第1期 向嘉敏等:灰霾遥感监测研究进展 特别是水溶性气溶胶颗粒的消光系数在相对湿度较受当日条件影响,而且与前几日污染物累积效应有 高情况下可增大数倍,因此利用AOD估算大气颗关。Hu等[引入土地利用数据和气象数据,开发 粒物浓度时,需要对AOD进行垂直订正与湿度订了地理加权回归模型估算近地面PM25浓度,结果 正。垂直订正是通过建立近地面气溶胶消光系数与表明,该模型比最小二乘回归模型的精度更高。牛 大气整层AOD之间的关系,结合气溶胶标高计算,志春等[4从霾污染遥感监测业务化流程出发,选取 估算近地面气溶胶消光系数。湿度订正是在考虑湿MODS数据、气溶胶产品及气象数据,利用LM-BP 度影响基础上,将近地面气溶胶消光系数转换为人工神经网络模型算法反演大气颗粒物浓度,结果 “干”消光系数 表明霾污染遥感监测结果与地面实测结果基本一 垂直订正与湿度订正基础上的颗粒物浓度估致,宏观反映了区域霾污染空间分布。Just等[利用 算及其灰霾监测研究在国内开展的较多。林海峰MOS1km分辨率的AO产品、土地利用和气象 等[3的研究都表明,湿度校正和垂直校正后,提参数,构建了PM25估算模型,当AOD数据缺失时, 高了AOD与颗粒物浓度之间的相关性。李正强采用时空平滑方法估算PM25,结果表明PM2.5估算 等[以 MODIS数据作为主要信息源,建立了卫星结果与实测数据之间的决定系数为0.724 遥感参数和空气污染指标之间的联系,提出了利用 上述研究总体表明,AOD与大气颗粒物浓度之 AOD数据获得灰霾指数和灰霾污染时空气质量指间存在高度相关性,但这种相关关系在时间尺度和 数(AQ1)等级的方法,结果表明研究时段内平均空间区域上都表现出不一致的特点。气溶胶光学厚 AQI等级偏差为0.7级。陈良富等利用MO-度反演误差以及遥感监测一地面测量之间的时空尺 DIS气溶胶光学厚度产品,通过垂直校正和湿度校度差异性,共同影响灰霾污染程度的监测精度 正后推算地面PM2.5和PM10质量浓度,其中 PM25浓度估算结果更为准确。张钰萌等针对4灰霾垂直与水平分布特征的多源遥 POLDER3的多角度偏振数据,考虑灰霾气溶胶组 感监测 分构成,采用偏振反射率最优拟合方法,建立了华 北地区灰霾气溶胶反演算法,结果表明该算法在重 MODIS等星载光学传感器只能监测整层大气 霾发生时能较好地区分灰霾轻重程度,反演结果与气溶胶光学特性与灰霾空间分布,无法获取灰霾发 地面观测结果有较好的相关性。张文等利用生时气溶胶垂直分布情况。星载激光雷达不但能够 AOD以及地面PM2.5数据,通过近地面气溶胶消获取单点垂直方向的气溶胶廓线数据,而且能够获 光系数公式和线性拟合方法,估算京津冀地区得区域和全球上空的大气水平、垂直分布情况,具有 PM25质量浓度,结果表明PM2.5估算结果与地较高的时空分辨率,部分解决了夜晚观测数据缺乏 面监测站数据相关系数为0.78,且二者在分布趋势的问题“。激光雷达的工作原理为,当激光脉冲发 上表现出良好的一致性。 射到大气中,在传播路径上被气溶胶粒子和云粒子 在一元回归模型基础上,许多学者进一步考虑散射和消光,不同高度的后向散射回波信号大小与 了辐射、气温和能见度等常规气象参数,以及地理环此高度的气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关,通 境等因素的影响,利用多元回归模型建立AOD估过求解米散射激光雷达方程可反演相应高度的大气 算颗粒物浓度模型。 Gupta等[初步分析了相对气溶胶粒子和云粒子,从而获得气溶胶光学特性, 湿度、云量、风、混合层高度等气象条件对AOD与 云一气溶胶激光雷达与红外探测者( CALIP 近地面颗粒物浓度相关性的敏感程度,认为卫星遥SO)极轨卫星不仅可以提供全球范围气溶胶二维平 感估算近地面颗粒物浓度时应考虑气象和环境影面分布信息,而且能给出不同垂直高度上的分布情 响。Lju等建立了GOES卫星反演的AOD与土况,被许多学者用于灰霾观测研究中。毛晓琴等(切 地利用、气象参数、PM2.5之间的两步广义自适应利用 CALIPSO数据研究了长三角地区灰霾气溶胶 模型,用于分析PM2.5时空分布与变异性。叶瑜的光学特性及垂直分布特征,发现灰霾天气发生时 等[利用3a的AOD数据建立了AOD与污染物、主要是小粒径气溶胶且集中在2km高度以下。 气象因素之间的时间序列 ARIMA模型,并用1个Guo等[采用卫星数据地基太阳光度计数据和颗 月的资料评估模型拟合效果,结果显示AOD与污粒物浓度数据分析2007年黄海区域3月28日至 染物、气象因素模型拟合效果较好,但这种关系不仅31日灰霾事件的发生原因, MODIS与 CALIPSO特别是水溶性气溶胶颗粒的消光系数在相对湿度较 高情况下可增大数倍,因此利用 AOD 估算大气颗 粒物浓度时,需要对 AOD 进行垂直订正与湿度订 正.垂直订正是通过建立近地面气溶胶消光系数与 大气整层 AOD之间的关系,结合气溶胶标高计算, 估算近地面气溶胶消光系数.