李正強，許 華，張 瑩，李 莉，李東輝，侯偉真，呂 陽，顧行發(fā)，陳興峰，陳 澄，張鳳霞，馬

中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京100101

灰霾污染已經(jīng)成為中國社會發(fā)展過程中的重大環(huán)境問題。2013年1月發(fā)生的嚴重灰霾污染，波及華北及華東大部分地區(qū)，覆蓋區(qū)域超過140萬平方公里，直接影響人口數(shù)量超過8億，其中受到嚴重污染影響的約2.5億，其覆蓋范圍、持續(xù)時間、污染程度等方面均屬全球罕見，引起了國內(nèi)外的廣泛關注。2013年9月，國務院頒布《大氣污染防治行動計劃》，提出了10條共35項措施推動大氣污染治理和空氣質(zhì)量改善，并由此對大氣污染、尤其是灰霾污染監(jiān)測提出了迫切需求。

霾是大氣污染的一種現(xiàn)象，主要由大氣中的懸浮顆粒物質(zhì)造成，通常顆粒會通過吸水而膨脹，導致體積增大，對太陽光的衰減(消光)增強，使能見度顯著降低。在城市區(qū)域，由于人為顆粒物排放較多，為霧轉(zhuǎn)化為霾提供了有力條件，霾常常與霧同時或相繼發(fā)生，因此籠統(tǒng)上稱為霧霾［1］?；姻渤Ｌ刂篙^高濃度的大氣細顆粒物污染現(xiàn)象，由于細顆粒物散射較短波長太陽輻射的能力較強，往往導致天空呈現(xiàn)橙灰等顏色，故此被稱為灰霾。學術上，將大氣中懸浮顆粒統(tǒng)一稱為氣溶膠，它特指1納米～100微米之間的大氣顆粒物質(zhì)，1納米以下常被認為是氣－粒轉(zhuǎn)換的邊界尺寸［2］，而100微米以上的大氣懸浮顆粒物質(zhì)(雨、雪、雹等)則會快速降落至地面。粒徑在0.1～10微米的典型氣溶膠粒子在大氣光學、大氣輻射、大氣化學、大氣污染和云物理學等方面具有重要影響，是大氣中最重要的成分之一，其分布可隨時空有較大變化，且具有明顯的空間垂直分布特性，大部分顆粒物都聚集在大氣邊界層之內(nèi)［3］，濃度高時可造成顯著的灰霾污染。遙感手段通過觀測大氣顆粒物與輻射(例如太陽光)的相互作用，可以了解氣溶膠在大氣層中的含量等參數(shù)，是獲得灰霾時空分布信息的有力工具。

1 基礎數(shù)據(jù)

1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

灰霾遙感的基礎數(shù)據(jù)目前主要是衛(wèi)星觀測到的氣溶膠光學厚度(AOD)，AOD指垂直大氣柱中氣溶膠消光系數(shù)隨高度(從地面到大氣頂)的積分。這里，我們以較易獲取的中分辨率成像光譜儀(MODIS)的AOD數(shù)據(jù)進行說明。MODIS傳感器搭載在美國宇航局于1999年發(fā)射的TERRA(過境時間為地方時10：30 am)和2002年發(fā)射的AQUA衛(wèi)星(過境時間為地方時13：30 pm)上，并通過星上轉(zhuǎn)發(fā)器實時向地面直接廣播，全球可以免費接收數(shù)據(jù)，因此在許多國家和地區(qū)得到了廣泛的使用。

MODIS傳感器軌道高度距離地球705 km，最大空間分辨率為250 m，最大掃描寬度2 330 km。MODIS有36個波段，波長范圍為0.4～14.4 μm，它采用暗目標法［4］等原理在陸地上空反演氣溶膠光學厚度［5］。該方法通過2.12 μm波段來識別植被、土壤等暗目標，并認為暗目標在紅光(0.66 μm)和藍光(0.47 μm)波段地表反射率較低，衛(wèi)星入瞳處的信號在這種情況下與氣溶膠光學厚度線性相關，并據(jù)此反演0.55 μm波長的AOD。由于需要通過多像素平均來提高信噪比，因此目前的AOD產(chǎn)品空間分辨率為10 km。在進行氣溶膠光學厚度反演前，需要進行云檢測，因此在判定有云的地表上空將無AOD數(shù)據(jù)。此外，由于暗目標法原理的限制，在冰、雪等亮地表上空，將無法進行反演。在這種情況下，MODIS提供了基于深藍算法［6］的氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)。MODIS的氣溶膠光學厚度產(chǎn)品經(jīng)過了幾次重大版本修改后，已較為穩(wěn)定，并在全球范圍內(nèi)開展了較為系統(tǒng)的檢驗。驗證結(jié)果顯示，與地基氣溶膠自動觀測網(wǎng)(AERONET)［7］比較，陸地上空氣溶膠光學厚度的反演誤差約為 ±(0.05 ±0.15%)［8］。

