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气溶胶是影响地表能量收支平衡的决定性因素之一,它以直接辐射强迫和间接辐射强迫两种方式影响着气候系统,同时在局地、区域乃至全球大气环境质量中也扮演着一个重要角色。在分析了大气气溶胶环境遥感国内外研究现状的基础上,从地基遥感和卫星遥感两个角度对备受关注的长三角大气污染大值区进行了研究,考虑到地基遥感的布点和大气污染物地面站的监测数据,本文的研究重点区域为杭州及周边地区。
第一部分通过太阳光度计(CE-318)地基遥感的两期数据,首次对杭州地区大气气溶胶的光学特性进行了研究,结果表明整个杭州地区大气气溶胶光学厚度(AOT)随着波长的增加而呈指数递减趋势,在光学特性上较好的符合了Angstrom方程。进而求取了气溶胶混浊度系数β和波长指数α,结果表明β与AOT存在较好的线性相关,相关系数达到0.90,初步表明两个参数都可作为大气污染程度的指标。通过对AOT与β在研究区的应用,得到了杭州及周边地区大气气溶胶的时空分布特征,结果表明杭州市区、市郊和临安市区三地气溶胶光学厚度同期相比相差不大,一般不超过20%。千岛湖地区春季和夏季都表现出了较为洁净,但晚秋初冬也由于局地逆温现象显示出了高值。此外,对2007下半年宁波、临安、千岛湖三地的波长指数α的研究发现,沿海城市宁波由于受到来自海上气溶胶粒子的影响,颗粒物较大,α值为1.055。千岛湖地区由于受水汽的影响较大,粒子吸湿膨涨,导致颗粒物也较大,α值为0.923,而临安α值为1.281,具有从大陆型气溶胶向城市型气溶胶过渡的特征。地基遥感反演气溶胶光学厚度和波长指数可以在局部点上更为细致的刻画大气气溶胶的时间变化特征,但却需要与卫星遥感结合才能在面上给出区域大气气溶胶的分布和输送的时空格局。
第二部分利用了MODIS卫星遥感气溶胶光学厚度产品,分析了杭州及周边地区大气气溶胶的时空分布,结果表明研究区AOT存在明显的季节变化特性,春季为全年最大,夏季次之,秋冬最小。且在空间上具有明显的从沿海向内陆递减的梯度变化特征。此外,污染个例研究表明,杭州地区的污染除局地污染以外,还存在一定的区域输送。同时也表明卫星遥感对于直观地再现污染物的区域分布和输送,具有很大的应用价值。但该产品的空间分辨率较低,为10km×10km,对于城市局地尺度的污染特征刻画不够。
第三部分尝试了遥感获取的大气气溶胶光学厚度与地面大气污染物的之间的相关分析研究。结果表明①地基CE-318反演得到的AOT与空气污染指数(API)具有普通相关性,杭州与宁波地区的相关系数分别为0.484和0.428。②CE-318反演得到的AOT与PM10在小时均值相关度为0.44,而当对他们做白天日均值后发现相关系数上升至0.74。表明直接利用遥感反演的各时刻AOT估算当时的PM10值,精度不高,而用日均值可以达到监测地面PM10浓度的精度要求。③CE-318地基遥感个例研究表明,在大气状况稳定,污染物的区域输送可忽略,污染主要由局地生成的情况下,AOT日变化趋势与SO2、NO2、PM10、PM2.5的浓度日变化趋势相一致。④在大气状况稳定条件下,CE-318反演的AOT与PM2.5浓度日变化趋势一致,但前者峰值与谷值出现的时间要较后者迟缓一小时左右,表明大气污染从地面生成到扩散需要一定的时间。这为利用遥感手段建立精确的地面污染物的反演模型提供了有价值的参考依据。⑤MODIS卫星反演的气溶胶光学厚度与地面PM10浓度存在普通相关,相关系数为0.45,而在考虑夏季由于气温较高,大气湍流运动强盛,垂直方向柱气溶胶浓度加大导致遥感反演的气溶胶光学厚度大,地面污染物浓度却较低的事实后,剔除了夏季的数据,发现相关系数上升至0.62。表明由于影响因素较多,夏季通过气溶胶光学厚度直接反演地面污染具有较大的不确定性。