隨著近年來我國城市化與工業(yè)化的快速迅猛發(fā)展,生態(tài)環(huán)境問題日益突出,其中大氣污染問題尤為顯著。PM2.5“爆表”、灰霾等極端大氣污染事件日益頻發(fā),其影響范圍之廣、持續(xù)時間之長、污染濃度之高,引發(fā)國內(nèi)國際社會廣泛關注。衛(wèi)星遙感由于具有獲取成本低、重訪周期短、覆蓋范圍廣等技術特點,是監(jiān)測大氣污染主要參數(shù)時空分布及其動態(tài)變化的重要技術手段。雖然MODIS、MISR、VIIRS、TOMS等衛(wèi)星傳感器均提供全球氣溶膠產(chǎn)品,但是全球氣溶膠產(chǎn)品空間分辨率往往不高(從數(shù)公里到數(shù)十公里),作用地表類型有限,反演算法缺乏區(qū)域優(yōu)化和驗證,并且在灰霾等極端天氣條件下反演效率比較低下。以上諸多因素使得現(xiàn)有全球氣溶膠產(chǎn)品在區(qū)域尺度大氣環(huán)境應用研究中受到較大限制。中國于2013年4月成功發(fā)射的高分一號衛(wèi)星,搭載有4臺寬視場多光譜相機,可提供從可見光到近紅外四個波段的多光譜影像數(shù)據(jù),具備16米空間分辨率和4天的重訪周期,是高分辨率氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)反演的理想數(shù)據(jù)源。本論文主要圍繞高分一號衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)氣溶膠光學厚度反演算法及其產(chǎn)品應用展開相關研究工作,論文中取得的主要成果體現(xiàn)在如下幾個方面:(1)針對GF-1WFV傳感器數(shù)據(jù)的高分辨率氣溶膠光學厚度反演算法區(qū)域氣溶膠類型確定和地表反射率估計是氣溶膠光學厚度遙感反演的兩大關鍵問題。本論文通過對2008-2012年武漢地區(qū)CE-318太陽光度計氣溶膠觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,確定區(qū)域氣溶膠類型;通過采用時空同步的MODISAOD產(chǎn)品輔助進行晴空清潔日GF-1 WFV影像的篩選和背景氣溶膠校正,然后利用最小反射率技術對清潔日GF-1 WFV影像按季節(jié)進行合成,最后構(gòu)建得到武漢地區(qū)高空間分辨率地表反射率庫。獲取得到區(qū)域氣溶膠類型和地表反射率庫后,結(jié)合6S大氣輻射傳輸模型所生成的查找表,實現(xiàn)了 GF-1 WFV數(shù)據(jù)氣溶膠光學厚度反演。GF-1 WFV AOD反演結(jié)果具有160米空間分辨率和最高4天的時間分辨率,無云條件下可實現(xiàn)武漢地區(qū)所有陸地表面類型的AOD反演,并一定程度上具備在灰霾天氣條件下反演AOD的能力。GF-1 WFV AOD反演結(jié)果與MODIS AOD產(chǎn)品相比,相關系數(shù)R2達到0.66,均方根誤差RMSE為0.27;與地面站點觀測數(shù)據(jù)相比,R2達到0.8,RMSE為0.25。驗證結(jié)果表明,GF-1 WFV AOD反演算法具備較好的穩(wěn)定性以及較高的精度。(2)基于GF-1 WFV A0D數(shù)據(jù)武漢地區(qū)AOD時空分布規(guī)律分析利用2013-2016年武漢地區(qū)所有GF-1 WFV AOD反演結(jié)果(共計157景影像),對該地區(qū)AOD時空分布規(guī)律進行了相關分析。針對本地性和輸移性氣溶膠的不同時空分布特征,提出了本地氣溶膠光學厚度(Local Aerosol Optical Depth,LAOD)的概念,用于表征本地人為活動導致的氣溶膠負載量。利用LAOD分析了武漢地區(qū)人為氣溶膠排放的年度和季度時空分布特征。