MODIS气溶胶光学厚度产品在武汉市大气污染研究中的应用

封面示例：学号_2010301110007学院归档号_________（黑体5号）武汉大学本科毕业论文（1号宋体居中）MODIS气溶胶光学厚度产品在武汉市大气污染研究中的应用（2号黑体居中，标题行间距为32磅）院（系）名称：资源与环境科学学院专业名称：地理学基地班学生姓名：付志伟指导教师：胡勇副教授（宋体小3）二○一四年五月学术声明示例：郑重声明（宋体粗体2号居中）本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。（宋体4号）本人签名：日期：二O一四年五月摘要现代社会经济发展迅速，同时由于产业发展不均衡等原因自然环境急剧恶化，资源消耗严重，大气污染成为人们日益关切的问题。空气污染指数(AirPollutionIndex，API)是关系大众生产生活的一个重要指标。因此，及时有效的地对空气质量情况进行监测及科学、准确的预报预测，是实现改善大气状况的第一步。我们现在最常用的API获取方式是地面基站实时监测，而大气污染的遥感监测也日益受到各国的重视。本文主要通过中分辨率成像光谱辐射仪(ModerateResolutionImagingSrcctroradiomater，M0DIS)二级产品气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth，AOD)数据与武汉地区的API、PM10质量浓度做相关性分析，尝试建立它们之间的相关模型。但AOD与API的直接回归分析显示其相关性并不好，而经过API提取出的PM10与AOD相关性要强一些，但两个回归模型精度都很一般。而利用相对湿度和气溶胶标高等气象条件进行校正后，AOD与API、PM10的相关性都有明显提高，模型精度也都很可观。研究证实，经过订正后的气溶胶光学厚度可以应用于地面PM10监测。关键词：气溶胶光学厚度；空气质量指数；PM10；武汉ABSTRACT(TimesNewRoman小2加粗)Thispaperiscarriedoutonthebasisofthe211project-Ssmi-physicalsimulationsystemforshipmotioncontrol.……(TimesNewRoman小4号)……Keywords:motioncontrol；autopilot；neural；GIS（TimesNewRoman体小4加粗）目录1绪论1.1研究背景随着我国经济的快速发展，工业化和城市化进程加速，空气污染问题日趋严重。空气污染，又称为大气污染，按照国际标准化组织（ISO）的定义，空气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象。空气污染指数API是用来对大气污染状况进行评估的最常用的指标。气溶胶是指大气中悬浮的半径小于几十微米的固态或液态微粒，它来源于沙尘粒子海洋粒子等自然源和人们生产、生活等人为源。有些气溶胶粒子是大气中的污染物质，直接影响空气质量，特别是产生于工业城市地区的气溶胶由碳等固体粒子和SO2、NOx在湿润空气环境中的化学反应形成的液态粒子。可吸入颗粒物PMl0己成为在我国大多数地区的首要污染物。大气气溶胶粒子的探测手段分为直接探测和遥感探测，其中遥感探测手段又包括利用地基遥感和利用卫星遥感。地基遥感包括全波段直接辐射遥感、多波段光度计遥感、宽带分光辐射遥感、华盖计遥感、根据天空散射亮度分布遥感、激光雷达遥感等。气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth，AOD)是无云大气铅直气柱中，由于气溶胶散射造成的消光系数在垂直方向上的积分，是描述气溶胶对光衰减作用的一个无量纲物理量，是气溶胶的一个重要参数，对研究气溶胶的气候效应，具有重要意义，并在一定程度上能够反映区域大气污染程度。