2022衛(wèi)星遙感細(xì)顆粒物（PM2.5）監(jiān)測技術(shù)指南

衛(wèi)星遙感細(xì)顆粒物（PM2.5）監(jiān)測技術(shù)指南目 次前 言 ii用圍 1范文件 1語定義 12測法 4果證 5量制 6附錄A（資性錄） PM2.5度理權(quán)歸算方法 7i衛(wèi)星遙感細(xì)顆粒物（PM2.5）監(jiān)測技術(shù)指南本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了衛(wèi)星遙感細(xì)顆粒物監(jiān)測的方法、結(jié)果驗證、質(zhì)量控制等內(nèi)容。本標(biāo)準(zhǔn)引用了下列文件或其中的條款。凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本標(biāo)準(zhǔn)。HJ93（PM10和PM2.5）HJ653（PM10和PM2.5）HJ655（PM10和PM2.5）HJ817（PM10和PM2.5）下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。3.1氣溶光厚度 aerosolopticaldepth（AOD）從地面到大氣層頂垂直路徑中整層氣溶膠消光系數(shù)的總和，量綱為1。3.2像元PM2.5濃度 pixelPM2.5concentration衛(wèi)星觀測1個像元范圍內(nèi)的近地面大氣細(xì)顆粒物平均質(zhì)量濃度，計量單位為μg/m3。3.3行星界高度 planetaryboundarylayerheight（PBLH）1km～2km星邊界層高度是指從地面到行星邊界層頂?shù)母叨龋硎疚廴疚镌诖怪狈较蚰鼙粺崃ν牧魉鶖U散的范圍。3.4地理權(quán)歸 geographicallyweightedregression（GWR）一種用回歸原理研究具有空間（或區(qū)域）分布特征的兩個或多個變量之間數(shù)量關(guān)系的方法，在數(shù)據(jù)處理時考慮局部特征作為權(quán)重。1根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度與AOD、吸濕增長因子、密度、半徑、消光效率因子及行星邊界層高度等因素的轉(zhuǎn)化關(guān)系計算PM2.5質(zhì)量濃度。PM2.5質(zhì)量濃度按公式（1）計算：4 ??×r AODM(PM2.5)=3×式中：M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；

Q×PBLH×f(RH) （1）4/3——球形粒子體積計算常數(shù)，量綱為1；ρ——PM2.5平均密度，μg/m3；r——PM2.5粒子有效半徑，m；Q——PM2.51；AOD——1；PBLH——m；%；f(RH)——氣溶膠消光吸濕增長因子，量綱為1。氣溶膠消光吸濕增長因子按公式（2）計算：f(RH)=(1-RH/100)-g 式中：f(RH)——氣溶膠消光吸濕增長因子，量綱為1；1——常數(shù)，量綱為1；RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1；g——經(jīng)驗擬合系數(shù)，與氣溶膠成分有關(guān)，一般可以取為1。）取自然對數(shù)變換為P2.5（3ln(M(PM2.5))=β0+β1ln(AOD)+β2ln(HPBL)+β3ln(1-RH/100) 式中：ln——自然對數(shù)運算；β0、β1、β2、β3——方程回歸系數(shù)；M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；PBLH——行星邊界層高度，m；RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1。公式（3）中參數(shù)β0、β1、β2、β3）進一步擴展為衛(wèi)星遙感監(jiān)測P2.54ln(M(PM2.5(ui,vi)))=β0(ui,vi)+β1(ui,vi)ln(AOD)+β2(ui,vi)ln(HPBL)+β3(ui,vi)ln(1-RH/100)（4）式中：ln——自然對數(shù)運算；M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；ui——第i個（??=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標(biāo)，量綱為1；2vi——第??個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標(biāo)，量綱為1；β0、β1、β2、β3——隨不同空間位置變化的方程回歸系數(shù)；AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；PBLH——行星邊界層高度，m；RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1。4P25P2.5濃度。0.47μm0.66μm0.86μm2.1μm附12μm個數(shù)據(jù)；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)包括監(jiān)測點位的PM2.5陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度及分布。AODPM2.5地區(qū)域PM2.5氣象模式資料相對濕度 地面PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)氣溶膠光學(xué)厚度反演數(shù)據(jù)匹配氣象模式資料相對濕度 地面PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)氣溶膠光學(xué)厚度反演數(shù)據(jù)匹配回歸系數(shù)獲取像元PM回歸系數(shù)獲取像元PM2.5濃度計算區(qū)域PM2.5濃度輸出圖1 陸區(qū)域PM2.5質(zhì)濃度星感測程圖3AOD利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用暗目標(biāo)法和深藍算法反演獲取目標(biāo)區(qū)域無云陸地像元的AOD，衛(wèi)星遙感反演流程如下：衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)像元判別暗像元亮像元查找表查找表地表反射率庫區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果深藍算法暗目標(biāo)算法遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理圖2 衛(wèi)遙反演AOD流程圖開展AOD遙感反演，主要包括以下七個步驟：（如MOD09）（2.1μm附近）AODAODAODAOD算；AODAOD和亮像元AODAODPM2.5AODMOD04、4MCD19A2等AOD（GlobalForecastReeachandoecanWRD的利用地面監(jiān)測站點的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)與區(qū)域AOD、氣象資料進行時間和空間上的衛(wèi)星—模式—地面多源數(shù)據(jù)匹配，形成輸入數(shù)據(jù)集。以PM2.53m/s～515kmAOD根據(jù)附錄A（A.3）構(gòu)建PM2.5AOD根據(jù)監(jiān)測原理形成P2.55Y=Xβ （5）式中：Y——因變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；X——自變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；β——回歸系數(shù)矩陣，構(gòu)建形式見附錄A。β（A）β。陸地區(qū)域PM2.5（12βAODPM2.5AOD（5）值，并計算像元P25M(PM2.5)=exp(Y) （6）式中：M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；exp——以e為底的指數(shù)函數(shù)；Y——像元回歸因變量。將所有計算像元PM2.5濃度按照衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的投影方式和地理坐標(biāo)系統(tǒng)存儲，形成陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度結(jié)果。采取十折交叉驗證方法驗證衛(wèi)星遙感獲取的陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)5.3形成的輸5101019PM2.5PM2.5PM2.5RRP2.50.7R）0R2A（7（n????2R2=

