研究目的
通过结合地面PM2.5观测数据与卫星反演的气溶胶光学厚度(AOD),利用神经网络模型估算中国小时级PM1.0浓度,以解决PM1.0监测站点稀疏问题,并增进对空气污染影响公众健康及环境的认知。
研究成果
基于PCA集成的GRNN模型通过融合PM2.5观测数据和卫星气溶胶光学厚度(AOD),有效估算了PM1.0浓度,展现出良好精度(R2=0.74)并捕捉到时空分布特征。主要发现包括:日变化峰值出现在正午时段,冬季预测精度最高,以及华北平原存在显著空间聚集性。误差来源主要为AOD数据质量、低数据覆盖率及插值不稳定性。未来改进应聚焦于提升卫星数据质量、纳入更多影响因素及采用先进算法。
研究不足
估算精度受卫星气溶胶光学厚度数据质量和覆盖范围的影响,在干旱和沿海地区存在较高不确定性。稀疏的PM1.0监测站点限制了模型训练与验证。克里金插值法产生的误差(尤其在站点稀少区域)会影响结果。季节性变化及不同气溶胶来源(如夏季的光化学反应)会引入偏差。该模型未能充分考虑所有影响因素,例如特定气溶胶类型和气象效应。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用结合主成分分析(PCA)的广义回归神经网络(GRNN)模型估算PM1.0浓度,整合了葵花8号卫星气溶胶光学厚度(AOD)数据、地面PM2.5与PM1.0实测值、气象数据及地理数据。通过克里金插值法处理PM2.5数据的空间变异性。
2:0浓度,整合了葵花8号卫星气溶胶光学厚度(AOD)数据、地面PM5与PM0实测值、气象数据及地理数据。通过克里金插值法处理PM5数据的空间变异性。
样本选取与数据来源:
2. 样本选取与数据来源:数据采集时段为2015年7月至2017年6月,包含中国环境监测总站1430个站点的PM2.5观测数据、中国气象局73个站点的PM1.0数据、葵花8号卫星小时级AOD数据、欧洲中期天气预报中心再分析资料中的气象参数(温度、相对湿度、风速、地面气压、边界层高度),以及美国地质调查局数字高程模型(DEM)和MODIS归一化植被指数(NDVI)等地理数据。
3:5观测数据、中国气象局73个站点的PM0数据、葵花8号卫星小时级AOD数据、欧洲中期天气预报中心再分析资料中的气象参数(温度、相对湿度、风速、地面气压、边界层高度),以及美国地质调查局数字高程模型(DEM)和MODIS归一化植被指数(NDVI)等地理数据。
实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:卫星数据(葵花8号AOD)、地面PM监测站点、神经网络建模与插值计算的计算机工具。
4:实验流程与操作步骤:
数据预处理包括采用克里金法对PM2.5进行空间插值、运用PCA降低输入变量间的多重共线性、使用输入变量(AOD、插值PM2.5、气象及地理参数)训练GRNN模型以估算PM1.0浓度,并通过十折交叉验证评估精度。
5:5进行空间插值、运用PCA降低输入变量间的多重共线性、使用输入变量(AOD、插值PM气象及地理参数)训练GRNN模型以估算PM0浓度,并通过十折交叉验证评估精度。
数据分析方法:
5. 数据分析方法:采用R2、RMSE、MAE和AIC进行统计评估,分析昼夜/季节变化规律、空间分布特征及误差来源。
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