（摄影测量与遥感专业论文）基于modis气溶胶光学厚度反演的pm10浓度监测——以惠州市为例.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着我国经济的快速发展，工业化和城镇化进程加速，部分地区 的环境承载压力不断加大，大气污染问题日趋严重。在我国大多数地 区，可吸入颗粒物p m 。己成为影响环境空气质量的首要污染物。针对 当前大气污染的现实状况，利用卫星遥感监测空气污染的空间分布及 变化趋势具有相当重要的现实意义。 本文基于研究m o d i s 数据在大气污染和可吸入颗粒物p m 。监测的 作用出发，提出利用m o d i sl i b 数据反演气溶胶光学厚度a o d ，并对 同时段的p m 。时均值数据与a o d 数据使用多种方法进行回归分析，建 立相应的关系模型，以期发现能够较准确反映两者关系的模型，实现 利用m o d i s 数据实时动态地监测大气污染数据的目的。主要结论如 下： ( 1 ) m o d i s 反演的气溶胶光学厚度和可吸入颗粒物p m 。的浓度具 有较好的相关性，在一定程度上可以反映城市空气污染状况。但对 p m 。与a o d 之间进行统计回归分析只有当首要污染物为p m ，。时，两者 之间才能进行统计回归分析。如果某些日子的主要污染物不是可吸入 颗粒物，而是s o ：或n 0 。，则必须排除这些天的数据，才能进行统计回 归分析。 ( 2 ) 在对m o d i s 数据进行气溶胶反演，6 s 模式中的大气模型参数 为大陆模式，此模型的使用受气象条件的影响，在某些时段有局限性 ( 如夏季) ，影响反演的精度；在此情况下进行反演，最好能对气溶胶 的成分进行分析，以减少误差。 ( 3 ) 利用2 0 0 8 年9 月至1 1 月的m o d i sl i b 数据反演的a o d 数据， 与p m m 的建立五种类型的回归模型，通过分析确定系数r 2 和f 检验的 值，得到较优的两个回归模型：线性模型和一元二次模型；用检验数 据对两个模型进行检验，得到的平均相对误差分别为11 7 、3 0 6 ， 确定线性模型为反映a o d 与p m 。最佳拟合模型。 关键词：m o d i s ，气溶胶光学厚度，p m 。，反演算法，暗像元 中南大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dc o u r s eo fi n d u s t r i a l i z a t i o n a n du r b a n i z a t i o ni no u rc o u n t r y , t h ee n v i r o n m e n ts t r e s so fm o s ta r e a s i n c r e a s e s ，t h ep o l l u t i o no ft h ea t m o s p h e r ea l s ob e c o m e sm o r ea n dm o r e s e r i o u s i nm o s ta r e a s ，ak i n do fi n h a l a b l ep a r t i c l e - - - p m l ob e c o m e st h e c r i t i c a lp o l l u t a n tw h i c ha f f e c t st h ea i rq u a l i t y f o c u so nt h ee x i s t i n gr e a l i t y , u t i l i z et h es a t e l l i t er e m o t es e n s i n gt om o n i t o rt h es p a c ed i s t r i b u t i o na n d v a r i a t i o nt r e n do ft h e p o l l u t i o n h a st h em o s t i m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h ea r t i c l eb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h em o n i t o r i n gf u n c t i o no f m o d i sd a t aw h i c ha f f e c t st h ea i rp o l l u t i o na n dp m l 0 ，p u tf o r w a r dt h e u t i l i z a t i o no fm o d i slibd a t ai n v e r tt h ea o d ( a e r o s o lo p t i c a ld e p t h ) t h e np r o c e e dt h er e g r e s s i o na n a l y s i sb ym u l t i p l em e t h o d sf o rm e a nv a l u e o fp m l oa n da o dd a t