专家观点 | 耿冠楠：中国大气成分近实时反演数据集的开发及应用
点击上方蓝字，关注我们👆
CCAPP 2021年第6期学术沙龙
“中国高精度大气污染暴露数据产品研制：现状与挑战”视频回顾
大气成分的精准表征是研究气候变化、大气污染及环境健康等问题的重要基础。目前，单一来源的大气数据资料普遍存在准确性和覆盖度的局限，且数据产品更新具有一定时滞性。因此，开发一套覆盖长期历史时段、时空连续且实时更新的大气成分数据产品，可为相关科学研究和环境管理工作提供基础数据支持，对大气污染、气候变化、环境健康等领域数据共享有重要意义。
一、大气成分数据产品的开发需求
目前，用于大气成分定量分析的数据主要包括地面监测、模型模拟和卫星遥感数据，但单一来源的数据均存在局限。地面监测数据准确性较高，但站点数目有限，且历史长期连续监测资料稀缺；大气化学模型模拟数据的时空覆盖较完整，但存在较大不确定性；卫星遥感数据覆盖范围广、时间连续性长，但难以直接反映大气成分含量，且存在数据缺失。为满足“高精度、全覆盖、长序列”等需求，多源数据融合的应用日益增加；但受到建模资料和计算资源的限制，开发实时更新的多源数据产品较为困难。
为满足大气成分数据产品的开发需求，中国大气成分近实时反演数据集（Tracking Air Pollution in China, TAP）团队通过融合多源数据（地面观测数据、卫星遥感信息、高分辨率排放清单、空气质量模型模拟等），构建了多尺度、近实时的中国大气气溶胶和气态污染物浓度数据集。TAP数据集具有近实时更新、污染物浓度高值捕捉能力更强、日尺度完全覆盖、涵盖历史长期时段等特点。为推动数据共享，团队建立了TAP网站（http://tapdata.org/），提供数据产品的实时动态计算和在线定制化下载服务。
图1. TAP网站日均PM2.5浓度可视化地图
二、中国大气成分近实时反演数据集的算法改进
TAP的第一个近实时数据产品（2000年至今的近实时10km分辨率PM2.5数据）通过改进算法，实现了卫星数据缺失的合理补充，并提高了浓度数据极值的捕捉能力。
01
建立敏感性试验比较不同的卫星数据补缺策略
大气气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）是一种卫星遥感数据，被广泛应用于地面PM2.5浓度的反演。AOD反演过程受多重因素影响易存在数据缺失，例如云覆盖、地表反照率高（如冬季积雪覆盖的亮地表）及气溶胶浓度较高（如北方污染严重的高值区）等，中国地区数据缺失率可达60%-70%，在研究中引入了额外误差。
常见的数据填补策略有四种：包括利用时空趋势和利用参数回归两种方式，每种方式均可采用两种补缺思路，即通过补缺AOD反演PM2.5浓度，或直接补缺PM2.5浓度。敏感性试验显示，采用参数回归的方法可得出分布更为合理的浓度数据，避免过拟合现象。采用参数回归直接补缺PM2.5效率更高，因此该方法被TAP采用。
02
改进模型以提高对PM2.5高值的模拟能力
目前，PM2.5浓度模型普遍存在高值低估的问题，原因之一是高值样本在建模数据集中占比较低。TAP团队采用两级模型方法对该问题进行改进（图2）：一是在第一级模型中，基于观测数据定义高污染事件指数，并用综合少数类过采样技术（SMOTE）对训练数据集进行重采样，提高高污染事件在训练数据集中的占比；二是在第二级模型中，采用PM2.5观测浓度和CMAQ模拟浓度的差值作为学习目标（相较只采用PM2.5观测浓度作为学习目标的传统算法，该方法可提高参数对残差的响应），以提高高值模拟精度。对比结果显示，改进后的两级模型可更好捕捉浓度高值，日尺度浓度分布情况更接近观测值本身。
图2. TAP PM2.5浓度反演二级机器学习模型流程图
三、中国大气成分近实时反演数据集的应用及工作展望
在推进数据共享的同时，TAP可为政策影响评估、气象影响评估、健康效益评估等研究工作提供支持，如清洁空气政策对于中国PM2.5城乡差异影响、基于统计方法分离气象和排放对中国东部PM2.5浓度变化的贡献、评估《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的健康效益等。
目前，TAP可提供PM2.5、O3高分辨率近实时数据下载和绘图服务。未来，团队计划通过创新融合算法，覆盖包括PM2.5成分在内的更多物种，提高空间精度至1km，并实现短临预报。团队将依托TAP网站向科学界共享研究成果，为相关科学研究和环境管理工作提供更丰富、精细、准确的大气成分数据支撑。
专
家
简
介
耿冠楠
清华大学环境学院
助理研究员
【CCAPP秘书处根据会议记录整理发布，如需转载或引用，请注明“作者, 文章名, 发布平台：中国清洁空气政策伙伴关系CCAPP, 发布日期”。】
【文中图片来源：演讲者PPT，其他图片来源：网络】
欢迎加入
为方便交流与讨论，
我们建立了微信交流平台：
清洁空气政策伙伴关系交流
感兴趣的伙伴们，请添加小助手微信（ccapp19）
备注“姓名+单位”申请入群
期待大家的加入！
活动新闻 | “中国高精度大气污染暴露数据产品研制：现状与挑战”沙龙顺利召开
专家观点 | 刘诚：卫星结合地面靶向遥感气体污染物排放源
伙伴动态 | 中国大气成分近实时追踪数据集（TAP）发布