1.2 氣象資料

由于目前衛(wèi)星傳感器資料的限制，研究灰霾污染遙感監(jiān)測仍需要用到一些輔助的同步氣象資料。通過模式精細化模擬后，氣象資料具有較好的時空分辨率可以與衛(wèi)星數(shù)據(jù)配合使用。為了獲得大氣邊界層高度(PBLH)和相對空氣濕度(RH)，利用全球氣象預報系統(tǒng)同化國際氣象組織基準站的觀測數(shù)據(jù)，獲得再分析氣象場。隨后，利用中尺度預報模式可將再分析資料的時空分辨率精細化，獲得配合衛(wèi)星遙感使用的氣象場資料。

2 遙感監(jiān)測方法及系統(tǒng)設計

衛(wèi)星遙感獲得的基礎數(shù)據(jù)是氣溶膠光學厚度(AOD)，是整層大氣顆粒物含量的光學參數(shù)。通過AOD可進一步獲得灰霾污染狀況的定量數(shù)值，并估計出空氣質(zhì)量指數(shù)。首先介紹遙感光學參數(shù)與近地面環(huán)境監(jiān)測參數(shù)(灰霾指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù))之間的轉(zhuǎn)化關系，并建立相關估算方法;隨后，介紹灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)的搭建，以及遙感影像的數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測應用。

2.1 衛(wèi)星遙感灰霾指數(shù)

衛(wèi)星遙感灰霾指數(shù)定義為0～4的整數(shù)，分別代表無灰霾、輕微灰霾、輕度灰霾、中度灰霾、重度灰霾。依據(jù)氣象學標準，灰霾指數(shù)與近地面層的大氣能見度相關：能見度在5～10 km為輕微霾，3～5 km為輕度霾，2～3 km為中度霾，2 km以下為重度霾(《霾觀測和預報等級》(QX/T 113—2010))。通常，除了云和霧等情況外，大氣氣溶膠的消光(吸收和散射)對能見度有決定性影響，因此理論上，在給定的大氣模式條件下，大氣消光與氣溶膠光學厚度有較好相關性。Baumer等人［9］根據(jù)氣溶膠垂直消光特性與近地面能見度的觀測給出了氣溶膠光學厚度與能見度和邊界層高度的經(jīng)驗公式。本文基于該經(jīng)驗公式獲得AOD至能見度的轉(zhuǎn)化關系，并考慮大氣邊界層的變化情況，模擬了氣溶膠光學厚度與灰霾指數(shù)的對應關系，如圖1所示。在不同邊界層高度(PBLH)情況下，灰霾等級有著不同的變化，但灰霾指數(shù)總隨光學厚度增長而增加。

圖1 灰霾指數(shù)與氣溶膠光學厚度的關系

2.2 衛(wèi)星遙感估算空氣質(zhì)量指數(shù)

空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)可定義為0～500之間的整數(shù)，分別代表優(yōu)(0～50)、良(51～100)、輕度污染(101～150)、中度污染(151～200)、重度污染(201～300)和嚴重污染(301～500)。2013年12月，環(huán)保部通報中國中東部大面積灰霾污染其首要污染物均為 PM2.5(http：//news．hangzhou．com．cn/gnxw/content/2013 －12/04/content_4990452．htm)，而PM2.5包含于PM10中，因此嚴重灰霾污染時空氣質(zhì)量指數(shù)主要由顆粒物濃度決定。氣溶膠光學厚度與顆粒物濃度PM10(空氣動力學直徑小于10 μm的顆粒物)有較好的相關性?；贙oelemeijer等人［10］的研究結(jié)果，AOD與PM10線性相關的典型斜率為214 μg/m3。此外，不同天氣情況下，大氣層結(jié)構情況不同，該關系還受氣溶膠垂直分布和吸濕特性的影響［11-12］。研究假設氣溶膠垂直分布為e指數(shù)形式，并滿足Kotchenmther等人［13］提出的氣溶膠消光系數(shù)與環(huán)境相對濕度的關系，來校正上述影響。已有的研究表明，以上2個假設基本適用于中國地區(qū)［14］。最后，依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術規(guī)范》(試行)(HJ 633—2013)，嚴重灰霾污染時可用PM10換算AQI。因此與圖1類似，模擬了氣溶膠光學厚度與嚴重污染時的空氣質(zhì)量指數(shù)等級之間的關系。

