傳統(tǒng)的線性擬合和經(jīng)過(guò)比較得到效果較好的冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖2。利用反演的aod值與對(duì)應(yīng)時(shí)間段的pm2.5濃度小時(shí)均值進(jìn)行相關(guān)性分析，得出兩者相關(guān)性以及相應(yīng)的線性擬合結(jié)果。整個(gè)時(shí)間跨度（2016年1月至2017年7月）數(shù)據(jù)的相關(guān)性為較好，具有一定的相關(guān)性，擬合方程如表3所示，r2值較低，僅為

12、0.4左右，線性擬合效果一般。有國(guó)外學(xué)者schaap等在使用modis aod與pm2.5進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，r2達(dá)到0.5以上，與該文存在較大的差異，schaap等的研究位于荷蘭，其氣候、地貌都與長(zhǎng)沙市存在明顯的差異，這是造成結(jié)果有出入的一個(gè)重要因素。對(duì)長(zhǎng)沙10個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的aod與pm2.5濃度值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性有明顯的時(shí)空差異，郊區(qū)明顯好于市區(qū)。位于湘江西的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)明顯好于江東。其中尤其位于江東的伍家?guī)Xaod與pm2.5的相關(guān)性最低，分別是0.266。位于城鄉(xiāng)結(jié)合處的沙坪站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)為0.45。該文使用的反演方法是暗像元法，植被覆蓋度高的區(qū)域，其反演效果明顯好過(guò)植被覆蓋度低、亮目

13、標(biāo)較多的市區(qū)。植被覆蓋度對(duì)暗像元反演算法的影響，是aod與pm2.5的相關(guān)性在市區(qū)與郊區(qū)出現(xiàn)較大差異的一個(gè)重要因素。10個(gè)站點(diǎn)的擬合公式以及r2值如下表3所示。通過(guò)表3各站點(diǎn)aod與pm2.5擬合模型我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)濕度訂正后，3種擬合模型的r2基本上都較高。其中冪函數(shù)的r2較高且非常穩(wěn)定，在各個(gè)站點(diǎn)均有較好的擬合效果。線性擬合函數(shù)低于冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，且在伍家?guī)X站點(diǎn)出現(xiàn)了0.0777這樣的特別低的值。長(zhǎng)沙城區(qū)的aod與pm2.5經(jīng)濕度訂正之后的值之間存在著一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，且冪函數(shù)效果最佳。同時(shí)，湘江南北兩邊的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的pm2.5分布也呈現(xiàn)出一定的對(duì)比，長(zhǎng)沙城區(qū)的南高北低容易導(dǎo)致累積形成二次

14、顆粒物，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?；姻蔡鞖鈺r(shí)，風(fēng)速較小，基本處于靜風(fēng)狀態(tài)，空氣流動(dòng)能力弱，灰霾不易吹散，aod濃度偏大，pm2.5不易擴(kuò)散、稀釋甚至清除，環(huán)境污染程度顯著加重?？梢?jiàn)，城區(qū)的灰霾天氣對(duì)大氣顆粒物影響很強(qiáng)。modis aod數(shù)據(jù)可以作為pm2.5濃度地面監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充手段。由前文可知，aod與pm2.5線性回歸擬合的效果一般，雖然在個(gè)別站點(diǎn)取得較好的r2，但是總體相關(guān)性分析時(shí)，r2較偏小。因此，該文選用多個(gè)常用的回歸模型，來(lái)比較擬合效果。這里選用的模型有冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，各站點(diǎn)的模型擬合曲線如圖2所示。3  分析和結(jié)論（1）2016年1月至2017年7月的長(zhǎng)沙地區(qū)aod與pm2

15、.5直接擬合效果較差。在以前的對(duì)象為較小空間范圍的研究結(jié)果中，也存在相關(guān)性較高和較低兩種情況，這說(shuō)明aod和pm2.5因?yàn)楦鱾€(gè)區(qū)域氣象條件等因素影響，擬合效果并不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)相對(duì)濕度校正以后兩者相關(guān)性有較大提高。（2）發(fā)現(xiàn)aod和pm2.5均有明顯的變化特征。在不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)上，兩者相關(guān)性差異明顯，郊區(qū)站點(diǎn)明顯好于市區(qū)站點(diǎn)。對(duì)兩者進(jìn)行函數(shù)擬合，在常用的函數(shù)模型中，冪函數(shù)的擬合效果好于其他函數(shù)，但r2仍偏低。（3）該實(shí)驗(yàn)還存在著一些不足，比如文中各站點(diǎn)使用的濕度數(shù)據(jù)均為長(zhǎng)沙站點(diǎn)這一個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但實(shí)際各站點(diǎn)的濕度會(huì)有差異，有待在以后的研究中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)。經(jīng)過(guò)研究，利用modis氣溶膠數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)pm2.

16、5具有可行性，反演算法和研究區(qū)的氣象條件則是研究過(guò)程中需要考慮的重要因素。因此，modis aod數(shù)據(jù)可以作為pm2.5濃度地面監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充手段。參考文獻(xiàn)1 吳健生，王茜.基于aod數(shù)據(jù)反演地面pm2.5濃度研究進(jìn)展j.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017，40（8）：68-76.2 石益，陶劍，王杰，等.探究aod與pm2.5關(guān)系的一般性方法j.綠色科技，2017（14）：16-18.3 趙曉亮，孫杰，馮銀廠，等.阜新市modis aod與大氣pm2.5濃度相關(guān)性研究j.地球與環(huán)境，2017，45（3）：283-289.4 李昕.基于modis的aod反演與pm2.5時(shí)空變化分析與監(jiān)測(cè)d.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.5 王偉齊，張成網(wǎng)，臧增亮，等.terra和aqua衛(wèi)星modis 3kmaod與北京pm2.5對(duì)比分析j.氣象科學(xué)，2017，37（1）：93-100.6 亢紅霞，那曉東，臧淑英.基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（aod）估算pm2.5的研究進(jìn)展j.環(huán)境科學(xué)與