美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)在1999年将地球观测系统(Earth Observing System, EOS)泰拉(Terra) AM卫星送入地球轨道，并于2002年将另外一颗地球观测系统水(Aqua) PM卫星送入太空。这两颗卫星都装备有中分辨率成像光谱(MODIS)，用以研究全球气候和人为活动的影响。该传感器具有36个波段，涵盖可见到红外的范围。每隔1至2天，就可获得一次地表观测资料，目的是为了广泛的采集全球陆、海及大气的资料，例如云覆盖的变化、地球能量辐射的变化，以及海洋和陆地表面的基础物理参量等。MODIS可提供可见光–近红外波段的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)数据，对应的气溶胶颗粒尺寸在0.1~2 μm之间，与PM_2.5的粒度分布基本一致，且两者之间存在较好的统计关系 [ 7 ] 。

在MODIS AOD的基础上，Alexei Lyapustin等进一步提出了大气校正的多角度实现(Multiangle implementation of atmospheric correction, MAIAC)算法。利用时序分析技术对大气中的气溶胶特征和双向反射系数进行反演，使AOD成像的分辨率提高到1公里 [ 8 ] [ 9 ] ，为建立高分辨率的PM_2.5浓度预报模式奠定了基础 [ 10 ] 。然而，由于卫星资料的不确定性，导致PM_2.5浓度预报的精度下降 [ 11 ] [ 12 ] ，故采用内插方法对其进行了平滑 [ 13 ] 。但是，平滑处理会人为地减少PM_2.5的空间变异。Xiao等提出了多插补卫星AOD数据的多插补(MI)方法，通过分析大气气溶胶的光学厚度与云量、气象学条件之间的关系以及它们本身的空间和空间分布的连续性，建立了一种基于AOD的线性回归模型 [ 14 ] 。该方法在高精度卫星PM_2.5模型的建立中得到了很好的应用 [ 14 ] [ 15 ] 。

China High PM_2.5是覆盖中国地区的长期、全覆盖、高分辨率、高质量的大气污染物数据之一。该系统采用了MODIS/Terra + Aqua MAIAC AOD产品，并结合其它辅助资料，如地基测量，卫星遥感，大气再分析和模式仿真等，利用机器学习算法生成连续全覆盖的PM_2.5数据。

PM_2.5数据来源为中国北京师范大学博士生韦晶发布中国高分辨率高质量空气污染数据集，选用中国东部地区2000~2020年的MODIS PM_2.5产品，空间分辨率为1 km，PM_2.5浓度数据年估算与地面实测结果具有较高的相关性(R²= 0.94)，均方根误差(RMSE)为5.07 μg/m³，平均绝对误差(MAE)为6.71 μg/m³，平均值误差(MRE)为21.37%。

辅助数据包括：基础GIS资料、工业产值情况和人口分布资料。基础GIS资料采用中国高清地图；工业产值数据来源为浙江省以及浙江省内各市的统计局；人口分布情况数据采用第五、六、七次人口普查数据，数据来源为国家统计局。

PM_2.5原始数据为NetCDF格式，须首先将其转为ArcGIS的栅格数据格式，以便后续处理分析。NetCDF格式是遥感领域中常见的一种图像格式，其文件主要由定义维数(dimensions)、定义变量(variables)、变量(attributes)、数据(data)四部分组成，文件中的数据以数组形式存储。本文使用的PM_2.5的数据为二维数组。TIFF格式文件是标签图像文件格式，其文件主要由文件头(IFH)、文件目录(IFD)、目录项(TAG)、图像数据四部分组成，文件中的数据以字节形式存储。NetCDF格式转TIFF格式在ArcGIS有直接转换的工具，可以使用模拟器对文件进行批量转换格式。利用重投影工具对TIFF格式文件进行投影。将转换后的栅格数据利用掩膜操作分别提取浙江省与温州市(下称研究区) 2000~2020年逐年的PM_2.5浓度空间分布数据，再采用ArcGIS中的栅格计算器分别计算研究区逐年的PM_2.5统计值(包括专题图的绘制)。

此外，为能够更直观地看出研究区21年间PM_2.5浓度年均值的变化趋势，使用Mann-Kendall (MK)检验分析研究区的PM_2.5浓度年均值，并绘制了研究区PM_2.5的变化趋势图。MK检验可以综合已知的全部数据来判断突变年限、检验时间序列的变化趋势，此方法的功能强大，不需要样本遵循一定的分布，即使部分数据缺失也不会影响最终的结果，不受少数异常数值的干扰，在实际使用中的适用性较强 [ 16 ] 。

