【摘要】：大氣氣溶膠(Aerosol),是懸浮在空氣中的固體與氣體微粒的總稱。作為地球輻射收支和氣候、環(huán)境變化的關(guān)鍵因子,氣溶膠能夠?qū)^(qū)域及全球大氣環(huán)境、氣候、生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。其中,空氣動(dòng)力學(xué)粒徑不超過(guò)2.5μm的顆粒物被稱為細(xì)顆粒物(Fine particulate matter,簡(jiǎn)稱為PM2.5),對(duì)于環(huán)境政策與公共衛(wèi)生研究尤為重要,是大氣環(huán)境研究中關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國(guó)近年來(lái)頻繁且廣泛地出現(xiàn)嚴(yán)重、持續(xù)的灰霾天氣。中國(guó)已成為全球顆粒物污染最重的地區(qū)之一。利用PM2.5粒子的消光特性,借助衛(wèi)星遙感資料反演氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD),間接獲得近地面PM2.5質(zhì)量濃度,是監(jiān)測(cè)區(qū)域PM2.5空氣質(zhì)量的一種有效方式。作為一個(gè)較新的研究領(lǐng)域,遙感估算PM2.5濃度在快速獲取大范圍、空間連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)化PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。但在估算模型的精度、時(shí)空適用性等方面仍有待提高,尤其是對(duì)于中國(guó),由于長(zhǎng)期以來(lái)缺乏大范圍的地面監(jiān)測(cè)PM2.5基礎(chǔ)數(shù)據(jù),該領(lǐng)域的研究還比較滯后。 本文針對(duì)PM2.5遙感估算模型的精度和時(shí)空適用性問(wèn)題,從站點(diǎn)和區(qū)域兩種尺度著手,構(gòu)建新的復(fù)合估算模型,增強(qiáng)模型對(duì)PM2.5與AOD關(guān)系在時(shí)空變異特征上的解釋能力,提高模型對(duì)PM2.5濃度估算的精度水平。研究以中國(guó)陸地上空來(lái)自中分辨率成像光譜儀(MODIS)的氣溶膠反演數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)比分析了近地面PM2.5質(zhì)量濃度與AOD的時(shí)空分布特征及兩者的相關(guān)性,針對(duì)PM2.5監(jiān)測(cè)站點(diǎn)構(gòu)建一種站點(diǎn)復(fù)合模型,將基于理論關(guān)系的修正回歸模型與基于統(tǒng)計(jì)關(guān)系的多元回歸模型相結(jié)合,并進(jìn)一步由點(diǎn)及面,將模型擴(kuò)展至區(qū)域尺度,最終建立適合中國(guó)不同地區(qū)的遙感估算PM2.5的區(qū)域復(fù)合模型。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： (1)中國(guó)地區(qū)MODIS反演AOD數(shù)據(jù)的地面驗(yàn)證。結(jié)果表明,來(lái)自Terra和Aqua衛(wèi)星的MODIS Level2C051產(chǎn)品反演所獲得的AOD數(shù)據(jù),與AERONET地基遙感觀測(cè)AOD值表現(xiàn)出極為顯著的線性相關(guān)性,兩者在衛(wèi)星過(guò)境時(shí)段的均值和曰均值數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)都在0.9以上。雖然在總體上MODIS對(duì)AOD略有高估趨勢(shì),但其整體趨勢(shì)與AERONET觀測(cè)值的吻合度很高,在研究時(shí)段內(nèi)MODIS反演AOD數(shù)據(jù)基本是準(zhǔn)確可靠的。 (2)中國(guó)陸地上空AOD與PM2.5時(shí)空分布特征的對(duì)比及其相關(guān)性。PM2.5年平均濃度的高低值區(qū)域分布與AOD的空間分布格局很相似。華北平原、珠三角、長(zhǎng)三角、四川盆地等AOD高值區(qū)(1.0)同時(shí)也是PM2.5高值城市(55μg/m3)的聚集區(qū),PM2.5年均值可達(dá)到以上；青藏高原、云貴高原、東北地區(qū)、東南部福建一帶等AOD低值區(qū)(0.2)PM2.5的值也相對(duì)較低(45μg/m3)。兩者的季節(jié)變化特征存在較大差異,如全國(guó)522個(gè)站點(diǎn)的PM2.5季節(jié)均值排序?yàn)椋憾?86.84±67.38μg/m3)秋季(63.36±49.55μg/m3)春季(60.62±46.34μg/m3)夏季(45.34±36.89μg/m3),而AOD平均值的排序?yàn)榇杭?0.74±0.52)夏季(0.60±0.52)秋季(0.54±0.44)冬季(0.53±0.39)。兩者的相關(guān)系數(shù)分布圖顯示,春季和冬季具有較高相關(guān)性系數(shù)的范圍比夏、秋兩季要大,絕大部分地區(qū)的相關(guān)系數(shù)都在0.45以上。夏季與秋季相關(guān)系數(shù)的空間差異更大,呈現(xiàn)東高西低的總體特征。 (3)基于理論關(guān)系的修正回歸模型遙感PM2.5研究。選取PM2.5與AOD相關(guān)性較高的北京地區(qū)作為研究區(qū)域,探討了大氣邊界層高度(PBLH)和相對(duì)濕度(RH)等因素對(duì)PM2.5-AOD原始關(guān)系模型的影響。PM2.5和MODIS AOD在春、夏、秋季的相關(guān)系數(shù)分別為0.69,0.60和0.73,經(jīng)過(guò)PBLH和吸濕性增長(zhǎng)因子f(RH)修正后,夏季的相關(guān)性提高到0.62-0.66,提高比例為4%-11%,其它季節(jié)未見(jiàn)明顯改進(jìn),說(shuō)明建模策略需要充分考慮PM2.5和AOD的時(shí)空變異特征。 (4)衛(wèi)星遙感估算PM2.5的站點(diǎn)復(fù)合模型研究。建模分兩個(gè)階段進(jìn)行,先由PM2.5和AOD的原始關(guān)系模型(OM)和PM2.5-AOD理論關(guān)系的修正回歸模型(TM)相比較獲取各站點(diǎn)的最優(yōu)單變量回歸模型(UVM),再將多種輔助氣象因子通過(guò)最優(yōu)子集法進(jìn)行變量篩選后,以多元回歸模型(MVM)與UVM模型相結(jié)合的方式構(gòu)建站點(diǎn)復(fù)合模型(CM)。結(jié)果顯示,各季節(jié)的站點(diǎn)CM模型在調(diào)整的R2、p值、平均百分誤差(MAPE)和均方根誤差(RMSE)四個(gè)指標(biāo)上的表現(xiàn)都優(yōu)于UVM模型和MVM模型,反映CM模型在融合UVM和MVM之后優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),有效提高了模型精度。 (5)衛(wèi)星遙感估算PM2.5的區(qū)域復(fù)合模型研究。以站點(diǎn)模型為基礎(chǔ)得到了全國(guó)區(qū)域劃分模式,春、夏、秋、冬季分別有23,17,16和13個(gè)分區(qū)。構(gòu)建了區(qū)域復(fù)合模型,并評(píng)價(jià)了區(qū)域CM模型的擬合精度,并與3種基礎(chǔ)對(duì)照模型進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)各季節(jié)的區(qū)域CM模型都能廣泛而有效地提高各區(qū)域內(nèi)的PM2.5擬合精度,證明了模型分區(qū)結(jié)果的合理性和模型較高的精度水平。模型驗(yàn)證結(jié)果表明,PM2.5預(yù)測(cè)值與真實(shí)值在各個(gè)季節(jié)尺度下RMSE范圍為24-43μg/m3。利用區(qū)域CM模型,對(duì)每日衛(wèi)星過(guò)境時(shí)的PM2.5小時(shí)平均濃度進(jìn)行預(yù)測(cè),得到全國(guó)PM2.5預(yù)測(cè)濃度的季節(jié)格網(wǎng)圖。通過(guò)Terra AOD和Aqua AOD估算獲得的PM2.5空間分布情況非常相似。夏季Terra PM2.5和Aqua PM2.5的全國(guó)均值分別為43.5μg/m3和45.1μg/m3,春季為51.6μg/m3和50.7μg/m3,秋季為55.5μg/m3和56.9μg/m3,冬季則高達(dá)328.9和344.4μg/m3。華北地區(qū)和四川盆地全年都保持高濃度PM2.5,是全國(guó)細(xì)顆粒物的重污染區(qū)。 綜上,本文借助遙感反演AOD數(shù)據(jù)和輔助氣象資料,在探討中國(guó)地區(qū)PM2.5和AOD的分布特征以及相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出并構(gòu)建了站點(diǎn)和區(qū)域兩種尺度下的估算中國(guó)陸地大氣PM2.5的復(fù)合模型,提高了模型精度、改善了模型的時(shí)空適用性,為遙感估算PM2.5研究提供了有益參考。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X513;X87
【圖文】：

