基于线性混合效应模型的河北省PM2.5浓度时空变化模型研究.pdf

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第 3 2 卷 第 9 期 2 0 1 9 年 9 月 环 境 科 学 研 究 R e s e a r c h o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s V o l . 3 2 ꎬ N o . 9 S e p . ꎬ 2 0 1 9 收 稿 日 期 2 0 1 8  ̄ 0 6  ̄ 0 6 修 订 日 期 2 0 1 9  ̄ 0 5  ̄ 0 6 作 者 简 介 孙 成 1 9 9 2  ̄ ꎬ 男 ꎬ 河 北 保 定 人 ꎬ 4 1 5 0 5 4 4 3 6 @ q q . c o m . ∗ 责 任 作 者 ꎬ 王 卫 1 9 5 8  ̄ ꎬ 男 ꎬ 河 北 承 德 人 ꎬ 教 授 ꎬ 硕 士 ꎬ 博 导 ꎬ 主 要 从 事 土 地 利 用 ∕ 覆 被 变 化 生 态 环 境 效 应 研 究 ꎬ w a n g w e i @ h e b t u . e d u . c n 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 N o . 4 1 4 7 1 0 9 1 ꎻ 河 北 省 自 然 地 理 学 重 点 学 科 项 目 N o . 2 0 0 5  ̄ 7 5 S u p p o r t e d b y N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a N o . 4 1 4 7 1 0 9 1 ꎻ K e y D i s c i p l i n e s o f N a t u r a l G e o g r a p h y i n H e b e i P r o v i n c e ꎬ C h i n a N o . 2 0 0 5  ̄ 7 5 基 于 线 性 混 合 效 应 模 型 的 河 北 省 P M 2􀆰 5 浓 度 时 空 变 化 模 型 研 究 孙 成 1 ꎬ 2 ꎬ 王 卫 1 ꎬ 2 ∗ ꎬ 刘 方 田 1 ꎬ 2 ꎬ 郭 兴 宇 1 ꎬ 2 1 . 河 北 师 范 大 学 资 源 与 环 境 科 学 学 院 ꎬ 河 北 石 家 庄 0 5 0 0 2 4 2 . 河 北 省 环 境 演 变 与 生 态 建 设 实 验 室 ꎬ 河 北 石 家 庄 0 5 0 0 2 4 摘 要 京 津 冀 地 区 大 气 P M 2 􀆰 5 污 染 严 重 . 为 揭 示 区 域 P M 2 􀆰 5 时 空 分 布 规 律 ꎬ 使 用 2 0 1 3 2 0 1 4 年 河 北 省 地 面 站 点 P M 2 􀆰 5 监 测 数 据 、 M O D I S A O D 气 溶 胶 光 学 厚 度 遥 感 数 据 、 地 面 气 象 站 点 数 据 和 土 地 利 用 调 查 数 据 ꎬ 基 于 线 性 混 合 效 应 模 型 L M E ꎬ 建 立 了 ρ P M 2 􀆰 5 时 空 变 化 与 A O D 因 子 、 气 象 因 子 、 土 地 利 用 因 子 之 间 的 关 系 模 型 . 采 用 十 折 交 叉 验 证 法 对 模 型 精 度 进 行 检 验 ꎬ 并 利 用 计 算 得 到 的 校 正 因 子 〔 全 部 实 测 的 ρ P M 2 􀆰 5 年 均 值 除 以 参 与 建 模 的 所 有 实 测 ρ P M 2 􀆰 5 年 均 值 〕 纠 正 因 A O D 非 随 机 性 缺 值 导 致 的 抽 样 偏 差 . 结 果 表 明 ① 河 北 省 区 域 模 拟 精 度 R 2 决 定 系 数 为 0 􀆰 8 5 ꎬ 经 交 叉 验 证 后 R 2 为 0 􀆰 7 7 ꎬ R M S E 均 方 根 误 差 和 R P E 相 对 预 测 误 差 分 别 为 1 8 􀆰 2 8 μ g ∕ m 3 和 2 8 􀆰 6 8 % . ② ρ P M 2 􀆰 5 年 均 值 模 拟 结 果 的 校 正 因 子 范 围 为 1 􀆰 2 4 2 􀆰 0 5 ꎬ 校 正 后 的 研 究 区 ρ P M 2 􀆰 5 年 均 值 为 8 9 􀆰 8 4 μ g ∕ m 3 ꎬ 与 实 际 监 测 数 据 相 近 . ③ ρ P M 2 􀆰 5 空 间 分 布 呈 平 原 高 、 山 区 低 ꎬ 平 原 地 区 西 南 高 、 东 北 低 的 趋 势 . ④ ρ P M 2 􀆰 5 与 A O D 、 温 度 、 相 对 湿 度 呈 正 相 关 ꎬ 与 风 速 、 大 气 能 见 度 呈 负 相 关 . 