衛(wèi)星遙感在氣溶膠污染分析中的應用

衛(wèi)星遙感在氣溶膠污染分析中的應用

1氣溶膠季節(jié)分布的研究背景流層氣體凝膠是地球大氣系統(tǒng)的重要組成部分。它主要影響著短波和長波的平衡。氣溶膠的存在減小了由于溫室氣體導致的全球溫度的上升。對流層氣溶膠包括起源于城市和工業(yè)活動、生物燃燒、土地利用的人為源以及沙塵等自然源。對流層氣溶膠所引起的空氣質量問題,包括城市能見度的下降、可吸入顆粒物對人們健康的影響等,已經(jīng)在全球范圍內引起廣泛關注。20世紀70年代以來,我國的快速工業(yè)化過程也伴隨著區(qū)域性空氣污染問題的出現(xiàn)。近年來,北京市能見度下降問題引起社會關注,恢復“藍天”的研究工作得到公眾和政府的重視。北京市區(qū)的空氣污染與局地城市排放如機動車排放、礦石燃料燃燒和城市工地揚塵有關,同時也與周邊地區(qū)工業(yè)排放、燃煤產(chǎn)生的污染物質的區(qū)域輸送以及遠距離的沙塵的輸送有關。政府環(huán)境控制治理部門迫切需要了解各種因素對北京市區(qū)污染產(chǎn)生貢獻的份額,以利于出臺的相應政策可以有效改善這一地區(qū)的空氣質量。衛(wèi)星遙感可以提供廣闊背景上的有關氣溶膠污染物的區(qū)域分布,在污染監(jiān)測上具有廣闊的前景。本文利用美國宇航局(NASA)的地球觀測系統(tǒng)(EOS)衛(wèi)星Terra的中分辨率成像光譜儀(MODIS)的氣溶膠Level2產(chǎn)品資料,研究了北京及周邊地區(qū)氣溶膠季節(jié)分布,并給出季節(jié)性地面能見度變化。個例分析表明遙感方法提供了研究城市大氣污染的新手段。2北京冬季空氣形勢展望Bergin等關于氣溶膠光學特性的地面相關觀測表明,在低濕環(huán)境下北京地區(qū)氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)和單次散射反照率平均值分別為0.488km-1,0.088km-1和0.81;氣溶膠散射系數(shù)遠遠大于西方國家城市地區(qū)的一些記錄;全年75%的能見距離在6km以下,而美國城市地區(qū)能見度最差地區(qū)平均能見度為12km左右;平均細粒子(PM2.5)的質量濃度為136μgm-3(變化范圍85～189μgm-3),遠遠大于美國國家環(huán)境空氣質量標準(U.S.NAAQS,NationalAmbientAirQualityStandard)建議的24小時平均值65μgm-3。Ando等在北京冬季某些居民區(qū)地帶室內和室外的空氣質量監(jiān)測表明,總懸浮顆粒物和二氧化硫的濃度是在東京一條公路旁監(jiān)測結果的4到5倍。邱金桓等利用太陽直接輻射數(shù)據(jù)反演的華北地區(qū)1980～1994年的光學厚度資料表明,包含北京的這一地區(qū)具有顯著的升高趨勢,北京的冬季大約已經(jīng)上升了2倍左右,他們認為礦石燃料的燃燒是導致這種變化的主要因素。Li等在1993年3月到1995年3月氣溶膠光學厚度觀測表明,春季和夏季明顯高于秋季和冬季。He等在1999年7月到2000年9月的采樣發(fā)現(xiàn)PM2.5的質量濃度的季節(jié)變化很大,冬季具有最大值,夏季具有最小值,同時對春季沙塵暴具有強烈的影響?？諝馕廴局笖?shù)(API)是環(huán)保部門通過對可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫、氮氧化物和臭氧在市區(qū)不同地點的24小時監(jiān)測而發(fā)布的一個與污染物質量濃度相關的可被公眾直觀理解的一個數(shù)據(jù)。首要污染物是幾種污染物中濃度最高者,空氣污染指數(shù)是首要污染物質量濃度的經(jīng)分段線性映射后的結果。在我國的大多數(shù)城市,全年大約85%～90%的首要污染物為可吸入顆粒物。圖1給出北京市2001年的API變化,從中我們可以了解到北京市空氣污染的概況:在夏季由于具有較高的混合層,北京市具有平均小于100的API數(shù)據(jù);在冬季由于相反的原因常常出現(xiàn)一些API較大的天,平均值和日變化都顯著高于夏季。