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大气气溶胶光学厚度遥感反演及其环境效应研究

张明明  
【摘要】:气溶胶光学厚度(AOD)是气溶胶总含量的基本参数,可以用来反映大气污染程度。利用卫星遥感获取气溶胶光学厚度,可以弥补一般地面观测难以反映AOD空间分布和变化趋势的不足。江苏省是我国社会经济最发达的省份之一,其GDP总量和工业总量在全国均占有较高比重。但同时由于工业生产、汽车尾气排放等产生的大量空气污染物,该地区空气污染日益严重,尤其是灰霾天气频发,对居民健康及环境质量均构成了严重影响。气溶胶是导致灰霾天气的关键因素,获取其空间分布信息对于江苏省大气环境监测、污染治理具有重要的价值和意义。 本研究以江苏省为例,分别利用暗像元法(DDV法)和改进的暗像元法(V5.2法)反演研究区气溶胶光学厚度,并利用地面光度计实测数据验证不同算法反演精度。然后针对精度较高的改进的暗像元法反演结果,对研究区AOD时空变化特征及其影响因素进行分析。最后,利用MODIS气溶胶光学厚度产品数据分别与能见度及PM2.5进行了相关性分析,并在此基础上构建了回归模型。此外,结合气象观测数据,对南京市的一起雾霾污染过程与原因进行了实证分析。论文主要研究成果如下: (1)基于MODIS1B卫星遥感数据,分别利用暗像元法和改进的暗像元法反演得到2010年江苏省春夏两季的气溶胶光学厚度空间分布图,通过地面光度计实测数据对两种反演结果进行精度验证,结果表明:两种算法反演结果在整体趋势上保持一致,均表现为南部高于北部,但V5.2算法精度要明显优于DDV算法,其绝对误差和相对误差分别为0.13和26.48%。 (2)针对精度较高的改进的暗像元法反演结果,分别从空间分布和季节变化两方面进行比较分析,结果显示:研究区气溶胶光学厚度存在较明显的区域差异和季节差异,具体表现为研究区AOD在整个夏半年由苏南地区到苏北地区依次降低(苏南、苏中和苏北AOD均值分别为0.77、0.65以及0.58);在季节变化上,江苏省2010年春夏两季气溶胶光学厚度均值变化幅度较小,但不同区域变化趋势不同。苏南地区AOD春季明显低于夏季,均值由0.81降为0.70;而在苏北地区AOD值则呈升高趋势,均值由0.56上升到0.62;苏中季节变化相对不明显,AOD均值分别为0.66和0.63。通过分析可以发现,AOD与NDVI呈明显的负相关,与区域城市化规模有较好的一致性,同时,其大小也受到地理环境、工业分布、局地大型工程建设和降水的影响。 (3)基于2013年MODIS二级气溶胶产品(MOD04),分析AOD与能见度及PM2.5之间的相关性并构建AOD估算能见度和PM2.5的经验模型,分别得到南京市2013年四季能见度分布图与PM2.5质量浓度分布图,结果表明冬季南京市拥有最低的能见度和最高的PM2.5质量浓度。针对南京市2013年12月2日-11日的严重雾霾污染,结合对应时间的气象观测数据,进行实证分析,结果显示南京市此次严重雾霾的原因主要是源于南京局地及其周边污染物的底层输送。


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