[논문 리뷰] The relationships between PM2.5 and AOD in China: About and behind spatiotemporal variations

Qianqian Yang, Qiangqiang Yuan외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 17.

Air Quality and Health Impacts참고 문헌 40인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2013년에서 2017년 사이에 중국 368개 도시에서 관련 분석과 지리적 가중 회귀(GWR)를 사용하여 PM2.5와 에어로졸 광학 두께(AOD) 간의 시공간적 관계를 조사한다. 연구 결과, PM2.5-AOD 관계는 지역과 계절에 따라 크게 달라지며, 시간이 지남에 따라 상관관계와 추정 정확도가 감소하는 경향을 보이며, 향후 대기질 모니터링에서 AOD가 PM2.5의 보다 신뢰할 수 없는 대체 지표가 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Satellite aerosol products have been widely used to retrieve ground PM2.5 concentration because of its wide coverage and continuously spatial distribution. While more and more studies focus on the retrieval algorithm, we find that the relationship between PM2.5 concentration and satellite AOD has not been fully discussed in China. Is satellite AOD always a good indicator for PM2.5 in different regions and can AOD still be employed to retrieve PM2.5 with pollution conditions changing in these years remain unclear. In this study, the relationships between PM2.5 and AOD were investigated in 368 cities in China for a continuous period from February 2013 to December 2017, at different time and regional scales. Pearson correlation coefficients and PM2.5/AOD ratio were used as the indicator. Firstly, we concluded the relationship of PM2.5 and AOD in terms of spatiotemporal variations. Then the impact of meteorological factors, aerosol size and topography were discussed. Finally, a GWR retrieval experiment was conducted to find out how was the retrieval accuracy changing with the varying of PM2.5-AOD relationship. We found that spatially the correlation is higher in Beijing-Tianjin-Hebei and Chengyu region and weaker in coastal areas such as Yangtze River Delta and Pearl River Delta. The PM2.5/AOD ratio has obvious North-South difference with a high ratio in north China and a lower ratio in south China. Temporally, PM2.5/AOD ratio is higher in winter and lower in summer, the correlation coefficient tends to be higher in May and September. As for interannual variations from 2013 to 2017, we detected a declining tendency on PM2.5/AOD ratio. The accuracy of GWR retrievals were decreasing too, which may imply that AOD may not be a good indicator for PM2.5 in the future.

연구 동기 및 목표

• 중국 전역에서 PM2.5와 AOD 간의 시공간적 변동성을 평가하기 위해.
• PM2.5-AOD 상관관계와 PM2.5/AOD 비율의 지역적 및 계절적 패턴을 규명하기 위해.
• 기상 조건, 에어로졸 입자 크기, 지형이 PM2.5-AOD 관계에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• PM2.5-AOD 관계의 변화가 시간에 따라 GWR 기반 PM2.5 추정 정확도에 미치는 영향을 검토하기 위해.

제안 방법

• 368개 도시에서 일일 PM2.5와 AOD 간 선형 관계를 정량화하기 위해 피어슨 상관계수를 계산하였다.
• 미세먼지가 에어로졸 부하에 미치는 상대 기여도를 지역 지표로 사용하기 위해 PM2.5/AOD 비율을 산정하였다.
• 지역(예: 베이징-티엔진-허베이, 양자강 유역)과 계절에 따라 상관계수와 비율의 공간적·시간적 변동성을 분석하였다.
• 기상 요소(예: 습도, 풍속), 에어로졸 입자 크기 분포, 지형적 특성 등이 PM2.5-AOD 변동성에 미치는 영향을 분석하였다.
• GWR를 적용하여 AOD에서 PM2.5를 추정하였으며, 모델 정확도를 시간에 따라 평가하였다.
• PM2.5/AOD 비율과 GWR 추정 오차의 연간 추세를 분석하여 AOD가 PM2.5의 대체 지표로서 장기적으로 얼마나 신뢰할 수 있는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PM2.5와 AOD 간 상관관계는 중국의 다양한 지역에서 어떻게 공간적으로 달라지나?
• RQ2 북중국과 남중국 간 PM2.5/AOD 비율은 어떻게 다를지, 그 차이를 이끄는 요인은 무엇인가?
• RQ3 계절적 변동은 PM2.5-AOD 관계에 어떻게 영향을 미치며, 특히 겨울과 여름에 어떻게 다를까?
• RQ4 2013년에서 2017년 사이에 PM2.5-AOD 관계의 연간 변화가 AOD 기반 PM2.5 추정 정확도에 얼마나 영향을 미쳤는가?
• RQ5 기상 조건, 에어로졸 입자 크기, 지형은 PM2.5-AOD 관계를 어떻게 조절하는가?

주요 결과

• PM2.5-AOD 상관계수는 베이징-티엔진-허베이 및 청유 지역에서 가장 높으며, 양자강 유역 및 펄강 강 유역과 같은 해안 지역에서는 상대적으로 낮은 상관관계를 보였다.
• 북중국의 PM2.5/AOD 비율은 남중국보다 유의미하게 높아, 북중국에서 미세먼지가 AOD에 더 큰 기여를 한다는 것을 시사한다.
• PM2.5/AOD 비율은 겨울에 최고조에 도달하고 여름에 감소하며, 상관계수는 5월과 9월에 가장 높았다.
• 2013년에서 2017년 사이에 PM2.5/AOD 비율에 감소 추세가 관찰되어 시간이 지남에 따라 AOD와 PM2.5 간의 관계가 약화되고 있음을 시사한다.
• GWR 기반 추정 정확도가 연구 기간 동안 감소하여, PM2.5-AOD 관계의 변화에 따라 AOD가 PM2.5의 보다 신뢰할 수 없는 지표로 변하고 있음을 나타낸다.