基于遥感与地面监测数据的城市气溶胶定量反演研究 ——以北京为例

论文摘要

气溶胶是影响地表能量收支平衡的决定性因素之一，它以直接辐射强迫和间接辐射强迫两种方式影响着气候系统，同时在局地、区域乃至全球大气环境质量中也扮演着一个重要角色。本文在气溶胶卫星遥感国内外研究现状及归纳总结出所要解决的主要问题的基础上，对大气气溶胶的遥感机理进行了系统性的分析；利用地基CE318气溶胶观测数据和地面大气污染监测数据，对气溶胶在大气环境领域中的适用性进行了研究分析；根据地基激光雷达数据和气象数据确定出大气污染边界层；并基于Landsat/7 TM遥感数据和同步的地面大气环境质量监测数据，以经过完善后的DTA法和统计回归为主要研究方法，探讨了北京示范区的气溶胶和主要大气污染物（PM10、SO2）的空间分布。 本文用地面太阳光度计观测数据和大气环境监测数据相结合的方法，应用统计回归方式计算，肯定了气溶胶光学厚度可以在大气环境领域中应用，能够指示大气污染。利用这些数据统计分析了北京地区的气溶胶光学厚度和大气污染之间的对应关系和季节变化特点，并对季节变化特征予以详细的分析。发现用AOT表征大气污染时，表征方法和精度对于不同的污染物，在不同的季节有所差异。用气溶胶光学厚度来描述大气污染指标时，PM10的描述关系最为简单，受季节影响不大，相关性都保持在0.7附近，属于高度正相关。对NO2的描述，受季节影响明显，冬季具有极高相关性，春季和秋季具有高的相关性，夏季具有一般相关性。对SO2的描述最为复杂，受季节影响最为明显，除了冬季与气溶胶光学厚度有高度相关关系外，其余季节相关性都不高。 本文利用AML-1车载测污激光雷达资料和气象廓线探空数据，建立了二者之间的对应关系，确定了北京冬季大气污染边界层的厚度。这为后面是否可以将卫星遥感反演的AOT和PM10等污染物关联起来，构建二者之间的统计经验模型的思路奠定了基础。因为气溶胶主要集中在近地层的结论有时候是不成立的，论文给出了一个污染个例，来对这种情况作了进一步的论述。 本文以北京为示范区，利用Landsat／7 TM卫星数据，定量反演了气溶胶光学厚度的空间分布。提出了最佳距离指数的确定方式，完善和发展了DTA方法。补充了对“洁净日”影像进行云检测和大气校正的过程，减小了方法适用的局限性限制，增加了参考影像的“洁净”程度，减少了大气对“参考日”影像的影响，使地表反射率更接近“真实”地表反射率，最终增加了反演精度。通过对北京地区的AOT反演结果与NASA的10Km空间分辨率的MOD04 Level2的气溶胶光学厚度产品进行了比较，发现反演结果有很好的精度，二者之间的相关性达到了

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目
• 表目
• 第一章 综述
• 1.1 概述
• 1.2 大气气溶胶
• 1.3 大气气溶胶的环境和遥感意义
• 1.3.1 大气气溶胶的环境意义
• 1.3.2 气溶胶的遥感意义
• 1.4 本研究工作的必要性和意义
• 1.5 本研究的目标和内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究的主要内容
• 1.6 论文结构
• 1.7 本章小节
• 第二章 国内外研究进展
• 2.1 概述
• 2.2 气溶胶的常规研究
• 2.3 海、陆下垫面气溶胶的卫星遥感研究
• 2.4 城市气溶胶的卫星遥感与局地大气污染
• 2.5 存在的问题
• 2.6 本文研究的技术路线
• 2.7 本章小节
• 第三章 气溶胶卫星遥感的物理机理
• 3.1 概述
• 3.2 几个基本物理量
• 3.3 气溶胶的散射和吸收
• 3.3.1 定义
• 3.3.2 大气消光的组成
• 3.3.3 气溶胶光学属性
• 3.3.4 大气对卫星遥感影像的影响
• 3.4 气溶胶卫星遥感原理
• 3.4.1 均一地表反射率情况下气溶胶光学属性的反演
• 3.4.2 非均一地表反射率情况下气溶胶光学属性的反演
• 3.5 本章小节
• 第四章 气溶胶光学厚度与大气污染关系的研究
• 4.1 概述
• 4.2 大气气溶胶与大气污染气体
• 4.3 气溶胶地基遥感研究
• 4.3.1 多波段光度计简介
• 4.3.2 气溶胶光学厚度反演原理
• 4.3.3 基于CE318的气溶胶光学厚度反演实例
• 4.4 地基观测的气溶胶与地面大气污染物的相关分析
• 4.4.1 AOT与空气污染指数的相关分析
• 4.4.2 AOT与PM10的关系分析
• 4.4.3 AOT与SO2的关系分析
• 4.4.4 AOT与NO2的关系分析
• 4.4.5 AOT与“三项”间的多元回归分析
• 4.4.6 回归总结
• 4.5 本章小节
• 第五章 大气污染边界层的确定
• 5.1 概述
• 5.2 激光雷达探测大气气溶胶廓线
• 5.2.1 MPL-AM1车载测污激光雷达简介
• 5.2.2 激光雷达观测气溶胶廓线的计算方法
• a及PM10的垂直廓线研究'>5.2.3 气溶胶消光系数α_a及PM10的垂直廓线研究
• 5.3 大气污染边界层及特例分析
• 5.4 本章小节
• 第六章 研究区气溶胶卫星遥感定量反演研究
• 6.1 概述
• 6.2 研究区域
• 6.3 数据选择
• 6.3.1 按指导原则选取
• 6.3.2 按地面大气环境监测数据选取
• 6.3.3 按地面大气环境监测数据选取
• 6.4 遥感影像预处理
• 6.4.1 几何校正
• 6.4.2 定标
• 6.4.3 参考影像的大气校正
• 6.4.4 对影像作云检测分析
• 6.4.5 影像中水体的识别分析
• 6.5 最佳距离指数的确定
• 6.6 DTA（Differential Texture Analysis）法反演气溶胶光学厚度
• 6.6.1 方法理论基础
• 6.6.2 反演方法流程设计
• 6.7 本章小节
• 第七章 示范区AOT卫星遥感反演及在大气质量中的应用
• 7.1 概述
• 7.2 研究区气溶胶反演结果分析及验证
• 7.2.1 对反演结果的分析
• 7.2.2 对反演结果的验证
• 7.3 污染物浓度空间分布模型的构建及分析评价
• 7.3.1 污染边界层内气溶胶光学厚度的确定
• 7.3.2 大气污染物浓度空间分布模型构建
• 7.3.3 空气质量分析
• 7.4 本章小节
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 论文创新点
• 8.3 讨论与展望
• 8.3.1 讨论
• 8.3.2 未来展望
• 参考文献：
• 攻读博士学位期间参加的科研项目和获得的学术成果
• 致谢