研 究 显 示 ꎬ 线 性 混 合 效 应 模 型 能 有 效 对 ρ P M 2 􀆰 5 进 行 时 空 变 化 模 拟 ꎬ 并 实 现 对 非 地 面 监 测 地 区 ρ P M 2 􀆰 5 时 空 变 化 的 预 测 ꎬ 恰 当 的 预 测 因 子 组 合 和 模 型 校 正 有 助 于 模 型 预 测 精 度 的 提 升 . 关 键 词 P M 2 􀆰 5 ꎻ 气 溶 胶 光 学 厚 度 A O D ꎻ 线 性 混 合 效 应 模 型 ꎻ 十 折 交 叉 验 证 ꎻ 时 空 变 化 ꎻ 河 北 省 中 图 分 类 号 X 5 1 3 文 章 编 号 1 0 0 1  ̄ 6 9 2 9 2 0 1 9 0 9  ̄ 1 5 0 0  ̄ 1 0 文 献 标 志 码 A D O I 1 0 􀆰 1 3 1 9 8 ∕ j 􀆰 i s s n 􀆰 1 0 0 1  ̄ 6 9 2 9 􀆰 2 0 1 9 􀆰 0 6 􀆰 1 3 S p a t i a l  ̄ T e m p o r a l S i m u l a t i o n o f P M 2 􀆰 5 C o n c e n t r a t i o n i n H e b e i P r o v i n c e b a s e d o n L i n e a r M i x e d E f f e c t s M o d e l S U N C he n g 1 ꎬ 2 ꎬ W A N G W e i 1 ꎬ 2 ∗ ꎬ L I U F a ng t i a n 1 ꎬ 2 ꎬ G U O X i ng y u 1 ꎬ 2 1 . C o l l e g e o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t S c i e n c e s ꎬ H e b e i N o r m a l U n i v e r s i t y ꎬ S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 2 4 ꎬ C h i n a 2 . K e y L a b o r a t o r y o f E n v i r o n m e n t a l E v o l v e m e n t a n d E c o l o g i c a l C o n s t r u c t i o n o f H e b e i P r o v i n c e ꎬ S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 2 4 ꎬ C h i n a A b s t r a c t T h e a t m o s p h e r i c p a r t i c u l a t e p o l l u t i o n i s s e r i o u s i n t h e B e i j i n g  ̄ T i a n j i n  ̄ H e b e i R e g i o n . T o e x p l o r e t h e s p a t i a l  ̄ t e m p o r a l d i s t r i b u t i o n o f ρ P M 2 􀆰 5 ꎬ b a s e d o n t h e m e a s u r e d ρ P M 2 􀆰 5 ꎬ M O D I S a e r o s o l o p t i c a l d e p t h A O D ꎬ m e t e o r o l o g i c a l a n d l a n d u s e d a t a f r o m 2 0 1 3 t o 2 0 1 4 ꎬ w e d e v e l o p e d a l i n e a r m i x