i=1

（7）??式中：R2——決定系數(shù)，量綱為1；??

n∑i∑

(y-??)2iy?——像元PM2.5濃度遙感計算結(jié)果，μg/m3；iy——區(qū)域內(nèi)所有地面監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度的平均值，μg/m3；iy——第??個（i=1,2,?,??）地面站點PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測值，μg/m3。i∑n|y?y?|RA=(1?i=1i i)×100% （8）∑n|????|式中：RA——相對精度，%；

i=1iy?——像元PM2.5濃度遙感計算結(jié)果，μg/m3；iy——區(qū)域內(nèi)所有地面監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度的平均值，μg/m3；iy——第i個（i=1,2,?,n）地面站點PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測值，μg/m3。i為提高PM2.5（如GFSWRF等80%HJ93HJ653HJ655HJ8171×104km23個地面監(jiān)測點位的PM2.5度監(jiān)測資料，部分PM2.51×104km25個地面監(jiān)測點位的PM2.56附 錄 A（資料性附錄）PM2.5質(zhì)量濃度地理加權(quán)回歸計算方法公式（5）YXβY（A.1）：ln(M(PM2.5(u1,v1)))Y=ln(M(PM2.5(u2,v2)))[ ? ] （A.1）式中：Y——因變量矩陣；

ln(M(PM2.5(un,vn)))M(PM2.5(ui,vi))——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標(biāo)；vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標(biāo)。自變量矩陣Y構(gòu)建形式見公式（A.2）：ln(AOD(u1,v1))ln(PBLH(u1,v1))ln(1-RH(u1,v1)/100)X=ln(AOD(u2,v2))ln(PBLH(u2,v2))ln(1-RH(u2,v2)/100)? ? ?

（A.2）式中：X——自變量矩陣；

[ln(AOD(un,vn))ln(PBLH(un,vn))ln(1-RH(un,vn)/100)]AOD(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的AOD，量綱為1；PBLH(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的行星邊界層高度，m；RH(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的相對濕度，量綱為1；100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1；n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標(biāo)；vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標(biāo)?；貧w系數(shù)矩陣β構(gòu)建方式見公式（A.3）：式中：β——回歸系數(shù)矩陣；

β0(u1,v1)β0(u2,v2)?β0(un,vn)β=β1(u1,v1)β1(u2,v2)?β1(un,vn)β2(u1,v1)β2(u2,v2)?β2(un,vn)[β3(u1,v1)β3(u3,v3)?β3(un,vn)]

（A.3）β0(ui,vi)、β1(ui,vi)、β2(ui,vi)、β3(ui,vi)——第??個訓(xùn)練樣本的回歸系數(shù)；n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標(biāo)；vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標(biāo)?；貧w系數(shù)矩陣β一般通過地理加權(quán)方法獲取。先計算兩個樣本之間的距離，見公式（A.4）：7dij=√(ui-uj)2+(vi-vj)2 （A.4）式中：dij——第i個訓(xùn)練樣本坐標(biāo)和第j個訓(xùn)練樣本坐標(biāo)的距離；ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標(biāo)；vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標(biāo)；uj——第j個（j=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標(biāo)；j個（j=1,2,?,n）?A.）：dij2Wij=exp(-[]) （A.5）式中：Wij——第j個（j=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本對第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的影響權(quán)重系數(shù)；?——dij——第i個訓(xùn)練樣本坐標(biāo)和第j個訓(xùn)練樣本坐標(biāo)的距離。再計算權(quán)重函數(shù)對角矩陣，見公式（A.6）：Wi10?0W(u,v)=[0Wi2?0] （A.6）ii ????00?Win式中：W(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的權(quán)重函數(shù)矩；n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標(biāo)；vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標(biāo)；Wij——第j個（j=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本對第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的影響權(quán)重系數(shù)。獲取回歸系數(shù)，計算方法見公式（A.7）：β(ui,vi)=[XTW(ui,vi)X]-1XTW(ui,vi)Y （A.7）式中：n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；β(ui,vi)——i個（i=1,2,?,n）i個（i=1,2,?,