基于机器学习的FY-4A气溶胶光学厚度反

我国新一代静止气象卫星FY-4A搭载了先进静止轨道辐射成像仪(advanced geostationary radiation imager,AGRI),为了针对AGRI数据的特点开发基于机器学习算法的高时空分辨率AGRI气溶胶数据集,利用2021年中国及周边地区67个全球地基气溶胶自动观测网络系统(aerosol robotic network,AERONET)站点数据,选取AGRI数据中表观反射率数据、观测角度数据、高程和MODIS的地表反射率等因子,采用随机森林(random forest,RF)、梯度增强回归(gradient boosting regression tree,GBRT)、极端梯度增强(extrme gradient boosting,XGBoost)和反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)4种机器学习方法反演气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)。根据模型评价指标选择最优模型,实现基于FY-4A的AOD反演,空间分辨率4 km,并与时刻相近的MODIS气溶胶产品进行对比分析。结果表明:4种机器学习建立的AOD反演模型相关系数R均在0.90以上,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)和均方根误差(root mean square error,RMSE)均在0.09和0.14以下,机器学习模型对AOD反演具有一定的可行性;GBRT模型在4种机器学习中反演精度最优,验证误差中R为0.82,MAE为0.16,RMSE为0.25,47%的反演结果落在期望误差内,表明GBRT反演出的FY-4A AOD与站点观测值基本一致;将GBRT模型反演的AOD结果与MODIS气溶胶产品进行对比验证,发现FY-4A AOD反演结果与MODIS AOD在空间分布上具有较好的一致性,83.57%的网格偏差集中在[-1.0,0)之间,FY-4A AOD反演值相对MODIS AOD略高。

2003—2022年东北地区气溶胶光学厚度变化特征

利用2003—2022年我国东北地区MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)数据和中国多尺度排放清单模型(multi-resolution emission inventory for China,MEIC),分析东北地区AOD的空间分布特征及年际变化趋势,讨论气象因子和人为排放对东北地区AOD变化的影响。结果表明:辽宁AOD较高,最大值为0.6,出现在辽宁中部,其次是吉林西部,AOD平均值为0.4,黑龙江AOD平均值为0.3。东北地区AOD高值区出现在春季和夏季,AOD空间分布在秋季呈减小趋势,冬季分布范围增加。不同季节AOD最高值均出现在辽宁,东北地区夏季AOD增加主要与环境湿度有关,边界层气象条件对冬季AOD具有一定影响。辽宁AOD在[0.1,0.2)和[0.2,0.3)范围内年平均发生频率最高为50%,吉林和黑龙江AOD在[0.1,0.2)范围的年平均发生频率最高为25%~30%,特别是黑龙江极端清洁状况AOD在[0.0,0.1)范围内年平均发生频率最高为15%。东北地区AOD区域平均值在2003年和2014年较高,主要受到边界层气象要素和人为排放SO_(2)、PM_(2.5)、有机碳和NO_(2)影响。东北地区夏季AOD年代际变化趋势从2012年之前的增长趋势(0.1·(10 a)^(-1))向2013以后的减少趋势(-0.3·(10 a)^(-1))转变。

柴达木盆地气溶胶光学厚度时空分布特征及气象要素影响分析

基于MODIS MCD19A2气溶胶数据集,利用线性趋势、Spearman相关性分析及?ngstr?m指数内插法,探究柴达木盆地2001-2021年大气气溶胶光学厚度的时空分布特征及气象因子影响。结果表明:在年际尺度上,柴达木盆地AOD波动上升,年增幅为3.74%,年均值为0.110±0.002;在季节尺度上,AOD季节性变化明显,其值由高到低分别为春季、夏季、秋季、冬季,其中,春夏季AOD呈波动变化,秋冬季AOD无明显变化;月尺度上,AOD呈单峰型,峰值为4月。在空间上,AOD高值区位于柴达木盆地腹部,呈现中间高四周低的分布特征,低值区位于昆仑山脉和祁连山脉等高海拔地区及植被覆盖率较高的区域。气象要素对AOD都有着一定影响,其中风速、温度、相对湿度、云量和降水都与AOD呈正相关,风速和温度对AOD的影响最大。

