气溶胶光学厚度的高光谱遥感反演及其环境效应

【摘要】：气溶胶是研究全球气候变化和大气污染的重要参数，也是进行定量遥感必须获得的参数。本文针对人口密集、工业化程度高的城市区域范围，探索高光谱数据遥感反演气溶胶光学厚度的方法，应用中科院上海技术物理研究所自行研制的模块化成像光谱仪(OMIS)，结合MODIS卫星资料和地面太阳光度计监测，试图形成“星载—机载—地面”三个高度立体遥测，实现城市气溶胶光学厚度的反演，并进一步研究其环境效应。具体工作及结果如下： 1) 比较分析各种气溶胶光学厚度遥感反演方法的适用性和局限性，并介绍了太阳光度计地基遥测原理。 2) 分别介绍了MODIS、OMIS和地基高光谱数据的特点及数据预处理过程、分析典型地物的光谱特征。 3) 采用高反差地表法，对2002年10月7日的机载OMIS高光谱数据，进行了气溶胶光学厚度反演的尝试性试验，给出了初步的反演结果，在502-590nm波段处的气溶胶光学厚度值在0.175-0.314之间。反演结果符合当天的空气质量状况，与能见度进行比较，以证明反演结果的正确性，说明利用高光谱、高空间分辨率的机载遥感数据可以反演城市气溶胶光学厚度。 4) 进行大气辐射传输模型的模拟与分析，利用MODIS红、蓝通道数据分析地表反射率、气溶胶类型、气溶胶组份、水汽、臭氧等因素对气溶胶反演的影响；建立了表观反射率—地表反射率—气溶胶光学厚度之间的查算表，结合城市地表特点，探索基于MODIS数据的双目标对比法进行气溶胶光学厚度的反演。 5) 利用地面站点能见度和卫星遥感的气溶胶光学厚度资料，建立了一个二者之间季节平均的简单关系，得到上海地区各季的气溶胶标高在春季、夏季、秋季和冬季分别为：1251m，1957m，791.7m和776.4m；并利用标高数据和气溶胶光学厚度的季节分布，反演上海地区区域能见度的季节平均分布，证实上海城区在冬春季平均能见度较差，市区中心能见度在10km以下；低能见度中心分布明显，且主要分布在杨浦、桃浦、吴淞等工业区范围。 6) 利用MODIS气溶胶产品及太阳光度计实测数据，分析上海及周边地区气溶胶光学厚度的时空变化特征；将MODIS气溶胶产品与地面污染资料、气象资料进行比较分析，发现AOD与PM_(10)的相关性最好，出现AOD大值的日子里相对湿度大，风速较低，能见度低，大气相对比较稳定，不利于污染物的稀释扩散。 7) 通过因子分析，选取公因子F1(污染因子)、F2(温度气压因子)、F3(湿度和辐射因子)、F4(风速因子)、F5(气溶胶光学厚度)作为评价大气污染程度的主要影响因子，以MODIS遥感的气溶胶产品作为衡量大气浑浊度和气溶胶污染等级划分的指标，将气溶胶污染划分为：弱、较弱、中等、较强、强五级。