大气气溶胶遥感反演

张树辉 张雅莉

摘要：随着经济的发展，城市的扩张，大气气溶胶污染日益严重，已经成为大气研究的重点。遥感技术具有快速、大面积同步观测、良好的经济社会效益等特点，现在已经成为一种常用的监测手段，在大气研究中应用广泛。本文从气溶胶、气溶胶光学厚度以及气溶胶与空气污染等方面进行了阐述，分析了国内外对于气溶胶遥感反演的研究进展以及反演方法的优缺点进行了分析，最后對气溶胶反演的前景和发展进行了讨论和展望。

关键词：气溶胶;气溶胶遥感反演;气溶胶光学厚度（AOD）

1 引言

气溶胶通常是由大气介质和混合与其中的在气体介质中直径小于10pm的固态或液态微小粒子组成的体系。气溶胶的来源分为人为源（工业排放、秸秆燃烧、汽车尾气、建筑施工、地面扬尘）和自然源（海盐颗粒、森林野火、火山喷发、风沙扬尘）。虽然其含量很少，但是对大气中发生的许多物理化学过程都有很重要的影响。例如，气溶胶对太阳辐射的吸收和散射会改变地球大气系统的行星反照率，从而影响到地气系统的能量平衡;大气气溶胶还起到云凝结核的作用;大量的气溶胶颗粒有可能使云滴的数密度增加，云滴的平均半径变小，这有可能使云对太阳辐射的反射率增加或使云的维持时间加长，甚至使降水减少。这些都会影响到地气系统的能量平衡，从而对气候变化有影响。

气溶胶光学厚度（AOD）是气溶胶最基础的光学特性，它是消光系数在垂直方向上的积分，描述的是气溶胶对光的衰减作用，也是确定气溶胶气候因子的关键因子[1]，气溶胶光学厚度在一定程度上反映了整个大气污染的时空分布及污染水平，一般情况下，气溶胶纵向的累积值越大，代表含量越高，大气浑浊度越高，空气污染越严重，所以对气溶胶光学厚度进行时空监测对研究大气污染及空气质量评价具有重要意义。由于气溶胶监测站点分布稀疏，且只能监测地表气溶胶，而气溶胶光学厚度可以表征整个大气中的污染情况，且方便获取，覆盖范围广。目前，获取气溶胶光学厚度的方法为地基方法和遥感方法。现今，国内外已经建立了AERONET（美国NASA全球气溶胶监测网）、CARSNET（中国气溶胶地基遥感监测网）对气溶胶的光学厚度进行长期观测，并获取气溶胶的辐射特性及物理特性。地基观测网络的精度高，其直接测算太阳辐射从大气层顶到达地表的消光性，是最准确的气溶胶光学厚度，但是太阳光度计的数量有限，分布稀疏，不能获取到连续的空间分布特征。基于遥感手段的反演算法可以获得大范围连续分布的气溶胶光学厚度，己经有学者提出了多种适用于不同卫星数据和不同地区的反演方法。

2 气溶胶与大气污染

国内外许多学者都对气溶胶对大气的影响进行了研究。如郑俊[2]等选取陕西省西安市为研究区域，获取西安地区2017年气溶胶分布图及AOD与颗粒物浓度的关系模型，结果表明MODIS光学厚度与地面PM2.5、PM10浓度的直接相关性较差，经过湿度订正与垂直订正后得到的相关性进一步提高，可用于估算地面颗粒物浓度并监测区域环境空气质量。He等[3]利用AERONET在中国北京、太湖、香河等3个地区的站点数据对于3个地区的气溶胶光学厚度与当地空气污染指数不同季节之间的相关性进行了分析，结果表明夏季空气污染程度的相关性普遍较高。Khoshsima等[4]利用詹赞当地的光度计得到了当地气溶胶的各项光学特性，通过数据发现AOD和PM10浓度之间在冬季的相关性很高，同时对NO2与PM10浓度之间的相关性进行了分析。张浩等[5]利用MODIS气溶胶产品和气象观测资料分析了能见度与MODIS气溶胶产品和气象要素的相关关系，并运用多元回归方法建立了安徽省不同季节能见度的反演模型，在此基础上分析安徽省能见度的时空分布特征。李正强等[6]使用AOD数据反演了灰霾指数计算的空气质量指数（Air Quality Index，AQI），并借助实测的AQI数据进行验证，发现平均只相差0.7个等级。综上研究，大气颗粒物的存在严重影响着空气质量，因此快速进行地面实测数据和遥感数据相结合以实现气溶胶监测的业务化，及时发布城市环境空气质量以便城市居民能够科学出行，具有重大的现实意义。

3气溶胶遥感的发展趋势

随着遥感技术的不断发展，在大气监测和气溶胶光学特性反演等方面已经取得了众多的成果，但也面临建立具有普遍适用性的气溶胶反演模型以及地表反射率的处理等等。未来关于气溶胶遥感反演的趋势应该要在以下3个方面有所突破。

（1）气溶胶遥感反演与地面监测、地基遥感监测相结合;如多波光度计、华盖计、无线传感器、激光雷达、无人机等，这将大大提高遥感监测速度和反演精度;

（2）建立起基于辐射传输理论的气溶胶反演模型。目前比较常见的气溶胶（如气溶胶浓度等）反演方法都是基于统计模型建立起的经验公式，物理意义不够明确，适用性不强。因此需要从大气辐射传输理论出发，研究不同形状不同大小粒子的散射和吸收机理，从而建立起具有普遍适用性，物理意义明确的气溶胶反演体系;

（3）提高气溶胶模型的确定精度。气溶胶模型的选定对气溶胶反演的精度有较大影响，因此确定气溶胶模型非常重要，以后可以通过长时间的地基观测或者建立更为合理的气溶胶模型来提高气溶胶模型的确定精度;

参考文献

[1]陈本清， 杨燕明. 台湾海峡及周边海区MODIS气溶胶光学厚度有效性验证 [J]. 海洋学报（中文版）， 2005， 06）： 172-8.

[2]郑俊， 杨志强， 张凯南， et al. MODIS气溶胶光学厚度反演的西安市颗粒物浓度研究 [J]. 测绘工程， 2018， 27（12）： 19-23+30.

[3]HE J， ZHA Y， ZHANG J， et al. Aerosol indices derived from MODIS data for indicating aerosol-induced air pollution [J]. Remote Sensing， 2014， 6（2）： 1587-604.

[4]KHOSHSIMA M， AHMADI-GIVI F， BIDOKHTI A A， et al. Impact of meteorological parameters on relation between aerosol optical indices and air pollution in a sub-urban area [J]. Journal of Aerosol Science， 2014， 68（46-57.

[5]张浩， 邓学良， 石春娥. MODIS气溶胶产品在大气能见度监测中的应用 [J]. 环境科学与技术， 2015， 38（08）： 49-55.

[6]李正强， 许华， 张莹， et al. 基于卫星数据的灰霾污染遥感监测方法及系统设计 [J]. 2014，

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