基于气溶胶遥感的中国陆地大气PM2.5浓度估算

发布时间：2020-07-02 15:45

【摘要】：大气气溶胶(Aerosol),是悬浮在空气中的固体与气体微粒的总称。作为地球辐射收支和气候、环境变化的关键因子,气溶胶能够对区域及全球大气环境、气候、生态系统产生重要影响。其中,空气动力学粒径不超过2.5μm的颗粒物被称为细颗粒物(Fine particulate matter,简称为PM2.5),对于环境政策与公共卫生研究尤为重要,是大气环境研究中关注的热点。随着经济的快速发展,中国近年来频繁且广泛地出现严重、持续的灰霾天气。中国已成为全球颗粒物污染最重的地区之一。利用PM2.5粒子的消光特性,借助卫星遥感资料反演气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD),间接获得近地面PM2.5质量浓度,是监测区域PM2.5空气质量的一种有效方式。作为一个较新的研究领域,遥感估算PM2.5浓度在快速获取大范围、空间连续的标准化PM2.5质量浓度数据方面具有极大的优势。但在估算模型的精度、时空适用性等方面仍有待提高,尤其是对于中国,由于长期以来缺乏大范围的地面监测PM2.5基础数据,该领域的研究还比较滞后。 本文针对PM2.5遥感估算模型的精度和时空适用性问题,从站点和区域两种尺度着手,构建新的复合估算模型,增强模型对PM2.5与AOD关系在时空变异特征上的解释能力,提高模型对PM2.5浓度估算的精度水平。研究以中国陆地上空来自中分辨率成像光谱仪(MODIS)的气溶胶反演数据为基础,对比分析了近地面PM2.5质量浓度与AOD的时空分布特征及两者的相关性,针对PM2.5监测站点构建一种站点复合模型,将基于理论关系的修正回归模型与基于统计关系的多元回归模型相结合,并进一步由点及面,将模型扩展至区域尺度,最终建立适合中国不同地区的遥感估算PM2.5的区域复合模型。本文主要研究内容和结论如下： (1)中国地区MODIS反演AOD数据的地面验证。结果表明,来自Terra和Aqua卫星的MODIS Level2C051产品反演所获得的AOD数据,与AERONET地基遥感观测AOD值表现出极为显著的线性相关性,两者在卫星过境时段的均值和曰均值数据的相关系数都在0.9以上。虽然在总体上MODIS对AOD略有高估趋势,但其整体趋势与AERONET观测值的吻合度很高,在研究时段内MODIS反演AOD数据基本是准确可靠的。 (2)中国陆地上空AOD与PM2.5时空分布特征的对比及其相关性。PM2.5年平均浓度的高低值区域分布与AOD的空间分布格局很相似。华北平原、珠三角、长三角、四川盆地等AOD高值区(1.0)同时也是PM2.5高值城市(55μg/m3)的聚集区,PM2.5年均值可达到以上；青藏高原、云贵高原、东北地区、东南部福建一带等AOD低值区(0.2)PM2.5的值也相对较低(45μg/m3)。两者的季节变化特征存在较大差异,如全国522个站点的PM2.5季节均值排序为：冬季(86.84±67.38μg/m3)秋季(63.36±49.55μg/m3)春季(60.62±46.34μg/m3)夏季(45.34±36.89μg/m3),而AOD平均值的排序为春季(0.74±0.52)夏季(0.60±0.52)秋季(0.54±0.44)冬季(0.53±0.39)。两者的相关系数分布图显示,春季和冬季具有较高相关性系数的范围比夏、秋两季要大,绝大部分地区的相关系数都在0.45以上。夏季与秋季相关系数的空间差异更大,呈现东高西低的总体特征。 (3)基于理论关系的修正回归模型遥感PM2.5研究。选取PM2.5与AOD相关性较高的北京地区作为研究区域,探讨了大气边界层高度(PBLH)和相对湿度(RH)等因素对PM2.5-AOD原始关系模型的影响。PM2.5和MODIS AOD在春、夏、秋季的相关系数分别为0.69,0.60和0.73,经过PBLH和吸湿性增长因子f(RH)修正后,夏季的相关性提高到0.62-0.66,提高比例为4%-11%,其它季节未见明显改进,说明建模策略需要充分考虑PM2.5和AOD的时空变异特征。 (4)卫星遥感估算PM2.5的站点复合模型研究。建模分两个阶段进行,先由PM2.5和AOD的原始关系模型(OM)和PM2.5-AOD理论关系的修正回归模型(TM)相比较获取各站点的最优单变量回归模型(UVM),再将多种辅助气象因子通过最优子集法进行变量筛选后,以多元回归模型(MVM)与UVM模型相结合的方式构建站点复合模型(CM)。结果显示,各季节的站点CM模型在调整的R2、p值、平均百分误差(MAPE)和均方根误差(RMSE)四个指标上的表现都优于UVM模型和MVM模型,反映CM模型在融合UVM和MVM之后优势互补,有效提高了模型精度。 (5)卫星遥感估算PM2.5的区域复合模型研究。以站点模型为基础得到了全国区域划分模式,春、夏、秋、冬季分别有23,17,16和13个分区。构建了区域复合模型,并评价了区域CM模型的拟合精度,并与3种基础对照模型进行比较,发现各季节的区域CM模型都能广泛而有效地提高各区域内的PM2.5拟合精度,证明了模型分区结果的合理性和模型较高的精度水平。模型验证结果表明,PM2.5预测值与真实值在各个季节尺度下RMSE范围为24-43μg/m3。利用区域CM模型,对每日卫星过境时的PM2.5小时平均浓度进行预测,得到全国PM2.5预测浓度的季节格网图。通过Terra AOD和Aqua AOD估算获得的PM2.5空间分布情况非常相似。夏季Terra PM2.5和Aqua PM2.5的全国均值分别为43.5μg/m3和45.1μg/m3,春季为51.6μg/m3和50.7μg/m3,秋季为55.5μg/m3和56.9μg/m3,冬季则高达328.9和344.4μg/m3。华北地区和四川盆地全年都保持高浓度PM2.5,是全国细颗粒物的重污染区。 综上,本文借助遥感反演AOD数据和辅助气象资料,在探讨中国地区PM2.5和AOD的分布特征以及相互关系的基础上,提出并构建了站点和区域两种尺度下的估算中国陆地大气PM2.5的复合模型,提高了模型精度、改善了模型的时空适用性,为遥感估算PM2.5研究提供了有益参考。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X513;X87
【图文】：