從年度上來看,武漢地區(qū)LAOD最高的年份為2013和2015年,LAOD區(qū)域平均值分別為0.42和0.40;2016年LAOD最低,平均值約為0.32。從季度上來看,冬季LAOD值最高,區(qū)域平均值達到0.37;其次為秋季和春季,LAOD區(qū)域平均值分別為0.29和0.28;夏季LAOD最低(0.23)。LAOD季節(jié)變化規(guī)律與地面站點PM2.5統(tǒng)計結(jié)果保持一致。利用LAOD進一步對武漢市大氣污染熱點區(qū)域進行了識別分析,武漢中心市區(qū)和近郊工業(yè)園區(qū)LAOD區(qū)域平均值超過武漢地區(qū)整體平均值24%以上,是武漢地區(qū)大氣污染的重要來源。此外,根據(jù)城市地區(qū)LAOD顯著高于周邊其它類型區(qū)域的現(xiàn)象,提出了城市氣溶膠效應的概念(類似于熱島效應),用于表征城市人為活動對區(qū)域大氣污染的貢獻,并以城區(qū)和周邊其他類型區(qū)域LAOD的差值來表征城市氣溶膠效應強度。城市氣溶膠效應強度從2013到2016年呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(-0.009 year-1,P0.05),與年度 PM2.5 濃度變化趨勢一致(-9.89μg/m3 year-1,P0.01)。(3)武漢地區(qū)高分辨率PM2.5空間分布遙感估算利用2013-2016年武漢GF-1 WWFV AOD數(shù)據(jù)與地面PM2.5監(jiān)測站點數(shù)據(jù),根據(jù)PM2.5-AOD關系隨時間變化的特點構(gòu)建了對應的線性混合模型。該模型的預測精度較高,相關系數(shù)R2達到0.939,均方根誤差RMSE為14.0,平均相對誤差MRE為11.7%。研究中加入了氣溫、相對濕度、降雨量、風速等氣象要素數(shù)據(jù)參與建模,發(fā)現(xiàn)氣象要素對模型精度提高幫助不大;同時考慮了站點效應對模型的影響,發(fā)現(xiàn)考慮站點效應的模型預測值與實測值R2達到0.95,相比模型預測精度有小幅度提升。對模型進行了站點交叉驗證和十折交叉驗證,交叉驗證結(jié)果相比模型預測結(jié)果精度有所下降,但是下降幅度較小,表明所構(gòu)建的模型具備一定的穩(wěn)定性。研究最后基于所構(gòu)建的線性混合模型對武漢地區(qū)PM2.5進行了遙感反演,得到160米分辨率PM2.5空間分布結(jié)果,進一步對不同大氣污染條件下PM2.5空間分布特征進行了分析,并統(tǒng)計分析了 2013-2016年武漢地區(qū)平均PM2.5空間分布狀況。
【學位單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：X513;X87
【部分圖文】：

ｅｔ邋ａｌ．，２０１４；邋Ｈｕａｎｇ，邋Ｒ，邋ｅｔ邋ａｌ．邋，２０１４；邋Ｍａ，邋Ｚ邋Ｗ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１６；邋Ｔａｏ，邋Ｍ，邋ｅｔ逡逑ａｌ．，２０１６），其影響范圍之廣、持續(xù)時間之長、污染濃度之高，引發(fā)國內(nèi)國際社會逡逑廣泛關注。監(jiān)測資料表明，中國己成為世界大氣污染最嚴重的地區(qū)之一（圖１－逡逑１）。以主要大氣污染物ＰＭ２．邋５為例，２００１－２０１０年中國平均人口加權ＰＭ２．邋５濃度逡逑達到４５．邋７叫／ｍ３，近乎兩倍于全球平均值２６．邋４Ｕｇ／ｍ３，遠超世衛(wèi)組織１０Ｈｇ／ｍ３的空逡逑氣質(zhì)量標準；從１９９８到２０１２年，以中國為主的東亞地區(qū)人口加權ＰＭ２．邋５濃度年逡逑均增長１．６３＾＾／0１３，增長幅度年均達到３．２％，是全球？》１２．