RSE: AeroTrans—融合Transformer与迁移学习的逐小时AOD遥感反演新框架

近日，大气环境遥感团队在Remote Sensing of Environment 发表研框架—AeroTrans。该框架充分发挥Transformer在捕捉长时序依赖和复杂空间模式上的优势，并采用迁移学习的双阶段策略：先利用气溶胶再分析数据进行预训练，再结合地面观测数据进行微调，显著提升了模型在地面站点稀缺区域的反演能力。AeroTrans应用于MSG-1/SEVIRI卫星，实现了覆盖欧洲、非洲、中东及西亚地区的逐小时AOD高精度反演。研究为追踪与分析野火、雾霾、沙尘等极端污染事件下的气溶胶昼间动态及其环境影响提供了新的数据支撑。点击文末“阅读原文”，查看研究全文。

研究背景

气溶胶光学厚度（AOD）是表征气溶胶负荷的重要指标，其日内变化显著，尤其在沙尘、野火及雾霾等短时高污染事件下更为突出。卫星遥感能够提供大尺度AOD信息，但极轨卫星每天仅过境一到两次，难以捕捉气溶胶的快速演化过程。相比之下，静止轨道卫星具备高频观测优势，如欧洲气象卫星MSG可为欧洲、非洲、中东及西亚等区域提供昼间连续观测。然而，这些区域目前缺乏公开可用的逐小时AOD产品，主要受限于两方面因素：一是MSG-1/SEVIRI缺少深蓝和蓝光通道，导致亮地表（如城市、沙漠）气溶胶与地表信号难以区分，传统辐射传输方法不确定性大；二是地面观测站点稀疏且分布不均，限制了数据驱动模型的训练与空间泛化能力。这些地区空气污染源复杂多样，包括城市排放、野火烟雾和沙尘暴等，使得准确监测其气溶胶负荷和日内变化更加迫切。高时空分辨率的AOD监测不仅有助于深入理解气溶胶的物理演变机制，也对空气质量评估、污染防控及环境管理具有重要的科学和应用价值。

研究方法

本文提出一种静止卫星气溶胶遥感反演新框架AeroTrans-MSG，将Transformer深度学习模型与迁移学习技术结合，应用于MSG-1/SEVIRI高频地球静止轨道卫星，实现覆盖欧洲、非洲、中东及西亚地区的昼间逐小时AOD反演。

鉴于静止轨道卫星可对同一目标区域提供高频、长期的连续观测，本文采用Transformer架构，利用其注意力机制从时序、光谱与几何等多维输入中捕捉气溶胶变化的长程依赖及复杂交互特征，从而提升反演精度与稳定性。模型输入包括MSG-1/SEVIRI卫星多光谱观测（0.64-1.6 μm的TOA反射率及3.9 μm亮度温度）、观测几何参数（太阳与卫星的天顶角、方位角及散射角）、大气吸收性气体（水汽与臭氧）以及地表相关特征（海拔与归一化植被指数），输出为550 nm处AOD。考虑到地基AOD观测站点分布稀疏且空间不均，本文采用二阶段迁移学习策略以增强模型泛化能力。首先，基于MERRA-2 AOD再分析资料进行预训练，使模型学习卫星观测与气溶胶状态之间的通用映射关系；随后，利用AERONET与SONET地基观测对模型输出层及后端网络进行微调，以校正模拟与实测之间的系统偏差，从而显著提升模型在真实观测条件下，尤其是观测稀疏区域的反演精度与空间泛化能力。

为系统评估模型性能，构建多层次时空独立验证体系，包括基于样本、时间和空间的十折交叉验证，以及基于奇偶月划分、大洲分组和第三方SKYNET观测网络的独立验证。为增强物理可解释性，本研究引入可解释人工智能方法，对输入特征的重要性进行量化分析，解析气溶胶反演的关键影响因子，加深对其物理机制的理解。

图1.AeroTrans气溶胶遥感反演框架

研究结果

AI模型可解释性分析

我们采用XAI-SHAP方法对AeroTrans-MSG气溶胶反演框架进行了可解释性分析（图 2）。结果显示，0.64 μm 波段TOA反射率对AOD预测具有最大的正向贡献（约18%），表明可见光波段在捕捉气溶胶散射信号中至关重要；而1.64 μm 波段TOA反射率呈负向贡献（约12%）。总体来看，多光谱观测特征合计约占模型总特征重要性的38%，凸显其在捕获气溶胶光学信息中的核心作用。几何角信息对模型同样关键，总贡献34%。归一化植被指数呈负向贡献（约12%）；吸收性气体合计贡献约13%。综合来看，该分析验证了AeroTrans-MSG框架的物理合理性，明确了各输入特征在AOD反演中的作用，为辐射传输算法的优化提供参考，同时加深了对昼间气溶胶变化及其物理机制的理解。

图2.气溶胶遥感反演特征重要性分析

反演结果精度验证

基于样本的十折交叉验证结果表明，我们的模型能够在大多数站点有效反演小时AOD，其中约77%的站点表现出较高的精度（CV-R² > 0.5）且不确定性较低（RMSE < 0.09）。相比之下，仅依赖MERRA-2预训练的模型反演能力有限：CV-R²为0.63，斜率为0.63，RMSE为0.138，仅有67%与33%的结果分别落入MODIS期望误差EE和全球气候观测系统GCOS标准范围。经过地面观测微调后，模型性能显著提升：CV-R²和斜率分别提高至0.88和0.89，RMSE降至0.079，约86%与49%的反演结果满足EE与GCOS标准。对比结果表明，迁移学习不仅提升了整体精度，还显著加快了训练收敛速度并增强了稳定性。在时间外推方面，模型在无观测时段仍表现稳健：小时级CV-R²为0.86，RMSE为0.085。空间外推能力提升更为显著：在稀少或无地面观测区域，CV-R²达0.74，RMSE为0.119。

