基于Himawari-8卫星火点反演及中国区域生物质燃烧环境效应探究

作     者：王顺天 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘文清

授予年度：2021年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 07[理学] 08[工学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0706[理学-大气科学] 

主      题：火点反演 卫星遥感 云检测 生物质燃烧 排放 环境效应 

摘      要：露天生物质燃烧是大气中气溶胶和痕量气体的重要来源,卫星遥感是探测生物质燃烧的重要手段。本文基于Himawari-8AHI地球同步卫星载荷光谱,构建了适用于中国区域的火点反演算法,并使用Himawari-8火灾监测数据结合MODIS火辐射功率数据估算了我国2016-2020年多种污染物的排放总量,从排放角度初步评估了我国生物质燃烧的环境效应。火点反演的前提是准确的云掩模信息,本研究基于图像增强方法对反射率进行了校正,基于云的光学特性构建了快速日间云检测算法。本研究通过TROPOMI有效云量反演结果、MODIS云掩模产品验证日间云检测算法的性能,本研究构建的日间云检测算法的命中率约为85%,满足火点反演需求。夜间云掩模信息使用已有火点算法中的处理步骤获取。在获取准确的云掩模信息后,本研究针对陆地晴空像元进行了一系列的时空测试提取火灾像元。在潜在火点提取步骤,本研究测试了适用于我国区域的中红外通道亮温的固定阈值;在背景火点提取步骤,适用于不同尺度、不同规模的火灾事件的背景测试条件被用来进一步筛选疑似火灾像元;在时间序列分析步骤,Prophet模型被首次应用到火点反演算法中,对于长期受云影响的像元,本研究构建了基于亮温时间序列的统计特征的额外测试。通过上述三个步骤,火点像元被最终提取出来。经测试,本研究构建的火点反演算法更适用于我国,以MODIS火点反演结果为基准,本研究在我国的火点反演结果的命中率比JAXA火点产品高出约10%。本研究将Himawari-8与MODIS火辐射功率产品相结合,构建了我国每日火辐射能量的空间分布,并基于火辐射能量进一步估算了我国2016-2020生物质燃烧排放的颗粒物和痕量气体的总质量。本研究从生物质燃烧排放角度评估了我国生物质燃烧的环境效应,我国在2016-2020年由于生物质燃烧向大气排放的年均总颗粒物质量约为225 Tg,CO约为13403.5 Gg,NMVOC约为2015.7 Gg,PM2.5 约为 1619.4 Gg,PM10 约为 2313.8 Gg,OC 约为 709.2 Gg,BC 约为95.1 Gg,CO2约为310016.1 Gg。东北地区的农作物秸秆燃烧是生物质燃烧排放污染物的最大贡献源。本研究计算的生物质燃烧排放与GFAS火灾排放清单产品趋势相似但差异显著,同步卫星观测火灾数据在我国生物质燃烧排放估算和环境效应探究等方面的应用仍需进一步探究。