春季沙塵天氣對北京空氣質量影響顯著,4月和5月個別天里API最大達到500,對應可吸入顆粒物濃度達到600μgm-3。2001年平均API值為110,對應可吸入顆粒物濃度170μgm-3,這一數(shù)值大約是NAAQS建議的24小時平均可吸入顆粒物濃度69μgm-3的兩倍以上。API超過100的天數(shù)占46.5%,對應可吸入顆粒物濃度150μgm-3。由此可見,北京市區(qū)的空氣污染問題是相當嚴峻的。3地表反射率與通道7和近紅外5nm的氣溶膠分布1999年12月發(fā)射的極軌衛(wèi)星EOS-AM1(Terra)開辟了衛(wèi)星遙感地球—大氣系統(tǒng)的新紀元。其中“中分辨率成像光譜儀(MODIS)”具有通道多(36個可見光和紅外)、覆蓋空間廣(2330km橫向掃描)等特點,可以提供有關遙感大氣氣溶膠、水汽、臭氧、云、地表植被、海色、浮游植物、生物地球化學等產(chǎn)品的豐富信息。Kaufman等通過大量飛機觀測試驗表明,MODIS的通道1(620～670nm)和通道3(459～479nm)的地表反射率與通道7(近紅外2105～2155nm)觀測到的表觀反射率在密集植被地區(qū)甚至較暗反照率土壤地區(qū)呈現(xiàn)良好的線性相關,而且近紅外通道7的觀測基本不受氣溶膠的影響,因此,他們利用這一通道的數(shù)據(jù)區(qū)分暗背景和亮背景,并得到通道1和通道3在暗背景情況下的反照率。氣溶膠類型則利用通道1和通道3的路徑輻射比來首先判斷是否為沙塵類型,對于不是沙塵類型的氣溶膠,則根據(jù)一個預先設定的按地理分布的劃分進一步確定類型。業(yè)務運行程序已經(jīng)可以獲取全球陸地除少數(shù)沙漠和高原地區(qū)以外的大面積地區(qū)的氣溶膠分布。盡管NASA得到氣溶膠光學厚度(AOD)產(chǎn)品是為了在EOS計劃中研究全球氣候變化中氣溶膠強迫的目的,我們利用香港地區(qū)的地面可吸入顆粒物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)和MODIS氣溶膠光學厚度的比較、以及中國一些城市發(fā)布的API資料與MODIS氣溶膠光學厚度的比較都具有較高相關系數(shù)的事實,發(fā)現(xiàn)這一分辨率比較高的氣溶膠產(chǎn)品對于研究城市地區(qū)的空氣污染具有顯著的可行性1。這里,我們利用2001年設在北京大學物理樓的10波段太陽光度計的觀測結果,與NASA的MODIS氣溶膠Level2產(chǎn)品進行了對比,進一步驗證該衛(wèi)星產(chǎn)品在北京地區(qū)的可靠性;利用北京市區(qū)API數(shù)據(jù)推得的PM10平均質量濃度與MODISAOD資料進行了比較;利用地面氣象能見度資料與衛(wèi)星遙感的氣溶膠光學厚度資料進行了相關分析。3.1關于衛(wèi)星遙感與地面太陽光度計利用多波段光度計遙感氣溶膠光學厚度是目前氣溶膠遙感手段中最準確的方法,通常被用來校驗衛(wèi)星遙感的結果。在北京大學物理樓樓頂,我們建立了長期連續(xù)的多波段太陽光度計觀測。該臺儀器為北京師范大學光電儀器廠生產(chǎn)的BB型10波段光度計。探測器采用硅光電二極管,儀器視場為3°圓形視場,10個波段中心波長分別位于450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm附近,半波寬度10～20nm。該臺儀器曾分別在海拔較高、遠離城市的河北興隆天文臺(海拔1000m)、西藏當雄(海拔4200m)、安徽黃山(海拔1860m)三個定標點進行Langley法定標。訂正后總誤差在光學厚度比較小的情況下應小于10%,在中等渾濁度情況下,相對誤差在2%左右。圖2為2001年的地面太陽光度計與MODIS衛(wèi)星遙感結果的對比。其中數(shù)據(jù)點數(shù)為60,相關系數(shù)為0.79,均方根偏差為0.168。