乌鲁木齐市MODIS气溶胶光学厚度与空气质量指数相关性分析
乌鲁木齐市MODIS气溶胶光学厚度与空气质量指数相关性分析
陈鹏;张青;李悦
【摘 要】雾霾城市利用MODIS气溶胶光学厚度(A OD,Aerosol Optical Depth)产品与同期乌鲁木齐市空气质量指数进行相关性分析,得到二者的相关系数为0.664.对MODIS A OD产品进行垂直和湿度订正后,二者的相关性显著提高,相关系数从0.664提高到0.805.订正后按季节分类统计,春、夏、秋3季的相关系数分别为0.775、0.608和0.822,其中秋季的订正更为有效,可用性更高.这可能受到不同季节气溶胶来源、特征以及数据样本差异的影响.最后分别建立全年、春季、夏季和秋季的线性、对数、一元二次、乘幂和指数5种类型的拟合模型.考虑模型易于利用的因素,依据各拟合模型相关系数的大小得到全年以及各季节最优拟合模型,该模型函数可用来反演和监测乌鲁木齐市空气质量指数.%The correlation analysis between the MODIS aerosol optical depth products and the air quality index in Urumqi at the same time was carried out,and the correlation coefficient of the two was 0.664. After correcting the vertical and humidity of MODIS AOD products,the correlation coefficient between the two values increased from 0.664 to 0.805. According to the seasonal classification,the correlation coeffi
cients in spring,summer and autumn were 0.775,0.608 and 0.822,respectively,and the correction coefficient in autumn was more effective and available, which may be influenced by aerosol sources,properties,and data sample differences from different seasons. Finally,five types of fitting models were established respectively in whole year,spring, summer and autumn.Considering the factors that the model is easy to use,the best fitting model of the whole year and season was obtained according to the correlation coefficient of each fitting model.The model function can be used to retrieve and monitor the air quality index of Urumqi.
【期刊名称】《沙漠与绿洲气象》
【年(卷),期】2018(012)002
【总页数】7页(P71-77)
【关键词】MODIS Aerosol Optical Depth;空气质量指数;相关系数;拟合模型
【作 者】陈鹏;张青;李悦
【作者单位】乌鲁木齐气象卫星地面站,新疆乌鲁木齐830011;乌鲁木齐气象卫星地面站,新疆乌鲁木齐830011;乌鲁木齐气象卫星地面站,新疆乌鲁木齐830011
【正文语种】中 文
【中图分类】P427.2
近年来，随着我国经济的快速发展和城镇化进程的日益加快，环境污染效应不断累积，大气污染呈现出的区域化特点愈加明显。各大城市雾霾天数有愈演愈烈的趋势，在不同程度上影响着居民的生活环境，其中可吸入颗粒物污染成为空气污染中的最主要污染物之一[1，2]。气溶胶污染由于其对人体健康及大气能见度的重要影响受到了国内外研究人员的广泛关注。现有的环境监测站点难以在空间尺度和尚无监测点的区域获得可吸入颗粒物的时空分布与变化资料，而卫星遥感观测的覆盖范围广泛，能够弥补地面监测站点在空间分布上的不足，成为空气污染监测的新手段[3，4]。
空气污染指数（API，Air pollution Index）是我国广泛采用评价城市空气质量水平的一种标准，它能够向公众提供及时、准确、易于理解的空气质量状况，并可用来进行环境现状评
价、回顾性评价和趋势评价[5-9]。2012年出台规定，将用空气质量指数（AQI，Air Quality Index）替代原有的API。AQI与API有着很大的区别。AQI分级计算参考的标准是新的环境空气质量标准（GB3095-2012），参与评价的污染物为SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO；而API分级计算参考的标准是老的环境空气质量标准（GB3095-1996），评价的污染物仅为SO2、NO2和PM10，且AQI采用分级限制标准更严。因此AQI较API监测的污染物指标更多，其评价结果更加客观[10，11]。