110年的发展，从20世纪40年代以前的每年仅有不到10篇论文发表，到2013年已增长至5326篇。由图1.1可以看到，论文产量呈现持续显著的上升趋势，尤其是1991年以来进入了一个快速增长期。这一趋势一般被归因为SCI收录文献总数量增长所带来的附加效应。本文以每年的气溶胶研宄论文产量除以当年被SCI收录的论文总量，得到“标准化论文数量”（见公式1.1)。由此排除SCI论文总量增长的影响之后，图1.1中的标准化论文数量仍然随着年份呈明显波动上升趋势，因此，可以得出结论，气溶胶研宄正逐渐受到学术界的广泛关注，是科学研宄热点问题之一。标准化论文数量(0/0)=：收=数数量X 100 式U3

1900-2013年，气溶胶研究涵盖了 SCIE数据库中的126个学科类别。由图1.2可见，气象与大气科学（“Meteorology & Atmospheric Sciences”）和环境科学与生态（“Environmental Sciences & Ecology”）领域发表的论文数量最多，分别共有23448篇和17106篇，占到了所有期刊论文总数的32.2%和23.5%。随后的是工程学（“Engineering”)、化学（“Chemistry”）和物理（“Physics”）领域，论文数量占总量比例分别为13.9%、11.6%和4.9%。2000 ， 令Meteorology & Atmospheric Sciences <1 咖 夺Environmental Sciences & Ecology 1.? Engineering /5 1200 一Chemistry f J"-^Physics J Ms 800 4 f0 ^ .1:1 i .‘ lOii节产II 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015Year图1.2气溶股领域主要学科的论文成长趋势图Figure 1.2 Growth trends of publications in the top 4 categories since 1900-20134

本文编号：2738374