與2000年的比較結果相比,衛(wèi)星遙感與地面太陽光度計的相關更好,原因主要在于我們調整了太陽光度計的觀測時間,盡量與衛(wèi)星過境的時間一致。這里也發(fā)現(xiàn)在氣溶膠光學厚度比較小(0.0～0.4)的范圍,MODIS的結果多大于太陽光度計的結果;而在氣溶膠光學厚度比較大的范圍(0.5以上),一般太陽光度計給出比較大的結果。產(chǎn)生這種偏差的原因可能是:從衛(wèi)星遙感的角度來看,地表反射率通過近紅外觀測來確定帶來一定的誤差,按照Kaufman等的估計,這種誤差將與地表植被的密集程度有關。暗背景密集植被地區(qū)誤差較小。北京地區(qū)冬季以及春季,由于降雪和綠色植被稀疏,達到“暗背景”條件的像素點較少,估計衛(wèi)星遙感的結果存在一定的誤差。在氣溶膠光學厚度比較小時,地表反射率的誤差成為反演氣溶膠光學厚度的主要誤差,NASA算法中利用固定的暗背景條件下,可見光與近紅外波段的地表反射率關系對北京城區(qū)地表反射率的估計可能偏小。在氣溶膠光學厚度比較大的情況下,從時間序列上看,比較大的數(shù)值集中在3～5月份,實際氣溶膠可能沙塵成分較大,而NASA算法中采用的氣溶膠類型可能存在一些偏差。按照Kaufman等的算法,將非沙塵情況下的中國東部地區(qū)全部按工業(yè)城市氣溶膠處理。氣溶膠模型選取的誤差一般是光學厚度反演過程中的最大誤差。另外一點就是沙塵性氣溶膠粒子有效半徑較大,對2.1μm近紅外通道足以產(chǎn)生影響,尤其對于城市地區(qū)本地揚塵天氣,沙塵比例大、平均半徑大、濃度集中在比較集中的高度。按目前NASA的“暗背景”地表反射率算法,沙塵性氣溶膠的存在使得地表反射率估計偏高,將導致氣溶膠光學厚度結果偏低。盡管如此,我們認為這一衛(wèi)星遙感的產(chǎn)品在北京地區(qū)的校驗達到了相應的精度,可應用于氣候和城市污染的研究。3.2比較兩組患者中pm0質量濃度的情況北京的冬季因為植被稀少、積雪等原因,地表具有較高的反射率,目前NASA的氣溶膠產(chǎn)品中在這個季節(jié)對于北京城區(qū)有效的數(shù)據(jù)很少。由于地表反射率較高情況下,氣溶膠反演的誤差增大,在北京比在華南地區(qū)具有更大的不確定性,因此在應用這個產(chǎn)品前,這種AOD與地面氣溶膠污染物濃度的比較很有必要。我們利用的API資料來自環(huán)保部門在網(wǎng)站上公開發(fā)布的數(shù)據(jù)。當首要污染物為可吸入顆粒物時,將API分段線性地轉化為PM10的質量濃度。當空氣質量非常好,API小于50的情況下,環(huán)保部門不發(fā)布首要污染物,所以我們分析的數(shù)據(jù)中不含有API小于100的情況,對應于PM10質量濃度小于100μgm-3的情況。圖3為2001年北京城區(qū)MODISAOD與平均PM10質量濃度的比較。整體上看二者在大多數(shù)情況下具有很好的變化趨勢,總共107個數(shù)據(jù)點,相關系數(shù)為0.23,超過統(tǒng)計學上可置信度95%的要求。由于二者各自具有比較明確的物理意義:氣溶膠光學厚度代表垂直方向上消光系數(shù)的積分,與對流層垂直方向氣溶膠總濃度相關;地面可吸入顆粒物的質量濃度代表地面污染物濃度,它強烈地受到混合層發(fā)展、大氣穩(wěn)定度等大氣擴散條件的影響。從圖3中可以看到,夏季相對于冬季,光學厚度一般具有較高的數(shù)值,而地面PM10的濃度具有較低的數(shù)值。這是因為在夏季垂直方向湍流發(fā)展強盛,有更多的顆粒物被輸送到高空,而水平擴散相對于冬季由于平均風速較小而較弱,因此地面濃度減小,而總光學厚度升高。冬季的情況剛好相反。同時我們還應該注意到,來自API的PM10平均濃度,代表北京城區(qū)多個站點24小時的平均,而光學厚度是北京時間10:30左右衛(wèi)星過境的瞬間觀測。二者的比較和相應的相關系數(shù)說明AOD數(shù)據(jù)在同一季節(jié)里可以反映地面污染物濃度的變化,也提示我們不同季節(jié)間的比較應該考慮混合層發(fā)展高度、氣溶膠垂直分布特征的因素。