论文部分内容阅读
摘要 通过收集MODIS/Terra中Collection6数据集做分析，探讨三门峡市气溶胶在不同时间阶段、季节情况及空间区域中的光学厚度（AOD），分析三门峡市气溶胶光学厚度的时空变化特征。结果表明：（1）2001—2020年三门峡市年均值整体以每年0.003 3的速率增加，最大峰值出现在2011年（1.01）;以2011年为界，2001—2011年呈显著增长趋势，2012—2020年呈显著下降趋势。AOD季节均值夏季的最大，春季的次之，冬季的最小。（2）2001—2020年三门峡市。夏季均值波动较大，春季均值与年均值趋势基本一致。年均值和季均值与对应时间尺度的降水量有负相关关系。工业产值占GDP比重与NOD年均值呈正相关关系。（3）2001—2020年三门峡市AOD年均值空间分布呈现北高南低、东高西低的特征，高值区主要分布在渑池县、义马区西北部。春、夏和秋季的均值空间分布形态基本与年均值的分布一致，冬季的高值区集中在三门峡市东南部。
关键词 MODIS数据;三门峡市;气溶胶;气溶胶时空分布
中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）01–0049–02
MODIS即中分辨率成像光谱仪。遥感影像的三个特点：空间分辨率，时间分辨率，光谱分辨率。一般通过这三个参数来了解不同传感器影像，进而判断它的使用领域。其中，空间分辨率：250 m、500 m、1 000 m，适用于中尺度、大尺度研究，即省级、全国、全球[1];时间分辨率：1 d，最高昼夜波谱分辨率，36个波段可免费下载，需要预先搭梯子注册相应的账号，数据产品丰富，经过相应的预处理，进行简单的操作就可以使用（相对于其他数据，预处理会占用大量精力）。此外，更新频率快，波段多，对于研究长时间序列的数据，是最佳的数据产品。适宜领域包括气溶胶、大气标准产品、植被动态变、MOD13（植被指数）、MOD15（叶面积指数）、MOD17（植被绿量）、温度变化、海洋变化、MOD19（色素浓度）、MOD20（叶绿素荧光）、MOD21（叶绿素浓度）等[2]。
气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。根据其形成来源的不同，颗粒大小相差巨大，通常在0.01～100 μm。被风吹起的土壤微粒，海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的孢子花粉、矿物燃料的燃烧物质、车辆排出的废气等等，都属于气溶胶[3]。三门峡市位于豫晋陕三省交界，北靠黄河，在秋冬季节很容易因为各种颗粒混入空气而形成气溶胶，影响人们的身体健康。
气溶胶的特性：（1）具有胶体性质，越小的颗粒，空气的黏性作用就越明显;（2）气溶胶质点有相当大的比表面积和表面能;（3）布朗运动非常剧烈，当微粒小时具有扩散性质;当微粒大时，沉降显著。粒径1 μm的气溶胶，也就是1 mm的千分之一大小，肉眼是不可見的。但是气溶胶颗粒可散射或吸收太阳光，因此，只要颗粒足够大，就可以被肉眼看到。这也是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因[4]。大气中气溶胶的消除，主要靠降水、小粒子间的碰聚、凝聚、聚合和沉降的过程。为研究三门峡市气溶胶时空变化特征，利用MODIS数据，分析了不同时段、空间的气溶胶的分布状况，希望有利于加强气溶胶治理。
1 材料与方法
1.1 研究领域
三门峡市（33°31′24″N～35°05′48″N、