e d e f f e c t m o d e l t o m a k e r e g r e s s ρ P M 2 􀆰 5 m e a s u r e m e n t s w i t h A O D ꎬ m e t e o r o l o g i c a l a n d l a n d u s e f a c t o r s i n H e b e i P r o v i n c e . T h e n t e n  ̄ f o l d c r o s s v a l i d a t i o n w a s u s e d t o v a l i d a t e t h e a c c u r a c y o f t h e p r e d i c t i o n s . F i n a l l y ꎬ t h e c o r r e c t i o n f a c t o r s ꎬ w h i c h w e r e c a l c u l a t e d f r o m t h e m e a s u r e d a n n u a l a v e r a g e ρ P M 2 􀆰 5 d i v i d e d t h o s e i n t h e m o d e l s ꎬ w e r e e m p l o y e d t o c o r r e c t b i a s e s i n t h e p r e d i c t e d ρ P M 2 􀆰 5 c a u s e d b y n o n r a n d o m m i s s i n g o f A O D . T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t 1 T h e R 2 o f t h e m i x e d e f f e c t s m o d e l f o r H e b e i P r o v i n c e w a s 0 􀆰 8 5 . T h e c r o s s  ̄ v a l i d a t i o n R 2 w a s 0 􀆰 7 7 ꎬ t h e R o o t M e a n S q u a r e E r r o r R M S E a n d R e l a t i v e P r e d i c t i o n E r r o r R P E w e r e 1 8 􀆰 2 8 μ g ∕ m 3 a n d 2 8 􀆰 6 8 % ꎬ r e s p e c t i v e l y . 2 T h e c o r r e c t i o n f a c t o r s o f 2 0 1 3  ̄ 2 0 1 4 r a n g e d f r o m 1 􀆰 2 4 t o 2 􀆰 0 5 . T h e c o r r e c t e d a n n u a l ρ P M 2 􀆰 5 o f H e b e i P r o v i n c e w a s 8 9 􀆰 8 4 μ g ∕ m 3 ꎬ w h i c h w a s c l o s e t o t h e m o n i t o r i n g d a t a . 3 F o r t h e s p a t i a l p a t t e r n ꎬ t h e P M 2 􀆰 5 c o n c e n t r a t i o n s i n t h e p l a i n s w e r e h i g h e r t h a n t h o s e i n t h e m o u n t a i n o u s a r e a s ꎬ t h e ρ P M 2 􀆰 5 i n t h e s o u t h w e s t e r n p l a i n w e r e h i g h e r t h a n t h o s e i n t h e n o r t h e a s t e r n p a r t . 