利用MODIS研究徐州市气溶胶光学厚度及其时空分析

卢 秀，李 佳，段 平，程 峰

(1.云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.云南省高校资源与环境遥感重点实验室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空间信息技术工程技术研究中心，云南 昆明 650500)

近年来，由于经济的不断发展带来的工业污染、交通污染及人为破坏自然生态环境等，给我国大部分地区空气质量带来一定影响，因此监测大气质量中的气溶胶粒子有着重要作用。由大气和悬浮在其中的固体与液体微粒构成的多相体系称为大气气溶胶，其粒径绝大部分介于0.001～10 μm，文中的气溶胶均指大气气溶胶。对于气溶胶而言，气溶胶光学厚度(aerosol optical depth，AOD)是其最为重要的光学属性之一，有两种获取途径：地面观测法和遥感反演法[1]。虽然地面观测数据较为准确，但在空间上仅有离散点数据，不能全面反映整个范围上气溶胶的时空分布。遥感反演法具有覆盖面广、采集获取方便等特点，可以更高效地获得AOD信息，弥补地面观测的短缺，为了解气溶胶大范围的空间分布与变化趋势提供了强有力的手段。

MODIS是监测AOD最广泛的数据源。Engel-cox等从MODIS获得的真彩色图像和AOD信息及地基数据对美国城市进行研究，结果发现MODIS数据可以确定大气污染的污染物的类型、区域及污染物的强度和动向[2]。除了对数据来源的研究以外，还有针对AOD反演方法的研究。在利用卫星遥感数据反演陆地上气溶胶研究进展的基础上，可以将卫星遥感数据反演AOD的方法归纳为以下几类：暗像元法、结构函数法、偏振算法、紫外算法、多角度算法、深蓝算法[3-7]。暗像元算法是这些算法中最为重要的方法之一，它是由Kaufman等为了获取陆地大气AOD信息而提出的一种算法[3]，这种算法已经成为利用卫星遥感获取全球陆地气溶胶参数中应用最广泛的算法之一。近年来国内学者利用各种遥感资料及方法获取AOD，探讨分析AOD的分布及变化规律，取得了一定的成果[8-12]。结合以上学者的研究方法，采用2016年3月至9月的MODIS数据，基于6S大气传输模型建立AOD查找表[13]，利用地面暗像元法对江苏省徐州市AOD进行反演，并进一步分析研究区气溶胶厚度时空变化及差异特征。

1 数据源与方法

1.1 研究区

徐州位于江苏西北部，长江三角洲的北翼，华北平原的东南部，徐州作为重工业城市，污染严重，因此研究徐州地区有其现实意义。徐州现辖徐州市、邳州市、丰县、沛县、铜山县、新沂市、睢宁县等市县区域。

1.2 研究数据

试验选择2016年3月4日、4月21日、5月30日、6月27日、7月29日、8月29日和9月8日MODIS传感器的MOD021KM数据。

1.3 研究方法

对研究区进行AOD反演，采用的数据是MODIS L1B 1KM，过程包括MODIS影像的辐射校正、几何校正、云检测及AOD反演。

1.3.1 AOD反演基本原理

AOD反演是在表面双向反射率特性和大气顶辐亮度两者之间关系的基础上进行的。首先假设卫星观测的地表是朗伯体，不考虑气体吸收的情况，则卫星观测的表观反射率表达式为

(1)

式中，ρ*为卫星观测到的表观反射率；ρa为整层大气反射率，是由大气气溶胶散射造成的路径辐射；μ、φ、μ0、φ0分别为卫星(观测)天顶角、卫星方位角、太阳天顶角、太阳方位角；T(μ)、T(μ0)分别表示从地面到卫星和从太阳到地面的大气层总的透射率(漫射及直射)；s表示大气的球面反射率；ρ表示地表反射率。对于朗伯体表面，大气在垂直方向上变化均匀，表观反射率表达式为[14]

(2)

式中，L为卫星传感器的测量辐亮度；ES为大气顶的太阳辐射通量；τ为AOD。

由式(1)和式(2)可知，表观反射率ρ*不只是地表反射率ρ的函数，同时也是气溶胶光学厚度τ的函数。因此，得到地表反射率ρ，并且给定提供ρa等参数的气溶胶模式和大气模式，理论上就可以反演出该地区上空的AOD，即τ。

1.3.2 反演的参数选择与建模

根据AOD反演原理，首先确定地表反射率、大气和大气气溶胶模式，然后选择合适的大气辐射传输模式，最后建立特定的卫星反射率下的AOD查找表。本文使用6S大气辐射模式建立查找表。

1.3.2.1 地表反射率的确定

采用暗像元法确定地表反射率方法，图像的可见光通道只受到气溶胶散射影响，除2.1 μm通道的图像不会受到影响，该通道处反映的是地表面的特性[15]。同时暗像元法还根据浓密的植被在蓝光、红光波段反射率较低的特征，从而判别2.1 μm附近的波段反射率是否是暗像元，采用以下经验公式确定蓝光、红光波段暗像元的地表反射率

ρred=ρ2.1/2

(3)

ρblue=ρ2.1/4

(4)

式(3)、式(4)中是传感器在2.1 μm波长处的大气外界监测到的地面表观反射率。ρred为红波段(0.66 μm)的地表反射率；ρblue为蓝波段(0.47 μm)的地表反射率。

1.3.2.2 确定大气模式和大气气溶胶模式

确定大气气溶胶模式之前需确定大气模式。6S模型提供7种大气模式和3个用户自定义的大气模式，合适的大气模式需结合观测的时间及观测点的纬度位置。常见大气模式有5种：亚北极区冬季大气、亚北极区夏季大气、中纬度冬季大气、中纬度夏季大气、热带大气。纬度45°—60°，观测时间10月到次年3月选择亚北极区冬季大气，4月至9月选择亚北极区夏季大气；纬度15°—45°观测时间4月至9月选择中纬度夏季大气，10月到次年3月选择中纬度冬季大气；北半球纬度位置15°以下选择热带大气。

