HJ 1264-2022 卫星遥感细颗粒物（PM2.5）监测技术指南

中华人民共和国国家生态环境标准HJ1264—2022卫星遥感细颗粒物（PM2.5）监测技术指南Technicalguidelineforfineparticulatematter(PM2.5)monitoringbasedonsatelliteremotesensing本电子版为正式标准文本，由生态环境部环境标准研究所审校排版。2022-07-14发布2023-01-15实施生态环境部发布HJ1264—2022i目次前言.................................................................................................................................................................ii1适用范围........................................................................................................................................................12规范性文件....................................................................................................................................................13术语和定义....................................................................................................................................................14总则................................................................................................................................................................25监测方法........................................................................................................................................................46结果验证........................................................................................................................................................57质量控制........................................................................................................................................................6附录A（资料性附录）PM2.5浓度地理加权回归计算方法.........................................................................7HJ1264—2022ii前言为贯彻《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国大气污染防治法》，防治生态环境污染，改善生态环境质量，规范和指导卫星遥感细颗粒物监测工作，制定本标准。本标准规定了卫星遥感细颗粒物监测的方法、结果验证、质量控制等内容。本标准的附录A为资料性附录。本标准为首次发布。本标准由生态环境部生态环境监测司、法规与标准司组织制订。本标准主要起草单位：生态环境部卫星环境应用中心、江苏省扬州环境监测中心。本标准生态环境部2022年7月14日批准。本标准自2023年1月15日起实施。本标准由生态环境部解释。HJ1264—20221卫星遥感细颗粒物（PM2.5）监测技术指南1适用范围本标准规定了卫星遥感细颗粒物监测的方法、结果验证、质量控制等内容。本标准适用于陆地区域卫星遥感细颗粒物监测工作，作为地面监测手段的补充，用于掌握大范围细颗粒物空间分布规律及变化趋势。2规范性引用文件本标准引用了下列文件或其中的条款。凡是注明日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标准。凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。HJ93环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）采样器技术要求及检测方法HJ653环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统技术要求及检测方法HJ655环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统安装和验收技术规范HJ817环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统运行和质控技术规范3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1气溶胶光学厚度aerosolopticaldepth（AOD）从地面到大气层顶垂直路径中整层气溶胶消光系数的总和，量纲为1。3.2像元PM2.5浓度pixelPM2.5concentration卫星观测1个像元范围内的近地面大气细颗粒物平均质量浓度，计量单位为μg/m3。