4 T h e ρ P M 2 􀆰 5 h a d p o s i t i v e c o r r e l a t i o n w i t h t h e A O D ꎬ t e m p e r a t u r e ꎬ r e l a t i v e h u m i d i t y a n d n e g a t i v e c o r r e l a t i o n w i t h t h e w i n d s p e e d a n d a t m o s p h e r i c v i s i b i l i t y . A l l t h e s e r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t t h e m i x e d e f f e c t m o d e l a l l o w s o n e t o a s s e s s t h e s p a t i a l  ̄ t e m p o r a l d i s t r i b u t i o n o f t h e ρ P M 2 􀆰 5 r e l i a b l y ꎻ i t c a n a l s o p r e d i c t t h e s p a t i a l  ̄ t e m p o r a l p a t t e r n o f t h e ρ P M 2 􀆰 5 i n n o n  ̄ m e a s u r e d第 9 期 孙 成 等 基 于 线 性 混 合 效 应 模 型 的 河 北 省 P M 2 􀆰 5 浓 度 时 空 变 化 模 型 研 究 r e g i o n s . P r o p e r c o m b i n a t i o n o f f o r e c a s t i n g f a c t o r s a n d m o d e l c o r r e c t i o n f a c t o r a r e a b l e t o h e l p i m p r o v e t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y o f t h e m o d e l . K e y w o r d s ρ P M 2 􀆰 5 ꎻ a e r o s o l o p t i c a l d e p t h A O D ꎻ l i n e a r m i x e d e f f e c t s m o d e l ꎻ t e n  ̄ f o l d c r o s s v a l i d a t i o n ꎻ s p a t i a l  ̄ t e m p o r a l d i s t r i b u t i o n ꎻ H e b e i P r o v i n c e进 入 21 世 纪 以 来 ꎬ 我 国 经 济 继 续 高 速 增 长 ꎬ 大 气 污 染 也 呈 明 显 加 重 趋 势 [ 1  ̄ 3 ] ꎬ 特 别 是 河 北 省 及 其 所 在 的 京 津 冀 地 区 成 为 大 气 颗 粒 物 污 染 的 重 灾 区 . 为 此 20 13 年 以 来 ꎬ 国 家 实 施 了 最 严 厉 的 治 理 措 施 ꎬ 京 津 冀 地 区 大 气 环 境 质 量 有 所 好 转 ꎬ 但 治 理 压 力 依 然 较 大 [ 4  ̄ 5 ] . 长 期 以 来 ꎬ 学 术 界 针 对 大 气 颗 粒 物 污 染 时 空 变 化 定 量 研 究 进 行 了 不 断 的 探 索 和 尝 试 ꎬ 早 期 多 依 赖 于 研 究 区 内 有 限 的 P M 2 􀆰 5 监 测 站 点 ꎬ 利 用 站 点 监 测 数 据 及 其 他 相 关 因 子 预 测 附 近 未 监 测 区 域 的 ρ P M 2 􀆰 5 [ 6 ] . 土 地 利 用 回 归 模 型 L U R 是 地 表 大 气 颗 粒 物 质 量 浓 度 空 间 分 布 研 究 中 影 响 比 较 广 泛 的 一 种 方 法 ꎬ 通 过 构 建 地 面 监 测 ρ P M 2 􀆰 5 与 当 地 土 地 利 用 及 其 相 关 因 子 如 道 路 密 度 、 建 筑 用 地 比 率 、 人 口 密 度 等 之 间 的 回 归 关 系 ꎬ 进 而 模 拟 研 究 区 面 状 ρ P M 2 􀆰 5 [ 7  ̄ 8 ] . 