基于PM_(2.5)站点监测数据的京津冀AOD补值研究

以京津冀2020年318个地面监测站点的PM_(2.5)数据为估算因子,构建了时空线性混合效应模型(STLME)和时空嵌套线性混合效应模型(STNLME),为AOD数据的补值研究提供了一种新方法.结果表明:在有AOD-PM_(2.5)匹配数据的日期,上述两个模型估算精度相近,交叉验证后决定系数R^(2)分别为0.868和0.874,均方根误差RMSE分别为0.112和0.109;在无AOD-PM_(2.5)匹配数据的日期,嵌套模型估算精度明显高于非嵌套模型,交叉验证后决定系数R^(2)分别为0.63和0.26.经过模型补值后,研究区监测站点所在网格AOD数据空间维有效比率从原始数据的44.35%提高到99.35%,时间维有效比率从87.94%提高到100%;同时,每个站点的年均AOD值都有明显提高,弥补了高PM_(2.5)浓度条件下缺失的AOD数据,可以减少空气污染和健康研究中暴露评估的偏差.

基于遥感数据估算近地面PM_(2.5)浓度的研究进展

卫星反演的气溶胶光学厚度(AOD)具有广泛的空间覆盖度和相对较高的时空分辨率.基于AOD与PM_(2.5)的相关关系来估算PM_(2.5)浓度已成为监测近地面PM_(2.5)的有效途径,其估算结果较可靠,能够为治理PM_(2.5)污染提供数据基础和科学依据.从反演AOD数据集和PM_(2.5)浓度估算模型2个方面进行梳理归纳,从卫星轨道运行类型角度分析各类传感器的产品特征,并对缺失AOD的插补方法进行分类评价;对PM_(2.5)浓度的估算模型进行比较分析,指出不同模型的优缺点和适应性.结果表明:①各类卫星传感器均具有特定功能及优缺点,其中地球同步轨道(GEO)卫星的快速发展,使其在估算PM_(2.5)浓度的应用上越来越广泛.②插补后的AOD比AOD初始产品具有更连续的时空分布和更高的准确性,基于模型的多变量估算不仅可以实现数据的全面覆盖,还可以获得更好的估算精度.③组合模型成为估算PM_(2.5)浓度的重要方法,机器学习模型的加入能够有效提高PM_(2.5)浓度的估算精度.研究显示,利用AOD估算近地面PM_(2.5)浓度不仅弥补了地面PM_(2.5)监测的空间不连续性,更有助于解析PM_(2.5)浓度的时空分布特征及污染来源.

基于时空混合效应模型的京津冀PM_(2.5)浓度变化模拟

为揭示京津冀地区高精度PM_(2.5)的时空分布特征,以空间分辨率为1 km的MAIAC AOD数据为主要预测因子,以气象数据、植被指数、夜间灯光数、人口密度和海拔数据作为辅助因子,构建了一种新的时空混合效应模型(STLME),在拟合最优次区域划分方案基础上对京津冀地区PM_(2.5)浓度进行预测分析.结果表明,基于STLME模型的ρ(PM_(2.5))预测精度高于传统的线性混合效应模型(LME),其十折交叉验证(CV)R^(2)为0.91,明显高于LME模型的0.87,说明STLME模型在同时校正PM_(2.5)-AOD关系的时空异质性方面具有优势.最优次区域划分方案识别出PM_(2.5)-AOD关系的空间差异,并结合缓冲区平滑方法,提高了STLME模型预测精度.京津冀PM_(2.5)浓度时空变化差异显著,高值区主要分布在以石家庄、邢台和邯郸为中心的河北南部,低值区则位于燕山-太行山区;冬季PM_(2.5)污染最严重,其次是秋季和春季,夏季污染最轻.STLME模型提供的高精度PM_(2.5)浓度时空分布预测结果,为京津冀地区与PM_(2.5)污染相关的健康风险评估提供了科学依据,也为大气污染源识别提供了科学参考.

京津冀地区高分辨率PM_(2.5)浓度时空变化模拟与分析

为了全覆盖、高分辨率和高精度识别京津冀地区大气PM_(2.5)质量浓度时空变化,选取多角度大气校正算法遥感反演的1km AOD为主要预测因子,多种气象要素和土地利用要素为辅助预测因子,构建了混合效应模型+地理加权回归模型的两阶段统计模型,并针对京津冀地区PM_(2.5)污染较严重的特点,模型中引入了AOD2等独特预测因子.通过上述两阶段模型定量预测了研究区2017年1 km^(2)空间分辨率的每日PM_(2.5)质量浓度.结果表明,模型交叉验证的决定系数R2为0.94,斜率为0.95,均方根预测误差为13.14μg·m^(-3),在前人基础上预测精度进一步提升,可用于PM_(2.5)浓度时空变化预测与分析.2017年,京津冀地区PM_(2.5)浓度年均值为44.96μg·m^(-3),年均值范围在0~89.89μg·m^(-3)之间.PM_(2.5)浓度时空变化差异性明显,整体上呈现"平原西南部浓度高、平原东北部浓度中等和山区高原浓度低"的空间分布格局以及"冬季浓度高、夏季浓度低和春秋过渡"的季节变化特点.模型预测结果的高时空分辨率可以支持流行病学研究在较小区域的暴露评估和识别小尺度污染源的时空变化,分析发现在大气污染防治行动计划实施以来,污染较严重的冀中南山麓平原区可能出现了重要污染源的空间变化.模型预测与分析结果可以为京津冀大气污染防治提供科学支撑.