基于卫星遥感的近地面PM2.5浓度反演进展

细颗粒物PM_2.5(Fine Particulate Matter)是影响空气质量和公共健康的关键因素之一。高时空分辨率的PM_2.5数据是公共健康风险评估和流行病学研究的基本需求。相较于地面站点,卫星遥感技术具有连续观测、宽覆盖和低成本的优势,基于卫星气溶胶光学厚度AOD (Aerosol Optical Depth)反演PM_2.5质量浓度的方法已成为热点。本研究概述了卫星AOD产品反演PM_2.5浓度的原理,介绍了用于PM_2.5反演的主要卫星AOD产品及其反演精度;总结了现有的PM_2.5估算方法及其优缺点,指出目前PM_2.5反演研究存在的问题;提出未来PM_2.5反演方向主要集中在高时空分辨率的PM_2.5浓度重建、基于激光雷达数据的三维PM_2.5浓度反演及PM_2.5化学组分反演等方向。比例因子法、物理机理模型和统计模型这3种方法都能在不同时期不同程度...     

耦合注意力机制DNN的PM2.5估算及时空特征分析

PM_2.5作为指示环境质量的重要因子之一,不仅影响着灰霾天气的发生,还与公众健康息息相关,近年来受到广泛的关注。尽管PM_2.5地面观测站点在不断地扩张,其覆盖范围依旧有限,难以反映全域PM_2.5浓度的时空异质性。本研究运用卫星遥感气溶胶光学厚度数据,辅助因子除常规的气象因子等以外,还加入了针对中国人民生产生活习惯的农历日因子,提出一种耦合注意力机制的深度神经网络模型,对长三角区域2015年—2020年PM_2.5浓度进行了逐日的高精度估算。模型交叉验证结果显示决定系数R²高达0.85,斜率0.86,与地面站点观测值有较高的一致性,优于多元线性回归和随机森林模型。长三角区域PM_2.5浓度时空特征分析结果表明,PM_2.5浓度在空间上呈现北高南低的趋势;季节特征以冬季浓度最高,夏季浓度最低,春秋过渡。此外,长三角区域2015年—2020年整体PM_2.5浓度呈下降趋势,其中以上海市最为明显,下降速率为3.30μg/(m     

中国重点区域PM2.5时空变化分析与预测

在我国工业化和城市化迅速发展的背景下,细小颗粒物PM_2.5污染已经成为当前主要空气污染物。本文使用基于Python编程语言的网络爬虫技术获取了中国京津冀、长三角、珠三角3个重点区域的PM_2.5日均值数据,分别基于Excel软件和ArcGIS软件进行PM_2.5时空变化特征分析。最后,通过建立分数阶累加灰色预测模型对北京市2018年PM_2.5月均值浓度进行预测。结果显示:1)时间上,我国PM_2.5浓度表现为“冬高夏低”的“U”形变化趋势;2)空间上,我国PM_2.5浓度整体表现为由南北地区向中部地区PM_2.5浓度逐渐增加;3)分数阶GM(1,1)模型对PM_2.5月均值浓度数据的预测精确度较高,结合预测结果可从长期或短期提出PM_2.5污染治理的措施建议。     

区域CORS网在PM2.5监测中的应用研究

在雾霾频发的冬季大气可降水量PWV与大气污染物PM_2.5之间存在一定的关联关系,本文通过对河南地区CORS网的GNSS大气可降水量与PM_2.5之间的相关性进行分析并建立了实时监测模型。试验研究发现：河南地区冬季雾霾频发期大气可降水量PWV与PM_2.5之间存在着较强的正相关关系,通过建立的PM_2.5实时监测模型验证了可以依据大气可降水量PWV对PM_2.5进行实时监测,并取得了较为理想的结果,可以为当前进行PM_2.5监测提供一种新的参考。     

风云三号D星MERSI AOD资料的同化应用研究

为了验证风云三号D星MERSI传感器的气溶胶光学厚度(AOD)数据对地面PM_2.5的污染过程预报的效果,本文基于WRF-Chem (Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry)大气化学模式和三维变分同化方法,针对2020-02-10—2020-02-12中国北方地区的一次PM_2.5重污染过程,进行了同化和预报试验研究。同化数据来自常规地面站点的PM_2.5浓度数据和风云三号D星MERSI传感器的气溶胶光学厚度(AOD)数据。控制试验不同化任何资料,3组同化试验分别为仅同化地面PM_2.5,仅同化卫星AOD,以及同时同化PM_2.5和卫星AOD两种资料。结果表明,3组同化试验都可以有效提高初始场准确率,以地面PM_2.5作为检验标准,仅同化PM_2.5、仅同化AOD、同时同化两种资料相对于控制试验,初始场的平均偏差分别降低54.9%、21.9%和49.0%,平均相关系...     