aw h i c ha p p e a ra tt h es a m ep e r i o d ，e s t a b l i s h r e l e v a n tr e l a t i o n a lm o d e l t h ep u r p o s eo ft h er e s e a r c hi s e x p e c t e dt o d i s c o v e rt h em o d e lw h i c hc a nr e f l e c tt h er e l a t i o n s h i po ft h et w od a t a e x a c t l y , a n dr e a l i z et h eu t i l i z a t i o no fm o d i sd a t at om o n i t o rt h ea i r p o l l u t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea e r o s o lo p t i c a ld e p t ha n dt h ei n h a l a b l ep a r t i c u l a t em a t t e r ( p m l0 ) c o n c e n t r a t i o nh a v eb e t t e rr e l a t i o n s h i pw h i c hw a si n v e r t e db y m o d i s ，t h i sc a nr e f l e c tt h ec o n d i t i o no fa i rp o l l u t i o ni nc i t i e st oac e r t a i n e x t e n t h o w e v e r , o n l yw h e nt h ec r i t i c a lp o l l u t a n ti sp m 10 ，w ec a nt a k ea s t a t i s t i cr e g r e s s i o na n a l y s i sb e t w e e np m l oa n da o d i fi nap e r i o d ，t h e c r i t i c a lp o l l u t a n t sw e r en o ti n h a l a b l ep a r t i c u l a t em a t t e rb u ts 0 2o rn 0 2 ， w es h o u l de l i m i n a t et h ed a t ai nt h e s ed a y s ( 2 ) w h e n w ep r o c e e dt h ea e r o s o li n v e r s i o no nt h em o d i sd a t a ，t h e a t m o s p h e r em o d e lp a r a m e t e ri n6 sm o d e li s c o n t i n e n t p a t t e r n ，t h e u t i l i z a t i o no ft h i sm o d e lh a sb e e na f f e c t e db yc l i m a t ec o n d i t i o n 1 1 1 i s m o d e lh a sl i m i t a t i o n si ns o m ep e r i o d s ( s u c ha ss u m m e r ) ，a n dt h e s e l i m i t a t i o n sw o u l da f f e c tt h e p r e c i s i o n o fi n v e r s i o n u n d e rt h e s e c o n d i t i o n s ，w e db e t t e ra n a l y z et h ec o m p o n e n t so ft h ea e r o s o li no r d e rt o d e c r e a s ee r r o r s 中南大学硕士学位论文 英文摘要 ( 3 ) c o n s t r u c t e df i v et y p e so fr e g r e s s i o nm o d e lb yt h eu t i l i z a t i o no f p m l oa n da o d d a t aw h i c hi n v e r t e db ym o d i sl 1 bd a t at h a tg e n e r a t e d b e t w e e ns e p t e m b e ra n dn o v e m b e ri n2 0 0 8 a c c o r d i n gt oa n a l y z et h e s e d a t aw h i c hv e r i f l e db yt o e f ! f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n 