110°21′42″E～112°01′24″E），管辖陕州区、渑池县、卢氏县、灵宝市、义马市、湖滨区，主要为山地丘陵、盆地地形。位于其中最著名的是三门峡大坝这一横跨黄河的重要水利工程。三门峡位于黄河中游，豫陕晋三省的交界处，黄河从壶口南下行至潼关，然后以神奇的角度拐向东北，在130 km处流经三门峡。三门峡两岸夹水，壁立千仞，怪石嶙峋，十分险要。在水中陡然立着六个巨大的石岛，人称人门岛，神门岛，鬼门岛，张公岛，砥柱山，梳妆台，合称“三门六山”。对三门峡市辖区内的气溶胶厚度分布进行研究，有利于管理污染状况。
1.2 数据介绍
通过MODIS进行数据收集、下载和分析，并对其进行低质量数据筛查及解译分析。拿到的MODIS数据，多数人认为只有空值的区域，数据才会异常。然而事实并非如此，往往MODIS产品某个像元处，只有当所有输入的反演参数都为异常值时，这个像元才会被设置为空值。而部分反演参数有异常值时，MODIS会有一个对应的质量控制文件，对应位置的值会反映该位置处的产品值的质量。以地表温度产品MOD11A2为例，质量控制QC文件以二进制形式进行编码编写在HDF文件的一个数据集中。每一个产品像元对应一个质量控制图层的像元。每个质量控制像元包含一个8位的整型数值，需要将其转化位二进制数值，才能进行解译。
1.3 研究方法
通过最小二乘法计算拟合方程研究其光学厚度在不同时间的回归斜率，并运用滑动平均法、M—K趋势检验法来验证研究准确性。
滑动平均法的计算公式为：。
2 结果
2.1 三门峡市气溶胶光学厚度的综合变化情况
由气溶胶光学厚度季节平均值的计算结果得知，三门峡市气溶胶光学厚度夏季的（1.00）最大，春季的（0.98）次之，冬季的（0.28）最小，与河南省的气溶胶光学厚度季节变化一致。较大的3个峰值出现在2007年（1.18）、2012年（1.48）和2014年（1.14）。
2.2 三门峡市气溶胶光学厚度的季节变化
春季的气溶胶光学厚度都在0.7以上，呈现三峰的特征：第一个峰值出现在2001年（1.05），第二个峰值岀现在2006年（1.43），第三个峰值出现在2012年（1.15）。3个峰值对应年份的季节平均降水量距平值基本为负，表明降水对气溶胶具有清洗和净化作用，可以在一定程度上降低气溶胶光学厚度。2012—2020年春季气溶胶光学厚度呈现下降趋势，与年均值变化趋势一致。三门峡市春季平均风速为24.9 m/s，大于其他三个季节，较大的风速使道路和施工工地产生更多的扬尘，从而增加气溶胶光学厚度。 夏季的气溶胶光学厚度波动剧烈，较大的3个峰值出现在2007年（1.18）、2012年（1.48）和2014年（1.14）。三门峡市夏季降雨最多，季节平均降雨量为353.4 mm，降雨量波动最大，2001—2020年三门峡市夏季季节平均降雨量在124.2～520.7 mm波动。雨水一方面对气溶胶有冲刷作用，另一方面也会导致空气湿度升高，吸湿性的气溶胶粒子散射效率也会提高，从而使气溶胶光学厚度增大。
冬季的气溶胶光学厚度较小，这显然与多雾霾的冬季空气质量不符。这是由于暗像元算法是基于下垫面为浓密植被等在可见光波段反射率极低的区域建立起来的，三门峡市区域内存在许多落叶植被使该区域冬季的反演效果变差，并且大规模的雾霾也会影响气溶胶光学厚度的反演，因此冬季的有效数据较少，从而导致冬季的气溶胶光学厚度的平均结果代表性差。
3 讨论
利用MODIS数据，通过滑动平均等方法，在时间更新频率上相配合，实时观测了三门峡市气溶胶时空特点。可以看出，位于黄河三门峡重要波段的三门峡市气溶胶，在时间分布上，均值整体以每年0.003 3的速率增加，最大峰值出现在2011年（1.01），随后呈显著下降趋势。气溶胶夏季均值波动较大，春季均值与年均值趋势基本一致。在空间分布上，三门峡市AOD年均值空间分布呈现北高南低、东高西低的特征，高值区主要分布在渑池縣、义马区西北部，有较大的实用价值。
参考文献
[1] 魏亚瑞.基于MODIS数据中国典型积雪区黑碳和雪粒径遥感反演及时空变化研究[D].兰州：兰州交通大学，2020.