但 由 于 研 究 区 内 土 地 利 用 状 况 短 期 内 几 乎 不 会 发 生 明 显 变 化 ꎬ 导 致 模 型 的 时 间 分 辨 率 较 低 ꎬ 无 法 模 拟 ρ P M 2 􀆰 5 短 期 时 空 变 化 信 息 . 伴 随 新 型 传 感 器 和 算 法 的 产 生 ꎬ 卫 星 遥 感 逐 渐 成 为 一 个 强 有 力 的 工 具 ꎬ 用 来 对 不 同 空 间 尺 度 下 ρ P M 2 􀆰 5 进 行 评 估 . 遥 感 反 演 产 品 大 气 A O D a e r o s o l o p t i c a l de p t h ꎬ 气 溶 胶 光 学 厚 度 是 整 层 大 气 柱 中 气 溶 胶 的 消 光 系 数 ꎬ 与 ρ P M 2 􀆰 5 之 间 存 在 较 好 且 复 杂 的 相 关 关 系 ꎬ 因 其 覆 盖 空 间 范 围 广 、 获 取 方 便 ꎬ 近 年 来 被 广 泛 应 用 于 ρ P M 2 􀆰 5 的 模 拟 和 预 测 [ 9  ̄ 1 3 ] . 由 于 A O D 数 据 可 以 利 用 卫 星 遥 感 获 得 ꎬ 每 日 数 据 进 行 实 时 更 新 ꎬ 以 A O D 为 变 量 因 子 对 大 气 ρ P M 2 􀆰 5 进 行 时 空 预 测 可 有 效 提 高 预 测 模 型 的 时 间 分 辨 率 [ 1 4  ̄ 1 6 ] ꎻ 同 时 ꎬ 可 以 极 大 改 善 早 期 模 型 过 分 依 赖 监 测 站 点 分 布 的 缺 陷 ꎬ 使 预 测 模 型 能 在 更 大 区 域 范 围 推 广 使 用 [ 1 7  ̄ 1 9 ] . 将 A O D 参 数 引 入 预 测 模 型 模 拟 A O D 与 P M 2 􀆰 5 相 关 关 系 的 方 法 很 多 ꎬ 其 中 比 较 成 熟 的 是 C T M 大 气 化 学 传 输 模 型 . C T M 首 先 需 要 对 遥 感 A O D 数 据 进 行 一 系 列 校 正 ꎬ 包 括 大 气 垂 直 订 正 和 相 对 湿 度 订 正 等 ꎬ 去 除 因 气 象 因 素 导 致 的 数 据 偏 差 ꎬ 并 利 用 C T M 模 拟 订 正 后 A O D 数 据 与 ρ P M 2 􀆰 5 数 据 的 比 例 关 系 ꎬ 从 而 估 算 研 究 区 域 ρ P M 2 􀆰 5 ꎬ 该 模 型 在 北 美 地 区 的 预 测 结 果 与 实 际 值 相 关 性 为 0􀆰 77 [ 2 0  ̄ 2 3 ] ꎬ 模 拟 精 度 较 高 . 该 方 法 的 优 势 在 于 不 需 要 ρ P M 2 􀆰 5 数 据 就 可 以 进 行 模 型 模 拟 ꎬ 扩 大 了 模 型 的 应 用 范 围 . 但 C T M 构 建 过 程 对 于 数 据 要 求 较 高 ꎬ 需 要 污 染 物 排 放 清 单 和 气 溶 胶 粒 径 、 类 型 、 种 类 、 消 光 系 数 的 垂 直 结 构 等 详 细 信 息 ꎬ 因 此 数 据 精 度 对 模 拟 结 果 影 响 较 大 . 近 年 来 大 量 研 究 应 用 线 性 混 合 效 应 模 型 L M E 研 究 大 气 颗 粒 物 污 染 情 况 ꎬ 将 该 模 型 与 遥 感 A O D 数 据 结 合 ꎬ 并 引 入 风 速 、 相 对 湿 度 等 气 象 参 数 和 土 地 利 用 参 数 . 与 C T M 相 比 ꎬ 线 性 混 合 效 应 模 型 由 于 增 加 了 模 型 的 随 机 效 应 ꎬ 具 有 数 据 需 求 相 对 简 单 且 模 拟 精 度 较 高 的 优 势 [ 2 4  ̄ 2 6 ] . 该 研 究 以 A O D 参 数 、 气 象 参 数 及 土 地 利 用 参 数 作 为 预 测 因 子 ꎬ 构 建 河 北 省 20 13 2 01 4 年 逐 日 线 性 混 合 效 应 模 型 ꎬ 模 拟 分 析 研 究 区 域 ρ P M 2 􀆰 5 时 空 变 化 规 律 ꎬ 以 期 为 大 气 污 染 治 理 提 供 科 学 依 据 . 1 材 料 与 方 法 1 􀆰 1 研 究 区 概 况 河 北 省 环 抱 北 京 市 、 天 津 市 ꎬ 地 处 36 ° 05 ′ N 4 2 ° 40 ′ N 、 113 ° 27 ′ E 11 9 ° 50 ′ E 之 间 ꎬ 东 邻 渤 海 ꎬ 西 倚 太 行 山 脉 ꎬ 北 靠 内 蒙 古 高 原 ꎬ 南 接 豫 鲁 平 原 . 