福建省空气清新度卫星遥感监测

李恺霖，张春桂，廖 廓，李丽纯，王 宏

(1.福建省气象信息中心，福州 350001；2.福建省气象科学研究所，福州 350001)

0 引言

大气气溶胶通常是指悬浮在大气中直径小于100 μm 的液态和固态颗粒总称，其质量仅占整个大气质量的十亿分之一，可散射和吸收太阳短波辐射以及地球长波辐射，从而影响地气系统的辐射平衡(直接效应)，并且可以作为凝结核影响云的辐射特性以及作为反应表面，影响大量化学反应的速度(间接效应)，因此其对大气辐射传输和水循环均有重要影响[1]。气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)定义为气溶胶的消光系数沿辐射传播路径在垂直方向上的积分[2]。该参数描述了气溶胶对光的衰减作用，为无量纲量。AOD是大气气溶胶最基本的光学特性之一，同时也是描述气溶胶特性、表征大气浑浊度的重要物理量之一，能在一定程度上反映区域大气的污染程度。

目前获取大气气溶胶光学厚度资料的手段包括地基遥感和卫星遥感[3-5]。与地基遥感相比，卫星遥感具有连续、动态、宏观、快速的优势，为获取大范围的时空覆盖、变化趋势及气溶胶输送源的信息提供了强有力的监测手段[6-7]。

日本气象厅于2014年7月发射了新一代静止气象卫星葵花-8(Himawari-8)并于2015年7月开始提供运营[8]。葵花-8/AHI (Advanced Himawari Image)包含对气溶胶敏感的蓝光通道，在陆地气溶胶反演方面具有很大的潜力。葛邦宇等[9]利用暗目标法对葵花-8数据气溶胶进行了反演，分析了京津冀地区大气的空间分布和日变化情况；Yan等[10]利用最小反射率气溶胶反演方法对葵花-8卫星资料在北京及其附近区域进行了验证；Zhang等[11]利用葵花-8卫星资料与新的AOD反演方法，与MODIS资料进行对比，验证了该卫星在东亚地区的适用性，结果表明该卫星与MODIS气溶胶产品的相关系数达到0.8以上，与陆基观测相比，同样达到了很高的相关系数(0.86)。

绿地在生态系统占据重要的位置，尤其突出的是其在吸收、降解大气污染物中表现出的显著效果，且与AOD大小关系十分密切[12-16]。现在通用的表征城市绿色环境质量特征的一个指标就是归一化植被指数 (normalized difference vegetation index,NDVI)，它是影响城市空气污染浓度的重要指标[17]，它可以通过反映区域地表植被的种类、覆盖密度等特征来表征区域下垫面的植被覆盖情况。NDVI 数值愈大表示植物生长愈多。众多学者利用MODIS的NDVI指数与AOD之间的关系进行了研究，并取得了丰硕的成果。张磊[18]利用MODIS的AOD数据与NDVI数据集研究了广东地区AOD变化规律与影响因素，指出AOD与NDVI在广东有着显著的负相关；方炜[19]利用AOD建立与PM2.5相关模型，验证了其与NDVI在广州市呈现明显的负相关，植被对颗粒物的吸附效果明显；岳辉[20]利用MODIS中AOD数据建立起了与PM10之间相关模型，并分析得出武汉市PM10数值与NDVI呈现极显著负相关；董自鹏等[21]指出陕西省气溶胶波长指数分布与植被覆盖情况密切相关，地面扬尘是粗模态气溶胶的重要来源，NDVI上升和沙尘天气的减少使秦岭以北地区粗模态AOD逐年递减。

综上的研究表明地表植被的覆盖能够有效吸附空气中的悬浮物，对大气中的粉尘、微小颗粒具有附挡、吸附、滞留和过滤的作用，从而达到“净化”空气的效果，抑制了AOD高值的产生，对改善透明度有很大作用。卫星具有观测范围大，时间分辨率高等优点，那么如何通过卫星定量描述清新福建，并通过定义一种指数，建立起NDVI与AOD之间关系，用以表征福建省的清新程度，并阐述其在建设清新福建中的应用，本文将在这方面进行探索。