合适的气溶胶模式对反演AOD起到关键作用。6S模型提供8种气溶胶模式和4个自定义气溶胶类型。通常用到的是1个自定义气溶胶类型和5种气溶胶模式：海洋型气溶胶、城市型气溶胶、大陆型气溶胶、平流层模式、沙漠型气溶胶及用户自行输入下面4种粒子所占体积的百分比：烟灰、灰尘、海洋型、水溶型。

1.3.2.3 建立查找表

待地表反射率和气溶胶类型确定后，根据6S辐射传输模式建立MODIS蓝光、红光波段550 nm AOD查找表。查找表参数设定依据试验数据的日期及研究区地理位置确定。研究日期为3—9月，研究区为东经116°22′—118°40′、北纬33°43′—34°58′之间，选取大气模式：中纬度夏季大气轮廓线，气溶胶模式：大陆气溶胶。AOD选择0～2.0，根据实际情况增加中间值；卫星、太阳的天顶角选取0°～60°，以12°为步长；卫星和太阳之间的方位角差取(0°，24°，48°，72°，96°，120°，144°，168°，180°)。每个参数确定后可采用6S大气辐射传输模型反演所需AOD查找表，其他值在AOD、天顶角、方位角差等给定值之间进行线性内插计算。

2 结果与分析

2.1 反演结果

反演徐州地区AOD空间分布情况如图1所示。

图1 徐州地区3—9月气溶胶反演结果

2.2 徐州地区气溶胶的时间变化

统计AOD在3—9月所占的百分比，结果见表1。

图2(a)-(e)分别表示AOD厚度从0～2之间的月变化趋势。根据AOD的定义，它是一个无量纲的值。当AOD的值越接近0时表示大气的透明度越差；当AOD的值越接近2时表示大气的透明度越好。

表1 3—9月AOD百分比 (%)

从图2分析可知，在徐州地区大气透明度高，空气污染少的地区相对来说较少。不同月份的AOD的值不尽相同，其中7、8月的AOD值越靠近2，所占百分比越高，意味着7、8月大气透明度较好，也就是污染较少；3—6月的AOD值越靠近2，所占百分比越低，污染越严重。根据AOD的变化趋势图，可以作出以下推断：春季和冬季的污染较为严重，夏季污染较少，空气透明度较高。这主要是由于春季天气干燥少雨，空气中的浮尘越来越多，大气透明度低；而夏季降雨与高温同步，可以在一定程度上缓解大气污染的现象；秋冬季节，天气逐渐变得干燥、少雨，而且徐州地区为北方地区，冬季较为寒冷，部分地区供暖也在一定程度上增加了大气污染的程度，因此冬季污染会重于夏季和初秋。

图2 AOD的变化趋势

2.3 徐州地区AOD的空间差异

本文研究将徐州划分成7个地域单元，对徐州地区不同月份的AOD进行分区统计，统计结果如图3所示。

图3 按地域单元统计徐州地区气溶胶AOD平均值

由图3可知，不同地域单元的AOD均一致表现出7月最大，5月次之，3月第三，4、6、8和9月最低的规律。然而不同地域单元的AOD也存在着一定的差异。铜山县、邳州市、徐州市的AOD明显高于徐州地区的平均水平，其中徐州市最高，徐州市的3—9月的平均AOD为0.647 6，而徐州地区平均水平为0.591 7；沛县和丰县明显低于徐州地区的平均水平，丰县最低，3—9月平均AOD仅为0.495 5；新沂市和睢宁县的AOD接近于徐州地区的平均水平。徐州地区7个地域单元均表现出7月AOD最高，尤以邳州、铜山和徐州最为明显，AOD值分别达到1.14、1.24及1.19。形成原因可归纳如下：在经济发展方面，徐州市相对于苏南、北上广等地经济欠发达，市中心的人口量、机动车辆流量等相对较少，产生的大气污染也就相对较少，而且由于这3个县域单元位于市中心及附近，制造厂、生产企业等多不设置于此，对于大气的污染也就相对较轻。在季节变化方面，夏季对流活动较多，温度和湿度较高有利于气体和粒子的转化，同时，夏季水汽充足，气溶胶吸收湿度后散射效率得到增强[16]，导致夏季的AOD值较高。沛县、丰县等地位于徐州郊区及周边地区，工厂多设置于此，导致大气污染严重，而且城市中心热岛环流将空气中的一部分烟尘吹向郊区及周边地区，致使这些地区AOD相对较低，沛县最低为0.26，而丰县最低达到0.23。新沂和睢宁地区的AOD也相对较高，除了一些工矿企业建造在此，还有采暖燃煤、建筑工地就地扬沙等其他原因。

3 结 语

本文利用2016年3—9月的MODIS数据，基于暗像元法和6S大气辐射传输模式对徐州市AOD进行反演，并在反演结果基础上分析时空变化。徐州地区AOD在时间变化上较明显，7月的AOD值是所有月份中最高的，7、8月的AOD值更接近于2，大气透明度较好，污染较少；3—6月的AOD值较接近于0，其大气透明度较低，污染较重。不同地域单元的AOD也存在一定的差异，铜山县、邳州市、徐州市这3个县市的AOD明显高于徐州地区的平均水平，尤以徐州市最高，最高可达1.19，新沂和睢宁地区的AOD也相对较高，沛县和丰县AOD反演值明显低于徐州地区的平均水平，丰县最低，最低仅为0.23。