發(fā)布時(shí)間：2020-09-28 17:11

　　 隨著近年來我國(guó)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(shí)間之長(zhǎng)、污染濃度之高,引發(fā)國(guó)內(nèi)國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)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(shù)特點(diǎn),是監(jiān)測(cè)大氣污染主要參數(shù)時(shí)空分布及其動(dòng)態(tài)變化的重要技術(shù)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(yàn)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(yīng)用研究中受到較大限制。中國(guó)于2013年4月成功發(fā)射的高分一號(hào)衛(wèi)星,搭載有4臺(tái)寬視場(chǎng)多光譜相機(jī),可提供從可見光到近紅外四個(gè)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(xué)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(hào)衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)氣溶膠光學(xué)厚度反演算法及其產(chǎn)品應(yīng)用展開相關(guān)研究工作,論文中取得的主要成果體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:(1)針對(duì)GF-1WFV傳感器數(shù)據(jù)的高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演算法區(qū)域氣溶膠類型確定和地表反射率估計(jì)是氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演的兩大關(guān)鍵問題。本論文通過對(duì)2008-2012年武漢地區(qū)CE-318太陽光度計(jì)氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定區(qū)域氣溶膠類型;通過采用時(shí)空同步的MODISAOD產(chǎn)品輔助進(jìn)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(shù)對(duì)清潔日GF-1 WFV影像按季節(jié)進(jìn)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(shí)現(xiàn)了 GF-1 WFV數(shù)據(jù)氣溶膠光學(xué)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(shí)間分辨率,無云條件下可實(shí)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(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.66,均方根誤差RMSE為0.27;與地面站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)相比,R2達(dá)到0.8,RMSE為0.25。驗(yàn)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(shí)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(jì)157景影像),對(duì)該地區(qū)AOD時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)分析。針對(duì)本地性和輸移性氣溶膠的不同時(shí)空分布特征,提出了本地氣溶膠光學(xué)厚度(Local Aerosol Optical Depth,LAOD)的概念,用于表征本地人為活動(dòng)導(dǎo)致的氣溶膠負(fù)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(shí)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(dá)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(diǎn)PM2.5統(tǒng)計(jì)結(jié)果保持一致。利用LAOD進(jìn)一步對(duì)武漢市大氣污染熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了識(shí)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(yīng)的概念(類似于熱島效應(yīng)),用于表征城市人為活動(dòng)對(duì)區(qū)域大氣污染的貢獻(xiàn),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(yīng)強(qiáng)度。城市氣溶膠效應(yīng)強(qiáng)度從2013到2016年呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)(-0.009 year-1,P0.05),與年度 PM2.5 濃度變化趨勢(shì)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(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù),根據(jù)PM2.5-AOD關(guān)系隨時(shí)間變化的特點(diǎn)構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的線性混合模型。該模型的預(yù)測(cè)精度較高,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.939,均方根誤差RMSE為14.0,平均相對(duì)誤差MRE為11.7%。研究中加入了氣溫、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)速等氣象要素?cái)?shù)據(jù)參與建模,發(fā)現(xiàn)氣象要素對(duì)模型精度提高幫助不大;同時(shí)考慮了站點(diǎn)效應(yīng)對(duì)模型的影響,發(fā)現(xiàn)考慮站點(diǎn)效應(yīng)的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值R2達(dá)到0.95,相比模型預(yù)測(cè)精度有小幅度提升。對(duì)模型進(jìn)行了站點(diǎn)交叉驗(yàn)證和十折交叉驗(yàn)證,交叉驗(yàn)證結(jié)果相比模型預(yù)測(cè)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(duì)武漢地區(qū)PM2.5進(jìn)行了遙感反演,得到160米分辨率PM2.5空間分布結(jié)果,進(jìn)一步對(duì)不同大氣污染條件下PM2.5空間分布特征進(jìn)行了分析,并統(tǒng)計(jì)分析了 2013-2016年武漢地區(qū)平均PM2.5空間分布狀況。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(shí)間之長(zhǎng)、污染濃度之高，引發(fā)國(guó)內(nèi)國(guó)際社會(huì)逡逑廣泛關(guān)注。監(jiān)測(cè)資料表明，中國(guó)己成為世界大氣污染最嚴(yán)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(guó)平均人口加權(quán)ＰＭ２．邋５濃度逡逑達(dá)到４５．邋７叫／ｍ３，近乎兩倍于全球平均值２６．邋４Ｕｇ／ｍ３，遠(yuǎn)超世衛(wèi)組織１０Ｈｇ／ｍ３的空逡逑氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；從１９９８到２０１２年，以中國(guó)為主的東亞地區(qū)人口加權(quán)ＰＭ２．邋５濃度年逡逑均增長(zhǎng)１．６３＾＾／0１３，增長(zhǎng)幅度年均達(dá)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(duì)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(huì)問題密切相關(guān)（Ｍｕｅｌｌｅｒ，邋Ａ邋Ｓ逡逑ａｎｄ邋Ｔｒｉｃｋ

漠等高反射率地表（簡(jiǎn)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(jìn)步，然而在應(yīng)用于城市尺度大氣污染研宄時(shí)逡逑仍存在不少關(guān)鍵問題。以本論文研究區(qū)域一中國(guó)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(duì)于對(duì)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(yàn)證結(jié)逡逑果均表明，ＡＯＤ產(chǎn)品在空間分辨率上的提升會(huì)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(qiáng)的時(shí)空變異性，因此對(duì)城市尺度大氣污染的監(jiān)測(cè)需要高時(shí)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(duì)于支撐中國(guó)城市逡逑區(qū)域大氣污染分析應(yīng)用還存在明顯不足。中國(guó)于２０１３年４月發(fā)射成功的高分一逡逑號(hào)衛(wèi)星

中高分辨遙感數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演研宄得還不夠；由于中國(guó)境內(nèi)地面氣溶逡逑膠觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量有限，現(xiàn)有站點(diǎn)大部分集中在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)逡逑達(dá)地區(qū)（見圖１－３所示），對(duì)于國(guó)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(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為主要遙感數(shù)據(jù)源，結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間氣溶膠逡逑地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)展針對(duì)復(fù)雜城市區(qū)域的高時(shí)空分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演算法，逡逑為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一個(gè)良好示范。逡逑圖１－３中國(guó)大陸區(qū)域現(xiàn)有ＡＥＲＯＮＥＴ站點(diǎn)空間分布逡逑１．３氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品應(yīng)用研宄進(jìn)展逡逑８逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2829039