圖2給出了不同空氣濕度條件下的空氣質(zhì)量指數(shù)等級。模擬結(jié)果表明，對于給定的邊界層高度，在相同空氣質(zhì)量指數(shù)的情況下，RH越高，AOD越大。這可由著名的吸濕增長特性解釋，即嚴重灰霾污染時空氣質(zhì)量指數(shù)由顆粒物干成分質(zhì)量決定，隨著空氣濕度增加，干成分吸水導致整個顆粒物體積增大，消光增強，表現(xiàn)為AOD增大。

圖2 空氣質(zhì)量指數(shù)等級與氣溶膠光學厚度的關系

2.3 灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計

灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)需要具有自動化的數(shù)據(jù)處理能力和可視化的監(jiān)視、分析環(huán)境，因此系統(tǒng)結(jié)構設計和系統(tǒng)配置需要考慮多方面的需求?；贛ODIS數(shù)據(jù)實例，簡要介紹灰霾遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。

如圖3所示，系統(tǒng)的處理流程可分為數(shù)據(jù)源、預處理、產(chǎn)品生產(chǎn)和共享發(fā)布：1)MODIS上午星(Terra)和下午星(Aqua)可實現(xiàn)中國大部分地區(qū)每日兩次的遙感監(jiān)測;使用MOD04大氣數(shù)據(jù)產(chǎn)品，不僅包含覆蓋陸地和海洋的氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)集，還提供了云掩碼數(shù)據(jù)。2)產(chǎn)品生產(chǎn)之前需要經(jīng)過預處理步驟，每景MOD04數(shù)據(jù)的觀測時間大約為5 min，而感興趣區(qū)可能出現(xiàn)在好幾景影像上，因此，利用拼接、裁剪、幾何投影和格式轉(zhuǎn)化等自動化工具實現(xiàn)影像的流水線處理。由于灰霾污染監(jiān)測中云的影響較大，預處理中也包含云掩膜的功能。3)系統(tǒng)針對氣溶膠光學厚度信息和氣象分析資料，基于上述灰霾污染遙感模型，計算感興趣區(qū)的大氣污染狀況(灰霾指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù)等級)，同時生產(chǎn)產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)。4)產(chǎn)品成果的共享發(fā)布以圖件和簡報的形式體現(xiàn)。系統(tǒng)具有自動運行能力，并可利用GIS信息完成初步制圖和簡報生成功能，最后，經(jīng)過專業(yè)人員修改和審核的監(jiān)測結(jié)果可由Web形式發(fā)布共享。

系統(tǒng)實現(xiàn)上，以一種低成本、高可靠、按需擴展的分布式存儲為核心，構建灰霾污染遙感監(jiān)測流水線系統(tǒng)。如圖4所示，該系統(tǒng)包括：1)分布式存儲集群。每個Linux存儲節(jié)點以高速局域網(wǎng)互聯(lián)，節(jié)點可動態(tài)加入存儲集群，實現(xiàn)可持續(xù)擴展，性能可隨著系統(tǒng)擴展而增強。2)Linux計算節(jié)點。將高性能的服務器部署在高速局域網(wǎng)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、影像預處理。3)產(chǎn)品生產(chǎn)。任務調(diào)度使用系統(tǒng)的守護進程進行數(shù)據(jù)監(jiān)控或定時器觸發(fā)。4)圖形工作站。將高性能的圖形顯示工作站部署在局域網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))上，進行自動化與人工相結(jié)合的產(chǎn)品制圖和簡報生產(chǎn)。5)產(chǎn)品提交給分布式存儲集群后，可通過Web服務共享。流水線采用了一種基于異構分布式網(wǎng)絡環(huán)境的系統(tǒng)架構，集群存儲空間和計算資源被虛擬成為一系列的服務，具有經(jīng)濟、靈活、穩(wěn)定、擴展性強等技術特點，可以滿足衛(wèi)星遙感監(jiān)測灰霾的業(yè)務化需求。

