基于MODIS气溶胶产品的河南省空气质量评价研究

韩 杰，李焕利，李慧娜，苗宝亮，石宏斌

(1. 许昌学院 城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000；2. 许昌学院 电气(机电)工程学院，河南 许昌 461000；3.中国人民解放军96608部队，河南 洛阳 471000)

近几年来，随着城市的快速发展，环境污染问题日益严重，其中大气污染备受关注[1].我国相继出台了多项措施对大气污染进行监督和管理，其中PM2.5是衡量大气质量的一项重要指标[2,3].目前，传统站点式的PM2.5浓度测量方式已经不能有效满足国家从宏观层面及时了解全国大气污染情况的需求，而采用卫星遥感技术手段，快速获取大范围大气参数已经成为环境监测的重要途径之一[4,5].

利用卫星遥感技术可以反演得到大气中的气溶胶浓度，然后建立气溶胶浓度与实测PM2.5之间的相关性模型，从而在宏观层面对PM2.5浓度的时空分布特点进行分析.目前，众多研究结果表明气溶胶参数与PM2.5浓度之间存在较高的相关性.宋挺等将MODIS气溶胶光学厚度与无锡市区PM2.5浓度进行相关性分析时，在考虑垂直分布和湿度修正后，其相关系数为0.565 9[6].张智等对西安市区MODIS气溶胶光学厚度与PM2.5浓度进行回归分析后，探讨了PM2.5的时空分布特征[7].崔相辉等在京津冀地区以MODIS气溶胶产品和气象参数为影响因子，建立了基于深度置信网络的PM2.5预测模型[8].王伟齐等在北京地区建立了MODIS气溶胶参数与不同时段PM2.5之间的回归模型，发现PM2.5浓度的日变化呈现“双峰型”[9].然而，基于上述研究方法开展河南省PM2.5浓度变化的研究较少.因此，本研究基于MODIS气溶胶产品，建立其与PM2.5浓度的相关模型，研究2016年河南省空气质量和两个目标城市郑州和许昌PM2.5浓度的时间变化特征，以期为河南省PM2.5的遥感监测提供科学依据.

1 研究方法

首先，在MODIS官网上检索获取2016年河南省MODIS气溶胶产品MOD04_L2(空间分辨率为10 km).其次，利用ENVI遥感图像处理软件完成影像的坐标投影，然后利用波段运算功能实现由气溶胶产品向PM2.5浓度的转换，进而利用河南省矢量文件完成影像裁剪，通过将反演结果与实测数据进行比对分析，结合环境空气质量标准，评价2016年河南省空气质量.最后，以两个目标城市郑州和许昌为例，分析PM2.5浓度的时间变化.具体技术路线如图1所示.

图1 技术路线

1.1 影像坐标投影

由于MODIS气溶胶产品是以HDF格式存储的，在影像裁剪时不十分方便，因此,本研究首先利用ENVI软件中MODIS Conversion Toolkit模块完成影像的坐标投影，将其转换为TIFF文件格式，以便进一步的影像裁剪与信息统计.

1.2 PM2.5浓度反演

众多研究发现，气溶胶参数与PM2.5浓度之间存在较强的相关性.本研究采用已有的经验模型，利用ENVI波段运算功能，完成由MODIS气溶胶产品到PM2.5浓度的反演[10].

Y春=53.97X春+16.19,

(1)

Y夏=45.57X夏+25.85,

(2)

Y秋=49.85X秋+18.78,

(3)

Y冬=90.57X冬+21.28,

(4)

式中，Y为PM2.5浓度，X为MODIS气溶胶参数.

2 结果与分析

通过统计反演获得河南省2016年每月PM2.5平均值，并将其与实测值进行对比，分析反演结果的精度.同时依据我国发布的《环境空气质量标准》中空气质量等级与PM2.5浓度的关系，对2016年河南省空气质量等级进行评价.

2.1 PM2.5反演精度分析

将基于MODIS气溶胶产品反演得到的河南省PM2.5平均值与实测值进行比较(图2).由图2可以看出，反演值与实测值随月份的变化趋势基本一致，即冬季(11、12、1月)PM2.5浓度高于其他季节.另外，除5、6两个月份外，其余月份的反演结果均比实测结果要低.研究表明，反演值相对于实测值的相对平均偏差为31.3%，出现该偏差的原因可能是因为本研究采用的反演模型为经验模型，其提供的反演系数可能不完全适应2016年整个河南省PM2.5反演情况.

图2 PM2.5浓度反演值与实测值对比图

2.2 河南省空气质量等级评价

依据空气质量等级与PM2.5浓度的关系(表1)，根据卫星反演结果，对河南省2016年空气质量等级进行初步评价.研究表明，2016年河南省空气质量达到一级(优)的月份有2、3、7、8、9、10月，达到二级(良)的月份有1、4、5、6、12月，达到三级(轻度污染)的月份仅有11月.上述评价结果与实测结果有5个月份是相同的.今后将进一步提高反演模型精度，使评价结果与实际情况更加贴合.另外，上述秋冬季节PM2.5浓度较高、而夏季PM2.5浓度较低的原因可能是因为焚烧秸秆、汽车尾气排放和冬季供暖等因素导致秋冬季节空气质量不好，而夏季降雨较多，在一定程度上缩短了污染物在大气中的存留时间.

表1 空气质量等级与PM2.5浓度的关系

2.3 目标城市PM2.5浓度分析

利用两个目标城市郑州和许昌的行政界线对河南省PM2.5产品进行裁剪后，统计各月反演结果，并将其与实测值进行比对，初步分析两个城市PM2.5浓度变化原因(图3、图4).

从图3、图4可以看出，对于上述两个城市，其反演结果均比实测的PM2.5浓度高，整年PM2.5浓度变化趋势呈现“U”型，即秋冬季节高，春夏季节低.上述情况与河南省PM2.5浓度年变化趋势一致.郑州作为河南省的省会，其全年PM2.5平均浓度(约为78.11μg·m-3)高于许昌(67.92μg·m-3).这可能主要是因为郑州作为“新一线”城市，其人口数量和密度、汽车保有量、城市基础设施规划建设等因素均会在一定程度上造成大气中PM2.5浓度升高，空气质量下降，而后者的相关参数均比前者要低.

图3 郑州PM2.5浓度反演值与实测值对比图

图4 许昌PM2.5浓度反演值与实测值对比图

3 结论

借助卫星遥感，通过建立MODIS气溶胶产品与PM2.5浓度之间的关系评价空气质量等级，已经成为目前大区域大气污染监测与评估的重要手段.研究表明，河南省及目标城市郑州、许昌PM2.5浓度均呈现“U”型，即秋冬季节空气质量较差，春夏季空气质量较高.同时，卫星PM2.5浓度反演结果比实测结果略低，且平均相对差异略大.因此，本研究将在今后进一步优化反演模型，提高反演精度，深入探讨城市PM2.5污染源、污染范围和污染扩散等情况，为利用卫星遥感技术进行大气质量监测及环境保护提供技术参考和理论支持.