3.3氣溶膠光學厚度與年份的關系按照通常情況下的假定氣溶膠消光系數(shù)垂直方向上按指數(shù)分布:βz=β0e?zH,(1)βz=β0e-zΗ,(1)這里H可稱為氣溶膠“標高”,光學厚度為消光系數(shù)垂直方向上的積分:τ=∫∞0βzdz=∫∞0β0e?zHdz=Hβ0,(2)τ=∫0∞βzdz=∫0∞β0e-zΗdz=Ηβ0,(2)地面消光系數(shù)與能見距離具有反比關系:β0=3.91R,(3)β0=3.91R,(3)我們得到能見距離和氣溶膠光學厚度的關系:R=3.91H1τ.(4)R=3.91Η1τ.(4)由于意識到AOD具有季節(jié)性變化這樣的事實,所以在利用北京氣象站能見度數(shù)據(jù)和AOD的比較時,我們采用分季節(jié)比較的方法。一年四季的劃分采用:3月、4月和5月為春季,6月、7月和8月為夏季,9月、10月、11月為秋季,11月、12月、1月和2月為冬季。考慮到冬季數(shù)據(jù)量少以及11月應該處于季節(jié)交換的情況,11月的數(shù)據(jù)被用了2次。圖4采用了2000年8月到2001年12月的AOD和能見度資料,給出春、夏、秋、冬四季的擬合結果。雙對數(shù)坐標下平均的4條直線給出不同季節(jié)平均的擬合關系。其中氣溶膠標高H在春季(A)、夏季(B)、秋季(C)和冬季(D)分別為:2221m、1947m、1461m和1076m。春季具有較高的標高主要是因為沙塵暴天氣的影響。夏季顯著高于冬季是因為夏季混合層高度較高,垂直發(fā)展旺盛的緣故。這個合理的擬合關系表明氣溶膠光學厚度AOD產(chǎn)品在同一季節(jié)內可以直接比較、不同季節(jié)內可以通過簡單的校準而用于地面污染研究。4根據(jù)氣溶膠的光學厚度，表面能見度在季節(jié)性變化4.1北京市aod季節(jié)變化顯著,概念復雜圖5是利用MODIS光學厚度產(chǎn)品得到的2000年9月～2001年12月北京城區(qū)光學厚度的月平均變化?？臻g上取以城市大致中心方圓25km的區(qū)域進行平均?？梢娨韵乱恍┨卣?北京AOD年平均值在0.5左右,季節(jié)變化明顯,6月和12月平均相差0.5左右。從冬季到春季,AOD有顯著的跳躍。春天沙塵暴天氣對北京影響顯著,同時春季北京風速大、干旱、濕度低,城市建筑工地和許多裸露地表的揚塵也嚴重影響空氣質量。雖然冬季地面污染物濃度經(jīng)常很高,但AOD月平均夏季顯著高于冬季。除了冬季受北部清潔冷空氣影響外,夏季濕度上升、以及夏季來自北京南部、西南部的區(qū)域性輸送可能是另外的主要因素。12月、1～3月達最低值(大約為0.2),4月由于沙塵天氣影響,明顯急劇上升。兩年的數(shù)據(jù)均顯示出9月以后開始下降的特征。4.2北京城市水系中氣溶膠光學厚度分布圖6(見圖版I)描述了北京及周邊地區(qū)春、夏、秋、冬四季氣溶膠光學厚度的變化,圖中斜線部分為未獲得數(shù)據(jù)區(qū),包含春季和冬季西北方向大片高反照率背景(半荒蕪或雪蓋)地區(qū)以及渤海灣近岸地區(qū)。其中渤海灣水面地區(qū)由于海水泥沙含量的影響,反射率遠高出深海地區(qū)。按照海上遙感算法得出的產(chǎn)品具有較低的準確度。從整體上看,北京西部、北部、東北部四季氣溶膠光學厚度明顯低于北京西南部、南部、東南部。夏季光學厚度最大,大值區(qū)分布最廣。冬季和春季有明顯的以城區(qū)為中心的特征,應該源于局地的城市污染。冬季到春季有顯著的跳躍性增加,和春季沙塵天氣的影響有關。夏季氣溶膠光學厚度平均值最大,應該和混合層發(fā)展較高、水平風速小、濕度增加、高溫天氣促進“氣-粒”轉換等因素有關,其中氣溶膠標高較高應該是一個主要因素。從圖5可見北京的城區(qū)光學厚度與北京西南、南、東南方向基本在這一區(qū)域連成一片,尤其西南方向有明顯的向北京延伸的跡象,結合北京這一地區(qū)顯著的“夜間南轉北、白天北轉南”的山谷風特征可知區(qū)域性輸送在北京的平均空氣質量影響因素中占有比較大的份額。