对于气溶胶光学厚度的研究主要包括以下四个方面：(1)地面太阳光度计，它是目前能够精确测量气溶胶的仪器之一，其中以全自动太阳光度计CE一318应用最为广泛，(2)全波段太阳辐射，但是目前国内外只有几十个对全波段太阳直接辐射进行测量的站点，(3)激光雷达，利用激光雷达可直接获得气溶胶空间垂直分布信息，但是这种方法在大气探测领域的业务化运行并不多见，因为常规的激光雷达发射的脉冲能量很高，对人和飞行器可能造成危害；其次价格昂贵，种种不利因素使得激光雷达并不适用于气溶胶监测的业务化应用，(4)卫星遥感。当前的环境污染监测手段主要以地面站点监测为主，地面站监测范围与人类所处生存环境相一致，监测数据具有精度高、处理方便等优点。但由于地面站点数量较少、分布离散，而城市污染源的情况十分复杂，既有点源污染和众多的小面源污染，也有移动源污染，且分布不均，使得站点测量的数据缺乏代表性H引，难以实现污染物的时空区域变化特征以及区域间的输送状况监测，在动态确定区域污染源位置和客观描述污染强度等方面受到很大的限制。而卫星遥感技术具有监测范围广、速度快、成本低，且便于进行长期的动态监测等优势，还能发现有时用常规方法难以揭示的污染源及其扩散的状态，它不但可以快速、实时、动态、省时省力地监测大范围的大气环境变化和大气环境污染，也可以实时、快速跟踪和监测突发性大气环境污染事件的发生、发展，以便及时制定处理措施，减少气污染造成的损失。因此，遥感监测作为大气环境管理和大气污染控制的重要手段之一，正发挥着不可替代的作用。1.2国内外研究综述这些年来，卫星遥感应用于大气污染的相关研究，学者们进行了诸多探索，国内外已经取得了很多成果;1986年赵柏林等利用NOAA-AVHRR资料，进行了海洋上空大气气溶胶的遥感研究;Chu等利用NASA的10km的Level2气溶胶光学厚度产品研究了MODIS资料在监测全球区域和局地大气污染方面的应用,证实其存在很显著的应用价值;Engel-Cox等从MODIS真彩色图像和气溶胶光学厚度在定性和定量两方面研究了AOD在大气污染研究中的应用问题，通过将卫星遥感资料与地面污染物质量浓度的比较发现二者在美国中、东部地区比西部地区具有较高的相关;李成才等(2005)对MODIS气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数做了比较分析，发现直接比对时，二者相关性较低，经湿度订正和垂直订正后，二者相关系数显著提高，证实了卫星遥感反演的气溶胶光学厚度在经过垂直订正和湿度订正后，可以作为监测城市颗粒物污染物地面分布的一个有效手段;王皓等依据大气污染指数(API)的分级标准，将南京市APl分组后，把各组的MODISAOD和API均值建立相关模型，并用该模型来预测空气质量指数。这部分要多写2研究目的与内容2.1研究目的随着城市人口急剧增长，城市工业过度发展，机动车大量增加，大气污染成为了大多数发展中国家在工业化过程中普遍面临的一个难题。在中国大陆，城市大气污染物主要为可吸入气溶胶颗粒物。因此，研究气溶胶的区域气候效应、环境生态效应具有十分重要的意义。由于气溶胶物理化学性质具有时空多变性，研究气溶胶粒子对环境与气候影响在很大程度上依赖于对其时空分布状况的了解和光学特性的准确估算，利用卫星遥感资料来分析大气气溶胶的分布和变化也就成为目前重要的探测手段。大气气溶胶的光学厚度是表征大气浑浊度的一个重要物理量，是确定气溶胶气候效应的一个关键因子，并在一定程度上能够反映区域大气的污染程度。为了在更广泛的地区进行空气污染监测，节约地面监测设备投入使用的资金，提高效益，我们可以尝试直接使用MODIS遥感气溶胶光学厚度产品进行空气污染研究。当前使用遥感手段监测的主要光学属性是气溶胶的光学厚度(AOD)，而人们关心的环境污染则是与近地表污染物浓度信息相关的空气污染指数(API)，实现AOD到API的转换是发挥卫星遥感技术在大气污染监测中重要作用的必要环节。因此，为实现大气颗粒物污染的卫星遥感监测，探讨AOD与API的相关关系非常必要。