24小時地面PM10濃度無縫智能感知技術(shù)，助力我國空氣質(zhì)量精細(xì)化監(jiān)測

近日，中國氣象科學(xué)研究院車慧正研究員團(tuán)隊(duì)在《國家科學(xué)評論》發(fā)表研究論文，提出了一種全天候24小時、無縫隙覆蓋的地面PM10濃度實(shí)時智能感知技術(shù)，為我國空氣質(zhì)量精細(xì)化監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的支持。

近年來，空氣污染已成為全球嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，PM10濃度作為重要的大氣污染物，直接影響環(huán)境質(zhì)量和人體健康。在中國，隨著經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展，PM10濃度常處于較高水平，尤其在沙塵天氣等極端事件中。實(shí)時、準(zhǔn)確地獲取大范圍、高精度的PM10數(shù)據(jù)，已成為大氣環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵任務(wù)。為解決我國地面PM10監(jiān)測點(diǎn)不足及分布不均帶來的盲區(qū)，衛(wèi)星氣溶膠遙感反演PM10濃度成為熱門研究方向。然而，衛(wèi)星觀測仍面臨空間覆蓋不足（尤其是云層干擾導(dǎo)致的缺失）、時間采樣率低以及反演算法不確定性大等問題，現(xiàn)有衛(wèi)星遙感PM10監(jiān)測技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)時空無縫反演。

針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)基于自主研制的高精度網(wǎng)格化能見度作為關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合中國氣象局高分辨率多源氣象數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品，利用自動機(jī)器學(xué)習(xí)和在線自適應(yīng)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，提出了我國地面PM10濃度時空無縫智能感知模型（RT-SPMR，圖1）。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)PM10遙感產(chǎn)品在空間覆蓋、時間分辨率和時效性上的局限，實(shí)現(xiàn)了全天候24小時、高時空分辨率（空間分辨率6.25 km，時間分辨率1小時）和空間全覆蓋的實(shí)時估算（圖2）。

圖1. RT-SPMR實(shí)時感知模型構(gòu)建技術(shù)及業(yè)務(wù)化部署流程圖。

圖2. RT-SPMR模型生成的PM10地面濃度多年平均24小時逐小時分布圖。

交叉驗(yàn)證結(jié)果表明, RT-SPMR模型在白天逐小時精度上優(yōu)于以往產(chǎn)品。此外，通過滾動迭代實(shí)驗(yàn)，模型展現(xiàn)了強(qiáng)大的泛化能力和穩(wěn)定性，適用于業(yè)務(wù)化部署。以一次特強(qiáng)沙塵暴為例，模型在實(shí)時追蹤沙塵入侵過程的精細(xì)尺度演變方面表現(xiàn)出色，成功捕捉了靜止衛(wèi)星影像盲區(qū)和地面觀測空白區(qū)的PM10動態(tài)變化（圖3）。

圖3. 2021年3月15日中國北方特大沙塵暴期間，RT-SPMR模型實(shí)時生成的PM10濃度產(chǎn)品與向日葵8號靜止衛(wèi)星沙塵RGB合成影像及PM10站點(diǎn)觀測結(jié)果的同步對比。

未來，基于RT-SPMR的無縫隙PM10實(shí)況產(chǎn)品有望為我國沙塵暴預(yù)報模式提供更準(zhǔn)確的初始場信息，提升預(yù)報準(zhǔn)確性。該項(xiàng)研究還有效支撐了世界氣象組織（WMO）沙塵暴預(yù)警咨詢評估系統(tǒng)（SDS-WAS）《2021-2025年科學(xué)與實(shí)施規(guī)劃》中提出的近地面顆粒物濃度“虛擬監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)目標(biāo)，有望為全球其他頻繁遭遇沙塵暴的國家構(gòu)建精細(xì)化監(jiān)測體系提供“中國方案”。

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Real-time mapping of gapless 24-hour surface PM10 in China. National Science Review. doi: org/10.1093/nsr/nwae446