基于6S模型成都平原氣溶膠光學(xué)厚度反演應(yīng)用

董智慧，苗 放，葉成名，饒玫瑰，楊秋玲 （成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川成都610059）

成都平原位于四川盆地的西部，是西南地區(qū)文化和經(jīng)濟(jì)中心，近年來(lái)成都平原經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了令人矚目的成就。但是在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題，大氣污染日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康，因而對(duì)大氣環(huán)境的治理刻不容緩。氣溶膠是懸浮在地球大氣中具有一定穩(wěn)定性的沉降速度小的分子團(tuán)，粒徑范圍約為10-3～10-2μm，是大氣環(huán)境的重要組成成分。氣溶膠污染作為大氣污染的重要組成部分，對(duì)其監(jiān)測(cè)是有效治理大氣污染必須解決的問(wèn)題。氣溶膠光學(xué)厚度是氣溶膠的光學(xué)屬性之一，是表征大氣渾濁度的重要物理量，也是確定氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵因子。氣溶膠光學(xué)厚度反映了整層大氣中顆粒對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱程度，即空氣污染程度。筆者利用2009年8月到2010年5月MODIS（Moderateresolufion Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀）衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，借助6S輻射傳輸模型，采用暗像元法，對(duì)成都平原地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行反演，分析其時(shí)空分布，為成都平原地區(qū)大氣污染監(jiān)控和治理提供依據(jù)。

1 反演方法與流程

1.1 反演原理

氣溶膠粒子對(duì)入射輻射的散射和吸收作用可以使入射輻射的性質(zhì)和強(qiáng)度發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量入射輻射的變化來(lái)反演氣溶膠粒子特性，上述過(guò)程即遙感氣溶膠原理[1]。利用遙感方法可以直接得到氣溶膠輻射特性，并用于氣候研究過(guò)程。

衛(wèi)星遙感反演大氣氣溶膠基于衛(wèi)星傳感器觀測(cè)的大氣上界的表觀反射率（L為大氣上界輻射；F為大氣外界太陽(yáng)輻射通量；μs為太陽(yáng)天頂角的余弦），ρ＊與地表雙向反射率特性之間的關(guān)系如下[2]：

式中，θv、θs分別為衛(wèi)星天頂角和太陽(yáng)天頂角；φ為由太陽(yáng)方位角和衛(wèi)星方位角確定的相對(duì)方位角；ρm（θv，θs，φ）為分子散射造成的路徑輻射；ω0為單次散射反射率；τa為氣溶膠光學(xué)厚度；Pa（θv，θs，φ）為大氣分子和氣溶膠的散射造成路徑輻射；μv、μs分別為衛(wèi)星天頂角和太陽(yáng)天頂角的余弦；ρ′為地面反射率；Fd（θs，ω0，τa，Pa）為在地表反射率歸一化為零時(shí)總的向下輻射通量；T（θv，ω0，τa，Pa）是向上進(jìn)入衛(wèi)星傳感器視場(chǎng)方向的總透過(guò)率；S（ω0，τa，Pa）為大氣后向散射比。

由式（1）可知，若知道太陽(yáng)和衛(wèi)星的觀測(cè)角與方位角、氣溶膠光學(xué)厚度、觀測(cè)地點(diǎn)的氣溶膠模式和地表反射率，在理論上就能夠計(jì)算出大氣上界觀測(cè)輻射ρ＊。若θv、θs、φ、ω0、Pa、ρ′為固定值，對(duì)于一系列變化的τa，即可計(jì)算出一系列不同的ρ＊，如果計(jì)算得到的ρ＊與傳感器實(shí)際測(cè)量的大氣上界的陸地表觀反射率相等，則用于計(jì)算的τa可以被認(rèn)為是所要反演求得的氣溶膠光學(xué)厚度[3]。

1.2 反演方法

1）6S輻射傳輸模型 6S輻射傳輸模型主要用來(lái)模擬無(wú)云 （晴空）天氣條件下，在太陽(yáng)光波段內(nèi)（0.25～4.0μm）衛(wèi)星傳感器理論上應(yīng)接收到的輻射值，不但能較合理地處理空氣分子和氣溶膠的散射和吸收，而且還能產(chǎn)生連續(xù)光譜，避免在光譜反演中產(chǎn)生較大的定量誤差。該模型充分利用了分析表達(dá)式和預(yù)選大氣模式，從而使計(jì)算時(shí)間大為縮短[4]。

2）反演方法 由反演原理可知，對(duì)于比較短的波長(zhǎng)和比較低的地表反射率 （ρ≤0.06），路徑輻射對(duì)ρ＊貢獻(xiàn)比較大，反演氣溶膠光學(xué)厚度的誤差比較小[5]。MODIS影像的1波段 （0.66μm）、3波段（0.47μm）和7波段 （2.1μm）滿足短波長(zhǎng)條件且通道寬度窄，能很好地訂正大氣氣體吸收不確定性對(duì)氣溶膠遙感的影響，具有遙感反演氣溶膠的能力。

Kaufman等[6]建立的暗像元算法是目前陸地上空氣溶膠遙感應(yīng)用最為廣泛和較為有效的算法。Kaufman認(rèn)為2.1μm波段在地表反射率較低的情況下，受大氣氣溶膠的影響很小，所以在暗地表區(qū)域可以將衛(wèi)星觀測(cè)的2.1μm附近的波段表觀反射率值近似認(rèn)為是地表反射率值。Kaufman根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到紅波段和藍(lán)波段的地表反射率和7波段 （2.1μm）表觀反射率具有如下數(shù)學(xué)關(guān)系可以利用7波段 （2.1μm）的反射率確定3波段 （0.47μm）和1波段 （0.66μm）通道的暗像元以及暗像元在這2個(gè)通道的地表反射率。