酣a n df w eg o tt w o b e r e rr e g r e s s i o nm o d e l s ：l i n e a rm o d e la n dq u a d r a t i cm o d e l w h e n v e r i f i e dt h e mb yt e s t i n gd a t a t h e i ra v e r a g er e l a t i v ee r r o r sa r e1 1 7 a n d 3 0 6 r e s p e c t i v e l y s ow ec a ne n s u r et h a tt h eb e s tf i t t i n gm o d e lw h i c h c a nr e f l e c tt h ea o da n dp m l oi s1 i n e a rm o d e l k e y w o r d s m o d i s ，a e r o s o lo p t i c a ld e p t h ，p m l 0 ，r e t r i e v a l a l g o r i t h m ，d e n s ed a r kv e g e t a t i o n i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：址 吼碎年山上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：瓢导师签名生幽日期：卑年月三日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论1 帚一早三百下匕 随着经济的快速增长，工业化和城镇化进程加速，机动车保有量急剧增加， 在带来大量社会财富的同时，也带来了资源的消耗和环境的破坏。特别是在经济 发达地区，环境的承载压力增大，大气污染问题日趋严重。在我国绝大多数地区， 可吸入颗粒p m 。已成为影响环境空气质量的首要污染物，其带来的直接和间接 危害已严重影响人们的生存环境和身体健康。因此，及时有效的监测空气质量情 况，进行及科学、精准的预报预测，就成了亟待解决的问题。 大气污染监测作为监控大气污染源排放和控制的主要手段之一，正在迅速的 发展，并在实际中发挥效益。但由于我国幅原辽阔，地面监测站点分散，并且大 多数分布在各个大、中城市区域，依靠现有的监测台站和传统监测技术，难以做 到迅速有效的监测区域性大气污染。近年来随着高分辨率、多光谱卫星遥感的发 展，实时有效地对城市进行大气污染监测变为了可能，卫星遥感对城市大气污染 的宏观分析相对于地面监测站所进行的单点监测而言更有意义，利用遥感技术及 时而有效地监测和预测大气污染己成为一项有着现实意义的课题。 气溶胶是指大气作为气相载体与悬浮在其中半径小于几十微米的固态或液 态微粒共同组成的多相体系【l 】。其粒子按来源可分自然来源和人工为源，自然来 源如沙尘粒子、海洋粒子、森林火灾与火山爆发所产生的大量烟尘粒子等；人工 来源为人类活动所产生，如由煤、木炭、石油的燃烧和工业活动所产生的大量固 体烟尘颗粒和吸湿性物质等。有研究表明，自从工业化以来，人类除了直接向大 气排放大量的粒子外，工业生产所产生的n 0 2 、s 0 2 等酸性气体，通过紫外线照 射，逐渐转化成酸性盐粒子，形成二次气溶胶，对气候和环境产生重要影响。 气溶胶通过对太阳辐射的散射和吸收及与太阳和地球辐射的相互作用干扰 辐射平衡( k a u f m a n 等，1 9 9 9 ) ，其中，对太阳短波辐射的散射增加了地球反射率 ( 反照率) ，从而导致大气环流的变化；同时，它可以作为云的凝结核影响云的 形成及其微物理结构，通过改变云的光学特性来间接影响全球气候的变化。气溶 胶粒子还能通过化学作用改变气候影响成分( 例如温室气体c 0 2 , 0 3 ) 间接影响气 候。气溶胶的生命周期短( 一般只有几天) 【2 】，伴随着很强的光学厚度空间变化特 性，并能产生不同方式的辐射强迫，造成区域尺度上1 0 w m 2 量级的辐射强迫变 化( 例如：t e g e n 等人( 1 9 9 6 ) 1 3 j 对沙尘以及c h r i s t o p h e r 等人( 1 9 9 6 ) 1 4 j 对烟的研究等) 。 在全球尺度上，这些变化造成了1 - 2 w m 。2 的辐射强迫。同时，气溶胶辐射强迫 被认为是导致气候变化不确定性的关键要素( t w o m e y 等a ( 1 9 8 4 ) i 引，c h a r l s o n 等 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 j k ( 1 9 9 2 ) 1 6 1 ) 。根据气溶胶对全球气候的影响，它成为科学家对气候变化研究的重 要议题。由于气溶胶具有生命周期短、高空间变化的特点，研究它对气候变化的 影响迫切需要来自空基卫星平台的大范围观测【7 1 。 大气气溶胶同时具有显著的环境效应，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、由碳等固体粒子和s 0 2 ，n o x 在湿润空气环境中的化学反应形成的液态粒子组成( 李晓静等，2 0 0 3 ) 【8 】。