论文部分内容阅读
随着我国经济迅速崛起，环境污染问题日益突出，尤其华北平原在过去10年内灰霾现象频繁发生。遥感卫星具有覆盖范围广、动态更新等优势，可以弥补地面监测站点空间分布上存在的不足，已成为区域和全球尺度大气污染物监测的重要手段。华北平原大气污染物成分复杂、来源广泛，常以气溶胶光学厚度AOD(Aerosol Optical Depth)、二氧化氮NO2、二氧化硫SO2等复合污染物为主，借助卫星遥感观测资料有助于厘清该区域大气污染的时空特征，能够为该区域的大气污染防治提供重要的数据支援。而多源、时间序列遥感数据面临格式不统一、数据量大、处理速度慢、用户等待时间长等问题，为实现对华北平原多种大气污染物时空特征的准确把握，必须借助计算机手段对大气污染特征提取进行自动化建模。
论文针对这一应用需求，为多源大气污染参数产品制定数据规范标准，并实现多源数据的归档与预处理。在此基础上构建大气参数提取算法，并进行遥感数据源和提取算法的验证评价。最后以华北平原为研究区，使用MODISAOD数据和OMINO2、SO2数据对2006-2015年间的大气污染物时空变化特征进行分析，并结合MEIC排放清单数据和MODIS火点资料筛选有效的减排政策和措施，为以后大气污染防治提供数据支撑。主要研究结论包括：
(1)制定了多源大气污染参数产品数据规范标准，并实现多源数据的归档与预处理。在数据规范标准制定时，考虑多源遥感数据及产品的时间和空间特征，并从多源、时间序列遥感数据大气污染时空特征分析的需求出发，在参考CSDGM和ISO19115标准的基础上，增加约束条件(主要包括参数阈值、时间窗口和无效值剔除策略)来实现多源数据的可对比性和有效性。
(2)基于多源大气污染参数产品数据规范化的归档数据集，借助滑动平均算法和格网策略构建了大气参数自动化提取算法。并使用地基站点观测数据进行MODIS和OMI大气参数的精度验证，以确保大气污染物特征时空分析的准确性。对于大气参数的提取，主要涉及时间尺度和空间尺度的转换。并且为了保证数据集的完整性和可重复利用性，对于各级数据处理，在遵循数据规范标准的前提下采用先时间尺度处理、后空间尺度处理的策略。精度验证结果表明，本文使用本文所构建的大气参数提取算法得到的遥感数据反演大气参数与地基观测参数的相关性均在0.6以上，表明原始数据集具有较高的可信度，且本文所构建的大气参数提取算法具有普适性。
(3)基于大气污染参数时空变化趋势分析模块，使用MODIS和OMI多源遥感数据从月、旬和年的时间尺度以及空间分布的2个维度，讨论了AOD、NO2和SO2这三种主要大气污染指标在长达10年中的空间演变规律。结果表明：AOD与NO2、SO2呈现较强负相关，NO2与SO2呈正相关，AOD与NO2、SO2存在着此消彼长的关系。在月均尺度上，NO2和SO2柱浓度的最小值均出现在每年7、8月份，最大值出现在12、1月份，而AOD在6、7月份最大，11、12月份最小。在季均值角度上，三者的高值区主要分布在河北石家庄、邢台、邯郸沿线城市，沿山西太原-临汾主线过渡到河南郑州，山东黄河以北及西南部及天津等地。对于2006-2015年长时间序列，AOD和SO2均从2006年起逐年下降至2009年次小值，随后两年短暂反弹，10年最大值均出现在2011年；NO2在2007年增加、2008年短暂回缩后以年均11.14％/yr的速度快速增加；且三者均从2011年起不断下降，在10年变化周期内，AOD和SO2下降幅度分别达到17.14%和10.57%，仅有NO2从2006年到2015年上浮4.72%。结合MODIS火点监测及MEIC排放清单资料得知，AOD夏季较高与生物质燃烧多发在夏季有关，NO2与SO2冬季高值严重依赖于燃煤取暖需求；MEICNOx年际变化和OMI观测的NO2均与政府减少机动车保有量有关；2007年发电部门严格安装脱硫装置后，MEICSO2排放量明显下降。“十一五”期间以SO2和AOD减排为主，“十二五”阶段NO2减排效果显著。大气污染参数时空变化趋势分析结果表明，治理大气复合污染在严格控制AOD、NO2、SO2排放源的同时，还需协同考虑各自的污染特点以及气象因素的影响。