湿度订正是在考虑湿 度影响基 础 上,将 近 地 面 气 溶 胶 消 光 系 数 转 换 为 “干”消光系数. 垂直订正与湿度订正基础上的颗粒物浓度估 算及其灰霾监测研究在国内开展的较多.林海峰 等[３４Ｇ３６]的研究都表明,湿度校正和垂直校正后,提 高了 AOD 与 颗 粒 物 浓 度 之 间 的 相 关 性.李 正 强 等[３７]以 MODIS数据作为主要信息源,建立了卫星 遥感参数和空气污染指标之间的联系,提出了利用 AOD 数据获得灰霾指数和灰霾污染时空气质量指 数(AQI)等 级 的 方 法,结 果 表 明 研 究 时 段 内 平 均 AQI等级 偏 差 为 ０．７ 级.陈 良 富 等[３８]利 用 MOＧ DIS气溶胶光学厚度产品,通过垂直校正和湿度校 正后推 算 地 面 PM２．５ 和 PM１０ 质 量 浓 度,其 中 PM２．５浓度估算结果更为准确.张钰萌等[３９]针对 POLDER３的多角度偏振数据,考虑灰霾气溶胶组 分构成,采用偏振反射率最优拟合方法,建立了华 北地区灰霾气溶胶反演算法,结果表明该算法在重 霾发生时能较好地区分灰霾轻重程度,反演结果与 地面观 测 结 果 有 较 好 的 相 关 性. 张 文 等[１９]利 用 AOD 以及地面 PM２．５数据,通过近地面气溶胶消 光系数 公 式 和 线 性 拟 合 方 法,估 算 京 津 冀 地 区 PM２．５质量浓度,结果表明 PM２．５估算结果与地 面监测站数据相关系数为０．７８,且二者在分布趋势 上表现出良好的一致性. 在一元回归模型基础上,许多学者进一步考虑 了辐射、气温和能见度等常规气象参数,以及地理环 境等因素的影响,利用多元回归模型建立 AOD 估 算颗粒物浓度模型.Gupta等[４０]初步分析了相对 湿度、云量、风、混合层高度等气象条件对 AOD 与 近地面颗粒物浓度相关性的敏感程度,认为卫星遥 感估算近地面颗粒物浓度时应考虑气象和环境影 响.Liu等[４１]建立了 GOES卫星反演的 AOD 与土 地利用、气象参数、PM２．５之间的两步广义自适应 模型,用于分析 PM２．５ 时空分 布 与 变 异 性.叶 瑜 等[４２]利用３a的 AOD数据建立了 AOD与污染物、 气象因素之间的时间序列 ARIMA 模型,并用１个 月的资料评估模型拟合效果,结果显示 AOD 与污 染物、气象因素模型拟合效果较好,但这种关系不仅 受当日条件影响,而且与前几日污染物累积效应有 关.Hu等[４３]引入土地利用数据和气象数据,开发 了地理加权回归模型估算近地面 PM２．５浓度,结果 表明,该模型比最小二乘回归模型的精度更高.牛 志春等[４４]从霾污染遥感监测业务化流程出发,选取 MODIS 数据、气溶胶产品及气象数据,利用 LMＧBP 人工神经网络模型算法反演大气颗粒物浓度,结果 表明霾污染遥感监测结果与地面实测结果基本一 致,宏观反映了区域霾污染空间分布.Just等[４５]利用 MODIS１km 分辨率的 AOD产品、土地利用和气象 参数,构建了PM２．５估算模型,当 AOD数据缺失时, 采用时空平滑方法估算PM２．５,结果表明PM２．５估算 结果与实测数据之间的决定系数为０．７２４. 上述研究总体表明,AOD与大气颗粒物浓度之 间存在高度相关性,但这种相关关系在时间尺度和 空间区域上都表现出不一致的特点.气溶胶光学厚 度反演误差以及遥感监测—地面测量之间的时空尺 度差异性,共同影响灰霾污染程度的监测精度. ４ 灰霾垂直与水平分布特征的多源遥 感监测 MODIS等星载光学传感器只能监测整层大气 气溶胶光学特性与灰霾空间分布,无法获取灰霾发 生时气溶胶垂直分布情况.星载激光雷达不但能够 获取单点垂直方向的气溶胶廓线数据,而且能够获 得区域和全球上空的大气水平、垂直分布情况,具有 较高的时空分辨率,部分解决了夜晚观测数据缺乏 的问题[４６].激光雷达的工作原理为,当激光脉冲发 射到大气中,在传播路径上被气溶胶粒子和云粒子 散射和消光,不同高度的后向散射回波信号大小与 此高度的气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关,通 过求解米散射激光雷达方程可反演相应高度的大气 气溶胶粒子和云粒子,从而获得气溶胶光学特性. 云—气溶胶 激 光 雷 达 与 红 外 探 测 者 (CALIPＧ SO)极轨卫星不仅可以提供全球范围气溶胶二维平 面分布信息,而且能给出不同垂直高度上的分布情 况,被许多学者用于灰霾观测研究中.毛晓琴等[４７] 利用 CALIPSO 数据研究了长三角地区灰霾气溶胶 的光学特性及垂直分布特征,发现灰霾天气发生时 主要是小 粒 径 气 溶 胶 且 集 中 在 ２km 高 度 以 下. Guo等[４８]采用卫星数据、地基太阳光度计数据和颗 粒物浓度数据分析２００７年黄海区域３月２８日至 ３１日灰 霾 事 件 的 发 生 原 因,MODIS 与 CALIPSO 第１期 向嘉敏等:灰霾遥感监测研究进展 １５