4.3北京天氣特征從前面AOD與地面能見度的比較上看,在同一個季節(jié)氣溶膠具有相同的標高的情況下,AOD一般可以直接反映地面能見度的變化,而在不同的季節(jié),為了從AOD的分布得到地面空氣質量變化情況,必須以不同季節(jié)的標高進行訂正。圖7(見圖版II)是利用前面回歸的不同季節(jié)的標高,從AOD的分布得到的能見度(能見距離)的四季分布(斜格地區(qū)為未獲得數(shù)據(jù)區(qū))。雖然春季北京的天氣受到沙塵暴的影響,氣溶膠光學厚度一般具有較大的數(shù)值,氣溶膠減小了陽光到達地面的份額,同時也影響著地面空氣質量,然而春季平均的地面能見距離仍然具有最大的數(shù)值。城區(qū)大約15km,郊區(qū)大多數(shù)地區(qū)為20km,北部山區(qū)的大多數(shù)部分在30km以上。夏季,城區(qū)能見度最差的地區(qū)為12km,并且等值線向東延伸。城市的郊區(qū)能見距離在12～15km。北部山區(qū)在20km以上。在秋季,12km的等值線區(qū)域擴大到西南、南部大面積地區(qū),北京南部的河北省的大部具有較低的能見度,很多地區(qū)甚至比北京市區(qū)要差得多。冬季,北京城區(qū)具有全年中最底的能見度,平均10km的等值線開始出現(xiàn)在城市中心,表明冬季北京市具有最差的空氣質量。這種方法目前的最大誤差在于我們只用了北京一個地面站的能見度資料統(tǒng)計了四季的標高,如果利用整個區(qū)域內的氣象資料來統(tǒng)計,得到標高的區(qū)域變化數(shù)據(jù),能見度的分布將更為準確。季節(jié)平均應該降低了由于氣溶膠垂直分布變化和區(qū)域內分布變化帶來的誤差。同時我們設想如果以激光雷達等垂直探測工具的結果直接獲得氣溶膠的垂直分布特征,結合衛(wèi)星遙感的氣溶膠光學厚度分布信息,可獲得每日而不是統(tǒng)計的地面能見度結果。5對污染樣本的分析5.10年9月1日至6日北京市區(qū)氣象事件圖8(見圖版III)是北京及周邊地區(qū)氣溶膠光學厚度(550nm)2000年9月1日、2日、3日和6日衛(wèi)星過境時間的分布。它給出一個區(qū)域傳輸?shù)奶卣?在9月1日的分布圖上,可以看到北京城區(qū)和來自北京西南方向河北重污染區(qū)的污染物還沒有匯合,而9月2日、3日的圖像則可以清晰地看到這股來自西南方向的嚴重污染的大氣伸展的區(qū)域覆蓋了北京及周邊大范圍地區(qū)。表1給出環(huán)保部門公布的2000年9月1日到6日API的變化。從表1可以看到,從9月2日到3日北京市區(qū)經(jīng)歷了比較嚴重的污染事件,9月2日、3日持續(xù)兩天為III1級。AOD圖像給出了污染物的區(qū)域分布,9月2日和3日在北京及周邊廣大地區(qū)光學厚度數(shù)值超過1.2,9月6日北京及周邊地區(qū)的光學厚度下降到0.1～0.2左右。有關的氣象變量可以給出相應的一些天氣情況。圖9為風向和風速9月1日00時～9日00時(北京時)的變化,圖中可見9月4日前最大風速為3ms-1,平均風速為1.5ms-1;風向上每日白天南風為主。圖10為氣溫變化,9月1日到3日最高氣溫達32℃,最低氣溫22℃。風和溫度資料說明9月初北京的這幾天處于低壓系統(tǒng)的前沿,為持續(xù)的高溫、弱風環(huán)境,不利于污染物的遠距離擴散,而區(qū)域擴散導致北京市區(qū)強烈受到西南方向污染源的影響。9月4日,風向的改變、風速的突然增加和溫度的驟然下降說明有一個冷空氣的侵入過程。API數(shù)值、光學厚度在整個區(qū)域的急劇下降,以及地面能見度變化圖(圖11)中給出的9月5日以后能見度迅速變好,都說明這一來自北部的天氣過程使得大氣中懸浮顆粒物被比較徹底地清除。5.2月日:9月33日是一個鋒面系統(tǒng)在過境圖12(見圖版III)為氣溶膠光學厚度在2000年9月23日03:10(世界時)的分布,從圖中可見顯著的光學厚度圖像在西南—東北方向上有一個清晰的高梯度的分界面,大約30～50km的兩側,光學厚度從0.2急劇增為0.8左右。圖13為風向、風速變化,可見9月23日持續(xù)東南方向的弱風是導致污染物的積累的主要原因。9月23日風速的迅速增大、風向改