2009-2011年华北地区气溶胶光学厚度与PM2.5浓度的经验关系外文翻译资料

 2022-04-28 22:52:15

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2009-2011年华北地区气溶胶光学厚度与PM2.5浓度的经验关系

JinyuanXin，QingZhang，LiliWang，ChongshuiGong，YuesiWang，ZiruiLiu，WenkangGao

摘要

卫星观测在估计地表颗粒物浓度方面表现出很好的前景。因此有必要研究PM2.5浓度与气溶胶光学厚度（AOD）之间的关系，以提高卫星遥感的精度，特别是在高气溶胶排放的华北地区。2009-2011年华北地区PM2.5年均浓度为33plusmn;10mu;g/m3，而AOD在550 nm处的年平均值为0.23plusmn;0.10，该地区PM2.5浓度与AOD之间存在高度相关性。日均PM2.5浓度(y)与地面观测到的AOD(x)和MODIS AOD(x)的线性回归函数分别为y = 96.98x 6.61(Rsup2; = 0.58）和y = 100.10x 12.13(Rsup2; = 0.57)，每月PM2.5浓度(y)与地面观测到的AOD(x)和MODIS AOD(x)的线性回归函数分别为y = 91.66x 12.60(Rsup2; = 0.75）和y = 79.33x 16.33(Rsup2; = 0.75）。此外，结果还显示了不同季节的线性回归函数的斜率和截距的显著差异。仅仅使用任何单一功能来利用AOD检索PM2.5浓度时会产生较大的误差。

关键字：PM2.5；气溶胶光学厚度(AOD)；MODIS；线性回归函数

引言

气溶胶是悬浮在空气中的小固体和液体颗粒，颗粒的空气动力学直径在到10之间。气溶胶对大气能见度，地球大气系统的辐射预算，云形成过程，降水和人类健康具有重要影响(IPCC, 2007; Kaufman et al., 2002; Brunekreef and Holgate, 2002; Pope et al., 1995)。气溶胶光学深度(AOD)可以定义为由于气溶胶在大气中存在而引起的光束功率的削弱程度，并且因此被用作气溶胶柱浓度的量度。AOD通常随着精细含量最多的气溶胶颗粒波长的增加而降低。AOD已被用于估计地表上观察到的空气动力学直径等于或小于2.5和10的颗粒浓度(分别为PM2.5和PM10)。许多研究人员已经观察到，AOD与地表上观察到的PM2.5和PM10浓度具有强烈的正相关关系(Chu et al., 2002; Chu, 2006; Engel-Cox et al., 2004; Gupta et al., 2006; Mukai et al., 2006; Schaap et al., 2009; Hoff and Christopher, 2009)。此外，利用卫星遥感似乎很有希望以低成本估算大面积PM2.5和PM10浓度。(Hutchison, 2003; Chu et al., 2003; Chu, 2006; Al-Saadi et al., 2005; Koelemeijer et al., 2006; Peacute;reacute; et al., 2009; Yap et al., 2011). 尽管如此，PM2.5，PM10和AOD之间的关系通常在各个地区表现出显着差异，并且局限于局部适用性，因为气溶胶化学成分和光学性质在空间和时间上是不均匀的。(Kumar et al., 2007; Koelemeijer et al., 2006; Ramachandran, 2005; Liu et al., 2007a,b; Hand et al., 2004; Wang and Christopher, 2003; Chu et al., 2003; Corbin et al., 2002; Guo et al., 2009; Zhang et al., 2009) 。因此研究不同地区的关系，这对于改善利用卫星遥感数据来检索表面上颗粒物质的浓度有十分重要的作用。