对于一个时间序列X_t= (x₁, x₂,…, x_n)，MK趋势检验的统计量S计算公式如下：

S k = ∑ i = 1 n − 1 ∑ k = i + 1 n sgn ( X k − X i ) (1)

由式(1)易知，统计量 S k 是第i时刻数值大于第j时刻数值的个数的累计数，且S₁= 0。如果S_k是一个正数，那么后一部分的观测值相比之前的观测值会趋向于变大；如果S_k是一个负数，那么后一部分的观测值相比之前的观测值会趋向于变小。

其中，sgn为检验函数：

确定所有 n ( n − 1 ) 2 个X_k− X_i的差值函数 sgn ( θ ) ( n > k > i ≥ 1 )

sgn ( θ ) = { 1 , θ > 0 0 , θ = 0 − 1 , θ < 0 (2)

然后计算S_k的方差Var并定义统计量UF，UF可由式(3)计算得出：

U F k = { S k − 1 V a r , S k > 0 0 , S k = 0 S k + 1 V a r , S k < 0 k = 1 , 2 , ⋯ , n (3)

其中UF₁= 0，UF含义为时间序列X_t的顺行变化趋势，且服从标准正态分布，给定显著性水平α = 0.05，则置信区间 U α = ± 1.96 。如果 | U F k | > | U α | ，则否定无趋势的零假设，表明序列存在明显的趋势变化。将序列X_t反转并再次使用以上方法，则可以得出另一统计量UB，UB含义为时间序列X_t的逆行变化趋势，UF与UB的交点即为时间序列X_t的趋势突变点。

浙江省地处中国东南沿海、长江三角洲南翼，属季风性湿润气候，自然条件较优越。地跨北纬27˚02'~31˚11'，东经118˚01'~123˚10'。东临东海，南接福建，西与江西、安徽相连，北与上海、江苏接壤。浙江东西和南北的直线距离均为450公里左右，陆域面积10.55万平方公里，是中国面积较小的省份之一。其地理位置、工业产值情况、人口分布情况如图1所示。

图1. 浙江省地理位置、工业产值、人口分布概况

温州市位于浙江省东南部，东濒东海，南与福建省宁德地区的福鼎、柘荣、寿宁三县毗邻，西和丽水地区的缙云、青田、景宁畲族自治县相接，北和东北与台州地区的仙居、黄岩、温岭、玉环四县为界。全境介于北纬27˚03'~28˚36'，东经119˚37'~121˚18'之间，属中亚热带季风气候区，冬夏季风交替显著，温度适中，四季分明，雨量充沛。其地理位置、工业产值情况、人口分布情况如图2所示。

图2. 温州市地理位置、工业产值、人口分布概况

利用2000~2020年浙江省逐年的PM_2.5浓度数据得到该地区21年的PM_2.5浓度累计平均值分级分布图，如图3所示。结果显示，浙江省21年的PM_2.5浓度位于优(24小时PM_2.5平均浓度为0 μg/m³~35 μg/m³)和轻度污染(24小时PM_2.5平均浓度为75 μg/m³~115 μg/m³)之间，PM_2.5浓度总平均为良。高值区主要分布在湖州市北部以及嘉兴市东部。浙江省南部地区(包括丽水市、温州市西部及北部、台州市西部及北部、金华市东部及西南部) PM_2.5平均浓度较低。PM_2.5浓度最大值出现在嘉兴市海盐县东部，PM_2.5浓度平均值为115.44 μg/ m³。

图3. 浙江省21年的PM_2.5浓度累计平均值分级分布

图4. 温州市21年的PM_2.5浓度累计平均值分级分布

利用2000~2020年温州市逐年的PM_2.5浓度数据得到该地区21年的PM_2.5浓度累计平均值分级分布图，如图4所示。结果显示，温州市21年的PM_2.5浓度位于优(24小时PM_2.5平均浓度为0 μg/m³~35 μg/m³)和良(24小时PM_2.5平均浓度为35 μg/m³~75 μg/m³)之间，PM_2.5浓度总平均为良。高值区主要分布在温州市东部及东北部地区(包括乐清市、鹿城区、瓯海区、瑞安市与平阳县的东部)，市内其他地区PM_2.5平均浓度较低。PM_2.5浓度最大值出现在瑞安市东部，PM_2.5浓度平均值为71.53 μg/m³。

