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融合GNSS、ERA5、大气污染物的PM2.5浓度预测研究

刘严萍 司甜 毕慧丽 张曼琪 王勇 许祖豪

刘严萍, 司甜, 毕慧丽, 张曼琪, 王勇, 许祖豪. 融合GNSS、ERA5、大气污染物的PM2.5浓度预测研究[J]. 全球定位系统, 2024, 49(2): 69-75. doi: 10.12265/j.gnss.2023151
引用本文: 刘严萍, 司甜, 毕慧丽, 张曼琪, 王勇, 许祖豪. 融合GNSS、ERA5、大气污染物的PM2.5浓度预测研究[J]. 全球定位系统, 2024, 49(2): 69-75. doi: 10.12265/j.gnss.2023151
LIU Yanping, SI Tian, BI Huili, ZHANG Manqi, WANG Yong, XU Zuhao. Study on PM2.5 concentration prediction by integrating GNSS, ERA5 PWV, and atmospheric pollutants[J]. GNSS World of China, 2024, 49(2): 69-75. doi: 10.12265/j.gnss.2023151
Citation: LIU Yanping, SI Tian, BI Huili, ZHANG Manqi, WANG Yong, XU Zuhao. Study on PM2.5 concentration prediction by integrating GNSS, ERA5 PWV, and atmospheric pollutants[J]. GNSS World of China, 2024, 49(2): 69-75. doi: 10.12265/j.gnss.2023151

融合GNSS、ERA5、大气污染物的PM2.5浓度预测研究

doi: 10.12265/j.gnss.2023151
基金项目: 天津市教委科研计划项目(2021ZD001);国家级大学生创新创业训练计划项目(202310792010)
详细信息
    作者简介:

    刘严萍:(1979—),女,博士,讲师,研究方向为城市安全与应急管理. E-mail: liuxiawy@126.com

    司甜:(2002—),女,研究方向为GNSS气象学. E-mail: 2281776564@qq.com

    毕慧丽:(2000—),女,研究方向为GNSS气象学. E-mail: 3130891625@qq.com

    张曼琪:(2001—),女,研究方向为GNSS气象学. E-mail: 1226685792@qq.com

    王勇:(1978—),男,博士,教授,研究方向为GNSS气象学. E-mail: wangyongjz@126.com

    许祖豪:(2003—),男,研究方向为GNSS气象学. E-mail: xuzuhao20@tcu.edu.cn

    通信作者:

    王 勇E-mail: wangyongjz@126.com

  • 中图分类号: P228

Study on PM2.5 concentration prediction by integrating GNSS, ERA5 PWV, and atmospheric pollutants

  • 摘要: 冬春季节的空气质量预测有助于公众合理安排出行和政府相关部门的交通治理. 细颗粒物(PM2.5)的浓度主要影响因素有大气污染物、水汽等. 为提高PM2.5浓度预测的精度,以京津冀地区为例,利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)与长短期记忆(long short term memory,LSTM)神经网络方法相结合,考虑GNSS、ERA5水汽、大气污染物等观测要素,构建PM2.5的浓度预测模型,预测研究未来24 h的PM2.5的浓度. 利用GNSS水汽校正区域ERA5水汽,并进行精度评定. 利用FFT取大气污染物、第五代大气再分析产品(ECMWF atmospheric reanalysis 5,ERA5)水汽等观测要素的公共变化周期,获得最佳公共周期为78 h;选取最佳公共周期长度的各类要素作为模型输入,24 h序列的PM2.5浓度作为模型输出. 通过均方根误差(root mean square error,RMSE)评价指标进行模型精度评价. 研究结果表明:基于GNSS的ERA5水汽校正模型在秋冬季节ERA5水汽精度优于2 mm. FFT-LSTM模型预测精度在平原地区、山地地区和高原地区为10.22 μg/m3、8.56 μg/m3 和 9.02 μg/m3,预测时效达到24 h. 可有效预测未来24 h的PM2.5浓度. 该模型可为相关部门大气污染治理提供参考.

     

  • 图  1  研究区域划分及大气污染物监测站和气象监测站分布

    图  2  各类观测要素FFT结果

    图  3  不同区域两种预测模型精度评价

    表  1  ERA5产品与GNSS PWV 之间的RMSE 的统计 mm

    季节区域1区域2区域3区域4
    RMSE相关性RMSE相关性RMSE相关性RMSE相关性
    1.350.8952.070.9633.120.8712.430.979
    3.340.8065.610.9425.270.9626.270.959
    1.850.9793.870.9563.180.9765.020.958
    0.720.9351.220.8941.530.9122.070.908
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    表  2  校正后ERA5水汽RMSE mm

    区域类型
    区域12.15.81.01.1
    区域22.04.91.11.4
    区域31.83.50.80.8
    区域41.52.60.31.0
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    表  3  PM2.5浓度与大气污染物、ERA5水汽的相关性统计

    测站 PM2.5与PM10 PM2.5与SO2 PM2.5与NO2 PM2.5与CO PM2.5与O3 PM2.5与PWV
    围场 0.772 0.764 0.587 0.604 −0.282 0.195
    唐山 0.861 0.314 0.518 0.665 −0.221 −0.221
    沧州 0.854 0.430 0.749 0.651 −0.338 −0.339
    邯郸 0.885 0.389 0.573 0.581 −0.404 −0.404
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    表  4  各类观测要素的公共周期

    观测站点频率/cpd周期/h观测站点频率/cpd周期/h
    0.309780.30978
    围场0.225107唐山0.0211142
    0.1561540.045533
    0.309780.30978
    沧州0.157153邯郸0.033727
    0.2291050.203118
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    表  5  不同频率下PM2.5与其他观测要素的相关性

    观测站点 频率/cpd PM2.5与PM10 PM2.5与SO2 PM2.5与NO2 PM2.5与CO PM2.5与O3 PM2.5与PWV
    0.309 0.771 0.819 0.666 0.737 −0.517 0.067
    围场 0.225 0.789 0.757 0.699 0.769 −0.517 −0.084
    0.156 0.872 0.749 0.707 0.820 −0.361 0.298
    0.309 0.904 0.319 0.687 0.612 −0.349 −0.349
    唐山 0.021 0.847 0.402 0.590 0.434 −0.053 −0.053
    0.045 0.834 0.540 0.685 0.510 −0.159 −0.159
    0.309 0.908 0.294 0.876 0.222 −0.103 −0.103
    沧州 0.157 0.695 0.362 0.752 0.280 −0.196 −0.196
    0.229 0.889 0.375 0.861 0.314 −0.166 −0.166
    0.309 0.887 0.764 0.691 0.686 −0.536 −0.536
    邯郸 0.033 0.692 0.464 0.551 0.532 −0.293 −0.293
    0.203 0.847 0.725 0.635 0.630 −0.493 −0.493
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  • 收稿日期:  2023-07-21
  • 网络出版日期:  2024-03-04

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