1 研究区概况

福建省地处东南沿海，地理范围在E115°40′～120°30′，N23°30′～28°20′之间，森林覆盖率达65.95%，连续37年位居全国第一，是全国“最绿”省份。生态资源已经成为福建省最宝贵的资源，生态优势是福建省最具竞争力的优势。同时，森林生态系统是开展养生旅游的重要载体和场所之一[22]。从2013年初开始，全国多地遭遇雾霾沙尘天气，人们对生态环境非常关注，从那时候起提出了“清新福建”的概念[23]。2014年福建省优质生态旅游景区“清新指数”正式对外发布，在全国率先发布涵盖PM2.5、负氧离子等指标的指数，以数据建立生态旅游新标准[24]。卫星遥感空气清新度(remote sensing atmosphere index,RSAI)指数的建立将有助于深入了解福建的生态环境情况，能更好更全面地描述“清新福建”。

2 数据源

葵花-8卫星AOD数据来源于日本气象厅，数据的下载地址为http://www.eorc.jaxa.jp/ptree/。葵花-8卫星采用了全盘扫描的方法，观测范围为S60°～N60°，E80°～W160°。AOD仅有日间观测资料，分为二级(L2)和三级(L3)资料，空间分辨率均为5 km×5 km，其中L2资料10 min产生一次数据，L3资料1h产生一次数据。葵花-8卫星AOD质量控制分为4个等级，分别为“very good”(很好)、“good”(好)、“marginal”(边缘的)、“no confidence”(不可信任的)。Zang等[25]选取了超过10 000个质量为“very good”的数据与气溶胶自动观测网 (Aerosol Robotic Network,AERONET)数据进行比较，二者的相关系数达到0.74，不确定性为0.24，分时段对比发现，AOD的反演质量在当地时间12：00—14：00时，质量最好；14:00—17:00时，质量次之；9:00—11:00时，质量最差。文中选择观测时段为北京时间8:00—17:00时的逐时数据。

本研究采用的NDVI来源于国家卫星气象中心业务内网，是以EOS/MODIS卫星数据作为信息源，在对EOS/MODIS数据进行包括地理定位、通道定标和投影变换等预处理的基础上，采用NDVI公式计算出来的。为了与葵花-8的AOD资料的时空分辨率相一致，本研究将NDVI数据通过重采样稀疏化处理成与葵花-8的AOD产品相同的5 km空间分辨率，研究的时段为2015年12月—2018年9月，并根据福建的气候特点，定义春季为3—6月，夏季为7—9月，秋季为10—11月，冬季为12—来年2月[26]。为了与周边区域进行比较，将区域范围扩大到E110°～125°，N20°～35°。

3 研究方法

3.1 AOD

AOD和Ångström波长指数是表征大气光学特性的基本参数，可以用来推算大气气溶胶的含量。AOD的具体的计算公式为[27]

τ(λ)=βλ-α，

(1)

式中：τ(λ)为AOD；β为浑浊系数；α为Ångström波长指数。α是定性衡量气溶胶粒子大小的一个重要光学参数，其值越小说明粒子越大，反之亦然[28]。α通过在式(2)中代入不同的波长相除后，取以常数e为底数的对数ln得到，即

(2)

葵花-8的AOD数据的具体计算方法为：首先通过利用公式(3)计算出α；然后将其代入公式(2)计算出τ(λ)；最后通过引用基于确定的球形粒子气溶胶模型查找表，查找出相应的AOD数值。

葵花-8的AOD资料为逐时数据，为了得到日平均、月平均和季节平均的结果，需要对数据进行进一步处理。平均值可表示为

(3)

式中：avalid表示在行数为i，列数为j格点上的平均值；N表示不同文件同一格点上，有数值并且通过质量控制的文件个数；aij代表行数为i，列数为j格点上的AOD数值，aij数值有3种情况，分别为缺测、反演失败、有数值并且有质量保证[29]。在文中采用的有数值且有质量保证的数据即为质量控制等级为“very good”的数据。3种情况下AOD的数值分别为：0，0，实际值。只有当AOD为实际值时，该格点才参与运算，所得的日平均为参与计算格点的平均值。在此基础上进而得到月数据和季节数据。