华北地区（北纬32°至42°;东经110°至120°E）包括北京和天津的直辖市，河北和山西两省以及内蒙古地区，一直是中国和东亚的主要经济区。过去几十年来，随着社会和经济的快速发展，该地区的空气质量和气候发生了巨大的变化(Streets et al., 2008; Itahashi et al., 2011; Xin et al., 2011; Zhao et al., 2012) 气溶胶对区域气候变化和空气质量的影响已成为该地区的热门话题(Li et al., 2007; Liu et al., 2007a,b; Xia et al., 2007; Xin et al., 2007; Lu et al., 2010)。从地面监测站和空间卫星连续监测观测数据例如AOD，PM2.5和PM10，对研究区域气溶胶的气候和环境影响很重要。PM2.5，PM10和AOD之间的经验关系将使得地表和卫星历史数据的同化和归一化成为可能。但是，这些关系在中国不同地区很少见，并且具有不确定性，因此基于卫星遥感估算PM2.5或PM10浓度的误差非常大。因此需要调查这些关系以促进卫星遥感的准确性，特别是在中国的高气溶胶排放地区。本文描述了利用连续的两年的数据（AOD和PM2.5）来研究华北地区PM2.5和AOD之间的关系。第2节章提供了关于观测站的地理信息和本研究中使用的数据的描述。第3章中介绍了结果和讨论，第4章是本文的总结。

第二章 观察站点和数据

图1显示了北京森林站的地理位置。该站点（39.97°N，115.43°E，海拔1130米）隶属于中国生态系统研究网（CERN）。(http://www.cern.ac.cn:8080/index.jsp) 和位于东岭山（属于燕山，太行山）的暖温带森林生态系统的中国地区太阳分光观测网络（CSHNET）。该站点位于华北地区最好的区域，具有典型的温带半湿润季风气候。(Xin et al., 2007, 2011; Wang et al., 2011)。观测数据为2009年9月1日至2011年9月30日的数据。

该站配备了Thermo Scientific的TEOM RP1400-PM2.5仪器和美国林业局的太阳雾度计。TEOM RP1400-PM2.5的分辨率为0.1，精度为plusmn;1.5（1小时平均值）和plusmn;0.5（24小时平均值），最小可检测限0.06（1小时平均值）。每两周更换一次过滤器，每个月监测和校准流量。请注意，众所周知标准TEOM会使得测到的周围PM浓度减低，这是由于来自微量天平的半挥发性组分蒸发造成的该微量天平的温度高于环境温度(Grover et al., 2005, 2006)。污染标准是指2006年世界卫生组织，该标准将成为2016年全国实施的中国新PM2.5标准，24小时PM2.5标准IT.1为75，IT2为50，每年的PM2.5浓度标准IT.1为35，，在IT时为25。

图1北京森林站地理位置（北纬39.97度，东经115.43度，海拔1130米）

太阳黑度计是美国林业局的便携式太阳光度计，它配备有四个光谱通道，可测量405 nm，500 nm，650 nm和880 nm的直接太阳辐射(Hao et al., 2005; Xin et al., 2007)。在880nm处的半峰全宽（FWHM）约为30nm，而在其他波长处约为5nm。每个通道的视场大约为2.5°。该仪器使用Beer-Lambert-Bouguer定律测量太阳辐射以获得气溶胶光学深度（AOD）。从当地时间上午10点开始到下午2点，可以进行20次以上的测量，具体取决于执行测量所需的天空条件。对三种波长（405 nm，500 nm和650 nm）的AOD采用对数线性曲线拟合算法估计Angstrom指数（alpha;）（Xin et al。，2006,2007），这是一个与气溶胶尺寸分布有关的基本参数。一般来说，alpha;值从0.0到2.0不等，alpha;值越小，气溶胶粒径越大(Dubovik et al., 2002; Kim et al., 2004)。在Terra和Aqua MODIS传感器（Jethva et al。，2007）中使用了空间分辨率为10times;10 km像素阵列的C005 2级MODIS气溶胶产品。在本文中，所用数据为地面站50公里范围内550nm波长的MODIS AOD产品的平均值（包括至少5个像素）(Ichoku et al., 2002)。

第三章 结果与

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