圖3 灰霾污染衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

圖4 灰霾污染衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)架構

3 結(jié)果及驗證

3.1 研究區(qū)域及遙感結(jié)果

基于上述方法，選擇2013年10月5—7日的MODIS數(shù)據(jù)開展監(jiān)測實驗，獲得了華北地區(qū)陸地上空灰霾指數(shù)以及重度來霾時的空氣質(zhì)量指數(shù)等級(圖5)。需要指出的是，在解譯遙感分布圖時，應首先注意圖上空白區(qū)域是有云－霧覆蓋的區(qū)域，屬于衛(wèi)星數(shù)據(jù)目前無法反演AOD的范圍。通常，可將云－霧分為受污染型和未受污染型。由于灰霾、云－霧的空間連續(xù)分布特性，云－霧的受污染類型在遙感尺度下不太可能出現(xiàn)突變，因此對于空白區(qū)域，可以依據(jù)周圍灰霾等級和梯度變化情況作出估計。例如，10月5日，河北、北京、河南北部等空白區(qū)域應是受到污染的云－霧(從同期地面觀測可證實，AQI較高)。10月6日，山西區(qū)域的空白應是受污染的云－霧。10月7日河北南部及其與河南、山東交界處的空白區(qū)域應是受污染的云－霧，從空白區(qū)域中心處殘留(河北的東南邊界)的衛(wèi)星遙感結(jié)果看，該區(qū)域污染程度較高，延續(xù)了6日的重度污染。

圖5 灰霾指數(shù)(左)和空氣質(zhì)量指數(shù)(右)衛(wèi)星遙感圖(上：2013-10-05;中：2013-10-06;下：2013-10-07)

從圖5上衛(wèi)星遙感有值的區(qū)域可以看到：1)衛(wèi)星遙感可以很好地反映灰霾污染程度的變化。例如，10月6日，山東西北部衛(wèi)星遙感顯示出污染等級的連續(xù)梯度變化，在自西北到東南方向約100 km的距離內(nèi)，從嚴重灰霾污染逐漸變化為無灰霾，同時，從重度或嚴重污染變?yōu)閮?yōu)。2)衛(wèi)星遙感有助于發(fā)現(xiàn)可能的傳輸通道。在10月5、7日圖上，從山西省的灰霾污染狀況可明顯看出，其主要污染帶是中部(由縱貫南北的大同、忻州、太原、臨汾、運城5大盆地組成的狹長地帶)，當該縱貫線上為輕或中度灰霾時(10月5日)，與其相鄰的山西東部和西部無灰霾，當其為重度灰霾時(10月7日)，與其相鄰的區(qū)域為輕度灰霾。若有合適的風向、風力等條件，將有可能形成灰霾向西北或東南傳輸?shù)耐ǖ馈?)衛(wèi)星遙感可獲得宏觀的灰霾空間分布概況。從該研究區(qū)域在這個時段的監(jiān)測看，河北(尤其南部)、山西(尤其南北縱貫盆地)、河南(北部)、山東(西北部)及其交界區(qū)域是灰霾的重污染區(qū)域，而內(nèi)蒙、遼寧、山東東部等區(qū)域的灰霾污染則較少。

3.2 衛(wèi)星面覆蓋觀測與地面點監(jiān)測結(jié)果對比

為驗證衛(wèi)星遙感結(jié)果，選擇該區(qū)域內(nèi)12個環(huán)保監(jiān)測站同期的AQI與衛(wèi)星估算的AQI對比(表1)，選擇城市區(qū)域的多個監(jiān)測站點計算該城市平均空氣質(zhì)量指數(shù)。很多情況下，這些城市監(jiān)測站分布在城市中心區(qū)域約20～30 km的范圍內(nèi)，由于衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的空間分布率約為10 km，因此衛(wèi)星估計的空氣質(zhì)量指數(shù)選取3×3像元(約30×30 km)，并取均值進行對比。表1中列出了衛(wèi)星遙感監(jiān)測與環(huán)保站點監(jiān)測的AQI等級對比結(jié)果。對灰霾污染期間空氣質(zhì)量指數(shù)等級的相對誤差進行統(tǒng)計，有效樣本數(shù)19個，結(jié)果顯示衛(wèi)星遙感與地面監(jiān)測站的AQI等級監(jiān)測結(jié)果之間平均相對誤差為16%。在88%的樣本中，衛(wèi)星遙感能夠較好地反映空氣質(zhì)量指數(shù)等級，誤差不大于1級，這說明衛(wèi)星遙感能夠較真實地獲得灰霾污染狀況。此外，基于2013年10月整個華北地區(qū)的衛(wèi)星遙感結(jié)果與12個地面監(jiān)測站進行了系統(tǒng)對比驗證(樣本數(shù)160個)，結(jié)果表明，衛(wèi)星遙感獲得灰霾污染情況下的AQI等級與站點觀測值的平均偏差為0.7級。

