[論文レビュー] The relationships between PM2.5 and AOD in China: About and behind spatiotemporal variations

Qianqian Yang, Qiangqiang Yuan+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Air Quality and Health Impacts参考文献 40被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、2013年から2017年までの中国368都市におけるPM2.5とエアロゾル光学濃度（AOD）の空間的・時間的関係を相関分析および地理的重み付き回帰（GWR）を用いて調査した。PM2.5-AOD関係は地域や季節によって顕著に異なり、時間の経過とともに相関性と推定精度が低下していることが明らかになった。これは、将来的な大気質モニタリングにおいてAODがPM2.5の代替指標としてより信頼できなくなる可能性を示唆している。

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.

研究の動機と目的

• 中国全域におけるPM2.5とAODの関係の空間的・時間的変動を評価すること。
• PM2.5-AOD相関およびPM2.5/AOD比の地域的・季節的パターンを同定すること。
• 気象条件、エアロゾル粒子径、地形がPM2.5-AOD関係に与える影響を評価すること。
• PM2.5-AOD関係の変化が、時間経過に伴うGWRを用いたPM2.5推定精度にどのように影響するかを検討すること。

提案手法

• 368都市の都市レベルで、日次PM2.5とAODの線形関係を定量化するためにピアソン積率相関係数を算出。
• PM2.5/AOD比を、微細粒子状物質がエアロゾル負荷に占める相対的寄与度を示す地域指標として計算。
• 地域（例：北京・天津・河北地域、長江デルタ地域）および季節ごとの相関および比の空間的・時間的変動を分析。
• 気象要因（例：相対湿度、風速）、エアロゾル粒子径分布、地形的特徴を、PM2.5-AOD変動の潜在的要因として分析。
• 地理的重み付き回帰（GWR）を用いてAODからPM2.5を推定し、時間経過に伴うモデルの精度を評価。
• PM2.5/AOD比およびGWR推定誤差の年次トレンドを分析し、AODがPM2.5の代替指標としての長期的信頼性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PM2.5とAODの相関関係は、中国の異なる地域でどのように空間的に変動するか？
• RQ2 中国北部と南部におけるPM2.5/AOD比はどのように異なるのか。その差を生じさせる要因は何か？
• RQ3 季節的変動は、PM2.5-AOD関係にどのように影響するか。特に冬期と夏季の違いは？
• RQ4 2013年から2017年の間に観察されたPM2.5-AOD関係の年次変化は、AODを用いたPM2.5推定の精度にどの程度影響したか？
• RQ5 気象条件、エアロゾル粒子径、地形は、PM2.5-AOD関係の変動にどのように寄与するか？

主な発見

• PM2.5-AOD相関は北京・天津・河北地域および成渝地域で最も強く、長江デルタや珠江デルタなどの沿岸地域では相関が低い。
• 中国北部におけるPM2.5/AOD比は中国南部よりも顕著に高く、北部ではPM2.5がAODに与える寄与度が大きいことを示している。
• PM2.5/AOD比は冬期にピークに達し、夏季に低下する。最高の相関係数は5月および9月に観察された。
• 2013年から2017年の間にPM2.5/AOD比に低下トレンドが検出され、AODとPM2.5の関係が時間の経過とともに弱まっていることが示された。
• GWRによる推定精度は研究期間を通じて低下しており、PM2.5-AOD関係の変化に伴い、AODがPM2.5の指標としての信頼性を失いつつあることが示された。