大气中悬浮的直径在0.001~100 μm的固体小颗粒、液滴以及有机物等众多物质共同构成的稳定混合物都被称作大气气溶胶。大气气溶胶由众多复杂物质构成，同时这些物质又来源于不同的地方，也是构成陆地-大气-海洋系统的一个非常重要的部分 [ 1 ] [ 2 ] 。悬浮在大气中的气溶胶粒子直径很小，尽管如此，由大量小颗粒悬浮物质组成的气溶胶对于太阳辐射以及环境的影响却很大 [ 3 ] 。在IPCC第四次评估报告当中重点指出过气溶胶研究具有重大意义 [ 4 ] ，基于气溶胶组成物质多样来源复杂等原因，当前对于气溶胶理化性质及其时空分布特征的研究还不够充分，不能很好地掌握气溶胶的变化规律从而导致气溶胶分析预测成为难点，气溶胶本身的复杂性以及不确定性增加了大气环境变化研究的难度。气溶胶对全球陆地气系统以及气候变化的影响主要体现为直接和间接的强迫辐射效应。直接辐射强迫效应主要基于气溶胶本身的物理性质直接地影响到太阳辐射的传播情况，减少到达对流层及地面的辐射量。单位体积中的云粒子数量会因此增多，最终导致了整个全球地气系统中的短波及长波辐射全部受到影响 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ；气溶胶的直接强迫辐射的相关研究仍然存在一定的困难。大气气溶胶的组成及光学特性导致在各种类型的气溶胶分类当中很难确定人为因素及自然因素所占比例，特别是对于灰碳性气溶胶的构成方面进一步研究进行的很缓慢。气溶胶对于全球气候系统的间接辐射强迫主要是指，气溶胶中的颗粒会有一部分称为云凝结核从而间接地改变云的理化性质，在大气运动过程当中，气溶胶对于云凝结核以及云辐射直接的复杂情况也产生了重要影响 [ 8 ] ；直接强迫辐射以及间接强迫辐射本身的复杂性经过学者们的许多研究仍然没有得到满意的结果，因此，在这个方向的研究也是了解气溶胶与大气环境及气候变化的重点。

中国区域的气溶胶时空分布的研究区域主要都是经济发达或者经济发展迅速的城市，对于远离海洋、经济发展相对来说较为缓慢的中国西北地区的气溶胶时空分布研究不多。国家对于西北地区经济发展一直都很重视，大力扶持西北地区经济发展的同时也很关注经济发展带来的各种环境问题。“十三五”规划提出深入实施西部大开发，并且在经济迅速发展的同时也要不断强化生态环境保护，通过培育城市群的发展带动西部经济发展。工业发展带动经济的发展，同时也带来了例如能见度下降、可吸入悬浮颗粒等许多环境问题，严重影响到了人们的生活及健康。因此，在发展经济的同时也必须注重环境的保护。在本次前期的资料及文献的相关阅读中，发现西北地区大气悬浮颗粒物监测站点数量较少，地面监测数据时间上不连续。由于气溶胶研究较少涉及到西北地区，因此有必要利用遥感技术研究西北地区AOD的时空分布特征，这有利于西北地区经济和环境的可持续发展。

遥感检测领域之中越来越多的运用到了AOD反演技术通过反演获得AOD产品对于研究十分的方便，气溶胶对辐射的散射及吸收作用会减弱辐射强度甚至是改变辐射的基本性质。对气溶胶进行反演其实就是测量辐射的变化情况。将地球表面假设为伯朗面，卫星观测的反射率为：

ρ ∗ = ρ α + ρ 1 − ρ ⋅ s ⋅ ( θ s ) ( θ v ) (2.1)

在此公式之中 ρ α 为大气中悬浮着的气溶胶在大气层中的大气分子的反射率，后面一项则用来表示气溶胶与大气和地表共同的反射率， ρ 为地表反射率，S为大气球面反照率，T( θ s )，T( θ v )上下层大气透过率， θ s 为太阳天顶角、 θ v 为卫星天顶角进行气溶胶反演之前一定要首先确定气溶胶的类型以及地表反射率数据在反演过程之中必不可少，本研究当中提到的反演方法主要就是暗像元法又被称为浓密植被法，其原理是植被密集区域的影响之下，传感器接收地表反射率会受到一定的影响特别是在是在可见光蓝(0.459~0.479 μm)、红(0.620~0.670 μm)两个波段，Kaufinan等 [ 14 ] 经过大量研究表示暗像元法的关键在于首先应该获得蓝波波段、红波波段长出的地表反射率以及在2.2微米出的短波红外的地表反射率的系数；当NDVI > 0.2，红波与短波红外的系数为0.550，其关系式为：

ρ 470   nm = 0.32 ρ 2100   nm (2.2)

蓝波与短波红外波长的系数为0.320，其关系式如下

ρ 660   nm = 0.55 ρ 2100   nm (2.3)