图3.逐小时AOD反演的十折交叉验证结果

气溶胶光学厚度昼间变化

图4展示了研究区AOD的昼间逐小时变化以及年均空间分布与变化幅度。撒哈拉、塔克拉玛干等沙漠地区全年AOD维持较高水平，尤其在北半球冬季（12-2月）和春季（3-5月），昼间变化幅度较小；捕捉这些区域的沙尘变化对天气预报和气候模式优化具有重要意义。非洲中部（如刚果）夏季（6-8月）AOD升高，主要受生物质燃烧和野火排放影响。南亚，尤其是巴基斯坦和印度北部，全年AOD偏高，主要由持续人为排放和污染累积驱动。欧洲整体较为清洁，仅地中海沿岸及东欧午间略有升高。非洲南部及中国西南AOD较低，反映地面排放、土地利用和大气条件的区域差异。总体而言，AOD在日出后逐步上升，于09:00-10:00 UTC达到峰值，下午逐渐下降，与气溶胶负荷及大气混合的日周期一致。年均日变化幅度约为26% ± 15%（日均AOD = 0.22 ± 0.14），季节差异明显：北半球夏季变幅最大（30% ± 19%，0.27 ± 0.19），冬季最小（24% ± 18%，0.19 ± 0.16），反映季节性排放与大气物候变化的综合影响。

图4.研究区AOD昼间逐小时演变及变化幅度

图5展示了2021年11月8日印度北部一次严重城市雾霾事件的AOD逐小时演变。当地时间上午AOD整体上升，于10:00-11:00达到峰值，北方邦与比哈尔邦人口密集区域尤为显著。该晨峰反映了边界层动力学、本地排放格局及气象条件共同作用下气溶胶扩散受限与积累的结果。随后污染范围逐渐扩大并发生移动，整体霾势减弱，AOD明显下降，气溶胶羽流向西北扩散至东旁遮普与哈里亚纳，向东北延伸至西孟加拉。风场由晨间微弱且方向不定转为午前较为有序的东南风和偏东风，促进了北方邦—比哈尔向德里及周边地区的水平平流，加剧了受污染城市的负荷。雾霾覆盖广泛，且呈弱向西延伸至哈里亚纳及巴基斯坦东部的趋势，与风场所示的缓慢东西输送一致。

图5.印度城市雾霾事件下AOD昼间逐小时变化

图6显示了2021年8月4日非洲中西部一次严重野火事件期间AOD日变化。当地时间清晨，大部分区域总体较为清洁，但中部靠近火点的地区已出现较高AOD。随后强烈野火导致火源附近AOD在短时间内急剧上升。彩色卫星影像显示烟羽明显增厚，并被MODIS火点产品的红色火点标注；10:00-11:00烟羽持续扩展并排放烟尘。盛行风将烟羽向西北输送，至下午（14:00-17:00）烟羽逐渐弥散，AOD显著下降，并在傍晚约17:00达到最低值。然而，即使火势减弱，风驱动的烟羽仍在下午显著增加西北方向的气溶胶负荷。

图6.非洲中西部野火事件下AOD昼间逐小时变化

图7展示了2021年2月4日至7日撒哈拉沙漠一次典型沙尘暴事件期间AOD的日变化。2月4日区域AOD总体偏低，空气较为清洁。至2月5日10:00-15:00，西南部出现高值，显示局地扬尘强烈；东部上午亦出现新扬尘源，AOD自10:00起上升，于13:00达到峰值，并在15:00向西扩展，与东北风输送方向一致，风促使扬升尘埃向中西部扩散，导致AOD升高。2月6日尘埃强度全天逐步减弱，尤其西南部，当日浓度降至前日约一半，但受影响区域仍广，反映长距离输送与悬浮尘埃停留。至2月7日，沙尘暴强度及空间覆盖显著减小，中部AOD降至0.4以下，仅少数局地地区（如西南角及东部扬尘源附近）仍有高值。与再分析资料相比，二者并不完全一致，表明模型并非简单复刻模式输出；相反，依靠更高空间分辨率和更精细的AOD信息，模型能够有效增强对沙漠地区气溶胶的监测能力。

图7.撒哈拉沙漠沙尘暴事件下AOD昼间逐小时变化

研究结论

本研究提出了一种静止轨道卫星气溶胶反演新框架（AeroTrans），该框架利用Transformer强大的时间序列建模能力，并通过迁移学习提升模型在观测稀缺区域的空间泛化性能。基于MSG-1/SEVIRI数据，实现了覆盖欧洲、非洲及西亚地区的逐小时AOD反演。结果显示，模型显著提高了气溶胶反演精度，尤其在缺乏地面观测站点的区域，能够有效捕捉昼间气溶胶变化，以及野火、沙尘、雾霾等极端事件下的时空演变，对气溶胶辐射和空气质量研究具有重要的科学价值与应用潜力。

研究团队

山东科技大学（北京大学客座）博士生范玉龙为论文第一作者，马里兰大学李占清教授、山东科技大学孙林教授和北京大学韦晶研究员为论文共同通讯作者。合作者还包括法国里尔大学Oleg Dubovik教授等。

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