高分十四号多光谱数据的气溶胶光学厚度反演

高分十四号(GF-14)是我国“高分辨率对地观测系统”专项十三五收官星,多光谱传感器是搭载在高分十四号上的主要载荷之一,GF-14多光谱传感器具有高空间分辨率的特点,在大气气溶胶的遥感监测方面具有良好的应用前景,但目前还未有针对GF-14多光谱影像的气溶胶反演研究。文章旨在建立从GF-14原始影像到气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)反演结果的全部流程,通过计算波段太阳平均辐照度将原始影像校正为表观反射率,在暗像元和亮地表像元处分别采用改进暗像元算法和深蓝算法反演AOD,得到两种算法融合的AOD产品。反演结果经过交叉验证,与MODIS AOD数据集相关系数达到0.89,与AERONET地基站点数据相关系数达到0.87,表明GF-14 AOD融合产品具有较高的精度,可以应用于大气环境监测、大气校正和定量遥感等领域,并为相关研究提供有益借鉴。

基于LightGBM的贵阳市气溶胶光学厚度反演

为充分挖掘国产高分四号卫星(GF-4)的环境监测能力,克服基于查找表方法反演气溶胶光学厚度(AOD)的复杂性和弥补贵阳市无气溶胶监测站点的缺陷,并提升MODISAOD产品的时空分辨率,利用贵阳市研究区的高程数据和GF-4多光谱成像仪(PMS)数据提取的地表反射率、太阳天顶角、卫星天顶角、相对方位角和归一化植被指数作为特征变量,以MODIS气溶胶产品为标签,基于LightGBM算法构建了贵阳市AOD反演模型。研究结果表明:该模型能够基于GF-4 PMS单时相遥感数据实现较高精度的AOD智能反演,极大简化了AOD反演步骤,且具有较高的建模精度(平均绝对误差E_(MA)、均方根误差E_(RMS)、决定系数R^(2)分别为0.042、0.057、0.751)和预测精度(城区:E_(MA)=0.077,E_(RMS)=0.086;非城区:E_(MA)=0.094,E_(RMS)=0.101),AOD预测值和MODIS AOD具有相似的变化趋势,皮尔逊相关系数为0.697。

基于深度置信网络的气溶胶光学厚度反演

开展气溶胶光学厚度反演研究对监测和评估大气空气质量具有重要意义。针对现有气溶胶光学厚度反演精度低的问题,将AERONET站点实测的气溶胶光学厚度数据与预处理后的Himawari-8影像数据进行时空匹配,建立样本数据集,从而构建气溶胶光学厚度反演模型;通过深度神经网络模型与深度置信网络模型对比分析,验证了深度置信网络反演模型的精度;以AERONET站点实测的气溶胶光学厚度数据和MCD19A2气溶胶光学厚度数据为验证数据,验证了深度置信网络反演气溶胶光学厚度的可行性。结果表明,基于深度置信网络反演的气溶胶光学厚度,精度较高、拟合效果好且误差小。

高光谱辐射反演气溶胶光学厚度及质量控制技术研究

为揭示高光谱辐射反演气溶胶光学厚度并研究其质量控制技术,文章基于安徽合肥2021-06-05 T 08:00/2021-06-05 T 16:00晴天数据,采用实际缺测检查、理论范围检查、统计控制等质量控制方法开展了研究。结果表明:研究期间数据无缺测;在理论范围检查剔除的数量极少,并且剔除数据具有时间一致性;统计控制可以有效地将直接辐照度波动值剔除,使反演产品更为准确合理;质量控制后6个波段气溶胶光学厚度均呈现先上升到正午时刻达到最大值后再下降的相同趋势,并且气溶胶光学厚度随波长增大而减小。

近20年中国典型城市气溶胶光学厚度特征研究

气溶胶是影响空气质量的重要因素,是危害居民健康的关键因素之一。为探究我国近20年大气质量情况,本文利用2000-2019年间逐月MODIS气溶胶光学厚度(AOD)数据,采用线性回归分析方法对AOD时空分布特征及演化趋势进行了分析,得到了我国20年间的AOD时空分布特征和演化趋势。结果表明,在空间分布上,2000-2019年我国AOD年均值总体分布在胡焕庸线两侧差异较大。四川盆地、华北平原以及长江中下游平原较高,西南区和内蒙较低,西北部分地区出现高值。在季度特征方面,AOD季节平均分布差异明显,春季最高,夏季次之,秋冬季较低。四季AOD高低值分布情况与年平均空间分布类似。我国整体AOD变化呈先增后减趋势。东北和西北地区呈增加趋势,中东部地区呈减少趋势。近年来我国大气污染问题得到有效改善,但仍需重点监测和治理,本研究可为大气质量分析与改善提供数据参考。