[2] TANG ZG，WANG XR，DENG G，et al.Spatiotemporal variation of snowline altitude at the end of melting season across High Mountain Asia， using MODIS snow cover product[J].Advances in Space Research，2020（11）：2629-2645.
[3] 蒋超.基于MODIS和地面监测的粤港澳大湾区PM_2.5浓度时空分异特征[D].广州：广州大学，2020.
[4] 邓刚，唐志光，李朝奎，等.基于MODIS时序数据的湖南省水稻种植面积提取及时空变化分析[J].国土资源遥感，2020（2）： 177-185.
责任编辑：黄艳飞
Analysis of the characte-ristics of aerosol temporal and spatial changes in Sanmenxia City based on MODIS data
Li Qing （Sanmenxia Ecological Environment Monitoring Center of Henan Province， ??Sanmenxia， Henan 472000）
Abstract Based on the lightning location data， the occurrence time， intensity and area of positive ground lightning in Yulin area of Shaanxi Province were analyzed. The results showed that the positive ground lightning accounted for 9.01% of the total lightning in Yulin area， and the annual average proportion was 8.68%. The frequency of positive ground flash was higher from June to August， accounting for 67.54% of the annual positive ground flash frequency， while the frequency was lower from March to April and October to November， accounting for 15.07% of the annual positive ground flash frequency. The diurnal variation of positive， negative and total lightning is similar， and the variation curve is approximately single valley and double peak type. The diurnal distribution of positive ground flash mainly concentrated in the main peak period of the high occurrence period， and the proportion of positive ground flash was large in the period of the low total flash frequency. The frequency distribution curves of each range of positive lightning current intensity in each year are roughly the same， and the current intensity is mainly distributed in the range of 11～30 kA. When the current intensity is less than 50 kA， the positive flash frequency increases with the current intensity， and when the current intensity is less than 50 kA， the positive flash frequency decreases with the current intensity. The annual mean value of positive lightning current intensity in Fugu area is the highest， reaching 109.92 kA. Positive ground flash mainly occurred in Jingbian， Hengshan， Shenmu and Yulin counties， accounting for 55.90% of the average annual frequency of positive ground flash. The maximum frequency was 207 times in Shenmu county. The lowest frequency was found in Wubao County， with an average annual frequency of 28.
Key words MODIS data; Sanmenxia City; aerosol; aerosol temporal and spatial distribution
关键词 MODIS数据;三门峡市;气溶胶;气溶胶时空分布
中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）01–0049–02