属 于 温 带 大 陆 性 季 风 气 候 ꎬ 四 季 分 明 ꎬ 降 水 量 东 南 多 、 西 北 少 . 地 貌 类 型 复 杂 多 样 ꎬ 高 原 、 山 地 、 丘 陵 、 平 原 、 盆 地 类 型 齐 全 ꎬ 地 势 西 北 高 、 东 南 低 ꎬ 并 由 西 北 向 东 南 倾 斜 . 由 于 区 域 内 西 、 北 两 面 环 山 ꎬ 阻 断 了 相 关 气 流 扰 动 平 原 ꎬ 不 利 于 大 气 污 染 物 有 效 扩 散 ꎬ 并 且 受 高 气 压 影 响 下 的 冬 季 气 流 常 导 致 逆 温 现 象 频 发 ꎬ 加 重 了 平 原 地 区 的 污 染 程 度 ꎬ 使 其 成 为 我 国 大 气 污 染 的 重 灾 区 . 1 􀆰 2 基 础 数 据 1 􀆰 2􀆰 1 A O D 数 据 M O D I S 是 N A SA 美 国 国 家 航 空 航 天 局 地 球 观 测 系 统 E O S 中 较 为 先 进 的 观 测 仪 器 ꎬ 广 泛 应 用 于 大 气 气 溶 胶 监 测 领 域 . A O D 是 M O D I S 的 基 本 产 品 之 一 ꎬ 该 研 究 采 用 N A SA 网 站 ht t p ∕ ∕ l a ds w e b . m o da ps . e o s di s . na s a . g o v 发 布 的 201 3 年 1 月 1 日 2 0 14 年 1 2 月 31 日 的 M O D 04 _ L 2 C 6 产 品 ꎬ 时 间 分 辨 率 为 1 d 、 空 间 分 辨 率 为 1 0 k m 1 0 k m . 针 对 M O D I S A O D 数 据 使 用 要 求 ꎬ 该 研 究 首 先 对 原 始 数 据 进 行 裁 剪 、 拼 接 处 理 ꎬ 同 时 由 于 A O D 像 素 中 心 每 日 不 断 发 生 变 化 ꎬ 因 此 对 其 进 行 空 间 几 何 校 正 ꎬ 使 得 区 域 内 每 日 A O D 格 网 中 心 能 够 完 全 重 合 ꎬ 最 终 获 得 覆 盖 河 北 省 的 A O D 栅 格 数 据 . 1 􀆰 2􀆰 2 ρ P M 2 􀆰 5 监 测 数 据 河 北 省 20 13 2 01 4 年 ρ P M 2 􀆰 5 监 测 数 据 来 源 于 全 国 城 市 空 气 质 量 实 时 发 布 平 台 h t t p ∕ ∕ 1 0 5 1 环 境 科 学 研 究 第 3 2 卷 10 6􀆰 3 7􀆰 2 0 8 􀆰 2 33 200 35 ꎬ 从 该 平 台 可 获 得 河 北 省 辖 区 石 家 庄 市 、 保 定 市 、 邢 台 市 、 邯 郸 市 等 11 个 城 市 共 53 个 监 测 站 点 位 置 及 其 ρ P M 2 􀆰 5 小 时 数 据 ꎬ 用 于 计 算 ρ P M 2 􀆰 5 日 均 值 . 根 据 监 测 站 点 的 经 纬 度 ꎬ 将 地 面 站 点 日 均 ρ P M 2 􀆰 5 数 据 匹 配 到 与 它 们 相 对 应 的 A O D 栅 格 中 . A O D 栅 格 单 元 中 存 在 1 个 或 多 个 P M 2 􀆰 5 监 测 站 点 的 被 命 名 为 监 测 格 网 ꎬ 其 中 ꎬ 包 含 多 个 监 测 站 点 的 监 测 格 网 值 按 照 监 测 格 网 中 所 有 监 测 站 点 的 平 均 值 进 行 计 算 . 最 终 ꎬ 得 到 研 究 区 内 监 测 格 网 共 32 个 . 1􀆰 2􀆰 3 气 象 数 据 气 象 数 据 主 要 源 于 中 国 气 象 数 据 共 享 网 ht t ps ∕ ∕ d a t a . c m a . c n ꎬ 获 得 河 北 省 201 3 2 0 14 年 各 气 象 站 点 气 象 数 据 ꎬ 包 括 气 温 、 相 对 湿 度 、 风 速 、 能 见 度 等 . 但 由 于 该 数 据 类 型 均 为 站 点 点 状 数 据 ꎬ 难 以 与 所 有 监 测 格 网 进 行 数 据 空 间 匹 配 ꎬ 需 要 对 气 象 站 点 数 据 进 行 空 间 插 值 ꎬ 以 获 得 研 究 区 分 辨 率 为 10 km 1 0 k m 气 象 面 状 数 据 . 