地面红波段和蓝波段的反射率与短波红外的反射率的关系分别为

ρ B = ρ 2.1 4

ρ R = ρ 2.1 2

通过红蓝波段与短波红外反射率的关系可以推测出气溶胶类型。基于大陆气溶胶查表(LUTs)反演，以红波与蓝波通道系数的比值为基础，确定气溶胶类型是否为粉尘；non-sand尘埃的类型、地理分布的方法被用来确定硫酸气溶胶类型，生物燃烧或其他混合类型，然后是AOD的红色和蓝色波段气溶胶模型修正达到陆地气溶胶光学厚度的反演。

通过红蓝波段与短波红外反射率的关系可以推测出气溶胶类型。基于大陆气溶胶查表(LUTs)反演，以红波与蓝波通道系数的比值为基础，确定气溶胶类型是否为粉尘；non-sand尘埃的类型、地理分布的方法被用来确定硫酸气溶胶类型，生物燃烧或其他混合类型，然后是AOD的红色和蓝色波段气溶胶模型修正达到陆地气溶胶光学厚度的反演。

本章反演使用到的方法为暗像元法也叫暗目标法。气溶胶的影响是气候模拟中最大的不确定性来源之一。气溶胶在空间上的时间不同，可能导致云微物理的变化，从而影响云的辐射特性和气候。将暗目标(DT)气溶胶检索算法应用于多光谱卫星传感器数据，并推导出气溶胶特性，包括陆地和海洋上的气溶胶光学厚度(AOD)，以及海洋上的光谱AOD和气溶胶尺寸参数。DT检索产品用于开发全球和区域气溶胶气候学，研究气溶胶与云的相互作用，以及空气质量评估和预报。

DT算法已经应用于MODIS传感器的数据，从1999年的Terra卫星开始，然后是2001年的Aqua。实际上有两个独立且不同的“暗目标” (DT)算法。第一个用于检索海洋上的气溶胶信息(可见和较长波长的黑暗)，第二个用于植被/黑暗污染的土地。自Terra推出以来，这些算法不断完善和改进。更新的算法定期应用于原始数据以生成新的数据产品集合。

尽管最初开发用于MODIS传感器，但这些算法可应用于任何测量反射率的传感器，该传感器测量覆盖可见光(VIS)，近红外(NIR)和短波红外(SWIR)的适当波段。目前，DT检索算法正被移植到其他传感器上，包括SUOMI-NPP上的VIIRS，AHI，EPIC以及通常在ER2上飞行的机载传感器eMAS，并将在不久的将来应用于ABI (GOES-R-16)。

利用MODIS L1B数据反演气溶胶的流程如图1。

1) MODIS数据使用MODISL1B 1KM (MOD021KM)数据。操作应严格按照说明书进行，需要注意的地方主要是数据分辨率为1 KM，数据合成时反射率在上，发射率在下部。

2) 在对于乌鲁木齐市的气溶胶反演过程当中，主要就是使用ENVI5.1对MOD02数据进行辐射校正、几何校正、角度校正后将经过辐射校正和反射校正后的影像数据进行合成，将角度数据校正完合成之后还要经过BAND MATH工具处理，最后将经过云处理插件处理的影像数据、查找表和角度数据载入气溶胶反演工具当中，就可得到反演结果。

3) mod02气溶胶数据反演过程当中使用到的反演算法是经典的暗像元法也被称为浓密植被法。

4) 气溶胶反演工具中需要的查询表是从网上找到的适用于处理冬季影像数据其主要原理就是通过IDL调用6S大气辐射传输模型。另外还用到了两个ENVI插件，modis Aersol inversion和modis cloud。

2016年乌鲁木齐市空气质量问题还很严重，虽然不断的施行环境保护方面的措施，空气质量情况良好的时间占全年仅有百分之六十左右。全年大气污染主要由颗粒物引起。PM2.5是污染的主要原因。冬季空气质量污染最为严重，且优良率仅为4.88%。这主要是因为与冬季其他季节相比，乌鲁木齐的气候及地理特征都不利于污染物的扩散。整个城市呈现出由北向南递增的格局。乌鲁木齐市山谷风盛行白天风速明显大于夜间，因此，水塔山可以阻断污染物向南方的传播和扩散。市中心很高，周围很低，除自然来源外主要是由于燃烧燃料和大气颗粒物污染物来自城市汽车尾气。

反演结果如图2所示。乌鲁木齐AOD在城市高于农村整体分布，高值区主要集中在乌鲁木齐市天山区，沙区，水磨沟区，头屯河，米东区的市中心位置，达坂城区，乌鲁木齐市郊区位置低AOD区域，从郊区到市中心AOD的增长加快。AOD的高值区域是局部聚集现象，主要集中在天山区和沙依巴克区的市区。大气悬浮的各种污染物不易扩散，在此地区AOD的不断积累促进了城市AOD的增长。

图1. 反演流程图

图2. 反演结果