PM2.5遥感反演技术研究进展

气溶胶技术已成为监测ＰＭ２．５的有效手段。本研究在阐述ＰＭ２．５遥感反演原理的基础上，对用于ＰＭ２．５反演的遥感数据源进行了归纳，综述了基于遥感反演的ＡＯＤ构建ＰＭ２．５时空分布计算方法研究进展，最后对遥感反演ＰＭ２．５存在的问题及其发展趋势进行了展望，以期为大气污染物遥感反演模型构建和深化应用奠定基础。１ＰＭ２．５遥感反演基本原理大气气溶胶是指大气中悬浮的各种固体和液体粒子，例如ＰＭ２．５、微生物、植物孢子、云雾和花粉等，集中于边界层，对光在大气中的传输有重要影响。这种影响可以用ＡＯＤ来描述，它定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，用于描述大气中颗粒物对太阳辐射的削弱程度，反映了该大气层中颗粒物含量或空气污染程度，无量纲，以式（１）、式（２）［８］表示。δ＝∫１０犓′ｅｘρｄ犾（１）δ＝∫１０犓ｅｘρｄ犾（２）式中：δ为气溶胶光学厚度；犓′ｅｘ、犓ｅｘ分别为气溶胶吸收和散射的质量削弱系数和体积削弱系数；ρ为气溶胶度；犾为大气厚度。气溶胶粒子通过吸收散射能对光线产生消减作用，卫星搭载设备可以对ＡＯＤ进行测定。卫星遥感反演大气气溶胶是基于卫星传感器探测到的大气上界的表观反射率，也是卫星传感器接收到的辐射值（犔）［９］，可以表示为：犔＝犔０（τ犪，μ狊，μ狏，Φ）＋犉犱（τ犪，μ狊）×犜（τ犪，μ狊）ρ’／（１－犛（τ犪）ρ’）（３）式中：τ犪为大气的光学厚度，包括气体分子散射的光学厚度和气溶胶粒子散射的光学厚度，其中不同波段气体分子散射的光学厚度可以根据经验公式直接获得；μ狊为太阳天顶角的余弦值；μ狏为传感器天顶角的余弦值；Φ为相对方位角；犔０为整层大气反射的太阳辐射，主要来自于大气中分子和气溶胶的散射贡献；犉犱（τ犪，μ狊）为太阳下行总辐射；犜（τ犪，μ狊）为传感器和目标物之间的透过率；ρ’为地表反射率；犛（τ犪）为大气半球反照率。由式（３）可以看出，当地表反射率很小时，卫星观测反射率主要取决于大气贡献，但地表反射率很大时，地表贡献将成为主要贡献，因此卫星观测到的反射率既是ＡＯＤ的函数，又是下垫面反射率的函数，如果知道下垫面反射率，并根据不同地区的气溶胶特征，确定大气气溶胶的模型，就可以得到ＡＯＤ。目前遥感反演ＡＯＤ的方法主要包括暗目标法、结构函数法、高地表反差法等［１０１３］。研究发现，地面测得的ＰＭ２．５浓度常与ＡＯＤ相关性较高。ＷＡＮＧ等［１４］研究了美国亚拉巴马地区小时平均ＰＭ２．５浓度与ＭＯＤＩＳＡＯＤ的相关性，发现两者的相关系数达０．７，进一步研究发现，日平均ＰＭ２．５浓度与ＭＯＤＩＳＡＯＤ的相关系数达到０．９８。王静等［１５］１０１６绘制了ＭＯＤＩＳＡＯＤ和北京市清华园日平均ＰＭ２．５浓度的时间序列图，进行比较分析发现，简单线性回归后两者相关系数为０．５６，并指出ＡＯＤ和ＰＭ２．５均有明显的季节性变化特征，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。因此，利用ＡＯＤ与地面监测指标之间的数学关系，进而建立相应的数学统计模型，这就是基于卫星遥感反演ＡＯＤ，进而通过统计模型预测ＰＭ２．５的基本原理和思路。２遥感数据源目前，能用于反演ＰＭ２．５的遥感传感器主要有以下几种：云气溶胶光达和红外探险者卫星观测器（ＣＡＬＩＰＳＯ）、中分辨率成像光谱仪（ＭＯＤＩＳ）、多角度成像光谱仪（ＭＩＳＲ）、多角度多通道偏振探测器（ＰＯＬＤＥＲ）、大气臭氧总量绘图仪（ＴＯＭＳ）和ＴＯＭＳ的后继者臭氧监测仪（ＯＭＩ），其空间分辨率如表１所示。在可见光遥感反演方面，李成才等［１６］利用ＮＡＳＡＭＯＤＩＳ产品与北京市空气污染指数做了长期比较分析，发现两者的相关系数较低，在引入季节变化的气溶胶标高、气溶胶的垂直分布后，两者的相关系数有所提高，在考虑湿度影响因子后，两者的相关系数显著提高，证实卫星遥感ＡＯＤ在经过垂直和湿度影响两方面的订正后，可以作为监测颗粒污染物地面分布的一个有效手段。ＷＡＬＬＡＣＥ等［１７］利用ＭＯＤＩＳ和ＭＩＳＲ气溶胶数据对加拿大安大略湖地区的空气污染进行了调查研究。ＨＵ等［１８］利用相关性分析和地理回归方法分析了美国地区ＭＯＤＩＳＡＯＤ与ＰＭ２．５的关系，东部地区的平均相关系数为０．６７，而西部为０．２２，得出ＰＭ２．５的空间分布，据此说明ＰＭ２．５与慢性冠心病的死亡率关系密切。此外，刘阳等［１９］对ＭＯＤＩＳ和ＭＩＳＲ进行了对比分析，发现在反演气溶胶时空分布时，ＭＩＳＲ在反射率较高的地区精度高于ＭＯＤＩＳ，因而ＭＩＳＲ更适用于城市地区的ＰＭ２．５研究。·１７·黄明祥等犘犕２．５遥感反演技术研究进展表１ＰＭ２．５遥感反演的主要卫星和传感器Ｔａｂｌｅ１ＳａｔｅｌｌｉｔｅｓａｎｄｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒＰＭ２．５ｒｅｔｒｉｅｖａｌ卫星传感器时间空间分辨率重返周期Ａｄｅｏｓ２ＰＯＬＤＥＲ２