摘 要

大气气溶胶是参与大气化学反应的主要因子，也是海洋-地表-大气系统的重要组成部分。国家的快速发展，使得工业化和城市化的进程加速。近年来，大气污染问题日趋严重，全国各大城市中均有灰霾天气出现。由于大气气溶胶具有直接气候效应和间接气候效应，使得大气污染的处理更加艰难。PM2.5的遥感监测成为了研究的热点^[1]。本研究应用NASA提供的2016年1月1日至2016年12月31日的MODIS 04数据（气溶胶光学厚度AOD产品），建立同时段的PM2.5关系模型。以期实现通过遥感方式实时动态监测地面大气污染。研究结果如下：

基于MODIS 04数据产品反演AOD数据，并结合PM2.5数据，建立关系模型。模型分别有线性，指数，对数，一元二次方程四种类型。这五种类型的回归模型的结果都有一定的模拟效果，但就拟合效果而言，一元二次方程的拟合程度最好，R²高于其他四种模型。

在直接应用PM2.5的数据和AOD的数据进行关系分析时，两者的关系不明显，进而尝试拟合各个季节的模型。根据各个季节的数据进行拟合，可以发现在春天和秋天的拟合情况较好，达到0.4139和0.4902。夏季和冬季的效果并没有高于全年水平。模型进一步表现了PM2.5的分布特征，具有明显的地形分布特性。本文研究结果为城市PM2.5的来源和变化分析提供了一种有效的技术途径。

关键词：气溶胶；PM2.5；气溶胶光学厚度；遥感技术

abstract

Atmospheric aerosols are the main factors involved in atmospheric chemical reactions and are also an important part of the ocean-surface-atmosphere system. The rapid development of the country has accelerated the process of industrialization and urbanization. In recent years, the problem of air pollution has become increasingly serious, the major cities in the country have haze weather. Because atmospheric aerosols have direct climatic effects and indirect climatic effects, the treatment of air pollution is more difficult. PM2.5 remote sensing monitoring has become a hot topic ^[1]. In this study, MODIS 04 data (aerosol optical thickness AOD) from January 1, 2016 to December 31, 2016, provided by NASA, was used to establish the PM2.5 relationship model at the same time. With a view to real-time dynamic monitoring of ground air pollution through remote sensing. The results are as follows:

Based on MODIS 04 data product inversion AOD data, combined with PM2.5 data, the establishment of the relationship model. The models are linear, exponential, logarithmic, and quadratic equations. The results of these four types of regression models have a certain simulation effect, but the fitting effect is the best, R² is higher than the other four models.

In the direct application of PM2.5 data and AOD data relationship analysis, the relationship between the two is not obvious, and then try to fit the various models of the season. According to the data of each season fitting, we can find that the fitting in spring and autumn is better, reaching 0.4139 and 0.4902. Summer and winter effects are not higher than the full year level. The model further shows the distribution characteristics of PM2.5, and has obvious terrain distribution characteristics. The results of this study provide an effective technical approach for the source and change analysis of PM2.5 in the city.

Key words: aerosol; PM2.5; AOD; remote sensing technology

目录

第一章绪论 2

1.绪论 2

1.1大气气溶胶简介 2

1.2 PM2.5简介 2

1.3 PM2.5对经济的影响 3

1.4大气气溶胶的检测原理及方法 4

1.5遥感在研究中的应用 5

1.5.1遥感在国内的进展 5

1.5.2遥感在国外的进展 5

1.6研究目的与内容 6

1.6.1研究目的 6

1.6.2研究内容 7

第二章 研究区概况与研究方法 8

2.1研究区概况 8

2.1.1环境信息概况 8

2.1.2地理信息概况 8

2.2 MODIS气溶胶光学厚度产品简介 9

2.3 数据来源 11

2.3.1 MODIS气溶胶光学厚度 11

2.3.2空气污染指数API 11

2.3.3AERONET数据 12

2.3.4气象数据 13

2.4数据预处理 16

2.4.1 几何校正 16

2.4.2 PM2.5的计算 16

2.5研究方法 17

第三章 分析与结果 18

3.1大气污染程度调查 18

3.2 AOD与PM2.5拟合模型的选择 20

3.2.1各季节PM2.5与AOD关系模型 22

3.3各季节PM2.5与AOD关系模型分析 24

第四章 结果与讨论 25

4.1结果与讨论 25

4.2展望 25

参考文献 26

致谢 28

第一章绪论

1.绪论

1.1大气气溶胶简介

大气气溶胶是在大气中均匀分散的液体和固体颗粒所构成的，是一种稳定的，多相混合的体系。大气气溶胶颗粒质量很小，用肉眼难以捕捉，大致粒径在10^-3-10μm之间，能够在空气之中悬浮。大气气溶胶的成分很复杂，现将其气溶胶粒子分为6大类，共7种。统称为气溶胶粒子^[1]。气溶胶粒子的来源分为两种，一种是自然来源，一种是人为来源。自然来源有很多，比如海洋中的海盐气溶胶，火山的周围由于火山喷发会产生火山气溶胶等。人为来源有工厂排放，车辆尾气，燃烧可燃物等多种行为都会对气溶胶产生影响，其中多伴随燃烧行为^[2]。研究中常把气溶胶作为大气颗粒物的代名词。虽然气溶胶在大气中的含量比较小，但是会影响大气的过程。大气的能见度，太阳的辐射、大气的温度都会受到气溶胶的影响。气溶胶在大气反应中还提供了反应床，因为气溶胶的粒径小，表面积大，非常适合进行大气反应，这不但影响了大气的过程，还对人类的健康有影响。

大气气溶胶不但参与并且作为大气反应变化的主要因子，还是海洋-地表-大气系统的重要组成部分。大气气溶胶具有直接气候效应和间接气候效应。直接气候效应是指通过对太阳光辐射的吸收和散射改变地气辐射平衡。云的凝结核会对大量的大气气溶胶产生作用。大气单位体积中的气溶胶粒子浓度增加，从而使云粒子增加，云朵的半径减小。云朵的半径减小意味着短波的反射会大大增加，云的存在时间会更加长，即生命时间增加。这种间接影响气候的现象称为间接气候效应^[3]。又被称为间接辐射强迫，因为其影响了整个地气的辐射和传播。大气气溶胶还具有时空多变性，时空多变性是指在大气的化学反应过程中，大气的气候变化及反应会改变温室气体的分布。近年来，全国各大城市中均有灰霾天气出现，其中一个重要原因就是基于各种作用而导致气溶胶颗粒的增加。所以大气气溶胶对大气影响很大，是重要影响因子^[4]。

1.2 PM2.5简介

PM2.5是一种大气中存在的气溶胶颗粒，这种气溶胶颗粒对大气具有污染性，也是对环境造成影响的一个例子。PM2.5是当量直径小于2.5μm的大气颗粒物。PM2.5的成因复杂，粒径小，不能用肉眼捕捉；表面积大，可以作为细菌的温床，活性强，易附带有毒、有毒物质（例如重金属）^[5]；在大气中存在停留的时间长、运输距离远；成因复杂，去除难度大。现在的中国城市中经常出现PM2.5的浓度过高现象，这一现象对人民的健康有非常严重的影响，长时间暴露在高浓度PM2.5的环境中，会使灰尘聚集在人的肺泡深处，很难将其排出体外，同时颗粒物附带的重金属和微生物还是疾病产生的隐患，长时间积累会产生尘肺，心脑血管疾病和呼吸系统疾病。