利 用 A r c G I S 1 0􀆰 2 软 件 对 各 气 象 因 子 进 行 空 间 插 值 ꎬ 插 值 数 据 源 包 括 河 北 省 1 42 个 气 象 站 点 及 其 周 边 地 区 北 京 市 ꎬ 天 津 市 ꎬ 山 西 省 阳 泉 市 、 大 同 市 、 长 治 市 ꎬ 河 南 省 安 阳 市 ꎬ 山 东 德 州 市 ꎬ 内 蒙 古 自 治 区 赤 峰 市 11 个 气 象 站 点 的 日 均 值 数 据 ꎬ 站 点 共 计 153 个 . 将 所 有 站 点 数 据 分 为 测 试 集 和 验 证 集 两 部 分 ꎬ 其 中 验 证 集 占 气 象 站 点 的 15 % ꎬ 目 的 在 于 对 空 间 插 值 结 果 进 行 精 度 验 证 . 气 温 、 相 对 湿 度 、 风 速 、 能 见 度 等 气 象 因 子 插 值 方 法 经 过 对 比 筛 选 ꎬ 最 终 确 定 能 见 度 因 子 为 I D W 插 值 ꎬ 其 余 选 择 普 通 克 里 金 插 值 . 经 过 验 证 集 数 据 检 验 ꎬ 插 值 结 果 R 2 范 围 为 0􀆰 69 0 􀆰 99 ꎬ 符 合 数 据 使 用 要 求 . 1􀆰 2􀆰 4 土 地 利 用 数 据 土 地 利 用 参 数 可 以 较 好 地 表 征 地 面 大 气 颗 粒 物 的 排 放 强 度 ꎬ 一 般 来 说 建 筑 用 地 P M 2 􀆰 5 排 放 强 度 大 于 林 地 、 草 地 . 该 研 究 采 用 空 间 分 辨 率 为 3 0 m 的 20 1 5 年 河 北 省 土 地 利 用 现 状 图 来 代 表 2 01 3 2 0 14 年 的 土 地 利 用 状 况 ꎬ 主 要 提 取 研 究 区 栅 格 单 元 建 筑 用 地 比 率 和 林 地 覆 盖 率 2 个 参 数 ꎬ 数 据 提 取 在 A r c G I S 10􀆰 2 软 件 中 进 行 . 1􀆰 2􀆰 5 数 据 提 取 与 匹 配 由 于 各 类 数 据 来 源 不 同 ꎬ 其 数 据 类 型 和 时 空 分 辨 率 也 并 不 一 样 ꎬ 如 A O D 、 土 地 利 用 数 据 分 别 为 空 间 分 辨 率 10 k m 10 km 和 30 m 30 m 的 栅 格 数 据 ꎬ 而 P M 2 􀆰 5 和 气 象 要 素 则 为 研 究 区 各 监 测 站 点 的 点 数 据 ꎻ A O D 为 每 日 卫 星 过 境 时 的 瞬 时 数 据 ꎬ ρ P M 2 􀆰 5 为 小 时 数 据 ꎬ 虽 然 A O D 瞬 时 数 据 与 ρ P M 2 􀆰 5 小 时 数 据 的 相 关 性 更 高 ꎬ 但 不 能 实 现 ρ P M 2 􀆰 5 与 A O D 关 系 的 全 天 覆 盖 . 研 究 [ 2 7 ] 表 明 ꎬ ρ P M 2 􀆰 5 小 时 数 据 与 日 均 值 数 据 之 间 存 在 高 度 相 关 性 ꎬ 因 此 建 立 A O D 与 ρ P M 2 􀆰 5 日 均 值 的 匹 配 关 系 ꎬ 既 可 满 足 模 型 精 度 要 求 又 可 实 现 全 天 覆 盖 . 依 据 模 型 数 据 使 用 要 求 ꎬ 需 对 不 同 类 型 数 据 做 统 一 化 处 理 并 进 行 数 据 匹 配 ꎬ 得 到 一 一 对 应 的 数 据 组 . 将 1􀆰 2 􀆰 2 节 中 提 到 的 A O D 监 测 格 网 作 为 基 准 格 网 ꎬ 对 各 项 基 础 数 据 进 行 单 独 提 取 . 对 于 ρ P M 2 􀆰 5 数 据 ꎬ 将 单 个 A O D 监 测 格 网 中 所 有 P M 2 􀆰 5 站 点 同 一 天 监 测 数 据 的 平 均 值 赋 值 给 该 格 网 ꎻ 研 究 区 气 象 站 点 日 均 值 数 据 已 经 插 值 为 覆 盖 整 个 研 究 区 的 栅 格 数 据 ꎬ 根 据 P M 2 􀆰 5 监 测 站 点 经 纬 度 ꎬ 对 插 值 得 到 的 栅 格 数 据 进 行 气 象 数 据 提 取 ꎬ 得 到 与 监 测 站 点 所 在 格 网 相 对 应 的 气 象 要 素 值 ꎻ 土 地 利 用 数 据 则 直 接 在 基 准 格 网 内 计 算 得 到 每 个 监 测 格 网 的 建 筑 用 地 比 率 与 林 地 覆 盖 率 . 