论文针对这一应用需求，为多源大气污染参数产品制定数据规范标准，并实现多源数据的归档与预处理。在此基础上构建大气参数提取算法，并进行遥感数据源和提取算法的验证评价。最后以华北平原为研究区，使用MODISAOD数据和OMINO2、SO2数据对2006-2015年间的大气污染物时空变化特征进行分析，并结合MEIC排放清单数据和MODIS火点资料筛选有效的减排政策和措施，为以后大气污染防治提供数据支撑。主要研究结论包括：
(1)制定了多源大气污染参数产品数据规范标准，并实现多源数据的归档与预处理。在数据规范标准制定时，考虑多源遥感数据及产品的时间和空间特征，并从多源、时间序列遥感数据大气污染时空特征分析的需求出发，在参考CSDGM和ISO19115标准的基础上，增加约束条件(主要包括参数阈值、时间窗口和无效值剔除策略)来实现多源数据的可对比性和有效性。
(2)基于多源大气污染参数产品数据规范化的归档数据集，借助滑动平均算法和格网策略构建了大气参数自动化提取算法。并使用地基站点观测数据进行MODIS和OMI大气参数的精度验证，以确保大气污染物特征时空分析的准确性。对于大气参数的提取，主要涉及时间尺度和空间尺度的转换。并且为了保证数据集的完整性和可重复利用性，对于各级数据处理，在遵循数据规范标准的前提下采用先时间尺度处理、后空间尺度处理的策略。精度验证结果表明，本文使用本文所构建的大气参数提取算法得到的遥感数据反演大气参数与地基观测参数的相关性均在0.6以上，表明原始数据集具有较高的可信度，且本文所构建的大气参数提取算法具有普适性。
(3)基于大气污染参数时空变化趋势分析模块，使用MODIS和OMI多源遥感数据从月、旬和年的时间尺度以及空间分布的2个维度，讨论了AOD、NO2和SO2这三种主要大气污染指标在长达10年中的空间演变规律。结果表明：AOD与NO2、SO2呈现较强负相关，NO2与SO2呈正相关，AOD与NO2、SO2存在着此消彼长的关系。在月均尺度上，NO2和SO2柱浓度的最小值均出现在每年7、8月份，最大值出现在12、1月份，而AOD在6、7月份最大，11、12月份最小。在季均值角度上，三者的高值区主要分布在河北石家庄、邢台、邯郸沿线城市，沿山西太原-临汾主线过渡到河南郑州，山东黄河以北及西南部及天津等地。对于2006-2015年长时间序列，AOD和SO2均从2006年起逐年下降至2009年次小值，随后两年短暂反弹，10年最大值均出现在2011年；NO2在2007年增加、2008年短暂回缩后以年均11.14％/yr的速度快速增加；且三者均从2011年起不断下降，在10年变化周期内，AOD和SO2下降幅度分别达到17.14%和10.57%，仅有NO2从2006年到2015年上浮4.72%。结合MODIS火点监测及MEIC排放清单资料得知，AOD夏季较高与生物质燃烧多发在夏季有关，NO2与SO2冬季高值严重依赖于燃煤取暖需求；MEICNOx年际变化和OMI观测的NO2均与政府减少机动车保有量有关；2007年发电部门严格安装脱硫装置后，MEICSO2排放量明显下降。“十一五”期间以SO2和AOD减排为主，“十二五”阶段NO2减排效果显著。大气污染参数时空变化趋势分析结果表明，治理大气复合污染在严格控制AOD、NO2、SO2排放源的同时，还需协同考虑各自的污染特点以及气象因素的影响。