直径小 于2 5 1 t m 的气溶胶颗粒( p m 2 5 ) 因为对可见光的消光( 散射和吸收) 作用导致地面 能见度的显著下降；直径在1 0 m 以下的气溶胶颗粒物( p m l o ) 可到达人类呼吸系 统的支气管区，直径在l l a m 以下细粒子则可进入肺泡，最终导致心血管和哮喘 疾病的增加，直接对人类的健康造成显著的影响【9 】。 现阶段迫切需要提供一种新的大气环境监测手段，来弥补常规大气污染监测 方法难以准确反映污染状况空间分布和变化趋势不足。由于卫星遥感具有监测范 围广、速度快、成本低等特点，便于进行长期动态监测。e o s 卫星搭载的m o d i s 传感器，可实时地获得来自大气、海洋和陆地表面信息，每日可更新一次全球观 测数据，因此利用m o d i s 来获取大气气溶胶光学厚度具有独特的优势。可吸入 颗粒物是目前经济发达地区的主要大气污染物，也是计算空气污染指数( a p i ) 的 主要指标，本研究通过对m o d i s 气溶胶光学厚度和惠州市可吸入颗粒物p m l 0 的数值进行相关分析，从而用来监测和评估大气质量。 1 2 国内外研究、发展状况 1 2 1 遥感技术在大气污染研究中的应用 迄今为止，对于如何将遥感技术运用到大气污染的监测中，国内外学者己做 了大量的研究工作。 周斌等运用光在传输过程中会被大气中的气体分子选择性地吸收这一特性， 使用差分光学吸收光谱( d o a s ) 法测量大气污染气体b o l ；魏合理等利用n 0 2 在 4 3 0 4 5 0 n m 波段范围的吸收特征表现为明显的峰谷结构，反演出大气中n 0 2 含量 及其变化【l l 】；于意仲等采用差分光学吸收光谱法，对紫外波段s 0 2 、n o 、n 0 2 污染气体吸收光谱进行t i l 型1 2 】；王雪梅等通过像元分解从t m 卫星数据直接定 量提取区域大气污染气体累加浓度信息【l3 】；熊利亚等运用m o d i s 数据，建立沙 尘信息遥感定量化提取模型，为沙尘灾害预报、监测、防治提供理论方法支持和 依据【1 4 】；王皓等依据空气污染指数a p i 的分级标准，用特定的步长分组，将各 组的a o t 和a p i 均值建立相关模型，并用该模型来预测空气质量指数l l5 j ；夏丽 华等利用m o d i s 数据反演的大气气溶胶光学厚度与大气环境污染的关系，建立 城市光化学污染的预警【1 6 l ；马国欣等利用卫星遥感数据监测珠江三角洲地区的 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 灰霾情况【l 刀。李成才等利用m o d i s 气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数 进行比较分析，发现卫星遥感在监测颗粒物排放源分布上具有应用价值。 h i s a o 等根据树叶中s 0 2 含量与遥感数据中植被指数的关系来估计大气污染 的情况【1 8 】；k e l l e r 和l a m p r e c h t 运用s p o t 影像监测a l a s k a 路面灰尘的传输和沉 积；h u t c h i s o nkd 利用m o d i s 卫星图像动态监测大气光学厚度，通过多时 相对比反演大气质量【2 0 l 。1 9 9 6 年，g a m i t e s 等人采用o p f t i r 光谱仪和紫外示 差吸收光谱仪成功对亚特兰大奥运村附近上空的臭氧进行监测1 2 1 1 ；n o t h l o t 等人 利用傅立叶变换光谱技术来对大气进行遥感监测，做了大量的研究，对大气层中 的温室气体以及大量的痕量气体进行了遥感监测。 1 2 2 卫星遥感技术在大气气溶胶研究中的应用 c h u 等利用n a s a 的m o d i s1 0 k m 分辨率的l e v e l 2 气溶胶光学厚度产品进 行研究，证实了其在监测全球、区域和局地大气污染方面的应用方面，有很显著 的应用价值【2 刁；e n g e l c o x 等从m o d i s 数据和气溶胶光学厚度在定性和定量两 方面研究了a o d 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 染物质量浓度的对比发现二者在美国中、东部地区比西部地区具有较高的相关性 【2 3 】；w a n g 等利用在美国阿拉巴马州的一个城市多个站点的地面空气监测数据和 卫星资料研究表明，p m 2 5 质量浓度与a o d 相关系数在0 7 以上，表明主要污染 物分布在混合层内而且a o d 可以被定量用于空气质量的评估【2 4 】；l a u 等研究表 明，m o d i s 遥感的a o d 与地面监测的可吸入颗粒物浓度有较好的相关，a o d 的空间分布可以用来监测污染物区域输送1 2 习；李成才等利用1 0k m 和1k m m o d i s 的气溶胶遥感产品研究北京市大气污染，分析a o d 与北京市空气污染 指数的相关性，并利用卫星遥感产品a o d 研究区域输送过程对北京大气污染的 影响【9 1 。 