3.3行星边界层高度planetaryboundarylayerheight（PBLH）行星边界层也称摩擦层或大气边界层，是对流层的最下层，一般自地面到1km～2km高度；行星边界层高度是指从地面到行星边界层顶的高度，表示污染物在垂直方向能被热力湍流所扩散的范围。3.4地理加权回归geographicallyweightedregression（GWR）一种用回归原理研究具有空间（或区域）分布特征的两个或多个变量之间数量关系的方法，在数据处理时考虑局部特征作为权重。HJ1264—202224总则4.1监测原理根据PM2.5质量浓度与AOD、吸湿增长因子、密度、半径、消光效率因子及行星边界层高度等因素的转化关系计算PM2.5质量浓度。PM2.5质量浓度按公式（1）计算：M(PM2.5)=43×𝜌×rQ×AODPBLH×f(RH)（1）式中：M(PM2.5)——PM2.5质量浓度，μg/m3；4/3——球形粒子体积计算常数，量纲为1；ρ——PM2.5平均密度，μg/m3；r——PM2.5粒子有效半径，m；Q——PM2.5粒子平均消光效率因子，量纲为1；AOD——气溶胶光学厚度，量纲为1；PBLH——行星边界层高度，m；RH——环境空气相对湿度，%；f(RH)——气溶胶消光吸湿增长因子，量纲为1。气溶胶消光吸湿增长因子按公式（2）计算：f(RH)=(1-RH/100)-g（2）式中：f(RH)——气溶胶消光吸湿增长因子，量纲为1；1——常数，量纲为1；RH——环境空气相对湿度，%；100——同温度和气压下的饱和绝对湿度，量纲为1；g——经验拟合系数，与气溶胶成分有关，一般可以取为1。将公式（1）取自然对数变换为PM2.5质量浓度的多元线性回归关系式，见公式（3）：ln(M(PM2.5))=β0+β1ln(AOD)+β2ln(HPBL)+β3ln(1-RH/100)（3）式中：ln——自然对数运算；β0、β1、β2、β3——方程回归系数；M(PM2.5)——PM2.5质量浓度，μg/m3；AOD——气溶胶光学厚度，量纲为1；PBLH——行星边界层高度，m；RH——环境空气相对湿度，%；100——同温度和气压下的饱和绝对湿度，量纲为1。公式（3）中参数β0、β1、β2、β3代表研究区域内的平均值，考虑到回归系数随空间位置的变化特征，将公式（3）进一步扩展为卫星遥感监测PM2.5质量浓度的随空间回归模型，见公式（4）：ln(M(PM2.5(ui,vi)))=β0(ui,vi)+β1(ui,vi)ln(AOD)+β2(ui,vi)ln(HPBL)+β3(ui,vi)ln(1-RH/100)（4）式中：ln——自然对数运算；M(PM2.5)——PM2.5质量浓度，μg/m3；ui——第i个（𝑖=1,2,⋯,n）训练样本的地理横坐标，量纲为1；HJ1264—20223vi——第𝑖个（i=1,2,⋯,n）训练样本的地理纵坐标，量纲为1；β0、β1、β2、β3——随不同空间位置变化的方程回归系数；AOD——气溶胶光学厚度，量纲为1；PBLH——行星边界层高度，m；RH——环境空气相对湿度，%；100——同温度和气压下的饱和绝对湿度，量纲为1。根据公式（4），采用地理加权回归方法结合PM2.5质量浓度地面监测样本数据，即可计算像元PM2.5浓度。4.2输入数据选择本标准所用输入数据包括多光谱卫星遥感数据、气象参数及地面监测数据。其中，多光谱卫星遥感数据的波段应包括0.47μm附近和0.66μm附近的可见光波段、0.86μm附近的近红外波段、2.1μm附近的短波红外波段和12μm附近的远红外波段；气象参数包括行星边界层高度、环境空气相对湿度两个数据；地面监测数据包括监测点位的PM2.5质量浓度小时均值及相应的地理坐标。4.3监测内容陆地区域PM2.5质量浓度及分布。4.4监测流程根据卫星遥感数据源的特点，综合利用暗目标算法、深蓝算法等反演方法，从卫星遥感光谱数据中获取区域AOD结果；同时，从气象模式资料中提取出气溶胶垂直订正和湿度订正所需要的行星边界层高度和相对湿度数据，结合地面监测资料，采用地理加权回归方法逐像元计算PM2.5质量浓度，获取陆地区域PM2.5质量浓度分布结果。陆地区域PM2.5质量浓度卫星遥感监测的一般流程如图1所示：数据匹配边界层高度、相对湿度回归系数获取地面PM2.5监测数据气溶胶光学厚度反演气象模式资料卫星遥感数据像元PM2.5浓度计算区域PM2.5浓度输出图1陆地区域PM2.5质量浓度卫星遥感监测流程图HJ1264—202245监测方法5.1AOD遥感反演利用卫星遥感数据，采用暗目标法和深蓝算法反演获取目标区域无云陆地像元的AOD，卫星遥感反演流程如下：像元判别暗目标算法深蓝算法区域气溶胶光学厚度结果暗像元亮像元查找表卫星遥感数据遥感数据预处理地表反射率库查找表图2卫星遥感反演AOD流程图开展AOD遥感反演，主要包括以下七个步骤：a）查找表。利用辐射传输模型结合卫星传感器可见光和近红外波段的光谱响应函数构建查找表；b）地表反射率库。利用历史地表反射率数据（如MOD09）合成先验地表反射率库，用于亮像元AOD遥感反演；c）遥感数据预处理。对卫星遥感数据进行质量检查、辐射定标及几何校正，然后计算可见光、近红外和短波红外波段的表观反射率及远红外波段的亮度温度，并进行云、水体像元识别去除，提取目标区域无云陆地像元；d）像元判别。根据卫星探测的短波红外波段（2.1μm附近）表观反射率，将无云陆地像元分为暗像元和亮像元两类；e）暗像元AOD计算。针对暗像元，采用暗目标算法结合查找表进行AOD反演计算；f）亮像元AOD计算。针对亮像元，采用深蓝算法结合地表反射率库及查找表进行AOD反演计算；g）区域AOD输出。将暗像元AOD和亮像元AOD合并输出为全区域AOD结果。PM2.5卫星遥感监测工作中，如无条件开展AOD遥感反演工作，也可采用官方发布的MOD04、HJ1264—20225MCD19A2等AOD数据产品作为卫星遥感细颗粒物计算模型的输入参数。5.2气象资料提取从气象模式（如全球气象预报模式（GlobalForecastSystem，GFS）和中尺度天气预报模式（WeatherResearchandForecasting，WRF））等资料中提取出区域行星边