3.2 NDVI

为了能有效地排除大气的干扰和福建地区多云天气的影响，本研究的NDVI资料采用月合成资料，具体方法是先根据目前最为常用的NDVI计算公式计算出福建地区晴空NDVI值，即

NDVI=(Xnir-Xred)/(Xnir+Xred)，

(4)

式中，Xnir和Xred分别是近红外波段和红光波段的反射率，对于MODIS数据来说，分别对应于CH2波段(0.841～0.876 μm)和CH1波段(0.62～0.67 μm)。

然后通过最大值合成法(maximum value composite,MVC)将每天NDVI数据合成为每月NDVI数据，MVC法可以进一步消除大气对NDVI削弱的影响以及消除云的影响，MVC表达式为

Mt=max[NDVI(t)]，

(5)

式中，Mt为月NDVI值；t为月份。

3.3 指数构建

经过统计，福建省内AOD与NDVI多年平均值均在[0,1]之间。为了建立起AOD与NDVI之间的联系，定义了卫星遥感空气清新度(remote sensing atmosphere index,RSAI)指数，其具体计算公式为

(6)

式中：c，d为权重系数。为了使AOD与NDVI单调性一致，且有相同的取值范围，对2个变量进行了均一化处理。当AOD与NDVI都有数值，且经过质量控制后RSAI数值为有效，否则设为缺测。数值越大表示空气越清新。表1为参考世界卫生组织关于空气清新度等级划分中的负氧离子指标[30]，结合福建实际，制订的RSAI分级标准。

表1 卫星遥感空气清新度分级标准Tab.1 Grinding standard of RSAI

4 结果分析

4.1 AOD的季节分布

图1给出了福建地区AOD季节变化的时空分布，从图中可以看出，春季，福建省大部分AOD数值在0.2左右，闽西北部分山区的数值在0.1左右，福建省沿海地区为AOD的大值区，数值在0.4左右，对比大陆周边省份，春季福建省大部AOD数值较低；夏季，福建省大部AOD的数值范围在0.2～0.3之间，AOD大值区在福建中南部沿海，相比于大陆周边省份，夏季福建省AOD总体数值较低；秋季，福建省西部大部地区AOD都在0.2以下，福建省中北部AOD大值区数值相比较于春夏有所降低，但闽南地区AOD数值上升，达到全年的最大值，福建省秋季整体AOD数值大大低于大陆周边省份，是一年中数值最低的季节；冬季福建省大部分AOD数值在0.2左右，AOD的高值区在福建省闽南沿海，冬季福建全省AOD数值低于大陆周边省份。

造成上述现象的原因有3点：①沿海地区污染排放源强度大于内陆地区，其中中南部沿海地区经济发达、人口稠密、汽车保有量大，并有较多工业区，气溶胶排放量相对大；而北部沿海地区受北霾南输影响，是区域污染输送开始的第一站，结束的最后一站，因此全年气溶胶浓度平均值也高于内陆；②天气气候原因，沿海地区常年降水(不考虑台风产生的极端降水)平均值低于内陆地区，大气湿清除条件不如内陆地区好，尤其漳州地区为福建省降水最少的地区，晴热干燥的气象条件下造成AOD数值较大；③沿海森林覆盖率低于内陆，植被对颗粒物吸附能力总量较低。

有研究表明[31]：颗粒物通过对光的吸收和散射使地面大气水平能见度急剧降低，进而对居民生活、工作等造成不利影响，特别是能见度的改变会影响个体行为，降低对自然保护区、公园、景点的参观频率，从而减少旅游收入。与能见度直接相关的AOD起到直接作用。结合上述分析，福建省一年四季AOD数值较低，四季能见度优良，尤其以秋季闽西地区能见度极佳，均适合开发生态游项目。

