基于MODIS和地面监测数据的西安市PM2.5浓度反演研究

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1、分类号:P2210710-2015226003专业硕士学位论文基于MODIS和地面监测数据的西安市PM2.5浓度反演研究毛敏导师姓名职称王利副教授专业学位类别申请学位类别专业硕士测绘工程及领域名称论文提交日期2018年4月18日论文答辩日期2018年6月6日学位授予单位长安大学RsearchonInversionofPM2.5MassConcentrationinXi'anBasedonMODISandGroundMonitoringDataAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterC

2、andidate：MaoMinSupervisor：AssociateProf.WangLiChang’anUniversity,Xi’an,China摘要随着我国工业、交通及城市化的发展，向大气排放的污染物增多，导致大量的污染物在大气中聚集形成雾霾污染。目前我国对雾霾污染的监测主要还是依赖于常规的地面监测站点进行观测，但监测站点数量较少且分布稀疏，在时间和空间上都有所限制，无法满足区域性和高效监测雾霾污染的需要。而卫星遥感监测技术因其具有大范围、连续、动态等特点，在监测大气污染变化的连续性、空间分布和趋势方面有明

3、显的优势。卫星遥感技术可以弥补地面监测技术上的一些不足，也为地面监测数据提供了有力的补充，极大地促进了雾霾监测技术的发展。因此，利用卫星遥感技术对雾霾污染监测和治理具有十分重要的现实意义。本文利用由MODIS传感器获取的大气水汽含量、气溶胶数据以及由地面监测站获取的大气主要污染物和气象数据，探索了西安地区雾霾的主要污染物组成成分及其与各影响因素之间的变化规律。以MODIS遥感反演的气溶胶光学厚度（AOD）为主，研究了PM2.5质量浓度与AOD、大气水汽（PWV）和气象因素之间的关系模型，以达到遥感反演PM2.5质量

4、浓度的目的。主要研究内容及相应结论如下：1．利用ENVI+IDL的方法从MOD04_L2和MOD05_L2影像中提取出AOD、PWV数据，分析了西安市2016年全年PWV逐日变化趋势和四季的平均水汽含量情况，发现PWV含量具有明显的季节性。其中，夏季的平均PWV含量约为23.25mm，春秋季的平均PWV含量次之约为8mm，冬季平均PWV含量最少约为3.32mm，夏季的PWV含量远高于其他三季，究其原因，主要是西太平洋副热带高压影响了大气水汽含量的输送和冷暖空气交融。2．通过对全年和各季节的雾霾污染物成分含量及其变化

5、特征的分析，本文选取PM2.5质量浓度作为雾霾污染的评估指标，并结合地面监测站的监测数据，研究了PM2.5质量浓度分别与气象因素、PWV、AOD之间的变化规律及其相关性，发现在日值数据的比较中PM2.5质量浓度与其他各因素之间均存在一定的相关关系。结果表明：PM2.5质量浓度与气温、相对湿度呈正相关关系，与气压、风速、降水量呈负相关关系；PM2.5质量浓度与PWV含量呈正相关关系；PM2.5质量浓度与AOD呈正相关关系但相关性较弱。3．由于AOD是在大气环境中测得，而PM2.5质量浓度是在近地面测得且还经过了一个干

6、燥的过程，为了提高两者之间的相关性，对AOD和PM2.5质量浓度进行了垂直i订正和湿度订正，且对订正后的AOD与PM2.5质量浓度之间的相关程度进行研究，发现两者具有较好的相关性，但夏季的相关性有所降低，本文将不对夏季的数据进行湿度订正，仅进行了垂直订正。4．利用一元二次、指数和幂函数等3种函数类型分别对订正后各季节的AOD与PM22.5质量浓度进行了回归建模，由模型的决定系数R可知，冬季使用幂函数模型最优，春季、夏季和秋季使用一元二次函数模型均优于另外两种函数模型。5．考虑到雾霾变化过程复杂且受多种影响因素共同作

7、用，采用“向后筛选”的方法对订正后的PM2.5质量浓度、AOD、PWV含量、气象因素等进行了回归建模和验证，由模型的决定系数R2和估算PM2.5质量浓度的相对误差可知，基于多影响因素的PM2.5质量浓度估算模型优于仅基于AOD的估算模型。关键词：雾霾，MODIS，PM2.5，气溶胶光学厚度，大气水汽含量，气象因素iiAbstractWiththedevelopmentofindustry,transportationandurbanizationinChina,morepollutantsarereleasedin

8、totheatmosphere,causingalargeamountofpollutantsgatheredintheatmospheretoformfog/hazepollution.Atpresent,monitoringofhazepollutioninChinamainlyreliesontheconventionalgroundmonitorin