MODIS即中分辨率成像光谱仪。遥感影像的三个特点：空间分辨率，时间分辨率，光谱分辨率。一般通过这三个参数来了解不同传感器影像，进而判断它的使用领域。其中，空间分辨率：250 m、500 m、1 000 m，适用于中尺度、大尺度研究，即省级、全国、全球[1];时间分辨率：1 d，最高昼夜波谱分辨率，36个波段可免费下载，需要预先搭梯子注册相应的账号，数据产品丰富，经过相应的预处理，进行简单的操作就可以使用（相对于其他数据，预处理会占用大量精力）。此外，更新频率快，波段多，对于研究长时间序列的数据，是最佳的数据产品。适宜领域包括气溶胶、大气标准产品、植被动态变、MOD13（植被指数）、MOD15（叶面积指数）、MOD17（植被绿量）、温度变化、海洋变化、MOD19（色素浓度）、MOD20（叶绿素荧光）、MOD21（叶绿素浓度）等[2]。
气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。根据其形成来源的不同，颗粒大小相差巨大，通常在0.01～100 μm。被风吹起的土壤微粒，海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的孢子花粉、矿物燃料的燃烧物质、车辆排出的废气等等，都属于气溶胶[3]。三门峡市位于豫晋陕三省交界，北靠黄河，在秋冬季节很容易因为各种颗粒混入空气而形成气溶胶，影响人们的身体健康。
气溶胶的特性：（1）具有胶体性质，越小的颗粒，空气的黏性作用就越明显;（2）气溶胶质点有相当大的比表面积和表面能;（3）布朗运动非常剧烈，当微粒小时具有扩散性质;当微粒大时，沉降显著。粒径1 μm的气溶胶，也就是1 mm的千分之一大小，肉眼是不可見的。但是气溶胶颗粒可散射或吸收太阳光，因此，只要颗粒足够大，就可以被肉眼看到。这也是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因[4]。大气中气溶胶的消除，主要靠降水、小粒子间的碰聚、凝聚、聚合和沉降的过程。为研究三门峡市气溶胶时空变化特征，利用MODIS数据，分析了不同时段、空间的气溶胶的分布状况，希望有利于加强气溶胶治理。
1 材料与方法
1.1 研究领域
三门峡市（33°31′24″N～35°05′48″N、
110°21′42″E～112°01′24″E），管辖陕州区、渑池县、卢氏县、灵宝市、义马市、湖滨区，主要为山地丘陵、盆地地形。位于其中最著名的是三门峡大坝这一横跨黄河的重要水利工程。三门峡位于黄河中游，豫陕晋三省的交界处，黄河从壶口南下行至潼关，然后以神奇的角度拐向东北，在130 km处流经三门峡。三门峡两岸夹水，壁立千仞，怪石嶙峋，十分险要。在水中陡然立着六个巨大的石岛，人称人门岛，神门岛，鬼门岛，张公岛，砥柱山，梳妆台，合称“三门六山”。对三门峡市辖区内的气溶胶厚度分布进行研究，有利于管理污染状况。
1.2 数据介绍
通过MODIS进行数据收集、下载和分析，并对其进行低质量数据筛查及解译分析。拿到的MODIS数据，多数人认为只有空值的区域，数据才会异常。然而事实并非如此，往往MODIS产品某个像元处，只有当所有输入的反演参数都为异常值时，这个像元才会被设置为空值。而部分反演参数有异常值时，MODIS会有一个对应的质量控制文件，对应位置的值会反映该位置处的产品值的质量。以地表温度产品MOD11A2为例，质量控制QC文件以二进制形式进行编码编写在HDF文件的一个数据集中。每一个产品像元对应一个质量控制图层的像元。每个质量控制像元包含一个8位的整型数值，需要将其转化位二进制数值，才能进行解译。
1.3 研究方法
通过最小二乘法计算拟合方程研究其光学厚度在不同时间的回归斜率，并运用滑动平均法、M—K趋势检验法来验证研究准确性。
滑动平均法的计算公式为：。
2 结果
2.1 三门峡市气溶胶光学厚度的综合变化情况
由气溶胶光学厚度季节平均值的计算结果得知，三门峡市气溶胶光学厚度夏季的（1.00）最大，春季的（0.98）次之，冬季的（0.28）最小，与河南省的气溶胶光学厚度季节变化一致。较大的3个峰值出现在2007年（1.18）、2012年（1.48）和2014年（1.14）。
2.2 三门峡市气溶胶光学厚度的季节变化
春季的气溶胶光学厚度都在0.7以上，呈现三峰的特征：第一个峰值出现在2001年（1.05），第二个峰值岀现在2006年（1.43），第三个峰值出现在2012年（1.15）。3个峰值对应年份的季节平均降水量距平值基本为负，表明降水对气溶胶具有清洗和净化作用，可以在一定程度上降低气溶胶光学厚度。2012—2020年春季气溶胶光学厚度呈现下降趋势，与年均值变化趋势一致。三门峡市春季平均风速为24.9 m/s，大于其他三个季节，较大的风速使道路和施工工地产生更多的扬尘，从而增加气溶胶光学厚度。 夏季的气溶胶光学厚度波动剧烈，较大的3个峰值出现在2007年（1.18）、2012年（1.48）和2014年（1.14）。三门峡市夏季降雨最多，季节平均降雨量为353.4 mm，降雨量波动最大，2001—2020年三门峡市夏季季节平均降雨量在124.2～520.7 mm波动。雨水一方面对气溶胶有冲刷作用，另一方面也会导致空气湿度升高，吸湿性的气溶胶粒子散射效率也会提高，从而使气溶胶光学厚度增大。
冬季的气溶胶光学厚度较小，这显然与多雾霾的冬季空气质量不符。这是由于暗像元算法是基于下垫面为浓密植被等在可见光波段反射率极低的区域建立起来的，三门峡市区域内存在许多落叶植被使该区域冬季的反演效果变差，并且大规模的雾霾也会影响气溶胶光学厚度的反演，因此冬季的有效数据较少，从而导致冬季的气溶胶光学厚度的平均结果代表性差。
3 讨论
利用MODIS数据，通过滑动平均等方法，在时间更新频率上相配合，实时观测了三门峡市气溶胶时空特点。可以看出，位于黄河三门峡重要波段的三门峡市气溶胶，在时间分布上，均值整体以每年0.003 3的速率增加，最大峰值出现在2011年（1.01），随后呈显著下降趋势。气溶胶夏季均值波动较大，春季均值与年均值趋势基本一致。在空间分布上，三门峡市AOD年均值空间分布呈现北高南低、东高西低的特征，高值区主要分布在渑池縣、义马区西北部，有较大的实用价值。
