基于簡化氣溶膠光學(xué)厚度的京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測研究

基于簡化氣溶膠光學(xué)厚度的京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測研究

1京津冀空氣/污染關(guān)系研究氣溶膠是指漂浮在空氣中的液體或固體顆粒，大小為10。利用遙感衛(wèi)星反演氣溶膠特性能夠彌補(bǔ)地面監(jiān)測站覆蓋范圍有限且成本高的不足,目前主要通過反演氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosolu3000Opticalu3000Depth,AOD)實(shí)現(xiàn)其特性的研究。以反演AOD的常用算法有針對MODIS傳感器的暗像元法環(huán)保部2014年發(fā)布的《大氣污染防治工作簡報(bào)》中指出,2013年京津冀地區(qū)空氣污染屬全國最重,京津冀13個(gè)城市中,7個(gè)城市排在全國污染最重前10位,部分城市空氣重度及重度以上污染天數(shù)占全年天數(shù)40%左右。京津冀地區(qū)污染物成因?yàn)楸镜胤e累及區(qū)域輸送,加上不利于擴(kuò)散的區(qū)域氣象本文采用SARA算法反演京津冀地區(qū)秋、冬兩季污染天氣條件下的AOD,利用氣溶膠自動(dòng)觀測網(wǎng)(Aerosolu3000Roboticu3000Network,AERONET)地面數(shù)據(jù)驗(yàn)證反演精度,并結(jié)合京津冀地區(qū)重要城市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)細(xì)顆粒物(PM2sara反演的三次散射反照率和不對稱因子實(shí)驗(yàn)采用SARA算法對京津冀及臨近地區(qū)污染過程的氣溶膠進(jìn)行反演。SARA算法反演AOD的三個(gè)前提假設(shè)為:地表為朗伯體;單次散射近似;單次散射反照率與不對稱因子在反演區(qū)域無變化。前兩條是算法成立的必要依據(jù),而第三條是為確保反演結(jié)果在區(qū)域范圍內(nèi)均具有較高精度。因SARA在反演時(shí),需以地面站點(diǎn)的單次散射反照率與不對稱因子作為參數(shù)輸入,若反演區(qū)域的單次散射反照率與不對稱因子和基準(zhǔn)站差異較大,則反演精度較低,這是SARA算法的一大特點(diǎn),在反演前應(yīng)予以考慮。依據(jù)大氣輻射傳輸方程,衛(wèi)星接收到的大氣表觀反射率如公式(1)所示當(dāng)反射條件以單次散射近似時(shí),氣溶膠的反射率也可以近似表達(dá)為公式(2)其中,ρ滿足上述假設(shè)條件情況下,由公式(1)、公式(2)聯(lián)立可以得到公式(3),即SARA算法因T(θ3研究區(qū)和數(shù)據(jù)來源SARA算法在香港、北京地區(qū)做驗(yàn)證時(shí),所選數(shù)據(jù)均為無云(特別是地面AERONET站點(diǎn)無云)的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,而本次實(shí)驗(yàn)所選污染過程為2013年1月7日—18日、10月2日—18日,實(shí)驗(yàn)中既有晴天又有(霧)霾,能較好地代表冬、秋季節(jié)不同污染條件下的氣溶膠特性。除去AERONET地面站點(diǎn)無驗(yàn)證數(shù)據(jù)及云量大的日期,部分?jǐn)?shù)據(jù)含有少量云,在反演過程中予以剔除。研究區(qū)范圍為北緯35°~44°,東經(jīng)113°~120°,包括了北京市、天津市、河北省全境及相鄰省部分區(qū)域,如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中反演及驗(yàn)證選取MODIS傳感器的MOD02HKM、MOD03、MOD04/MYD04、MOD09GA產(chǎn)品以及AERONET在Beijing、Beijing_RADI、XiangHe三個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。AERONET數(shù)據(jù)分為L1.0、L1.5、L2.0三個(gè)等級,L2.0為經(jīng)過云剔除并人工檢驗(yàn)其正確性的數(shù)據(jù),L1.5是對數(shù)據(jù)做了云剔除,L1.0為初級監(jiān)測數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中,Beijing站點(diǎn)為L2.0數(shù)據(jù),Beijing_RADI、XiangHe均為L1.5數(shù)據(jù)。SARA算法中用Beijing站點(diǎn)反演的單次散射反照率及不對稱因子作為輸入?yún)?shù),使用Beijing_RADI、XiangHe兩個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)測值驗(yàn)證所反演AOD的精度。Beijing_RADI與XiangHe站點(diǎn)分別位于城區(qū)與鄉(xiāng)村,代表兩種下墊面類型。