卫星遥感反演的气溶胶主要为气溶胶光学厚度（AOD），它是整层大气气溶胶消光系数的积分。如何使卫星遥感获得的AOD成为合理反映近地面可吸入颗粒物的指标，是卫星遥感资料在空气质量监测和评价中应用的难点和重点，为此国内外学者进行了大量针对性的研究。李成才等对2001年在北京地区利用太阳光度计观测的气溶胶光学厚度和NASA发布的MODIS气溶胶产品进行了比较，验证了这一卫星遥感产品的可靠性，并证明了气溶胶光学厚度具有明显的时空变化特征[12]。他们还利用香港地区的地面可吸入颗粒物浓度监测数据和MODIS气溶胶光学厚度的比较发现MODIS气溶胶光学厚度产品对于研究城市地区的空气污染具有可行性[13]。王皓以南京市为研究区，建立MODIS反演的气溶胶光学厚度AOD与空气污染指数API的关系，试图以气溶胶光学厚度AOD来反映大气污染状况[14]。刘勇在此
基础上，考虑了气象因子的影响，探讨空气污染指数和气溶胶光学厚度的关系，更能真实地反映地面空气的污染状况[15]。何秀等利用两年的MODIS AOD数据与PM10质量浓度资料进行了对比分析，发现气溶胶光学厚度经过垂直和湿度影响的订正后，可用于地面PM10的监测[16]；蒋民等利用AOD产品与南京市区API转换得到的PM10质量浓度进行了相关分析，发现对气溶胶光学厚度进行垂直和湿度影响订正后，相关系数显著提高[17]；王静等利用AOD数据与PM2.5质量浓度进行了比较，发现利用相对湿度和气溶胶标高等气象条件进行校正后，AOD与PM2.5具有较高的相关性[18]。从以上科研成果可以看出MODIS AOD数据与空气污染指数以及具体污染物之间有一定的相关性，并且可以建立关系模型来反映大气污染状况。对MODIS AOD数据进行垂直和湿度影响订正后，可以显著提高MODIS AOD数据与空气污染指数以及具体污染物之间的相关系数。本文利用MODIS AOD产品和空气质量监测数据，在考虑气象因素的情况下建立乌鲁木齐市全年（除冬季外剩余三季）、春季、夏季、秋季气溶胶光学厚度和AQI的关系模型，分析两者的相关性，但必要条件是研究区域某天的首要污染物为可吸入颗粒物，才能对AOD和AQI进行相关性分析[19]。通过本文的研究证实了卫星遥感气溶胶光学厚度在监测空气污染方面的应用价值，以期为乌鲁木齐市大气污染进行宏观、长期的监测以及政府环境治理与经济协调发展规划提供参考依据。
1  研究区概括
乌鲁木齐市位于86毅37忆耀88毅58忆E，42毅45忆耀44毅08忆N，是新疆维吾尔自治区首府，我国西北地区重要的中心城市和面向中亚西亚的国际商贸中心。是全疆政治、经济、文化、科教和交通中心。市域面积为14 216.3 km2，辖7区1县，2016年末常住人口为355万。乌鲁木齐市位于欧亚大陆腹地，地处天山北坡，东南西三面环山，北面为冲积平原。呈喇叭口形状。地势东南高，西北低。全年盛行东北风和西南风，早晚温差较大，春秋换季多大风，年平均风速不大，冬季静风频率高，风速较小。稳定天气居多，降水少，雾霾天较多，逆温频率高[20，21]。
根据乌鲁木齐市环保局2016年环境质量公报报导：首府乌鲁木齐市环境质量优良天数为246 d，占全年天数的67.2%，轻度、中度、重度、严重污染比例分别为10.4%、6.8%、12.0%、3.6%。空气中可吸入颗粒物、细颗粒物、二氧化硫和二氧化氮年均浓度分别为115、74、14 滋g/m3和53 滋g/m3。可吸入颗粒物、细颗粒物、二氧化氮年均浓度均超过国家二级标准，二氧化硫年均浓度达到国家二级标准。与上年相比，优良天数比例增加2.0个百分点，空气质量略有好转。细颗粒物和二氧化氮年均浓度分别上升12.1%和1.9%，可吸入颗粒物和二氧化硫年均浓度分别下降13.5%和6.7%。
2  数据资料与处理方法
2.1  遥感数据
AOD数据为美国NASA所发布的MOD04_L2气溶胶产品数据，其空间分辨率为10 km。数据可从NASA的GSFC（Goddard Space Flight Center）中下载（http：//ladsweb.v/data/search。 html）。每日气溶胶产品文件（MOD04）包括陆地和海洋上空的气溶胶光学性质参数，其中陆上AOD主要反演方法为暗像元算法，为了提高亮目标陆表AOD的反演精度，后又增加了深蓝算法[22]。本文采用2016年3—11月上午星TERRA的MODIS AOD产品，版本为C5.1、波长为550 um的Lever 2 AOD产品，其为每日气溶胶数据集，空间分辨率为10 km伊10 km，通过ENVI软件对其进行几何校正、投影、矢量裁剪以及AOD数值提取等操作，最终得到覆盖研究区域的Geo TIFF格式文件，投影方式为等经纬度投影的AOD日数据。

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