基于数据场模型的南京市气溶胶光学厚度反演

高亮度地表上空的气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)反演对于城市大气环境监测和污染岛研究等具有重要意义。该文综合考虑像元的光谱特性和空间特性,提出了一种基于数据场模型(data field method,DFM)的AOD反演方法。该方法基于Landsat OLI数据,开展了南京市上空AOD的反演研究,并分析不同空间结构、数据场强度和下垫面特征对DFM方法的影响,最后与传统的深蓝算法和MOD04产品等进行了对比分析。结果表明:DFM反演结果与CE318太阳光度计观测数据的相关系数为0.936,均方根误差、平均绝对误差和相对平均偏差分别为0.151,0.120和1.139,平均相对误差和误差比分别为22.7%和72.7%,与地面实测数据具有较高的一致性。地表数据场强度高于12的区域,DFM算法具有较好的反演效果,且在夏春季反演效果优于秋冬季,在乡村、工业区等下垫面变化剧烈区域具有更好的反演效果。

2012年至2018年江苏省气溶胶光学厚度时空分布特征分析

使用2012—2018年的中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)二级产品数据对江苏省气溶胶光学厚度进行了分析。从年平均气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)变化趋势来看,江苏地区的AOD年均值在0.4~0.8之间波动,2012—2016年江苏北部的AOD年均值呈现上升趋势,2017—2018年江苏北部的AOD年均值有所下降,江苏南部2012年和2013年的AOD年均值最高,其余年份AOD均值较平稳。从AOD季节变化和月变化来看,江苏地区AOD平均值的季节分布情况为夏季>春季>秋季>冬季,6月AOD均值最高,2—6月AOD均值呈现上升趋势,7—10月相对较平稳,10—12月呈现下降趋势,AOD月均值最低出现在12月。从AOD影响因素来看,江苏地形对AOD分布没有明显影响,主要影响因素为污染物情况,大气污染物与江苏地区AOD分布呈现明显的正相关性。

汾渭平原四季气溶胶光学厚度分布特征及气象因素贡献分析

利用2005—2021年OMI传感器大气气溶胶光学厚度产品,分析了汾渭平原四季气溶胶光学厚度的时空分布特征、变化趋势特征及气象因素对气溶胶光学厚度变化趋势的贡献.结果表明:①研究期内汾渭平原的气溶胶光学厚度趋势变化整体以下降为主,四季变化特征存在空间差异;除秋季外,其他季节在2013年具有明显的趋势相位变化信号.②基于逐步回归方法分析发现,风速和降水是导致气溶胶光学厚度呈现长期变化趋势的主要原因,而温度和相对湿度的影响较小.③不同气象因素贡献在四个季节存在显著的空间差异.

乌鲁木齐市地表温度与气溶胶光学厚度特征及相关性

城市温度升高以及大气污染等都会给人类的生产生活带来巨大影响。利用多源遥感数据,采用遥感和GIS技术,对乌鲁木齐市地表温度和气溶胶光学厚度的相关关系进行了研究,结果发现:①乌鲁木齐市日间地表温度月均值7月份最大,12月份最小;夜间地表温度月均值7月份最大,12月份和1月份较小;地表温度夏季最高,冬季最低;2010年、2015年、2020年的年均温有所增高。②乌鲁木齐市气溶胶光学厚度月均值2月份和4月份较大,11月份和1月份较小,气溶胶光学厚度春季最高,夏季最低;年均值变化类似地表温度。③乌鲁木齐市地表温度与气溶胶光学厚度在月、季节与年均呈现显著正相关性。该研究对乌鲁木齐城市环境污染治理具有显示借鉴意义。

2002~2022年北京大气气溶胶光学特性的地基遥感连续观测

长时间序列的气溶胶光学特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础,也是空气质量和环境健康研究的重要数据来源。本文系统评述了全球AERONET(Aerosol Robotic Network)观测网,并介绍了我国最长观测时间的AEROENT北京站发展状况和一些研究成果;使用北京站长达20余年的观测数据,针对AERONET观测网的光学辐射产品的多时间尺度变化特征进行系统分析,讨论了长期观测的重要性和迫切性。

中国气溶胶光学厚度时空演变特征分析

利用2005-2012年MODIS气溶胶产品分析了中国区域气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)的变化趋势和空间分布特征。分析结果表明,与2005-2007三年均值相比,绝大部分省份2008-2010年期间AOD下降趋势非常明显,而在2011-2012年期间AOD又有所回升,但大部分地区2011-2012两年均值仍低于2005-2007三年均值,因此2005-2007年是我国气溶胶污染最严重的时期;从AOD的空间分布来看,气溶胶污染较重的地区主要集中在京津冀、长三角、华中、成渝等人口密集和工业发达地区;从典型城市AOD变化趋势来看,2005-2012年期间北京、石家庄、保定、邢台市AOD历年均值均明显高于全国平均值,京津冀城市群气溶胶污染异常严重。

MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM_(10)监测方面的应用研究

利用MODIS(中分辨率成像光谱仪)两年的气溶胶光学厚度(AOD)产品与北京地区API转化得到的PM10质量浓度、北京大学站点直接监测的PM10质量浓度以及香港元朗站点监测的PM10质量浓度做相关性分析,发现二者的直接相关程度较低。将AOD除以气溶胶季节标高,得到地面消光系数,与地面PM10质量浓度相关性提高。对地面消光系数进行相对湿度订正,得到计算的质量浓度,与地面实际观测的PM10质量浓度相关性进一步提高。经过两年时间资料的对比分析,证实气溶胶遥感光学厚度经过垂直和湿度影响订正后,可以应用于地面PM10监测。

MODIS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比

介绍MODIS卫星遥感气溶胶的方法 ,利用北京大学地面多波段太阳光度计的观测进行了对比 ,二者的相关性比较好。给出了描述北京地区气溶胶光学厚度分布的几幅图片。卫星遥感对于更好地研究空气污染提供了一种新手段 ,卫星遥感的气溶胶光学厚度弥补了地面观测空间覆盖不足的缺陷。

MODIS气溶胶光学厚度在临安大气颗粒物监测中的应用

基于大气辐射传输理论的研究表明,AOD(气溶胶光学厚度)与地面PM(颗粒物)浓度(以ρ计)呈正相关.利用2006—2010年MODIS晴空AOD数据产品与临安区域大气本底站监测的ρ(PM10)进行相关分析发现,二者的R(相关系数)为0.431,直接相关程度较低.根据AOD和气象能见度间的关系,获得了不同季节临安地区的气溶胶平均垂直标高,利用该垂直标高和RH(相对湿度)分别订正AOD和ρ(PM10)后,二者的相关性(R为0.576)明显提高.冬季AOD和ρ(PM10)的相关性最好,R为0.765;夏、春季次之,R分别为0.643和0.608;秋季最低,为0.442.经过对5年资料的对比分析,证实了MODIS气溶胶光学厚度经垂直标高和RH订正后,可用于临安地区地面空气污染的监测.

黄海海域气溶胶光学厚度测量研究

了解海洋上空大气气溶胶的变化情况具有重要的科研和应用价值。本文在讨论了太阳辐射计的标定、大气气溶胶光学厚度的计算和Angstrom参数的计算等问题的基础上,介绍了利用多波段太阳辐射计对黄海海域气溶胶光学厚度的洲量和研究。测量结果表明黄海海域大气气溶胶主要由自然来源的气溶胶构成,气溶胶光学厚度在0.1左右,光学厚度的日变化和逐日变化不大, Angstrom波长指数约为1.2,大气混浊度指数在0.05左右。

利用地面水平能见度估算并分析中国地区气溶胶光学厚度长期变化特征

首先对1980年前后能见度资料非均一性进行了处理,得到中国地区1960～2005年能见度时间序列,并由此估算得到气溶胶光学厚度时间序列。对比已有观测及研究结果,本文获得的气溶胶光学厚度时间序列能够较好地反映出中国地区气溶胶光学厚度长期变化特征。中国地区气溶胶光学厚度呈现逐年增加的趋势,但1985年后增加趋势减缓,这种变化在大城市区域表现得更为明显。中国地区气溶胶光学厚度空间分布上呈现东南部高、西北部低的特征,东南部地区气溶胶光学厚度普遍大于0.4,最大值出现在四川盆地,气溶胶光学厚度超过0.8。

30年来我国大气气溶胶光学厚度平均分布特征分析

利用北京等46个甲种日射站1961～1990年逐日太阳直接辐射日总量和日照时数等资料,反演了30年来各站逐年、逐月0.75μm大气气溶胶光学厚度（Aerosol OpticalDepth,简称AOD）平均值,分析了我国大气气溶胶光学厚度的年、季空间分布特征和年代际之间的变化。结果表明:我国大气气溶胶光学厚度的多年平均分布具有典型的地理特征,除个别大城市外,100°E以东,AOD以四川盆地为大值中心向四周减少;100°E以西,南疆盆地为另一个相对大值中心。气溶胶光学厚度的各季分布具有各自的特征。20世纪60年代,我国大气气溶胶光学厚度的平均分布特征是以四川盆地和南疆盆地为两个大值中心向四周减少;70年代,绝大多数地区AOD值增加,其中从四川盆地到长江中下游地区以及华南沿海等地,AOD增加较为明显,AOD的分布和60年代较相似;到80年代,我国大范围地区AOD继续呈增加趋势,其中长江中下游地区,AOD增加相当明显,气溶胶光学厚度的分布发生了一定的变化。