摘 要

伴随着中国经济社会的发展，环境问题层出不穷，大气污染问题得到了广泛的关注。气溶胶作为大气污染的重要成分，对其有效的观测可以为环境治理提供决策。卫星遥感能够提供大范围长时间的大气气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）数据，可用来进行大气环境质量的监测。但由于受气溶胶反演算法的限制和云雪的影响，AOD数据存在严重缺失现象。本次研究使用最新改进的MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光谱仪） C6.1版本数据，将2010年Aqua卫星的MODIS三公里暗目标法反演的AOD和十公里深蓝算法反演的AOD进行时空融合，以在保持3km分辨率的前提下改善日均AOD的覆盖度，并用改善的结果分析中国AOD的时空分布特征。融合结果数据与AERONET（AErosol RObotic NETwork，全球自动观测网）地面14个站点的AOD数据的相关系数均值为0.72，其中在9个低海拔站点（海拔高度小于1000米）的相关系数达到了0.86。在像元覆盖度上，全国AOD的单日覆盖度提升了292%，在全年覆盖度上提升了37%，达到了研究的目的。最后，利用融合后的AOD数据做时空分析，结果发现：

（1）中国地区空间分布差异较大。高值区主要分布在长江中下游平原，华北平原，四川盆地等经济发达地区和疆南盆地区域，低值区主要分布在黑龙江部分地区，以及青藏高原，云贵高原等高寒地带。

（2）中国的时间变化也十分显著：按月进行划分，中国大陆的4月AOD最高，11月最低；按照季节进行划分，春季最高，秋季最低。

本次研究极大地提高了AOD的全国覆盖度，能够为PM_2.5的估算提供更全面的数据，有助于空气污染监测，环境政策制定和健康影响评估等。

关键词：气溶胶光学厚度；暗像元算法；深蓝算法；时空融合

Abstract

With the development of China's economy and society, environmental problems are more than before.The problem of air pollution has received extensive attention. As an important component of atmospheric pollution, aerosols can be effectively observed to provide decision-making for environmental governance. Satellite remote sensing can provide large-scale and long-term atmospheric aerosol optical depth (AOD) data, which can be used to monitor atmospheric environmental quality. However, due to the limitation of aerosol inversion algorithm and the influence of clouds and snow, there is a serious lack of AOD data. In this study, the latest improved MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) Collection6.1 data is used to integrate the AOD of the 2010 MODIS three-kilometer dark target algorithm and the AOD of the ten-kilometer deep blue algorithm in time-space fusion to improve daily average AOD coverage while maintaining 3km resolution, and analyze the results of the spatial and temporal distribution of AOD in China. The average correlation coefficient of the fusion result data and the AERONET(AErosol RObotic NETwork)data of 14 stations on the ground of AERONET is 0.72, and the correlation coefficient of 9 low-altitude stations (altitude less than 1000 meters) has reached 0.86. In terms of pixel coverage, the single-day coverage of the national AOD increased by 292%, and the annual coverage increased by 37%, which achieved the purpose of the study. Finally, using the fused AOD data for space-time analysis, it was found that:

(1) The spatial distribution of China is quite different. The high-value areas are mainly distributed in economically developed areas such as East China and North China, the Sichuan Basin, and the southern Xinjiang Basin area. The low-value areas are mainly distributed in parts of the Heilongjiang, as well as the Qinghai-Tibet Plateau and the Yunnan-Guizhou Plateau.

(2) The time change in China is also very significant: according to the seasons, mainland China has the highest AOD in spring and the lowest in autumn; according to the month, it is highest in April and lowest in November.

This study has greatly improved the national coverage of AOD, and can provide more comprehensive data for PM_2.5 estimation, which can help air pollution monitoring, environmental policy formulation, and health impact assessment.

Key Words：Aerosol Optical Depth；Dark Target Algorithm；Deep Blue Algorithm；Spatiotemporal fusion；

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1气溶胶反演研究现状 2

1.2.2 气溶胶融合研究现状 3

1.3研究内容及技术路线 3

第二章 研究区概况及数据简介 5

2.1研究区域概况 5

2.2研究数据 5

2.2.1MODIS数据 5

2.2.2AERONET监测网 6

第三章 数据融合及验证方法 8

3.1 数据预处理 8

3.2 融合方法 8

3.3融合结果验证方法 12

第四章 融合结果及AOD时空分布特征 13

4.1 融合结果 13

4.1.1 总体结果对比 13

4.1.2 像元覆盖度分析 14

4.1.3 AERONET地面验证 15

4.2 AOD 的时空分布特征分析 16

4.2.1 全国整体分布 16

4.2.2 AOD季节变化规律 21

4.2.3 AOD月均值变化规律 23

第五章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 创新点 25

5.3 不足与展望 25

致谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

在城市化进程和经济社会的快速稳定发展下，我国的总体经济水平稳步提升，人们的生活质量显著提升^[1]。但是，在经济水平提高的同时，人们的生存生活环境也受到了前所未有的挑战。空气污染问题引起了公众越来越多的关注，其中对大气产生重要影响的气溶胶颗粒也成为了近年来大气学者们的重点研究对象^[2]。悬浮的气溶胶颗粒可以通过直接或者间接影响改变辐射平衡和云层覆盖，在全球区域气候和水文循环中发挥重要作用^[3]。同时，近地表的高浓度气溶胶颗粒（有效直径≤2.5μm；PM_2.5）可以容纳更多的有害物质，并且能够进入人体而不被呼吸器官过滤掉，是一种危害性极高的空气污染物。不仅会影响空气质量，还会对人类的健康状况形成威胁^[4]。

为了直接满足对空气质量监测和健康影响评估的需求，世界各地的学者使用大量统计模型对此进行了研究，以阐明卫星气溶胶光学厚度（AOD）与表面微粒物（PM）之间的关联^[5-10]。研究表明，AOD与表面颗粒物之间具有良好的相关关系^[11]，因此通过反演AOD可以对PM_2.5进行大范围估算。