(a)春 (b)夏

(c)秋 (d)冬

图1 福建省气溶胶光学厚度季节变化时空分布示意图

Fig.1SpatialdistributionofseasonalmeanAODinFujianProvince

4.2 NDVI的季节分布

通过MODIS的NDVI数据集能更直观地了解福建省内植被四季的覆盖情况，为生态、乡村旅游提供参考。

图2位置中，给出了福建省NDVI的时空变化分布。从图中可以看出，春夏2季全省大部的NDVI都在0.7以上，植被覆盖良好，而且NDVI数值在0.7左右的区域，福建省所占面积大于大陆周边省份，这与福建全省森林覆盖率排名全国第一的情况吻合；秋冬2季由于作物收割或长势弱化，NDVI的数值有所降低，但植被覆盖率依旧高于大陆周边省份。与长江三角洲、珠江三角洲和南昌市城市群相比，福建境内福夏泉城市群植被覆盖良好，季节差异不大。

(a)春 (b)夏

图2-1 福建省归一化的植被指数(NDVI)季节变化时空分布示意图

Fig.2-1SpatialdistributionofseasonalmeanNDVIinFujianProvince

(c)秋 (d)冬

图2-2 福建省归一化的植被指数(NDVI)季节变化时空分布示意图

Fig.2-2SpatialdistributionofseasonalmeanNDVIinFujianProvince

4.3 RSAI的季节分布

通过结合AOD与NDVI 2个生态环境的重要物理量，新构建了RSAI指数，定量描述了福建省生态总体情况。

图3给出了福建省卫星遥感清新度季节变化时空分布，根据表1中给出的标准，定义了非常清新、清新、较清新、一般和不清新4个等级。从图中可以看出，春季，福建省大部RSAI为清新，沿海地区为一般；夏季，福建省大部RSAI清新和较清新，沿海地区一般；秋季，福建省大部地区RSAI以清新为主，部分地区RSAI为非常清新，但闽南沿海地区RSAI一般，少部地区为不清新；冬季，福建省大部RSAI以清新和较清新为主，闽南沿海少部地区为不清新。根据RSAI分级，福建省四季皆以清新以上等级为主，四季RSAI皆高于大陆周边省份，显示出福建省特有的生态优势。

(a)春 (b)夏

(c)秋 (d)冬

图3 福建省卫星遥感清新度季节变化时空分布示意图

Fig.3SpatialdistributionofseasonalmeanRSAIinFujianProvince

5 结论与讨论

通过综合利用葵花-8卫星AOD数据三级(L3)资料和MODIS的NDVI资料，构建了RSAI指数，并以福建省为例分析了其季节变化规律，得出以下结论：

1)四季福建省大部AOD变化不大，低值区一般分布在闽西北山区，东南沿海为大值区，其中闽南沿海均为当季福建省AOD大值区。福建省四季整体AOD皆低于大陆周边省份，以秋季最为明显。

2)造成福建省AOD沿海高内陆低，闽南沿海为大值中心这种现象的原因是，沿海地区污染排放源强大于内陆地区，气溶胶排放量相对大；而北部沿海地区受北霾南输影响，全年AOD平均值也高于内陆；沿海地区常年降水平均值低于内陆地区，大气湿清除条件不如内陆地区好，尤以漳州地区降水最为稀少，晴热干燥的气象条件下造成AOD数值较大；沿海森林覆盖率低于内陆，植被对颗粒物吸附能力总量较低。

3)春夏两季全省大部植被覆盖良好，NDVI较大数值福建省所占面积大于大陆周边省份。秋冬两季，NDVI的数值有所降低，但植被的覆盖率依旧高于大陆周边省份。与研究范围内城市群相比，福建境内福夏泉城市群植被覆盖良好，季节差异不大。

4)四季福建省大部RSAI指数以清新为主，其中秋季RSAI指数最佳。RSAI指数一般的地区集中在福建沿海，闽南沿海为RSAI指数较差地区。福建四季RSAI指数皆高于大陆周边省份，显示出福建特有的生态优势。

5)通过对AOD，NDVI和RSAI的分析，福建气溶胶光学厚度数值较低，植被覆盖好，卫星遥感空气清新度指数高，对实现生态文明，推动既要金山银山，又要绿水青山的实践有着一定的参考意义。

但是，在使用葵花-8卫星和MODIS数据的时候主要考虑了季节变化，指数的构建也多依赖于平时业务经验。因此，今后将更加深入开展AOD与NDVI之间的关系研究，使RSAI的构建更加科学合理。