[發明專利]一種短時間尺度內城市大氣細顆粒物時空變異評價方法

在審

• 申請號: 201810708169.0
• 申請日: 2018-07-02
• 公開（公告）號: CN110095389A
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 于之鋒;周斌;吳琦;齊冰;袁小紅
• 申請（專利權）人: 杭州師范大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

本發明公開一種短時間尺度內城市大氣細顆粒物時空變異評價方法。由于地球靜止衛星上的GOCI傳感器具有較高的時間分辨率，在研究短時間尺度內PM2.5濃度時空變化方面具有一定的應用潛力。因而本發明通過GOCI影像的波段特征，利用實測PM2.5濃度與氣象因子數據，分別進行了GOCI PM2.5濃度單變量和多變量反演建模研究，并結合GOCI大氣氣溶膠光學厚度(AOD)數據，實現了杭州市PM2.5濃度遙感反演與時空變異分析。這為城市PM2.5濃度短時間尺度的時空變異評價提供了一種方法創新。

技術領域

本發明屬于大氣環境遙感領域，具體涉及大氣污染物、城市生態環境監測、大氣遙感等領域。該方法將衛星遙感反演技術拓展到大氣細顆粒物的模擬模型中，使用遙感手段實現大氣細顆粒物短期變化快慢情況的監測。

背景技術

PM2.5是氣溶膠顆粒的重要組成部分，因它的粒徑小于2.5um，所以被稱為細顆粒物。目前PM2.5濃度監測數據主要從地面監測站點獲取，由于該方法有限，人們開始利用衛星遙感技術來研究PM2.5濃度的分布情況，且衛星遙感技術在該方面具有巨大的優勢。

一般的遙感衛星一天成一景影像，而GOCI時間分辨率是1小時，每天可獲取8景影像，對于研究某一地區PM2.5濃度變化快慢具有一定優勢。GOCI(Geostationary OceanColor Imager)是韓國2010年發射的地球靜止氣象衛星COMS(Communication，Ocean，Meteorological Satellite)上搭載的新一代衛星傳感器，可以用于氣象服務。GOCI時間分辨率是1小時，成像的時間是從上午9:00一直到下午16:00，因而可以連續8個小時的影像圖。

且前人研究衛星遙感反演的AOD數據和PM2.5之間的關系，一般建立的是二者之間的年度回歸模型，這樣所建模型的精度較低，因而本文在建立年度模型的基礎上，又分四季建立二者之間的模型，精度有一定提高。

基于上述背景，本發明使用實測PM2.5、AOD，進行PM2.5濃度的單變量建模研究；再結合GOCI AOD產品，實現對某地區PM2.5濃度的遙感反演與時空變異分析。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種短時間尺度內城市大氣細顆粒物時空變異評價方法，尤其適用于對大氣細顆粒物進行短時期變化快慢的研究，可以獲取大氣細顆粒物的大面積分布情況，具有高頻率的特征。

本發明解決其關鍵技術問題所采用的技術方案包括以下幾個步驟：

步驟(1)、通過國家基準氣候站獲取大氣細顆粒物的實測數據，基于GOCI影像的波段特征利用太陽光度計獲取氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)的實測數據；從GOCI官網獲取GOCI影像。

步驟(2)、使用Excel中的數據分析模塊對實測PM2.5與AOD數據進行相關性分析，相關性系數大于0.4代表中等相關，可以進行建模分析，相關性系數的絕對值越大，代表相關性越強。

步驟(3)、對PM2.5與AOD數據進行分類，一種是以年為單位進行建模，另外一種是以四季為單位處理，且這兩種方案都需把數據分為兩種類型(處理數據和驗證數據)，其中三分之二用于建立PM2.5與AOD的模擬模型，三分之一用于驗證模型。

步驟(4)、建立PM2.5與AOD的模擬模型，使用一元回歸分析方法，建立關于PM2.5濃度的線性函數、對數函數、二次方函數、立方函數、冪函數函數、指數函數共6種模型。比較年尺度和四季尺度下這6種模型下的決定系數、相對誤差和均方根誤差，決定系數越大，相對誤差和均方根誤差越小，代表模型精度越高，通過比較確定PM2.5與AOD的最優模型。

步驟(5)、使用二流式算法來反演GOCI影像的氣溶膠光學厚度，獲得GOCI反演的AOD分布圖；其中使用二流式算法改進大氣輻射傳輸方程為：