1 適用范圍

本標準規(guī)定了細顆粒物衛(wèi)星遙感監(jiān)測的方法、結(jié)果驗證、質(zhì)量控制等內(nèi)容。

本標準適用于衛(wèi)星遙感細顆粒物監(jiān)測及其區(qū)域分布規(guī)律分析工作。

2 規(guī)范性文件

本標準內(nèi)容引用了下列文件中的條款。凡是不注日期的引用文件，其新版本適用于本標準。

GB/T 31159-2014 大氣氣溶膠觀測術(shù)語

HJ 653 環(huán)境空氣顆粒物 連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法

3 術(shù)語和定義

3.1

氣溶膠光學(xué)厚度 aerosol optical depth（AOD）

指從地面到大氣層頂垂直路徑中氣溶膠消光系數(shù)的總和，量綱為 1，引自 GB/T 31159-2014。

3.2

象元 PM2.5 濃度 pixel concentration of fine particulate matter

指 1 個衛(wèi)星觀測象元范圍內(nèi)的近地面大氣細顆粒物平均質(zhì)量濃度，計量單位為微克/立方米（μg/m3）。

3.3

邊界層高度 height of the pIanetary boundary layer（HPBL）

指行星邊界層的厚度，表示污染物在垂直方向可以被熱力湍流稀釋的范圍，是用于大氣數(shù)值模式和大氣環(huán)境評價的重要物理參數(shù)之一。

4 總則

4.1 監(jiān)測原理

根據(jù) PM2.5 濃度與氣溶膠光學(xué)厚度、吸濕增長因子、密度、半徑、消光效率因子及大氣邊界層高度等因素的轉(zhuǎn)化關(guān)系計算象元 PM2.5 質(zhì)量濃度，并形成區(qū)域 PM2.5濃度。象元 PM2.5濃度計算公式如下：

式中：

M ——象元 PM2.5 濃度，μg/m3；

ρ——PM2.5平均密度，μg /m3；

r ——PM2.5有效半徑，m；

Q ——PM2.5歸一化消光效率因子；

AOD ——氣溶膠光學(xué)厚度；

HPBL ——邊界層高度，m；

RH ——環(huán)境空氣相對濕度；

f ——氣溶膠消光吸濕增長因子，經(jīng)驗吸濕增長因子公式為：

將公式（1）兩邊同時取自然對數(shù)計算，推廣為 PM2.5的多元線性回歸關(guān)系式：

式中：

β0、β1、β2、β3——方程回歸系數(shù)；

公式（2）為 PM2.5 濃度計算的多元線性回歸模型對數(shù)形式，是一種全局空間回歸模型，關(guān)鍵參數(shù)β0、β1、β2、β3代表研究區(qū)域內(nèi)的平均值，考慮到回歸系數(shù)隨空間位置的變化性，公式（2） 進一步擴展為衛(wèi)星遙感監(jiān)測 PM2.5 濃度的空間變參數(shù)回歸模型：

式中：

β0、β1、β2、β3——隨不同空間位置變化的方程回歸系數(shù)；

ui——第i 個訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

vi——第i 個訓(xùn)練樣本的地理縱坐標；

根據(jù)公式（3），采用地理加權(quán)回歸方法結(jié)合 PM2.5濃度地面監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)，即可計算象元 PM2.5濃度。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇

利用衛(wèi)星傳感器多光譜數(shù)據(jù)結(jié)合氣象參數(shù)及地面監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取區(qū)域PM_{2.5濃度。衛(wèi)星傳感器應(yīng)具有0.47μm附近和0.66μm附近的可見光波段、0.86μm附近的近紅外波段、2.1μm附近的中紅外波段和12μm附近的遠紅外波段；氣象參數(shù)包括邊界層高度、相對濕度兩個要素；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)包括小時PM2.5濃度均值及相應(yīng)監(jiān)測點位的地理坐標。?}

4.3 監(jiān)測內(nèi)容

區(qū)域 PM2.5濃度。

4.4 監(jiān)測處理流程

區(qū)域PM2.5濃度衛(wèi)星遙感監(jiān)測處理的一般流程如圖1所示：

?

