论文部分内容阅读
随着近年来我国城市化与工业化的快速迅猛发展,生态环境问题日益突出,其中大气污染问题尤为显著。PM2.5“爆表”、灰霾等极端大气污染事件日益频发,其影响范围之广、持续时间之长、污染浓度之高,引发国内国际社会广泛关注。卫星遥感由于具有获取成本低、重访周期短、覆盖范围广等技术特点,是监测大气污染主要参数时空分布及其动态变化的重要技术手段。虽然MODIS、MISR、VIIRS、TOMS等卫星传感器均提供全球气溶胶产品,但是全球气溶胶产品空间分辨率往往不高(从数公里到数十公里),作用地表类型有限,反演算法缺乏区域优化和验证,并且在灰霾等极端天气条件下反演效率比较低下。以上诸多因素使得现有全球气溶胶产品在区域尺度大气环境应用研究中受到较大限制。中国于2013年4月成功发射的高分一号卫星,搭载有4台宽视场多光谱相机,可提供从可见光到近红外四个波段的多光谱影像数据,具备16米空间分辨率和4天的重访周期,是高分辨率气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)反演的理想数据源。本论文主要围绕高分一号卫星传感器数据气溶胶光学厚度反演算法及其产品应用展开相关研究工作,论文中取得的主要成果体现在如下几个方面:(1)针对GF-1WFV传感器数据的高分辨率气溶胶光学厚度反演算法区域气溶胶类型确定和地表反射率估计是气溶胶光学厚度遥感反演的两大关键问题。本论文通过对2008-2012年武汉地区CE-318太阳光度计气溶胶观测数据进行统计分析,确定区域气溶胶类型;通过采用时空同步的MODISAOD产品辅助进行晴空清洁日GF-1 WFV影像的筛选和背景气溶胶校正,然后利用最小反射率技术对清洁日GF-1 WFV影像按季节进行合成,最后构建得到武汉地区高空间分辨率地表反射率库。获取得到区域气溶胶类型和地表反射率库后,结合6S大气辐射传输模型所生成的查找表,实现了 GF-1 WFV数据气溶胶光学厚度反演。GF-1 WFV AOD反演结果具有160米空间分辨率和最高4天的时间分辨率,无云条件下可实现武汉地区所有陆地表面类型的AOD反演,并一定程度上具备在灰霾天气条件下反演AOD的能力。GF-1 WFV AOD反演结果与MODIS AOD产品相比,相关系数R2达到0.66,均方根误差RMSE为0.27;与地面站点观测数据相比,R2达到0.8,RMSE为0.25。验证结果表明,GF-1 WFV AOD反演算法具备较好的稳定性以及较高的精度。(2)基于GF-1 WFV A0D数据武汉地区AOD时空分布规律分析利用2013-2016年武汉地区所有GF-1 WFV AOD反演结果(共计157景影像),对该地区AOD时空分布规律进行了相关分析。针对本地性和输移性气溶胶的不同时空分布特征,提出了本地气溶胶光学厚度(Local Aerosol Optical Depth,LAOD)的概念,用于表征本地人为活动导致的气溶胶负载量。利用LAOD分析了武汉地区人为气溶胶排放的年度和季度时空分布特征。从年度上来看,武汉地区LAOD最高的年份为2013和2015年,LAOD区域平均值分别为0.42和0.40;2016年LAOD最低,平均值约为0.32。从季度上来看,冬季LAOD值最高,区域平均值达到0.37;其次为秋季和春季,LAOD区域平均值分别为0.29和0.28;夏季LAOD最低(0.23)。LAOD季节变化规律与地面站点PM2.5统计结果保持一致。利用LAOD进一步对武汉市大气污染热点区域进行了识别分析,武汉中心市区和近郊工业园区LAOD区域平均值超过武汉地区整体平均值24%以上,是武汉地区大气污染的重要来源。此外,根据城市地区LAOD显著高于周边其它类型区域的现象,提出了城市气溶胶效应的概念(类似于热岛效应),用于表征城市人为活动对区域大气污染的贡献,并以城区和周边其他类型区域LAOD的差值来表征城市气溶胶效应强度。城市气溶胶效应强度从2013到2016年呈现逐年下降的趋势(-0.009 year-1,P<0.05),与年度 PM2.5 浓度变化趋势一致(-9.89μg/m3 year-1,P<0.01)。(3)武汉地区高分辨率PM2.5空间分布遥感估算利用2013-2016年武汉GF-1 WWFV AOD数据与地面PM2.5监测站点数据,根据PM2.5-AOD关系随时间变化的特点构建了对应的线性混合模型。该模型的预测精度较高,相关系数R2达到0.939,均方根误差RMSE为14.0,平均相对误差MRE为11.7%。研究中加入了气温、相对湿度、降雨量、风速等气象要素数据参与建模,发现气象要素对模型精度提高帮助不大;同时考虑了站点效应对模型的影响,发现考虑站点效应的模型预测值与实测值R2达到0.95,相比模型预测精度有小幅度提升。对模型进行了站点交叉验证和十折交叉验证,交叉验证结果相比模型预测结果精度有所下降,但是下降幅度较小,表明所构建的模型具备一定的稳定性。研究最后基于所构建的线性混合模型对武汉地区PM2.5进行了遥感反演,得到160米分辨率PM2.5空间分布结果,进一步对不同大气污染条件下PM2.5空间分布特征进行了分析,并统计分析了 2013-2016年武汉地区平均PM2.5空间分布状况。