表1 衛(wèi)星遙感AQI與地面站AQI監(jiān)測結(jié)果對比

從表1還可以看出，衛(wèi)星遙感監(jiān)測灰霾污染情況下的AQI等級與地面監(jiān)測站結(jié)果的差異普遍在±1級之間，但通常低于站點監(jiān)測結(jié)果，其原因主要是衛(wèi)星遙感與地面監(jiān)測之間的時空代表性有所不同。首先，采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)大概在每天10：30 am過境，衛(wèi)星數(shù)據(jù)僅代表過境時刻的瞬時值，而地面監(jiān)測站公布的是空氣質(zhì)量指數(shù)的日均值，考慮到灰霾污染程度的日變化(一般夜間嚴重)，雖然10：30 am有較好的代表性，但不可避免仍可能與日均值存在差異。其次，衛(wèi)星監(jiān)測的面平均數(shù)據(jù)與環(huán)境監(jiān)測站的點監(jiān)測數(shù)據(jù)之間存在區(qū)域代表性的問題，尤其是目前的城市監(jiān)測站多布置在污染程度相對較高的城市中心，對整個區(qū)域的代表性較弱。例如，從空間分布上來看(如圖6)，濟南市南面臨山，環(huán)保監(jiān)測主要在市區(qū)進行，而衛(wèi)星監(jiān)測明顯體現(xiàn)出其南部山區(qū)空氣質(zhì)量較好，在約30 km的范圍內(nèi)，AQI等級從4級下降至1級，因此空間平均后衛(wèi)星監(jiān)測AQI低于站點監(jiān)測值。

衛(wèi)星監(jiān)測唐山地區(qū)10月6日結(jié)果較差的主要原因是，當天遙感手段僅在唐山地區(qū)東南區(qū)域獲得一個像素的有效值，導致唐山市污染觀測不完全，造成監(jiān)測值偏低。有云區(qū)域無法獲得衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果，是當前灰霾衛(wèi)星遙感的不足之處。

圖6 濟南市衛(wèi)星遙感空氣質(zhì)量指數(shù)等級分布圖(2013-10-06)

4結(jié)論

衛(wèi)星遙感可以獲得大范圍內(nèi)灰霾污染的定量監(jiān)測結(jié)果，具有客觀、統(tǒng)一、快速區(qū)域覆蓋等優(yōu)勢。介紹了基于氣溶膠光學厚度結(jié)合氣象數(shù)據(jù)的灰霾污染遙感監(jiān)測方法，包括衛(wèi)星遙感灰霾指數(shù)的算法，以及衛(wèi)星遙感估算灰霾污染情況下空氣質(zhì)量指數(shù)等級的算法。隨后，以中分辨率成像光譜儀MODIS為例，提出了灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，介紹了數(shù)據(jù)流程和系統(tǒng)架構?；谒l(fā)展的方法和系統(tǒng)，選擇華北地區(qū)，在2013年10月開展了監(jiān)測驗證，通過對比地面監(jiān)測站的空氣質(zhì)量指數(shù)，顯示灰霾污染時88%的衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果誤差不大于1個AQI等級，平均的AQI偏差為0.7級，能夠比較真實地反映灰霾污染狀況。在此基礎上分析認為，衛(wèi)星遙感可以很好地反映灰霾污染程度的變化，有助于發(fā)現(xiàn)可能的傳輸通道，并獲得灰霾的空間分布狀況。此外，站點觀測數(shù)據(jù)僅代表觀測點處局部的情況，而遙感方法可基于統(tǒng)一標準提供面覆蓋的灰霾污染狀況，從這一點上來說，遙感方法比現(xiàn)有地面監(jiān)測更適合于大范圍內(nèi)灰霾污染的對比評價。這些宏觀信息的獲取能夠為灰霾監(jiān)測、預警、防控等，尤其是全國范圍內(nèi)的灰霾污染治理效果評價提供重要支撐。

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