基于GNSS的空间PM2.5检测系统设计及应用

针对PM_2.5浓度空间检测难度大、传统检测设备灵活性低下等缺点,提出了基于GNSS的空间PM_2.5检测系统.系统包括主控、PM_2.5传感器、GNSS定位模块、电源模块、数据记录模块、4G网络模块等部分,在工作过程中可同时获得位置信息和PM_2.5浓度数据,并将两者进行匹配、保存及发送.该系统具有体积小、重量轻、灵活性好和使用方便等优点,大大拓展了空气质量监测的作业空间,提高了传统作业方式的灵活性,具有广阔的应用前景.      

街谷细颗粒物分布特征及其与设计指标关联性研究

针对城市街道峡谷空间不利于交通污染扩散问题，该文采用移动与固定相结合的实际监测及数值模拟技术，分析了城市街谷PM_2.5时空分布特征及其与街谷空间形态设计指标的关联性，并提出空间形态优化策略。结果表明：(1)街谷内PM_2.5质量浓度在日际变化上呈现连续递减、日内变化上呈现先下降后上升的趋势，而在空间分布上呈现主干道及高层建筑附近浓度较高的趋势；(2)建筑高度比与街谷高宽比的增加使得PM_2.5质量浓度呈现下降趋势，街谷长宽比的增加使得PM_2.5质量浓度呈现上升趋势；(3)建筑高度降低对街谷内PM_2.5质量浓度影响最大，其次是建筑底层架空及建筑退让。该文研究结果可为健康城市导向下的城市街道峡谷空间形态优化设计提供参考。     

2000年—2018年中国和印度的长期PM2.5污染暴露的疾病负担研究

PM_2.5作为空气污染物，对人体健康构成了潜在威胁。中国和印度是全球人口最多的两个发展中国家，PM_2.5污染造成的疾病负担问题尤为严重。因此，本文基于长时间序列高分辨率(0.01°×0.01°)卫星反演的PM_2.5浓度数据，分析了中国和印度19年(2000年—2018年)的PM_2.5时空格局变化和人口暴露情况；基于综合暴露响应模型全面评估了两个国家因PM_2.5长期暴露导致的6种疾病(急性下呼吸道感染、慢性阻塞性肺病、二型糖尿病、缺血性心脏病、肺癌和中风)的过早死亡人数。结果表明，中国PM_2.5浓度的高值区集中在新疆、四川盆地、华北平原以及长江经济带等地区，年人口加权浓度总体呈减少趋势(2000年为50μg·m^-3,2018年为40.8μg·m^-3)；印度PM_2.5浓度的高值区集中在北部地区，年人口加权浓度一直呈上升趋势(2000年为51.5μg·m^-3,2018年为76...     

基于深度学习与随机森林的PM2.5浓度预测模型

针对PM_2.5浓度预测中传统机器学习算法无法对数据内部隐藏特征进行深层次挖掘，而深度学习算法在数据较少情况下效果不佳的问题，综合考虑深度学习与随机森林的特点，提出一种基于深度学习与随机森林的PM_2.5浓度预测组合模型。模型以气溶胶光学厚度(AOD)遥感数据、气象再分析数据和PM_2.5地面观测数据构建训练数据集，通过深度学习方法对训练数据内部深层次隐含特征进行提取，将提取得到的隐含特征用于随机森林模型训练，并使用随机森林回归算法得到PM_2.5浓度的预测值。为验证方法的有效性，以河南省区域2018年—2019年的PM_2.5浓度估算为例，将原始特征与利用CNN、LSTM和CNN＿LSTM所提取特征共同构建的新特征分别通过随机森林回归、支持向量回归以及K近邻回归等3种传统机器学习方法进行训练和预测。实验结果表明，在较少数据情况下PMCOM模型无论是在整体预测还是在分季节预测场景下均具有较好的预测精度，其中以LSTM为特征选择器，RF为回归器的组合模型是本实验的最优模型，在即使只有35%...     

基于改进LUR模型的大区域PM2.5浓度空间分布模拟

针对采用传统土地利用回归（land use regression,LUR）模型进行大气污染物浓度模拟时预测变量信息损失的缺陷,将主成分分析（principle component analysis,PCA）与逐步多元线性回归（stepwise multiple line regression,SMLR）相结合,提出了一种改进的LUR（PCA+SMLR）模型模拟大区域PM_2.5浓度空间分布的方法。首先采用相关分析筛选与PM_2.5显著相关的预测变量,然后对筛选出的预测变量进行主成分变换（PCA）,最后保留所有主成分变量进行SMLR建立回归模型模拟PM_2.5浓度。并以京津冀为研究区域进行实验验证,对PCR、SMLR、PCA+SMLR这3种模型的实验结果进行对比分析,结果表明,PCA+SMLR模型可提高预测变量对回归模型的贡献度,调整后R2达0.883,并且其精度检验指标及制图效果皆优于传统的LUR模型,证明了该模型可有效提高PM_2.5浓度的模拟精度,对PM_2.5区域联防联控具有指导意义。     