由图5可知浙江省2000~2020年的PM_2.5浓度年均值分布。2000年，PM_2.5浓度高值区主要为浙江省北部以及东南部。2001年PM_2.5浓度高值区向南部扩散。2002年浙江省西南部PM_2.5浓度对比上一年有所减少。2003~2012年，浙江省内PM_2.5浓度总体上升，嘉兴市、湖州市的大部分地区PM_2.5浓度长期位于良与轻度污染之间，其中湖州市北部、嘉兴市东部的PM_2.5浓度位于中度污染。2013年，浙江省南部地区的PM_2.5浓度相较于2012年有所降低，但嘉兴市、湖州市的大部分地区PM_2.5浓度依旧位于轻度污染。2014~2020年，浙江省内PM_2.5浓度逐年下降，2020年浙江省的大部分地区PM_2.5浓度位于优。

图5. 浙江省2000~2020年PM_2.5浓度年均值分级分布

由图6可知温州市2000~2020年的PM_2.5浓度年均值分布。2000年，温州市PM_2.5浓度总体位于优，乐清市以及鹿城区、瓯海区、瑞安市、平阳县PM_2.5浓度位于良。2001年温州市PM_2.5浓度总体位于良，与上一年相比，PM_2.5浓度上升。2002年除乐清市以及鹿城区、瓯海区、瑞安市、平阳县以外，其余地区PM_2.5浓度对比上一年有所减少。2003~2012年，温州市内PM_2.5浓度总体上升，泰顺县、文成县、平阳县的部分地区PM_2.5浓度位于优，其余地区PM_2.5浓度长期位于良。2013~2020年，温州市PM_2.5浓度逐年下降，2020年温州市的全部地区PM_2.5浓度位于优。

图6. 温州市2000~2020年PM_2.5浓度年均值分级分布

图7. 浙江省与温州市2000~2020年PM_2.5浓度年平均值变化

由图7可知，浙江省PM_2.5浓度年平均值介于25.54 μg/m³~58.31 μg/m³，整体上呈现出先上升后下降的趋势。2000~2003年PM_2.5浓度年平均值都高于上一年，在2003年达到第一个高峰值(57.70 μg/m³)；2004~2006年，PM_2.5浓度年平均值逐年下降并于2006年达到第一个低峰值(55.80 μg/m³)；2007年陡然上升(58.05 μg/m³)；2007~2010年PM_2.5浓度年平均值逐年下降并于2010年达到第二个低峰值(54.28 μg/m³)；2011年陡然上升(58.30 μg/m³)；2012~2020年PM_2.5浓度年平均值逐年下降(2019年除外)，从2018年开始浙江省PM_2.5浓度年平均值位于优；2020年达到PM_2.5浓度年平均值最低值(25.54 μg/m³)。

温州市PM_2.5浓度年平均值介于23.07 μg/m³~52.80 μg/m³，整体上呈现出先上升后下降的趋势。2000~2005年PM_2.5浓度年平均值逐年上升(2002年除外)，2002年出现第一个低峰值(45.35 μg/m³)；2006~2011年，温州市PM_2.5浓度年平均值在48.19 μg/m³~52.80 μg/m³范围内变动；2012~2020年PM_2.5浓度年平均值逐年下降(2019年除外)，从2017年开始温州市PM_2.5浓度年平均值位于优；2020年达到PM_2.5浓度年平均值最低值(23.07 μg/m³)。

由MK检验(图8)可知，浙江省PM_2.5浓度年平均值整体均呈现出先升高，再逐渐降低的趋势，在2000~2013年呈现上升趋势，2014~2020年呈现下降趋势，其变化趋势突变点位于2017年。其中2003、2007、2008年浙江省的UF分别达到2.03、1.97、2.08，可以将这几年浙江省的PM_2.5浓度年平均值变化趋势判定显著提升；2018年浙江省的UF为−1.96，且在此之后浙江省每年的UF逐年降低，则可以将浙江省2018年及以后的PM_2.5浓度年平均值变化趋势判定为显著下降。

图8. 浙江省PM_2.5浓度年均值MK趋势分析图

由MK检验(图9)可知，温州市PM_2.5浓度年平均值变化趋势与浙江省的类似，整体均呈现出先升高，再逐渐降低的趋势，在2000~2013年呈现上升趋势，2014~2020年呈现下降趋势，其变化趋势突变点位于2016~2017年之间。温州市在2004~2009年这六年间的UF均大于1.96，可以判定温州市在这六年间的PM_2.5浓度年平均值变化趋势为显著上升；2018年温州市的UF为−2.34，且在此之后温州市每年的UF逐年降低，则可以将温州市2018年及以后的PM_2.5浓度年平均值变化趋势判定为显著下降。

图9. 温州市PM_2.5浓度年均值MK趋势分析图