城市大气气溶胶遥感监测的原理、方法和应用

大气气溶胶是指悬浮在大气中固态、液态微粒与气态载体共同组成的多相体系，粒子具有一定的稳定性且沉降速度较小，其空气动力学直径范围为10－3～102μm。在一般的大气研究中，气溶胶常代指大气颗粒物，其中PM2.5(空气动力学直径小于等于2.5μm)和PM10(空气动力学直径小于10μm)均为大气气溶胶的一部分。气溶胶来源广且较为复杂，主要来源于自然因素和人为因素两方面。其中，自然因素主要由火山喷发、沙尘暴，土壤和岩石等风化，森林和草原火灾，海洋上的浪花碎末进入大气，活的陆地生物和海洋植物等方面生成；人为因素主要由工业生产，交通运输，石油和煤炭燃烧，土地利用和土地覆盖变化，森林砍伐和沙漠化等人类活动导致。气溶胶主要集中分布在对流层，是低层大气的重要组成部分，同时平流层也有少量气溶胶，气溶胶随时间、空间及天气条件的变化而不断变化。

大气气溶胶对全球生态环境和气候变化具有重要的影响和意义。气溶胶是地球-大气系统的重要组成部分，能够散射和吸收太阳辐射能量，导致直接的辐射强迫，使得到达地表的辐射能量与返回到传感器的辐射能量产生差异，这种称为直接辐射胁迫。大气气溶胶通过吸收太阳辐射能量，削弱了到达地面的总辐射，导致空气温度升高；同时还能吸收地面的辐射能量，降低空气温度。气溶胶的散射和吸收太阳辐射能量，能够导致明显的升温或降温效应，对当地的生态环境和气候变化造成明显的影响。同时，大气中的气溶胶粒子能够通过改变云层的微物理特性，间接影响云辐射特性。空气气溶胶浓度增加，能够产生数量较多、体积较小的云滴，从而增加大气中云层反照率，影响辐射传输平衡，引起间接辐射胁迫。气溶胶还能够增加液态水含量和云的生命周期，气溶胶粒子作为大气中的水汽发生凝结时的凝结核，对云、雾和降水等都具有重要的意义。再者，气溶胶粒子还能够间接影响大气中的各种化学反应，能够通过改变臭氧、一氧化氮等气体分子的含量而影响气候。

同时，气溶胶粒子能够进入人体组织，严重危害人体健康。近年来，随着我国经济和城市化进程快速发展和不断加快，生物质燃烧、城市生活造成的污染物排放，空气中产生了大量的气溶胶，导致城市大气污染问题日益突出。有研究表明，大气颗粒物已成为影响我国城市空气质量的首要污染物，大气颗粒物实质上是大气气溶胶的一部分。不同粒径的气溶胶颗粒对人体造成的危害不同，一般来说气溶胶的粒径越小，对人体的危害程度越大。粒子直径在15μm以下的颗粒物可以留在人体的面部鼻腔和咽部，直径小于10μm的颗粒物能够达到人体呼吸系统的支气管区，而直径小于2.5μm的颗粒物能够直接进入人体肺泡，对人体造成严重危害，同时这些微粒在空气中的聚集还会导致大气能见度下降，严重影响城市交通和居民生活等。

综上所述，尽管大气中气溶胶含量相对较少，但它在大气中的影响却不容忽视。大气气溶胶对太阳辐射的吸收和散射，直接影响大气辐射平衡，不仅对局部或全球的生态环境、气候变化产生重要影响，而且能够直接危害人体健康。因此，充分了解气溶胶粒子对气候和空气质量的影响具有重要的现实意义，需要对气溶胶及其光学特性反演进行深入研究。近年来，随着遥感卫星技术的不断发展，大面积、大范围尺度的气溶胶动态实时监测得以逐步实现，卫星遥感大气气溶胶的反演研究不断开展，气溶胶的精确反演不但能够为当地环保部门生态环境保护和空气污染防治提供前期的数据基础，而且对于维持生态系统平衡、区域可持续发展和全球气候变化研究等方面具有重要的理论和现实意义。

卫星遥感技术探测气溶胶信息拥有覆盖范围广、获取信息便利、经济等特点，已经发展成为一个重要的前沿性科学技术，且正在获得长足的进展。近30年来，随着全球各国众多多角度、多光谱以及多偏振类型的传感器不断发射升空，在卫星遥感探测气溶胶信息方面已取得了许多研究成果，发展了多种大气气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)遥感反演算法。各种各样的AOD反演产品不断涌现，利用不同传感器数据获取AOD信息的算法也多种多样。(www.xing528.com)

大气质量遥感监测的基本原理是，通过卫星遥感影像反演大气气溶胶光学厚度，然后建立大气污染物与气溶胶光学厚度的统计关系，从而估算出大气污染物的浓度和分布。因此，反演大气气溶胶光学厚度是大气质量遥感监测的前提，其反演精度直接影响估算大气质量的精度。

国际上从20世纪70年代中期开始了卫星遥感气溶胶的理论研究，针对当时已有的卫星数据研究取得了相当大的研究进展。70年代以来，AVHRR是使用最为广泛的卫星数据，1997年人们开始将海洋区域气溶胶光学厚度反演的理论研究成果应用在AVHRR的可见光通道(0.63μm)上。当时采用的是单通道法，该方法受气溶胶光谱分布不稳定的影响，反演结果很难保证，后来发展到双通道法。

为实现对我国生态破坏、环境污染进行大范围、全天时、全天候的动态监测，我国于1998年开始了“环境与灾害监测预报小卫星星座系统”建设。环境卫星发射后，利用环境卫星对气溶胶光学厚度反演的研究开始逐渐增多。

目前PM2.5的监测方法主要包括地面监测和卫星遥感监测两种。地面监测虽然结果精确，但由于成本较高，且地面监测站数量少，导致监测结果时空不连续，无法获得足够多的数据来研究整个区域PM2.5的扩散方式和传输特性。卫星遥感监测具有数据获取方便、监测范围广等优势，能很好地弥补地面监测的不足。现有的PM2.5监测反演方法都是先反演大气气溶胶光学厚度，再对气溶胶光学厚度AOD与地面实测PM2.5的关系进行统计分析，用统计得到的关系推算无地面监测点区域的PM2.5值。在“AOD与PM2.5具有良好的、稳定的统计关系”的基本假设下，国内外很多学者用此方法进行了大量的研究。因此，现有大量研究都集中在提高AOD反演精度上，如引入各种订正、加入更多辅助数据、结合数值预报模式等，也在特定研究区域内取得了比较好的结果。目前在空气污染研究领域应用最为广泛的AOD产品是MODIS的AOD产品。