处 理 后 获 得 的 ρ P M 2 􀆰 5 为 日 均 值 数 据 ꎬ A O D 为 日 值 数 据 ꎬ 气 象 要 素 为 日 均 值 数 据 ꎬ 因 土 地 利 用 数 据 更 新 较 慢 ꎬ 以 土 地 利 用 现 状 数 据 代 表 年 均 值 数 据 . 将 各 项 数 据 提 取 结 果 按 照 监 测 格 网 的 I D 和 日 期 进 行 数 据 匹 配 ꎬ 并 去 除 A O D 缺 值 部 分 ꎬ 最 终 得 到 研 究 区 包 含 ρ P M 2 􀆰 5 在 内 的 所 有 参 数 匹 配 数 据 共 2 1 49 组 . 1 􀆰 3 模 型 构 建 与 验 证 1 􀆰 3􀆰 1 线 性 混 合 效 应 模 型 构 建 线 性 混 合 效 应 模 型 是 既 包 含 固 定 效 应 又 包 含 随 机 效 应 的 统 计 模 型 ꎬ 其 中 ꎬ 固 定 效 应 表 示 影 响 因 子 对 P M 2 􀆰 5 的 平 均 影 响 状 态 ꎬ 而 随 机 效 应 则 用 于 解 释 ρ P M 2 􀆰 5 与 A O D 及 其 他 影 响 因 子 之 间 的 日 变 化 关 系 ꎬ 以 随 机 截 距 和 随 机 斜 率 的 形 式 表 征 . 研 究 [ 2 8 ] 表 明 ꎬ A O D 与 ρ P M 2 􀆰 5 之 间 的 线 性 关 系 不 仅 存 在 一 定 的 空 间 差 异 ꎬ 更 重 要 的 是 由 于 每 天 受 到 不 同 条 件 温 度 、 风 速 、 污 染 物 排 放 强 度 等 的 影 响 ꎬ ρ P M 2 􀆰 5 与 A O D 之 间 的 关 系 每 日 均 发 生 变 化 . 该 研 究 在 构 建 A O D 与 ρ P M 2 􀆰 5 线 性 混 合 效 应 模 型 的 基 础 上 ꎬ 加 入 气 象 参 数 和 土 地 利 用 参 数 ꎬ 来 校 正 A O D 与 ρ P M 2 􀆰 5 之 间 的 日 变 化 和 空 间 变 化 线 性 关 系 ꎬ 其 中 ꎬ 土 地 利 用 因 子 短 期 内 几 乎 不 随 时 间 变 化 ꎬ 直 接 作 为 空 间 效 应 处 理 . 线 性 混 合 效 应 模 型 P i j = α + μ j + β 1 + v j A i j + β 2 + k j T i j + β 3 + p j W i j + β 4 R i j + β 5 V i j + β 6 C i + β 7 F i + s i + ε i j μ j ꎬ v j ꎬ k j ꎬ p j N [ 0 ꎬ 0 ꎬ 0 ꎬ 0 ꎬ B ] 1 式 中 P i j 为 第 i 个 监 测 格 网 在 第 j 天 的 ρ P M 2 􀆰 5 ꎬ 2 0 5 1第 9 期 孙 成 等 基 于 线 性 混 合 效 应 模 型 的 河 北 省 P M 2 􀆰 5 浓 度 时 空 变 化 模 型 研 究 μ g ∕ m 3 ꎻ A i j 为 第 i 个 监 测 格 网 在 第 j 天 的 A O D 值 ꎻ T i j 为 第 i 个 监 测 格 网 在 第 j 天 的 气 温 ꎬ ℃ ꎻ W i j 为 第 i 个 监 测 格 网 在 第 j 天 的 风 速 ꎬ m ∕ s ꎻ R i j 为 第 i 个 监 测 格 网 在 第 j 天 的 相 对 湿 度 ꎬ % ꎻ V i j 为 第 i 个 监 测 格 网 在 第 j 天 的 能 见 度 ꎬ km ꎻ ꎻ C i 为 第 i 个 监 测 格 网 的 建 筑 用 地 比 率 ꎬ % ꎻ F i 为 第 i 个 监 测 格 网 的 林 地 覆 盖 率 ꎬ % ꎻ α 和 μ j 分 别 为 模 型 固 定 截 距 和 随 机 截 距 ꎻ β 1 β 7 分 别 为 各 自 变 量 参 数 的 固 定 效 应 斜 率 ꎻ v j 为 第 j 天 A O D 的 随 机 效 应 斜 率 ꎻ k j 为 第 j 天 气 温 的 随 机 效 应 斜 率 ꎻ p j 为 第 j 天
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