成都平原地區(qū)氣候濕潤(rùn)，土壤濕度較大，植被覆蓋率高，暗目標(biāo)比較容易選取，所以選用目前較為成熟的暗像元法借助6S輻射傳輸模型進(jìn)行反演。

1.3 反演流程

借助6S輻射傳輸模型，采用暗像元方法反演的具體步驟如下：①通過(guò)ENVI軟件在對(duì)MODIS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行去蝴蝶結(jié)、幾何糾正、配準(zhǔn)等一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理；②從MOD02 1km影像數(shù)據(jù)上獲取用于反演的1波段 （0.66μm）、3波段 （0.47μm）、7波段 （2.1μm）的表觀反射率ρ＊，合成ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件；從MOD03上獲取目標(biāo)地區(qū)的經(jīng)緯度、海拔高度、衛(wèi)星天頂角和方位角、太陽(yáng)天頂角和方位角幾何路徑參數(shù)合并成ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件。對(duì)處理過(guò)的MOD02和MOD03數(shù)據(jù)文件分別選擇感興趣區(qū)域，并將所需要的元數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式輸出；③利用7波段的表觀反射率，通過(guò)暗像元法選取暗像元ρ＊≤0.06，并用暗像元法計(jì)算出1波段和3波段的地表反射率；④根據(jù)成都平原的實(shí)際情況確定6S所需的大氣模式參數(shù)、氣溶膠模式參數(shù)；⑤對(duì)所選取的暗像元借助6S模型，分別利用1、3波段表觀反射率計(jì)算氣溶膠光學(xué)厚度；⑥取1、3波段計(jì)算出的光學(xué)厚度的平均值來(lái)確定最終的氣溶膠光學(xué)厚度，并成圖輸出。

2 反演結(jié)果與分析

2.1 成都平原地區(qū)氣溶膠分布

對(duì)成都平原2009年8月到2010年5月的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行反演，得到1km光學(xué)厚度等值線圖，如圖1～圖4所示。

通過(guò)分析圖1～圖4，可以看出成都平原氣溶膠大致的分布規(guī)律如下：①空間分布。成都平原地區(qū)出現(xiàn)較大的光學(xué)厚度值的分布區(qū)域主要集中在成都、綿陽(yáng)、樂(lè)山、自貢、資陽(yáng)等這些人口集中、城市化水平較高的城市及其周邊地區(qū)，這表明氣溶膠與人類(lèi)的活動(dòng)密切相關(guān)。②時(shí)間分布。成都平原氣溶膠光學(xué)厚度較大值主要出現(xiàn)在春季、夏季和冬季，這與成都平原地區(qū)的氣候緊密關(guān)系。成都平原地區(qū)春季和冬季天氣較干，夏季高溫，特別是冬季和春季靜風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)，空氣流動(dòng)慢，容易出現(xiàn)大霧、浮沉等天氣，都不利于大氣中懸浮物和污染物的擴(kuò)散。秋季雖然光學(xué)厚度值較低，但是秋季是收獲的季節(jié)，農(nóng)民焚燒作物秸稈，農(nóng)作物收割裸露土地增多，會(huì)大幅度增加大氣中氣溶膠的數(shù)量，所以秋季9月份城市周邊地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值要大于城市地區(qū)。

2.2 成都地區(qū)氣溶膠變化

圖1 2009年9月22號(hào)1km光學(xué)厚度等值線圖

圖2 2009年12月24號(hào)1km光學(xué)厚度等值線圖

圖3 2010年3月17號(hào)1km光學(xué)厚度等值線圖

圖4 2010年5月4號(hào)1km光學(xué)厚度等值線圖

成都地區(qū)反演的氣溶膠光學(xué)厚度值如表1所示。由表1可以看出，成都地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度值10月份較小，2月、3月最大，這和成都地理環(huán)境和氣候有一定關(guān)系，但整體變化不大，說(shuō)明成都地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度主要受人為因素影響。成都地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染可能是導(dǎo)致成都地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度值偏大的原因。

表1 成都地區(qū)反演的氣溶膠光學(xué)厚度表

3 結(jié) 語(yǔ)

借助6S輻射傳輸模型，利用遙感技術(shù)與遙感數(shù)據(jù)能夠很好的反演出氣溶膠光學(xué)厚度，為成都平原環(huán)境治理與監(jiān)控提供依據(jù)。由于成都平原地區(qū)地形復(fù)雜，很難對(duì)地面進(jìn)行大面積和連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而利用遙感技術(shù)可以獲取大面積區(qū)域地表和大氣的綜合信息。因此，借助6S輻射傳輸模型，利用遙感技術(shù)與遙感數(shù)據(jù)能夠很好的反演出氣溶膠光學(xué)厚度，實(shí)時(shí)分析區(qū)域氣溶膠動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，更加精確地實(shí)現(xiàn)環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為成都平原環(huán)境監(jiān)控和治理提供參考依據(jù)。

[1]韓永.大氣氣溶膠物理光學(xué)特性研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報(bào)，2008，57（11）：33-35.

[2]劉玉潔，楊忠東.MODIS遙感信息處理原理與算法[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[3]王新強(qiáng)，楊世植，朱永豪，等.基于6S模型從MODIS圖像反演陸地上空大氣氣溶膠光學(xué)厚度[J].量子電子學(xué)報(bào)，2003，20（5）：629-634.

[4]唐杰.利用MODIS資料反演蘭州地區(qū)不同季節(jié)AOD的研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2006.