110年的發(fā)展，從20世紀(jì)40年代以前的每年僅有不到10篇論文發(fā)表，到2013年已增長(zhǎng)至5326篇。由圖1.1可以看到，論文產(chǎn)量呈現(xiàn)持續(xù)顯著的上升趨勢(shì)，尤其是1991年以來(lái)進(jìn)入了一個(gè)快速增長(zhǎng)期。這一趨勢(shì)一般被歸因?yàn)镾CI收錄文獻(xiàn)總數(shù)量增長(zhǎng)所帶來(lái)的附加效應(yīng)。本文以每年的氣溶膠研宄論文產(chǎn)量除以當(dāng)年被SCI收錄的論文總量，得到“標(biāo)準(zhǔn)化論文數(shù)量”（見(jiàn)公式1.1)。由此排除SCI論文總量增長(zhǎng)的影響之后，圖1.1中的標(biāo)準(zhǔn)化論文數(shù)量仍然隨著年份呈明顯波動(dòng)上升趨勢(shì)，因此，可以得出結(jié)論，氣溶膠研宄正逐漸受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，是科學(xué)研宄熱點(diǎn)問(wèn)題之一。標(biāo)準(zhǔn)化論文數(shù)量(0/0)=：收=數(shù)數(shù)量X 100 式U3

1900-2013年，氣溶膠研究涵蓋了 SCIE數(shù)據(jù)庫(kù)中的126個(gè)學(xué)科類別。由圖1.2可見(jiàn)，氣象與大氣科學(xué)（“Meteorology & Atmospheric Sciences”）和環(huán)境科學(xué)與生態(tài)（“Environmental Sciences & Ecology”）領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量最多，分別共有23448篇和17106篇，占到了所有期刊論文總數(shù)的32.2%和23.5%。隨后的是工程學(xué)（“Engineering”)、化學(xué)（“Chemistry”）和物理（“Physics”）領(lǐng)域，論文數(shù)量占總量比例分別為13.9%、11.6%和4.9%。2000 ， 令Meteorology & Atmospheric Sciences <1 咖 奪Environmental Sciences & Ecology 1.? Engineering /5 1200 一Chemistry f J"-^Physics J Ms 800 4 f0 ^ .1:1 i .‘ lOii節(jié)產(chǎn)II 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015Year圖1.2氣溶股領(lǐng)域主要學(xué)科的論文成長(zhǎng)趨勢(shì)圖Figure 1.2 Growth trends of publications in the top 4 categories since 1900-20134

本文編號(hào)：2738374