５濃度上升最快的地區(qū)逡逑（Ｖａｎ邋Ｄｏｎｋｅｌａａｒ，邋Ａ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４）。大氣污染對全球／區(qū)域氣候環(huán)境影響顯著逡逑（Ｈａｙｗｏｏｄ，邋Ｊ邋ａｎｄ邋Ｂｏｕｃｈｅｒ，邋２０００；邋Ｋａｕｆｍａｎ，邋Ｙ邋Ｊ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２００２；邋Ｓｔｏｃｋｅｒ，逡逑Ｔ，邋２０１４），與公眾身體健康、公共交通安全等社會問題密切相關（Ｍｕｅｌｌｅｒ，邋Ａ邋Ｓ逡逑ａｎｄ邋Ｔｒｉｃｋ

漠等高反射率地表（簡稱為“亮地表”）。雖然Ｍ０ＤＩＳＡ０Ｄ產(chǎn)品在地表覆蓋、空間逡逑分辨率、產(chǎn)品精度等方面取得持續(xù)進步，然而在應用于城市尺度大氣污染研宄時逡逑仍存在不少關鍵問題。以本論文研究區(qū)域一中國中部最大城市武漢為例（見圖１＿逡逑２），ＭＯＤＩＳ邋１０ＫＭＤＴ和ＤＢＡ０Ｄ產(chǎn)品在該地區(qū)僅覆蓋有１５Ｘ１５象元，顯然不足以逡逑充分反映該城市大氣污染空間分布狀況；雖然ＤＴ邋３ＫＭ邋Ａ０Ｄ產(chǎn)品象元數(shù)增加到了逡逑４８Ｘ４８，但ＤＴ產(chǎn)品受制于暗地表而在城市核心區(qū)域缺乏有效反演結(jié)果。此外，逡逑對于對現(xiàn)有高分辨率氣溶膠產(chǎn)品ＭＯＤＩＳ邋３ＫＭ邋Ａ０Ｄ（Ｍｕｎｃｈａｋ，邋Ｌ邋Ａ，ｅｔ邋ａｌ．，２０１３）逡逑和邋ＶＩＩＲＳ邋７５０Ｍ邋Ａ０Ｄ（Ｈｕａｎｇ，Ｊ，ｅｔ邋ａｌ．，２０１６；邋Ｗａｎｇ，邋Ｗ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１７）的驗證結(jié)逡逑果均表明，ＡＯＤ產(chǎn)品在空間分辨率上的提升會顯著增加其在城市區(qū)域的反演誤差。逡逑＾邐Ｖ；邐Ｂ邋ｓ邋ＤＴ邋ＩＭＷＡＯＯ邐Ｉ邋Ｘ邋＾邋ＭＩＯＫＭＡＯＯ邐ｉ邋ｌ邋－邋ＯＴ２ＫＭＡＯＯ邐＼邐■逡逑ｍｎ邐ｔｔｒｗｔ邐ｉｗｗ邐ｔｗｔ邐ｉｍ＊ｍ邐ｎｆｔｔ邐ｉｍｗｉ邐ｔｍｎ邐ｗｎ逡逑ＡＯＤ逡逑Ｏ邋０１邋０２邋０．３邋０４邋０Ｓ０６邋０７邋０６邋０９，０邋１５邋２０邋２５邋３０邋４０邋５０逡逑圖１－２邋２０１４年６月７日武漢地區(qū)３種ＭＯＤＩＳ邋ＡＯＤ產(chǎn)品反演結(jié)果逡逑大氣污染具有較強的時空變異性，因此對城市尺度大氣污染的監(jiān)測需要高時逡逑空分辨率氣溶膠產(chǎn)品支持；而現(xiàn)有氣溶膠反演算法及產(chǎn)品體系對于支撐中國城市逡逑區(qū)域大氣污染分析應用還存在明顯不足。中國于２０１３年４月發(fā)射成功的高分一逡逑號衛(wèi)星

中高分辨遙感數(shù)據(jù)的氣溶膠光學厚度反演研宄得還不夠；由于中國境內(nèi)地面氣溶逡逑膠觀測站點數(shù)量有限，現(xiàn)有站點大部分集中在京津冀、長三角、珠三角等經(jīng)濟發(fā)逡逑達地區(qū)（見圖１－３所示），對于國內(nèi)大部分區(qū)域氣溶膠特性的研宄有待深入。有逡逑鑒于此，本研宄選取高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為主要遙感數(shù)據(jù)源，結(jié)合長時間氣溶膠逡逑地面觀測數(shù)據(jù)，發(fā)展針對復雜城市區(qū)域的高時空分辨率氣溶膠光學厚度反演算法，逡逑為推動國產(chǎn)衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)在大氣環(huán)境監(jiān)測領域的應用提供一個良好示范。逡逑圖１－３中國大陸區(qū)域現(xiàn)有ＡＥＲＯＮＥＴ站點空間分布逡逑１．３氣溶膠光學厚度產(chǎn)品應用研宄進展逡逑８逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2829039