圖 1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測 PM2.5 濃度計算流程圖

根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源的特點，綜合利用暗目標、深藍算法等反演方法，從衛(wèi)星遙感光譜數(shù)據(jù)中獲取區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果；同時，從氣象模式模擬資料中提取出氣溶膠垂直訂正和濕度訂正所需要的邊界層高度和相對濕度數(shù)據(jù)，結(jié)合地面監(jiān)測資料，采用地理加權(quán)回歸方法逐象元計算PM2.5濃度，獲取區(qū)域PM2.5濃度分布結(jié)果。

5 監(jiān)測方法

5.1 AOD 遙感反演

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用暗目標法和深藍算法反演獲取目標區(qū)域無云陸地象元的氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)處理流程如下：

圖 2 衛(wèi)星遙感反演氣溶膠光學(xué)厚度技術(shù)流程圖

在衛(wèi)星遙感反演氣溶膠光學(xué)厚度之前，先完成兩項準備工作：

a）利用輻射傳輸模型結(jié)合衛(wèi)星傳感器可見光和近紅外波段的光譜響應(yīng)函數(shù)構(gòu)建查找表；

b）利用歷史地表反射率數(shù)據(jù)（如MOD09）合成構(gòu)建先驗地表反射率庫，用于亮象元氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演。

開展氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演，主要包括以下五個步驟：

a）遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理：對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查、輻射定標及幾何校正，然后計算可見光、近紅外和中紅外波段的表觀反射率及遠紅外波段的亮度溫度，并進行云、水體象元識別，提取目標區(qū)域無云陸地象元；

b）象元判別：根據(jù)衛(wèi)星探測的中紅外波段（2.1μm附近）表觀反射率，將無云陸地象元分為暗象元和亮象元兩類；

c）暗象元氣溶膠光學(xué)厚度反演：針對暗象元，采用暗目標算法結(jié)合查找表進行氣溶膠光學(xué)厚度反演計算；

d）亮象元氣溶膠光學(xué)厚度反演：針對亮象元，采用深藍算法結(jié)合地表反射率庫及查找表進行AOD反演計算；

e）將暗象元氣溶膠光學(xué)厚度和亮象元氣溶膠光學(xué)厚度合并輸出為全區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果。

5.2 氣象資料提取

從天氣預(yù)報模式（如全球氣象預(yù)報模式（GFS）和中尺度天氣預(yù)報模式（WRF）等）模擬的資料中提取出區(qū)域大氣邊界層高度和相對濕度，并按氣溶膠光學(xué)厚度的空間分辨率采用雙線性插值方法進行重采樣。

5.3 數(shù)據(jù)匹配

利用地面監(jiān)測站點的PM2.5濃度數(shù)據(jù)與區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度、氣象資料進行時間和空間上的衛(wèi)星-模式-地面多源數(shù)據(jù)匹配，形成輸入數(shù)據(jù)集。以地面PM2.5濃度監(jiān)測站點的地理坐標為中心位置，根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測時間，考慮大氣氣溶膠移動速度（一般微風(fēng)情況下，氣溶膠移動速度約為3~5m/s）和衛(wèi)星遙感象元鄰近效應(yīng)，選取中心位置周邊15公里范圍和監(jiān)測時間前后各半小時區(qū)間內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度、邊界層高度和相對濕度有效結(jié)果，計算平均值。后形成PM2.5濃度、氣溶膠光學(xué)厚度、邊界層高度和相對濕度輸入數(shù)據(jù)集。

5.4區(qū)域 PM2.5 回歸系數(shù)獲取

根據(jù)監(jiān)測原理形成PM2.5濃度矩陣計算公式如下：

Y=Xβ t（4）

式中：

Y ——因變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；

X ——自變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；

β ——回歸系數(shù)矩陣，構(gòu)建形式見附錄A。