【摘 要】
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传统大气环境研究工作主要依靠地面的监测站点来开展,因其受到不定期维护和站点布设等因素的影响,其监测数据往往存在时间上监测数据不完整、空间上分布不均匀等问题。而卫星遥感因其大面域、全天候的技术优势,是进行大气环境监测和动态分析的重要手段。本文旨在分别利用高空间和高时间分辨率的卫星遥感气溶胶观测,分析我国在大气污染联防联控工作中重点关注的大气污染排放源以及大气污染传输两大关键问题。本研究将以气溶胶卫星
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传统大气环境研究工作主要依靠地面的监测站点来开展,因其受到不定期维护和站点布设等因素的影响,其监测数据往往存在时间上监测数据不完整、空间上分布不均匀等问题。而卫星遥感因其大面域、全天候的技术优势,是进行大气环境监测和动态分析的重要手段。本文旨在分别利用高空间和高时间分辨率的卫星遥感气溶胶观测,分析我国在大气污染联防联控工作中重点关注的大气污染排放源以及大气污染传输两大关键问题。本研究将以气溶胶卫星遥感反演算法为基础,以大气污染防治的具体应用需求为导向,分别探究高空间分辨率的卫星气溶胶观测在大气污染排放源定位和源排放的量化,以及高时间分辨率的卫星气溶胶观测在大气污染传输规律分析和通量评估中的技术可行性和应用价值。期望通过本论文的相关研究成果,挖掘卫星遥感技术在大气环境污染工作中的潜力,为我国大气污染防治工作做出贡献。本文的研究工作主要从以下两个方面展开:一、基于高分一号卫星的大气污染排放源定位和源排放量化基于高分一号WFV传感器,采用多波段最小反射率优化反演算法,利用6S大气辐射传输模型和本地化气溶胶模式构建查找表,反演得到武汉、北京和上海三个地区160 m空间分辨率550 nm波段AOD产品。利用地基太阳光度计的验证结果表明:武汉、北京和上海地区整体验证相关系数R2分别达到0.80、0.77和0.71;均方根误差RMSE分别为0.25、0.33和0.18。结合WRF模式模拟的气象参数,基于高分一号WFV的高空间分辨率AOD,本文首次以160米超高空间分辨率估算了中国三个代表城市PM2.5浓度分布。与常规中分辨率卫星的估计相比,WFV PM2.5估计结果在空间分辨率上具有非常明显的优势,可以提供更为精细的PM2.5空间变化趋势,同时也可以与空间尺度较小的城市单元相关联。结果表明基于WFV PM2.5利用形态学运算可以在一定程度上精确自动定位PM2.5的主要排放源,评估各城市功能区的PM2.5排放贡献比例,并量化非雾霾时期的日常PM2.5排放水平。日后连同其他高分辨率卫星联合观测,基于遥感的高空间分辨率PM2.5观测将逐渐成为分析城市内部PM2.5问题的便捷方法,并为我国评估城市排放管理和减排政策有效性提供有效途径。二、基于Himawari-8卫星的大气污染传输分析和通量估算大气气溶胶发生明显变化的时间间隔一般被认为是半个小时左右,所以基于卫星遥感的高时间分辨率大气观测可以为大气污染传输的研究提供新的思路。本文基于葵花8号AHI传感器,采用多波段最小反射率优化反演算法,利用MODTRAN大气辐射传输模型和区域化候选气溶胶模式构建查找表,反演得到东亚地区逐10分钟550 nm波段AOD产品。通过东亚地区AERONET地基太阳光度计的验证结果表明:东亚地区总体散点线性拟合结果的决定系数R2达到0.88,其中约69%的验证点对落在期望误差范围内。此外,通过与JMA官方发布的葵花8号AHI AOD的对比结果发现:反演得到的AOD数据在时间上相邻的两幅影像之间变化平缓,能够很好地还原时间上相邻两帧遥感AOD数据之间的变化规律,可以为后续基于卫星遥感的高时间分辨率大气观测进行大气污染传输的研究提供数据支撑。基于葵花8号AHI传感器反演得到的逐10分钟的AOD遥感影像,发展基于贝叶斯最大熵的主被动传感器气溶胶数据时空融合技术提高其时空覆盖度。然后,基于融合后的AOD数据集构建气溶胶变化的视频帧影像,采用计算机视觉中的多尺度金字塔HS光流法对气溶胶的运动轨迹进行逐帧的追踪和计算。实验结果表明:多尺度金字塔HS光流的计算结果能够很好地描述大气污染传输的过程,并给出大气污染传输定性定量的运动场估计结果,同时基于AOD空间分布以及遥感光流运动场估计的结果估算大气污染传输通量。结果表明遥感光流法的传输通量估计结果与经典CMAQ模式模拟的传输通量结果总体上一致,说明基于观测的遥感光流法可以帮助提高大气污染传输估计的可靠性。同时,基于卫星遥感技术的大气污染传输估计与经典的大气模式模拟方法相比,不仅能够更精细地还原大气污染传输的过程,而且能可观地减少人力和计算成本,为环境保护等相关部门进行大气污染传输以及区域联防联控的评估提供了一种更为经济、便捷的方式。
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