1 3 论文的内容与组织 1 3 1 论文的内容 本文利用m o d i s 卫星数据，对2 0 0 8 年9 月至1 1 月惠州地区的大气气溶胶 光学厚度( a o d ) 进行反演，结合卫星过境时间地面监测站获取的可吸入颗粒物 p m l o 的时平均浓度值，根据统计学回归分析的方法，建立可吸入颗粒物p m l o 和 大气气溶胶光学厚度a o d 之间的数学模型，并探讨气溶胶光学厚度a o d 和p m i o 之间的关系，为利用卫星遥感数据实时监测大气空气质量探寻新的途径。 本文的研究内容主要包括以下几点： 1 利用m o d i sl 1 b 遥感数据反演大气气溶胶光学厚度 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在对m o d i sl i b 遥感数据进行预处理的基础上，根据k a u f m a n t 和s e n d r a 等人建立的暗像元算法，利用6 s 大气辐射传输模式，建立查找表；以数值敏感 性试验分析算法中主要参数对反演结果的影响，给出主要参数确定方法； 2 建立利用m o d i sl 1 b 遥感数据反演惠州地区气溶胶光学厚度的遥感模 型： 3 建立可吸入颗粒物p m l o 和气溶胶光学厚度a o d 的回归模型； 4 利用建立的模型，对m o d i s 反演的气溶胶光学厚度预测可吸入颗粒物 p m l o 的浓度展开实验； 5 对所预测的p m l o 浓度与实际监测的数据对比，并进行准确度评价； 1 3 2 论文的组织 针对论文的内容，对各章节作了如下的安排： 第一章绪论 首先针对当前大气污染的现实状况，提出用卫星遥感监测空气污染的空间分 布及变化趋势的意义，接着从遥感技术在研究大气污染和大气气溶胶的中发挥的 作用出发，提出基于m o d i sl 1 b 数据反演气溶胶光学厚度a o d ，并用同时段 的p m l o 数据与a o d 进行回归分析的研究思路，最后给出本文研究的主要内容 和章节安排。 第二章相关数据介绍及研究方法 介绍了m o d i s 传感器和m o d i s 数据的用途及特性，并对气溶胶光学厚度 的概念和计算方式进行了简要阐述；同时，通过对前人的研究进行分析，肯定了 可吸入颗粒物p m l o 与m o d i s 反演气溶胶光学厚度a o d 具有统计学上的相关 性。 第三章气溶胶光学厚度反演算法与辐射传输模式 从太阳辐射在通过地球大气中的传输过程能量的传递与吸收入手，分析了利 用遥感手段反演气溶胶的光学厚度的原理，比较了结构函数法和暗像元法两种气 溶胶反演算法的原理及适用范围；最后对6 s 大气辐射传输模式的输入参数和工 作流程进行了阐述。 第四章研究区域的气溶胶光学厚度反演 首先对研究区域惠州市的气候地形条件及空气污染特征进行了介绍，然后对 使用的m o d i s 数据进行预处理，并借助了6 s 模式进行模拟对红、蓝和近红处 通道进行敏感性实验；最后通过暗像元法获取各反演通道的地表反射率，利用 6 s 模式建立查找表l u t ，计算出监测点上空的气溶胶光学厚度a o d 。 第五章气溶胶光学厚度与p m l o 的回归分析 利用反演出来的气溶胶光学厚度a o d 与同时段的p m i o 浓度值进行回归分 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 析，比较后对较好的两种进行检验，得到最优模型。 第六章总结与讨论。 中南大学硕士学位论文 第二章相关数据介绍及研究方法 第二章相关数据介绍及研究方法 本文利用m o d i sl 1 b 数据进行陆地大气气溶胶光学厚度的反演，反演所得 的a o d 与可吸入颗粒物p m l o 的浓度进行回归分析。本章主要介绍m o d i s 卫星 数据、a o d 和p m l o 以及对a o d 和p m i o 进行统计回归分析的方法。 2 1 背景知识及相关数据介绍 2 1 1m o d i s 传感器介绍 为深入研究和调查全球环境变化、全球气候变化和自然灾害频发等全球性问 题，1 9 9 1 年美国国家宇航局烈a s a ) 正式启动了把地球作为一个整体环境系统进 行综合观测的地球观测系统( e o s ) 计划，并于1 9 9 9 年和2 0 0 2 年分别发射了 t e r r a 和a q u a 两颗对地观测系统卫星。 m o d i s 是t e r r a ( e o s a m l ) 和a q u a ( e o s p m l ) 两颗极地轨道环境遥感卫 星搭载的主要传感器，它的英文全称为m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n g s p e c t r a d i o m e t e r ，即中分辨率成像光谱仪，是当前世界新一代“图谱合一 的光 学遥感仪器，具有3 6 个光谱通道，分布在0 4 1 4 儿m 的电磁波谱范围内( 见表2 1 ) 。 m o d i s 仪器的星下点地面分辨率分别为2 5 0 m 、5 0 0 m 和1 0 0 0 m ，扫描宽度为 2 3 3 0 k m ，在对地观测过程中，可同时获取来自大气、海洋和陆地表面的信息； 它的运行周期为1 2 天，每日或每两同可获取一次全球观测数据1 2 引。