本研究通过对MODIS气溶胶光学厚度和城市空气污染指数进行回归分析，从MODIS气溶胶光学厚度推算出城市空气污染指数。用卫星遥感数据产品来替代需要通过繁复计算才得到的API值，以此来估算空气质量等级。另外，对缺少地面观测台站的地区，通过遥感反演空气污染指数将具有更加实用的意义。2.2研究区域2.2.1地理位置武汉位于江汉平原东部，地处东经113°41′－115°05′，北纬29°58′－31°22′，东端在新洲区柳河乡将军山，西端为蔡甸区成功乡窑湾村，南端在江夏区湖泗乡刘均堡村，北端至黄陂区蔡店乡下段家田村。因长江与其最大的支流汉水交汇于此，故而隔江鼎立的武昌、汉口、汉阳三地被俗称武汉三镇。武汉东与黄冈市的团风县、鄂州市的华容区、梁子湖区、黄石市的大冶市接壤，南与咸宁市的嘉鱼县、咸宁市区相连，西与荆州市的洪湖市及仙桃市（省辖县级市）毗邻，北与孝感市的孝南区、孝昌县、大悟县、汉川市及黄冈市的红安县、麻城市相接，形似一只自西向东的蝴蝶形状。在中国经济地理圈内，武汉处于优越的中心位置是中国地理上的“心脏”，故被称为“九省通衢”之地，是中华人民共和国湖北省省会。中国15个副省级城市之一，也是中部六省唯一的副省级城市，长江中下游特大城市之一，中国中部地区（华中）的最大都市和区域中心城市，中国重要的工业基地、科教基地和综合交通枢纽。唐朝诗人李白在此写下“黄鹤楼中吹玉笛，江城五月落梅花”，因此武汉自古又称“江城”。武汉全境面积达8494平方公里，为湖北省面积的4.6％。七个城市辖区面积863平方公里，外环以内面积1171.70平方公里，武汉三环线（中环线）内的城区面积684平方公里。截至2009年底建成区面积为475平方公里。十三个辖区中黄陂区面积最大为2261平方公里，江汉区面积最小为33平方公里，城区中洪山区面积最大达502平方公里。2.2.2自然环境武汉属北亚热带季风性湿润气候，有雨量充沛、日照充足、夏季酷热、冬季寒冷的特点。一般年均气温15.8℃－17.5℃，一年中，1月平均气温最低，0.4℃；7、8月平均气温最高，28.7℃。夏季极长达135天，因武汉地处北纬30度，夏季正午太阳高度可达83°，又地处内陆、距海洋远，地形如盆地故集热容易散热难，河湖多故夜晚水汽多，加上城市热岛效应和伏旱时副高控制，十分闷热，是中国三大火炉之一，夏天普遍高于37℃，极端最高气温44.5℃。初夏梅雨季节雨量集中，年降水量为1100毫米。武汉活动积温为5150℃，年无霜期240天，年日照总时数2000小时。武汉地形以平原为主，中部散列东西向残丘。沿着梅子山、龟山、蛇山、洪山、小洪山、珞珈山、喻家山一带，连同辐射到两翼的马房山、桂子山、伏虎山、凤凰山等构成了武汉地形上的龙脉，武汉的绝大部分重要机构分布于该龙脉两侧，这条龙脉的头是喻家山，腰部是洪山，尾部则是月湖旁的梅子山。平坦平原（39.25％）位于武汉市长江、汉江两岸以及湖泊周围。是棉花和蔬菜产区。垄岗平原（42.56％）位于各湖泊周边和丘陵向平原的过渡带，盛产水稻和鱼。丘陵（12.32％）分为三列，均被林木覆盖：北列分布在新洲区、黄陂区北部；中列横穿城区；南列分布在蔡甸区、江夏区北部。低山（5.85％）主要分布在黄陂区和新洲区东北部，海拔在200米～500米以上。黄陂区和孝感市交界的双尖峰，海拔873米，是武汉最高点。2.2.3大气污染状况2013年，是武汉市正式执行新《环境空气质量标准》的第一年。这一年正式对PM2.5、二氧化硫、二氧化氮等六项污染物开展监测。1月20日，武汉市环保局发布《2013年武汉市空气环境质量报告》，报告显示：2013年，武汉市城区空气质量优良天数为160天，优良率为43.8%。优良天数不足一半，重污染天数也不太乐观。据统计，武汉市重污染天数累计出现63天，占全年总天数的17.3%，平均下来，相当于每隔六天就会出现一次重污染天气过程。报告显示，六项评价指标中，达标项目有二氧化硫、一氧化碳、臭氧等三项指