大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称, 粒子的空气动力学直径多在10-3~100 μm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、降水和人类健康有重要影响[1].气溶胶光学厚度(AOD)定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分, 是描述气溶胶对光的削减作用的.对于以细模态为主的气溶胶, AOD通常会随着波长的增加而减小[2].细颗粒物(PM2.5)是指空气动力学当量直径不超过2.5 μm的颗粒物, 对全球气候、大气环境质量和人体健康等有着重要影响[3, 4].目前对PM2.5的监测主要依赖于地面的监测站点, 但由于地面监测站点的数量和空间覆盖范围有限, 因此难以提供丰富的监测数据, 对PM2.5的监测缺乏空间上的延续性.与有限的地基监测相比, 卫星遥感具有空间分辨率高、监测范围广、速度快、成本低和能够长期全天候实时监测的特点, 可以弥补地面监测的不足[5~8].关于卫星遥感获得的AOD数据能够合理反映近地面细颗粒物质量浓度的情况, 很多学者进行了大量针对性的研究, 结果表明, 卫星AOD与地面PM2.5质量浓度有较好的正相关性[9~14].但由于气溶胶的化学成分和光学特性在时间和空间上是不均匀的, 导致卫星AOD和地面PM2.5质量浓度之间的关系存在较大的时空差异[15~18].因此研究不同区域AOD和PM2.5浓度的关系具有重要意义, 这将改善卫星反演近地面细颗粒物质量浓度的方法.
随着城市化和工业化的快速推进, 以煤炭为主的能源结构和以重工业为主的产业结构导致了中国严重的大气污染问题[19].京津冀及周边地区是我国大气污染最严重的区域[20, 21], 自2013年以来, 该地区的PM2.5浓度显著增加, 并导致了严重的大气污染事件, 成为关注度最高的环境污染地区[22~29].连续监测卫星AOD和地面PM2.5浓度对于研究区域气溶胶的气候和环境影响至关重要.AOD和PM2.5之间的经验关系将使卫星和地面观测数据统一化.对于AOD与PM2.5相关性的研究, 所用的卫星AOD资料大多来自中分辨率成像光谱仪(MODIS), 它可以每天对全球进行观测, 并且提供较为准确的数据信息[30].但是传统采用MOD04算法的10 km分辨率MODIS AOD很难预测城市规模的PM2.5浓度[31, 32].近来, 美国国家航天局(NASA)发布了1 km分辨率的气溶胶产品, 该产品提供的AOD采用一种新的多角度大气校正(MAIAC)算法生产[33, 34], 这为研究AOD与PM2.5质量浓度的相关性特征提供了更精细的资料.