两颗卫星 ( ( t e e r a 和a q u a ) 每天对我国绝大部分地区观测达4 次( 白天与夜间各2 次) ， 这对突发性的自然灾害或大气污染事件有很强的监测能力；m o d i s 各波段输出 的灰度量化等级为1 2b i t ，量化等级比n o a aa v h r r 高4 倍，另外采用了可 见光波段星上校准技术，确保长期稳定观测；其数据率平均6 2 m b p s ，白天( 全波 段数据收集) l o 8 m b p s ，夜间( 仅热红外波段数据收集) ) 2 5 5 m b p s l 2 7 1 ；由于m o d i s 数据具有多光谱分辨率、高时间分辨率、高空间分辨率等特点，因此它在监测资 源、环境、灾害和全球气候变化等方面具有重大意义。 m o d i s 观测的目标主要有如下几种： 1 ) 陆地与海洋表面温度和地面火情； 2 ) 海洋水色，浮游植物和叶绿素； 3 ) 全球植被测绘和变化探测； 4 ) 云的边界、温度和特性； 5 ) 气溶胶的特性； 6 ) 大气温度和湿度的探测，雪的覆盖和表征； 7 ) 洋流； 6 中南大学硕士学位论文第二章相关数据介绍及研究方法 8 ) 臭氧等f 2 8 1 。 表2 1m o d i s 仪器特征与主要用途 光谱范围信噪比 通道主要用途分辨率，m 1 1 9 通道( n m ) , 2 0 - - 3 6 通道( 1 t t m ) n e a t l 6 2 0 , - 6 7 0 12 82 5 0 2 8 4 l 8 7 6 2 0 1 陆地、云边界 2 5 0 3 4 5 9 4 7 9 2 4 35 0 0 4 5 4 5 5 6 5 2 2 8 陆地、云特征 5 0 0 5 1 2 3 0 - - , 1 2 5 0 7 45 0 0 6 1 6 2 8 - - , 1 6 5 2 2 7 5陆地、云特征5 0 0 7 2 1 0 5 - 2 1 3 5 11 05 0 0 8 4 0 5 4 2 0 8 8 0 10 0 0 9 4 3 8 4 4 8 8 3 8 0 10 0 0 1 0 4 8 3 4 9 3 8 0 2 10 0 0 1 1 5 2 3 6 7 5 4 海洋水色、 1 0 0 0 1 2 5 4 6 - - 5 5 6 7 5 0 浮游植物、 10 0 0 1 3 6 6 2 - - 6 7 2 9 1 0 生物地理、 l o o o 1 4 6 7 3 - - 6 8 3 1 0 8 7 化学 1 0 0 0 1 5 7 4 3 ，7 5 3 5 8 6 10 0 0 1 6 8 6 2 _ 8 7 7 5 1 6 1 0 0 0 1 7 8 9 0 - 9 2 0 1 6 7 1 0 0 0 1 8 9 3 l 9 4 l 5 7 大气水汽 l 0 0 0 1 9 9 1 5 9 6 5 2 5 0 1 0 0 0 2 0 3 6 6 0 3 8 4 0 0 0 5 10 0 0 2 l 3 9 2 9 3 9 8 9 2 2 2 o 0 0 0 7 地球表面和云顶温度 10003929-39 8 91 0 0 0 2 3 4 0 2 0 4 0 8 0 0 0 7 10 0 0 2 4 4 4 3 3 4 4 9 8 0 2 5 4 o 2 2 5 5 大气温度 1 000482-45 4 910 0 0 2 6 1 3 6 肛l 3 9 0 1 5 0 4 1 0 0 0 2 7 6 5 3 5 6 8 9 5 0 2 8 7 4 7 5 0 2 2 5 5 卷云、水汽 1 l00000017 5 - 7 2 9 8 4 0 m v 8 7 0 0 0 0 5 10 0 0 3 0 9 5 8 0 9 8 8 0 0 2 5臭氧 l0 0 0 7 中南大学硕士学位论文第二章相关数据介绍及研究方法 3 l 780o12一一22 7 。0：。5 地球表面和云顶温度 100005 1 0 0 0 3 2 3 3 1 3 1 8 5 1 3 4 8 5 0 2 5 1 0 0 0 3 4 1 3 4 8 5 1 3 7 8 5 0 2 5 1 0 0 0 3 5 1 3 7 8 5 1 4 0 8 5 0 2 5 云顶高度 1 0 0 0 3 6 1 4 0 8 5 1 4 3 8 5 0 3 5 1 0 0 0 2 1 2m o d i s 数据及其获取方式 n a s a 将m o d i s 获取的实时观测数据通过x 波段向全球广播，全世界能够 免费接收，这样的数据接收和使用政策对于我国相关领域的科学工作者来说是不 可多得的，廉价并且实用的数据资源。目前主要有四种方式可以获得m o d i s 数 据：1 ) 利用m o d i s 数据地面接收站( 直接接收t e r r a 和a q u a 卫星信号) 接收； 2 ) 使用d v b s 数字视频卫星广播系统接收；3 ) 登陆n a s a 的l a a d s w e b ( h t t p ：l a d s w e b n a s c o m n a s a g o v ) 下载m o d i s 数据资料及其产品；4 ) 进入国内 m o d i s 数据共享平台网站( h t t p ：w w w n f i i e o s c n 0 下载m o d i s 数据资料。 