2015—2019年冬季黄河流域中游大气污染物空间分布特征

本文基于2015—2019年冬季黄河流域中游地区（山西段和陕西段）6种大气污染物的浓度数据,研究了黄河流域中游冬季大气污染物的变化特征。研究结果表明,2015—2019年黄河流域中游地区,PM₁₀和CO浓度持续降低,O₃浓度持续升高,PM_2.5、SO₂及NO₂平均浓度呈先上升后下降的规律。2019年主要污染物NO₂、CO、PM_2.5、PM₁₀及SO₂浓度均最低;2019年冬季O₃平均浓度达到最高（54μg/m³）。研究地区下游的PM_2.5浓度高于上游,且沿黄河由北向南其浓度逐渐增加,黄河东侧山西段的PM_2.5浓度高于西侧陕西段。研究区域PM₁₀污染浓度由2015—2016年的黄河东侧高西侧低转变为2017—2019年上游低下游高的分布特征。SO₂浓度呈黄河东岸比西岸高的分布。NO₂高值区域从2015—2017年黄河西侧下游地区变为2018—2019年中上游地区;CO平均浓度高值区域位于黄河东侧下游地区;O₃浓度空间分布特征不明显,但近5年浓度大幅增加,需要加强对臭氧的防控。     

大气PM2.5遥感制图研究进展

遥感技术具有时空大范围、低成本的独特优势,已经成为定量监测大气PM_(2.5)污染时空分布的重要手段。本文综述了大气PM_(2.5)遥感制图的进展:首先,对大气PM_(2.5)遥感反演方法进行了归纳,以及总结了现有大气PM_(2.5)遥感反演验证方法的适用条件与局限性;其次,对卫星反演大气PM_(2.5)合成产品偏差校正和大气PM_(2.5)无缝制图进行了梳理;最后总结了大气PM_(2.5)遥感制图的前沿研究方向。     

土地利用视角空气污染空间分异的地理分析

针对土地利用/覆盖（land-use and land-cover,LULC）方式是否影响城市空气污染空间分异特征形成的问题,利用遥感技术和景观生态学方法分别获取长株潭城市群核心城区LULC及其景观格局,绘制空气污染物浓度与气象影响因子空间分异图,引入地理探测器定量分析土地因子在融合气象要素前后对NO₂、PM₁₀、O₃、PM_2.5浓度空间分布差异的贡献强度。结果表明,建设用地面积比例越高,林地越低,NO₂、PM_2.5浓度越高,O₃越低。非建设用地区域,污染物浓度随着土地景观格局破碎度、多样性指数值增大而升高,建设用地区域反之。LULC和土地景观格局的复合因子贡献力（P0.03~0.28）高于两者任意单独因子贡献力（P:0.01~0.11）,融合气象要素后,LULC对空气污染物空间分异特征形成的因子贡献力（P:0.18~0.53）显著增强。     

融机器学习与WRF大气模式的PM2.5预报方法

针对当前我国重污染天气实时的空气质量预报问题,该文提出了一种融合随机森林算法与WRF大气模式的PM2.5浓度实时预报方法。该方法结合了北京市地面空气质量监测数据和WRF气象数据进行分析,将高层大气状态(如逆温层高度等)融入了预报模型中,建立了0~72h的PM2.5浓度实时预报模型。实验证明,该模型能够对0~72h单站点的PM2.5浓度进行较高精度的实时预报,且在24~72h的长时预报结果上较基于地面空气污染物数据与地表气象站数据的预报方法精度有明显提升,即该方法可以更好地模拟大气物理化学状态,从而更为精准地进行长时PM2.5浓度预报。     

基于GNSS的北京地区水汽含量与雾霾浓度的相关性分析

介绍了利用GNSS观测数据反演大气可降水量PWV的相关原理,分析了北京地区春、夏、秋、冬时节的可降水量、天顶干延迟ZHD与雾霾浓度PM_2.5的相关性,通过分析发现北京地区不同季节的PWV、ZHD与雾霾浓度PM_2.5的相关性表现出较大的差异性,冬季的相关性最强,春季和秋季的相关性次之,夏季的相关性最弱。通过试验分析,笔者认为利用GNSS反演获得的PWV、ZHD等气象数据在一定程度上可用于雾霾灾害天气的监测和预警。     

基于改进麻雀搜索算法优化BP神经网络的PM_(2.5)浓度预测北大核心CSCD

针对传统BP神经网络模型收敛速度慢、易陷入局部极值等问题,本文采用分段线性混沌映射(PWLCM)和萤火虫算法(FA)改进麻雀搜索算法(SSA),并优化BP神经网络模型初始权值和阈值,对西安市PM_(2.5)浓度进行预测。通过比较不同模型预测结果的评价指标,并与性能较优的SSA-BP模型对比,ISSA-BP模型预测结果的RMSE、MAPE、MAE分别下降了3.70、3.73、3.34。试验结果表明,改进后的麻雀搜索算法具有高效的全局最优搜索能力,优化后的ISSA-BP神经网络预测稳定性高,精度优于BP、SSA-BP神经网络模型,可用于预测PM_(2.5)浓度。