PM4u3000的結(jié)果和討論4.1u3000研究結(jié)果利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演AOD時(shí),通常將AERONET地面站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)視為真實(shí)值驗(yàn)證反演結(jié)果。實(shí)驗(yàn)利用相關(guān)系數(shù)(R)驗(yàn)證地面監(jiān)測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星反演的AOD之間的相關(guān)關(guān)系,用均方根誤差(RMSE)驗(yàn)證反演值區(qū)別于真實(shí)值的大小,RMSE的計(jì)算見公式(4)。R取值分布于-1與1之間,R為正且值越接近1時(shí),表明兩變量間的相關(guān)性越大,反之則表明不相關(guān)或呈負(fù)相關(guān);RMSE取值分布于0與1之間,值越小表明兩變量間差異越小,反之差異越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果依據(jù)Angstrom從圖2中散點(diǎn)分布可以看出實(shí)驗(yàn)期間AOD變化幅度較大,包括干潔及污染天空,反映了實(shí)驗(yàn)期間復(fù)雜的天空條件。從圖2分析可知,SARA反演得到的AOD與Beijing_RADI站點(diǎn)監(jiān)測值相關(guān)性高,R=0.937,RMSE=0.115,XiangHe站點(diǎn)處R=0.866,RMSE=0.262,兩者均呈顯著線性相關(guān),且Beijing_RADI相關(guān)性高于XiangHe。分析其原因,主要由于兩個(gè)站點(diǎn)分別位于城區(qū)與鄉(xiāng)村,氣溶膠模式有區(qū)別。城市地區(qū)人為排放的氣溶膠比重大,主要為細(xì)顆粒氣溶膠,而鄉(xiāng)村除區(qū)域輸送外,主要為自然產(chǎn)生氣溶膠,一般為粗顆粒氣溶膠,兩者的差異導(dǎo)致了氣溶膠的單次散射反照率與不對稱因子的區(qū)別。利用SARA算法反演AOD時(shí),單次散射反照率5%與不對稱因子2%的誤差會(huì)分別帶來反演結(jié)果-2%~2%與2%~4%的差異4.2u3000顆粒物來源與相關(guān)關(guān)系研究表明,京津冀地區(qū)污染過程主要以細(xì)模態(tài)氣溶膠為主進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)前,剔除了空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)相對應(yīng)的遙感影像中有云的數(shù)據(jù)。由圖3可以看出,SARA反演的AOD在北京東四、北京定陵、石家莊、邯鄲站點(diǎn)與PM實(shí)驗(yàn)利用HYSPLIT(Hybridu3000Singleu3000ParticleLagrangianu3000Integratedu3000Trajectoryu3000Model)模型分析了北京、天津、石家莊3個(gè)城市在2013年10月7日的顆粒物來源(見圖4),從圖中可以看出北京、石家莊區(qū)域輸送的顆粒物主要來自我國北方陸地區(qū)域,而天津部分顆粒物來自渤海,故其氣溶膠成分與北京、石家莊等地有所區(qū)別。這也解釋了圖3中天津、秦皇島兩地相關(guān)性較差的原因。除了單個(gè)站點(diǎn)時(shí)間序列的相關(guān)分析,本文也對一次反演中所有站點(diǎn)PM對比圖5a和圖5b可以看出,在不考慮天津、秦皇島兩處站點(diǎn)并進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí),R圖6為2013年10月7日不同分辨率的AOD對比,圖6a為MOD04_L2氣溶膠產(chǎn)品(Terra),圖6b為MYD04_3K氣溶膠產(chǎn)品(Aqua),分辨率分別為10km、3km,圖6c為SARA反演的AOD,分辨率為500m。通過對比可以看出,SARA反演的AOD具有更詳盡的氣溶膠空間分布,整體上與MYD04_3K產(chǎn)品的一致性更高;對比圖6a與圖6b,發(fā)現(xiàn)兩者反演結(jié)果在右下角區(qū)域差異非常大;而圖6b與圖6c在該區(qū)域的氣溶膠空間分布及反演結(jié)果非常接近。5氣溶膠特性分析本文采用SARA算法對區(qū)域尺度污染過程的AOD進(jìn)行了反演,時(shí)間集中于(霧)霾易發(fā)的秋、冬季節(jié)的兩次污染事件。通過地面數(shù)據(jù)的驗(yàn)證以及AOD與PM1)SARA算法對于京津冀地區(qū)干潔及污染天空條件下的AOD反演精度均較高。說明該算法對不同污染濃度條件的適用性較好,這一點(diǎn)與Bilal等2)對區(qū)域尺度的AOD反演適用性好。京津冀及周邊地區(qū)地形變化大,下墊面情況復(fù)雜,但污染具有明顯的區(qū)域特性,實(shí)驗(yàn)中除近海城市AOD與細(xì)顆粒物相關(guān)性不顯著,其他地方均呈顯著線性