本文所用到的m o d i s 数据，是由n a s a 的l a a d sw e b f h t t p ：l a d s w e b n a s c o m n a s a g o v ) 所提供的m o d i s 数据资料。结合本文的使用， 下面简要介绍下m o d i s 的数据格式及产品。 ( 1 ) m o d i s 数据产品的分级 m o d i s 数据产品分级系统：m o d i s 标准数据产品分级系统由5 级数据构成， 它们分别是：0 级、1 级、2 级、3 级和4 级。 0 级数据：卫星地面站直接接收的数据经过格式化同步、去扰、r s 纠错、 格式转变等相应的步骤和程序，处理之后的数据产品，数据文件扩展名为( p d s ) 。 l 级数据：对没有经过处理的仪器数据进行重建，数据时间配准，使用辅助 数据注解，计算和增补后的数据产品为l 级数据。包括m o d 0 1 ( l 1 a ) ，m o d 0 2 ( l 1 b ) 、m o d 0 3 三类文件，其中m o d 0 2 ( l ib ) 是m o d 0 1 ( l i a ) 和 m o d 0 3 处理之后获取的数据文件，也是用户可以直接使用的数据，这类数据文 件的扩展名为( h d f ) 。 2 级数据：在1 级数据基础上开发出的、具有相同空间分辨率和覆盖相同地 理区域的数据为2 级数据。 3 级数据：3 级数据时以统一的时间空间栅格表达的变量，通常具有一定的 完整性和一致性。在3 级水平上，将可以集中进行科学研究，如：定点时间序 列，来自单一技术的观测方程和通用模型等。 8 中南大学硕士学位论文第二章相关数据介绍及研究方法 4 级数据：通过分析模型和综合分析3 级以下数据得出的结果数据为4 级数 据。 f 2 ) m o d i s 数据产品分类 m o d i s 标准数据产品根据内容的不同分为0 级、1 级数据产品，在l b 级数 据产品之后，划分2 4 级数据产品，包括：陆地标准数据产品、大气标准数据 产品和海洋标准数据产品等三种主要标准数据产品类型，总计分解为4 4 种标准 数据产品类型( 分别以m o d 0 1 ，m o d 4 4 命名) ，可用于大气气溶胶光学厚度 反演的数据为m o d 0 2 产品类型，即m o d i sl 1 b 数据产品；而m o d 0 4 产品类 型为n a s a 的气溶胶光学厚度产品，它是大气2 、3 级标准数据产品，l a m b e r t 投影空间分辨率1 公里，地理坐标3 0 秒空间分辨率，每日数据为2 级数据产品， 每旬、每月数据合成为3 级数据产品【2 9 】。 2 1 3 气溶胶光学厚度( a o d ) ( 1 ) a o d 的概念 气溶胶是指悬浮在气体中的固体和( 或) 液体微粒与气体载体共同组成的多 相体系，其粒子直径多为1 0 - 31 0 2 t l r n 。大气中含有悬浮着的各种固体和液体粒子， 例如尘埃、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉，以及由水和冰组成的云雾滴、冰 晶和雨雪等粒子，所以也可以把空气看成是一种气溶胶 3 0 】。气溶胶光学厚度a o d ( a e r o s o lo p t i c a ld e p t h ) 指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光系数在垂 直方向上的积分，是描述气溶胶对光的衰减作用的，也可用来表示大气浑浊度。 铅直气柱中气溶胶含量越大，大气浑浊度也越大。大气浑浊度t 的定义有两种： 铅直气柱中气溶胶的光学厚度： 铅直气柱中实测气溶胶与分子消光的总光学厚度t 与分子消光的光学厚 度之比，即t 可，林克浑浊因子( fl i n k e 于1 9 2 2 年提出) 即属此范畴。大 气浑浊度随时间和地理位置而变化。一般夏季高于冬季，下午高于上午，并在夏 季中午前后达最大值，冬季日变化较小。在北半球，从高纬度地区向赤道，大气 浑浊度可增加约1 2 倍，冬季增加的幅度最大1 3 1 1 。其变化规律对于研究大气气溶 胶的分布和输送、垦荒的气候效应、大气污染及全球辐射平衡过程都有一定价值。 ( 2 ) a o d 的计算 在可见光和近红外光波段，气溶胶的光学厚度a o d 主要是由气溶胶对电磁 波的散射引起的。气溶胶光学厚度表现为消光系数在垂直方向上的积分，基本定 义式为公式( 1 ) 所示1 3 2 1 ：d - i h = j ：6 x n ( z ) d z( 2 1 ) 式中t ，是气溶胶光学厚度，九是波长，h 是大气标高，6 ，指粒子消光截面， 纠指消光粒子数密度垂直分布。针对m o d i s 各波段的特征，陆地气溶胶光学 9 中南大学硕士学位论文第二章相关数据介绍及研究方法 厚度是指获取的0 4 7 1 x m 、0 5 5 t m 和0 6 5 9 1 x m 波长的气溶胶光学厚度； ( 3 ) a n g s t r o m 波长指数 a n g s t r o m 波长指数( 0 【) 是一种表征气溶胶粒子相对大小的参数，a 越大，粒 子尺度越小，反之亦然。