参考文献
[1] 魏亚瑞.基于MODIS数据中国典型积雪区黑碳和雪粒径遥感反演及时空变化研究[D].兰州：兰州交通大学，2020.
[2] TANG ZG，WANG XR，DENG G，et al.Spatiotemporal variation of snowline altitude at the end of melting season across High Mountain Asia， using MODIS snow cover product[J].Advances in Space Research，2020（11）：2629-2645.
[3] 蒋超.基于MODIS和地面监测的粤港澳大湾区PM_2.5浓度时空分异特征[D].广州：广州大学，2020.
[4] 邓刚，唐志光，李朝奎，等.基于MODIS时序数据的湖南省水稻种植面积提取及时空变化分析[J].国土资源遥感，2020（2）： 177-185.
责任编辑：黄艳飞
Analysis of the characte-ristics of aerosol temporal and spatial changes in Sanmenxia City based on MODIS data
Li Qing （Sanmenxia Ecological Environment Monitoring Center of Henan Province， ??Sanmenxia， Henan 472000）
Abstract Based on the lightning location data， the occurrence time， intensity and area of positive ground lightning in Yulin area of Shaanxi Province were analyzed. The results showed that the positive ground lightning accounted for 9.01% of the total lightning in Yulin area， and the annual average proportion was 8.68%. The frequency of positive ground flash was higher from June to August， accounting for 67.54% of the annual positive ground flash frequency， while the frequency was lower from March to April and October to November， accounting for 15.07% of the annual positive ground flash frequency. The diurnal variation of positive， negative and total lightning is similar， and the variation curve is approximately single valley and double peak type. The diurnal distribution of positive ground flash mainly concentrated in the main peak period of the high occurrence period， and the proportion of positive ground flash was large in the period of the low total flash frequency. The frequency distribution curves of each range of positive lightning current intensity in each year are roughly the same， and the current intensity is mainly distributed in the range of 11～30 kA. When the current intensity is less than 50 kA， the positive flash frequency increases with the current intensity， and when the current intensity is less than 50 kA， the positive flash frequency decreases with the current intensity. The annual mean value of positive lightning current intensity in Fugu area is the highest， reaching 109.92 kA. Positive ground flash mainly occurred in Jingbian， Hengshan， Shenmu and Yulin counties， accounting for 55.90% of the average annual frequency of positive ground flash. The maximum frequency was 207 times in Shenmu county. The lowest frequency was found in Wubao County， with an average annual frequency of 28.
Key words MODIS data; Sanmenxia City; aerosol; aerosol temporal and spatial distribution