课题基金 / 基金详情

基于历史信息交互时空模型的长时间PM2.5重建方法研究

批准号:
41901324
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
24.0 万元
负责人:
何青青
依托单位:
学科分类:
地理信息学
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:

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项目成果

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中文摘要
利用卫星遥感反演的AOD(气溶胶光学厚度)估算地面PM2.5(细颗粒物)浓度是获取PM2.5污染信息的重要方法。但由于缺乏PM2.5-AOD模型开发校对所必须的地面观测值,针对历史时期(2013年以前)的相关研究较少。如何改善历史时期PM2.5-AOD日均关系成为基于卫星遥感重建长时期地面PM2.5浓度的重点和难点,也是提高基于卫星遥感的大气污染估算精度的重要科学问题。本研究拟从改善高分辨率AOD的缺失问题出发,在探索影响因素间相互作用来选取建模因子增强PM2.5-AOD关系的基础上,通过在时空权重机制中引入影响因素在历史时期和建模时期的相似性来改造地理时空加权回归模型(GTWR),重建历史长时期PM2.5数据,旨在提供一种适用于缺乏依赖变量观测值约束时期的统计建模方法,提高PM2.5的估算精度。本项目的开展将有助于克服PM2.5污染信息获取的“瓶颈”,具备切实的科学研究意义和实用价值。
英文摘要
Ambient concentrations of fine particulate matter (PM2.5) in a long-term period are substantially required for exploring dynamical pattern of PM2.5 pollution and assessing the health effect of PM2.5 exposure. However, few studies have conducted satellite-based PM2.5 estimation for China before 2013, due to the limited PM2.5 measurements available from ground-level monitoring stations. To extend the temporal coverage of PM2.5 observations, this project proposes a spatiotemporal modeling method to quantify the relationship between surface PM2.5 and satellite aerosol optical depth (AOD) and predict daily high-resolution PM2.5 concentration in a long-term period of 2003 to 2012. First, to improve the missingness of AOD, a fused 1-km AOD dataset would be generated by merging the newly Multi-Angle Implementation of Atmospheric Correction (MAIAC) AOD data and other coarse-resolution aerosol products. The use of high-resolution AOD data would represent more aerosol gradients and directly benefit the relationship of AOD and PM2.5. Then, “higher-order” impact factors, identified through analyzing the physical PM2.5-AOD relationship, would be used as explanatory variables in modeling. Unlike previous PM2.5-AOD studies only applies the “first-order” factors, high-order factor such as AOD2 and AOD×RH (Relative Humidity) can help interpret the interaction between PM2.5 and its influence factors. Then, a space-time regression model that is a geographically and temporally weighted regression (GTWR) model improved with weighting mechanism using dynamical historical information would be devised to predict historical PM2.5 concentrations for each day. Through considering the difference in daily PM2.5-AOD relationship between historical and modeling years, it is possible for the improved GTWR model to generate better daily PM2.5 predictions before 2013. Thus, this project proposes a promising spatiotemporal PM2.5-AOD model to improve daily accuracy of historical PM2.5 estimates and extends the temporal coverage of PM2.5 observations.
利用卫星遥感反演的AOD(气溶胶光学厚度)估算地面PM2.5(细颗粒物)浓度是获取PM2.5污染信息的重要方法。但由于缺乏PM2.5-AOD模型开发校对所必须的地面PM2.5浓度观测数据,针对我国历史时期(2013年以前)的模型精度较差。另外,由于卫星反演的AOD数据存在大量缺失,导致基于AOD预测的PM2.5浓度数据亦存在大量缺失,从而影响了PM2.5预测数据在环境政策制定和流行病学领域的应用。本研究从改善高分辨率AOD缺失问题出发,通过考虑PM2.5自身的时空特征以及历史年份与建模年份相似性信息等基础上构建统计/机器学习模型,改进预测数据的精度,重建历史长时期PM2.5浓度数据。首先,针对卫星遥感反演的AOD数据缺失问题,采用多重插补模型,结合多源数据,以1km高分辨率MAIAC AOD为目标,为我国2000-2020重建了一套无缺失的日尺度AOD数据集供国内外学者使用(https://doi.org/10.7910/DVN/YPOOYA)。在PM2.5-AOD关系分析中,发现AOD×温度、AOD×相对湿度等非线性高次因子、PM2.5自身的周期性变化和空间自相关性特征可增强PM2.5-AOD关系。在此基础上,开发了基于PM2.5-AOD关系的机器学习模型,在建模过程中,利用PM2.5的时空自相关性以及观测变量在历史时期和建模年份的相似性信息构建时空、空间和历史相似性特征。验证结果发现考虑了这些特征的机器学习模型有效地提高了在缺乏观测约束时期的PM2.5日尺度浓度的预测精度。再以重建的全覆盖高分辨率AOD数据集为基础,结合其他辅助变量数据,利用改进的模型重建了我国2000-2020年日尺度PM2.5浓度数据集,结果数据集已上传至Zenodo(https://doi.org/10.5281/zenodo.4569557)国际数据共享网站。最后,以此数据集为基础,对我国PM2.5污染的时空特征和暴露的健康效应进行了分析与评价。本项目的开展提供了一种适用于缺乏依赖变量观测值约束时期的基于经验关系的建模方法,改进现有空气空气污染物监测技术手段,有助于克服空气污染物信息获取的“瓶颈”。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Full-coverage 1-km estimates and spatiotemporal trends of aerosol optical depth over Taiwan from 2003 to 2019
2003-2019年台湾气溶胶光学深度全覆盖一公里估算及时空趋势
DOI: 10.1016/j.apr.2022.101579
发表时间: 2022-10
期刊: Atmospheric Pollution Research
影响因子: 4.5
作者: [Weihang Wang, Qingqing He, Ming Zhang, Wenting Zhang, Haoran Zhu]
通讯作者: Haoran Zhu
DOI: 10.1016/j.envres.2022.114261
发表时间: 2022
期刊: Environmental Research
影响因子: 8.3
作者: [Kai Hu, Qingqing He]
通讯作者: Qingqing He
DOI: 10.1016/j.envint.2021.106726
发表时间: 2021-11-01
期刊: Environment international
影响因子: 11.8
作者: [He, Qingqing, Gao, Kai, Zhang, Ming]
通讯作者: Zhang, Ming
Spatiotemporal Trends and Influencing Factors of PM2.5 Concentration in Eastern China from 2001 to 2018 Using Satellite-Derived High-Resolution Data
利用卫星高分辨率数据分析2001-2018年中国东部地区PM2.5浓度时空变化趋势及影响因素
DOI: 10.3390/atmos13091352
发表时间: 2022-08
期刊: Atmosphere
影响因子: 2.9
作者: [Weihang Wang, Qingqing He, Kai Gao, Ming Zhang, Yanbin Yuan]
通讯作者: Yanbin Yuan
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    基于母线端口电压自适应调节的V2G变换器关键问题研究
    • 批准号:
      52307219
    • 项目类别:
      青年科学基金项目
    • 资助金额:
      30.00万元
    • 批准年份:
      2023
    • 负责人:
      何青青
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金