a n g s t r o m 波长指数计算需要两个中心波长至少相距2 0 n m 的波段的气溶胶光学厚度测值。a n g s t r o m 波长指数的定义如公式( 2 ) 所示f 3 2 】： 一 i n 丁l i n 吃 (22)6t= 一l 三 、。7 l n 元一l n 以 2 1 4 可吸入颗粒物p m l 0 可吸入颗粒物p m l o 是指悬浮在空气中，能进入人体的呼吸系统，空气动力 学当量直径1 0 微米的颗粒物，其浓度用每立方米空气中可吸入颗粒物的毫克 数表示( m g m 3 ) t 1 。 可吸入颗粒物p m l o 在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见 度影响都很大。大气中p m l o 的来源主要有三个方面：1 ) 一些颗粒物来自污染源 的直接排放，比如烟囱与车辆尾气；2 ) 未硬化的道路上行驶的机动车扬尘、建筑、 工业材料的破碎碾磨处理过程以及裸露地表被风吹起的沙尘；3 ) 1 4 - 1 大气中硫氧化 物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物二次大气化学反应形成的细小颗 粒物，它们的化学和物理组成依地点、气候、季节不同而有很大变化。 滞留在上呼吸道中的可吸入颗粒物能对粘膜组织产生刺激和腐蚀作用，引起 炎症，进而导致慢性鼻咽炎、慢性气管炎。滞留在细支气管和肺泡中的可吸入尘 能与直接进入肺深部的二氧化氮产生联合作用，损伤肺泡和粘膜，引起支气管和 肺部产生炎症。长期持续作用，还会诱发慢性阻塞性肺部疾患，并出现继发性感 染，最后，导致肺心病的死亡率增高。此外，颗粒物的吸附能力使之成为大气污 染物的“载体 。可吸入颗粒物能吸附有害气体和液体，并能深入肺部，从而导 致众多疾病的发生1 3 4 j 。 本文中使用的可吸入颗粒物p m l o 数据来自惠州市环境保护监测站的空气环 境质量自动监测系统。数据获取的方法采用1 3 射线吸收法，即利用1 3 粒子穿透物 质时强度随吸收层厚度增加而减弱的原理测定滤纸采样前后的质量差，并根据相 应时间段的采样体积，便可得出该时间段的可吸入颗粒物p m l o 的浓度。 2 2 研究方法 本文利用所获取的m o d i sl i b 数据，使用暗像元法对惠州地区气溶胶光学 厚度进行反演，然后根据经典统计学回归分析的方法，试图建立可吸入颗粒物 p m l o 与m o d i s 反演的气溶胶光学厚度a o d 之i 日j 的数学模型，以达到通过遥感 l o 中南大学硕士学位论文第二章相关数据介绍及研究方法 手段反演a o d 来监测城市空气质量之目的。但是，在对可吸入颗粒物p m l o 与 m o d i s 气溶胶光学厚度a o d 之间进行统计回归分析之前，必须要对它们之间 的相关性做充分的论证。否则，对可吸入颗粒物p m l o 与m o d i s 气溶胶光学厚 度a o d 之间建立了回归模型毫无现实意义。 大气气溶胶是指悬浮在大气中，半径在1 0 弓一1 0 2 9 m 间的固态和( 或) 液体微粒 与气体载体共同组成的多相体系，它来源于自然界的海洋、陆地表面、生物体( 孢 子、花粉) 和人类的生产和生活。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s 0 2 、n o x 在大气中通过非均相化学反应转化形成的二次气溶胶【3 5 1 。从气溶胶的形成可以看 出，工业城市地区的气溶胶与城市空气质量有关，城市上空的气溶胶光学厚度同 时反映了大气污染的污浊程度，我国城市的绝大多数天数的首要污染物为可吸入 颗粒物【3 6 1 ，从前人的研究来看3 6 j 【3 7 1 ，可吸入颗粒物p m l o 与m o d i s 反演气溶 胶光学厚度a o d 之间进行统计回归分析是存在相关性的。 从当前研究趋势看，有不少学者通过建立m o d i s 反演的气溶胶光学厚度 a o d 与可吸入颗粒物p m l o 之间的数学模型，试图以气溶胶光学厚度a o d 来反 映p m l o 的分布和输送状况。l a u 等研究表明，m o d i s 遥感的a o d 与地面观测 可吸入颗粒物质量浓度具有较好的相关，m o d i s 遥感的a o d 分布，可以在污 染物区域输送监测上扮演一个重要角色【3 8 】。x u 等利用卫星资料、地面观测和数 值模拟技术分析了造成北京市空气污染的一个重要原因是来自南部周边城市的 区域输送1 3 9 1 。李成才等通过对香港地区的可吸入颗粒物浓度p m l o 监侧数据和 m o d i s 气溶胶光学厚度a o d 的比较发现了两者有较高相关系数，对于监测城 市地区大气污染和变化趋势有现实意义1 3 。”。李成才等利用2 0 0 1 年m o d i s 气溶 胶光学厚度产品和北京市日平均可吸入颗粒物p m l o 浓度进行长期比较分析，发 现在引入湿度因子和季节变化的气溶胶标高的影响后，两者的相关系数为0 5 3 5 ， 大于统计学上9 9 置信度的要求，证实该了气溶胶光学厚度a o d 可用于可吸入 颗粒物p m l o 监测1 9 1 。程兴宏等利用车载气溶胶分析测量仪对北京市区的p m l o 进行多点采样，并与当日