Communications for Statistical Applications and Methods
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v.31
no.5
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pp.521-533
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2024
As the concentration of fine dust has recently increased, numerous related studies are being conducted to address this issue. Aerosol optical depth (AOD) is a vital atmospheric parameter for measuring the optical properties of aerosols in the atmosphere, providing crucial information related to fine dust. In this paper, we apply three dimension reduction methods, nonnegative matrix factorization (NMF), empirical orthogonal functions (EOF) analysis and independent component analysis (ICA), to AOD data to analyze the patterns of fine dust in the East Asia region. Through a comparison of three dimension reduction methods, we observe that some patterns are observed in all three method, while some information are only extracted in a specific method. Additionally, we forecast AOD levels based on three methods, and compare the predictive performance of the three methodologies.
Thisstudy presentsthe method for deriving surface visibility from satellite retrieved AOD. To do thisthe height of aerosol distribution isrequired. This distribution would be in thisstudy represented by the two heights; if there is a discrete atmospheric layer, which is physically separated from the above layer, the upper height of the layer is assumed as Aerosol Layer Height(ALH). In this case there is clear minimum in the Relative Humanity vertical distribution. Otherwise PBLH(Planetary Boundary Layer Height) is used. These heights are obtained from the forecast data of Regional Data Assimilation and Prediction System(RDAPS). The surface visibility is estimated from MODIS AOD and ALH/PBLH, using Koschmieder's Law for ALH and the empirical relations for PBLH. The estimated visibility are evaluated from the visibility measurements of 9 eve-measurement stations and 17 PWD22 stations for the spring of 2015 and 2016. Verification of the estimated visibility shows that there are considerable differencesin statistical verification value depending on stations, years, morning(Terra)/afternoon(Aqua). The better results are shown in the midwest part of korean peninsula for Terra of 2016. The results are summarized as; correlation coefficients of higher than 0.65, for low visibility RMSE of 3.62 km and ME of 2.29 km or less, POD of higher than 0.65 and FAR of 0.5 or less. Verification results were better with increase in the number of low-visibility data.
PM (particulate matter) is of interest to everyone because it can have adverse effects on human health by the infiltration from respiratory to internal organs. To date, many studies have made efforts for the prediction of PM10 and PM2.5 concentrations. Unlike previous studies, we conducted the prediction of tomorrow's PM10 concentration for the Air Korea stations using Chinese PM10 data in addition to the satellite AOD and weather variables. We constructed 230,639 matchups from the raw data over 3 million and built an RF (random forest) model from the matchups to cope with the complexity and nonlinearity. The validation statistics from the blind test showed excellent accuracy with the RMSE (root mean square error) of 9.905 ㎍/㎥ and the CC (correlation coefficient) of 0.918. Moreover, our prediction model showed a stable performance without the dependency on seasons or the degree of PM10 concentration. However, part of coastal areas had a relatively low accuracy, which implies that a dedicated model for coastal areas will be necessary. Additional input variables such as wind direction, precipitation, and air stability should also be incorporated into the prediction model as future work.
Particulate matter(PM) among air pollutants with complex and widespread causes is classified according to particle size. Among them, PM2.5 is very small in size and can cause diseases in the human respiratory tract or cardiovascular system if inhaled by humans. In order to prepare for these risks, state-centered management and preventable monitoring and forecasting are important. This study tried to predict PM2.5 in Seoul, where high concentrations of fine dust occur frequently, using two ensemble models, random forest (RF) and extreme gradient boosting (XGB) using 15 local data assimilation and prediction system (LDAPS) weather-related factors, aerosol optical depth (AOD) and 4 chemical factors as independent variables. Performance evaluation and factor importance evaluation of the two models used for prediction were performed, and seasonal model analysis was also performed. As a result of prediction accuracy, RF showed high prediction accuracy of R2 = 0.85 and XGB R2 = 0.91, and it was confirmed that XGB was a more suitable model for PM2.5 prediction than RF. As a result of the seasonal model analysis, it can be said that the prediction performance was good compared to the observed values with high concentrations in spring. In this study, PM2.5 of Seoul was predicted using various factors, and an ensemble-based PM2.5 prediction model showing good performance was constructed.
Fine particulate matter (FPM; diameter ≤ 2.5 ㎛) is frequently found in metropolitan areas due to activities associated with rapid urbanization and population growth. Many adolescents spend a substantial amount of time at school where, for various reasons, FPM generated outdoors may flow into indoor areas. The aims of this study were to estimate FPM concentrations and categorize types of FPM in schools. Meteorological and chemical variables as well as satellite-based aerosol optical depth were analyzed as input data in a random forest model, which applied 10-fold cross validation and a grid-search method, to estimate school FPM concentrations, with four statistical indicators used to evaluate accuracy. Loose and strict standards were established to categorize types of FPM in schools. Under the former classification scheme, FPM in most schools was classified as type 2 or 3, whereas under strict standards, school FPM was mostly classified as type 3 or 4.
Particulate matter (PM10 and PM2.5 with a diameter less than 10 and 2.5 ㎛, respectively) can be absorbed by the human body and adversely affect human health. Although most of the PM monitoring are based on ground-based observations, they are limited to point-based measurement sites, which leads to uncertainty in PM estimation for regions without observation sites. It is possible to overcome their spatial limitation by using satellite data. In this study, we developed machine learning-based retrieval algorithm for ground-level PM10 and PM2.5 concentrations using aerosol parameters from Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) satellite and various meteorological parameters from a numerical weather prediction model during January to December of 2019. Gradient Boosted Regression Trees (GBRT) and Light Gradient Boosting Machine (LightGBM) were used to estimate PM concentrations. The model performances were examined for two types of feature sets-all input parameters (Feature set 1) and a subset of input parameters without meteorological and land-cover parameters (Feature set 2). Both models showed higher accuracy (about 10 % higher in R2) by using the Feature set 1 than the Feature set 2. The GBRT model using Feature set 1 was chosen as the final model for further analysis(PM10: R2 = 0.82, nRMSE = 34.9 %, PM2.5: R2 = 0.75, nRMSE = 35.6 %). The spatial distribution of the seasonal and annual-averaged PM concentrations was similar with in-situ observations, except for the northeastern part of China with bright surface reflectance. Their spatial distribution and seasonal changes were well matched with in-situ measurements.
Particulate matter (PM) affects the human, ecosystems, and weather. Motorized vehicles and combustion generate fine particulate matter (PM2.5), which can contain toxic substances and, therefore, requires systematic management. Consequently, it is important to monitor and predict PM2.5 concentrations, especially in large cities with dense populations and infrastructures. This study aimed to predict PM2.5 concentrations in large cities using meteorological and chemical variables as well as satellite-based aerosol optical depth. For PM2.5 concentrations prediction, a random forest (RF) model showing excellent performance in PM concentrations prediction among machine learning models was selected. Based on the performance indicators R2, RMSE, MAE, and MAPE with training accuracies of 0.97, 3.09, 2.18, and 13.31 and testing accuracies of 0.82, 6.03, 4.36, and 25.79 for R2, RMSE, MAE, and MAPE, respectively. The variables used in this study showed high correlation to PM2.5 concentrations. Therefore, we conclude that these variables can be used in a random forest model to generate reliable PM2.5 concentrations predictions, which can then be used to assess the vulnerability of schools to PM2.5.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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