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气溶胶是指悬浮在空气中的固/液态小颗粒与大气组成的多项胶状体系，对区域及全球的辐射平衡、天气和气候变化、大气环境等都有重要影响。PM2.5是指空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物，关系着人体健康，准确获取高时空分辨的地面PM2.5浓度是有效减少和预防颗粒物污染的重要前提。卫星遥感因其具有高空间覆盖率和可靠重复测量的特性，是一种极具前景的监测区域到全球尺度气溶胶的方法，特别是可以弥补地面监测空间分布不均的缺陷。但由于卫星光学被动遥感受制于云的影响，卫星遥感气溶胶产品的时空缺测现象十分普遍，比如污染地区由于云检测算法被误判为云，这些系统性的缺测极可能导致卫星遥感气溶胶和PM2.5产品存在系统偏差。绝大多数卫星光学遥感都集中在白天反射太阳光的测量，夜晚气溶胶光学遥感非常缺乏，而气溶胶受人为活动和气象条件等因素的影响，往往表现出明显的日变化，因此观测夜间气溶胶十分重要。针对以上两点，本论文建立了气溶胶缺测的统计学习方法，提出了基于夜晚城市灯光卫星遥感反演PM2.5的方法，主要结论如下:
1、地基和卫星遥感气溶胶光学厚度(AOD)产品融合方法研究:将地基气溶胶自动监测网站(AERONET)Beijng站AOD资料和中分辨率成像光谱仪(MODIS)AOD在北京地区近13年的数据进行逐日匹配，通过线性回归分析研究表明AERONET Beijing站的AOD数据与MODIS AOD在整个北京市行政区相关良好，区域平均相关系数(R)超过0.73。利用线性方程组从AERONET Beijing站的AOD中插补北京区域MODIS AOD的缺测数据，得到的融合产品与MODIS AOD具有相同的精度。冬季的平均日AOD采样率从50％提高到81％。基于原始/融合产品反演PM2.5浓度，对比结果表明融合AOD产品能够提高区域平均PM2.5浓度的估算。
2、贝叶斯最大熵统计学习方法填补AOD缺测:为弥补地表PM2.5估算因AOD缺测造成的偏差，我们首次将贝叶斯最大熵(BME)方法与线性混合效应(LME)模型相结合，融合地基太阳光度计和MODIS AOD产品，产生了时空覆盖更为完整和精确的AOD产品，并进行了PM2.5浓度估计。集成了华北平原地区的MODIS AOD和太阳光度计AOD的BME产品，与原始MODIS-AOD产品相比，季节平均采样率可达96％。用BME产品估算的月平均PM2.5与地面观测值相比，偏差为3.5μg·m-3，均方根误差（RMSE）为5.5μg·m-3，而用原始MODIS AOD产品估算的日PM2.5浓度会存在明显偏差。利用BME方法融合太阳光度计和卫星AOD产品是一种同时提高AOD采样率和PM2.5浓度估算的有前景的方法。
3、利用卫星遥感城市夜间灯光反演PM2.5方法研究:利用北京35个站的可见光红外成像辐射计(VIIRS)Day/Night Band(DNB)数据和PM2.5小时数据，基于DNB-PM2.5关系空间上恒定，但时间上变化的假设，提出了一种利用夜间光辐射估算夜间PM2.5的混合效应模型。利用所有台站建立的模型反演春、夏、秋、冬四个季节的日平均PM2.5，交叉验证决定系数(R2)分别为0.87±0.12、0.83±0.10、0.87±0.09、0.83±0.10。进一步分析表明，只考虑城市站点的模型，能得到更好的结果(R2为0.92)。在农村台站，DNB光信号微弱，容易被月照度污染，因此PM2.5估计表现较差。
4、利用夜间辐射传输模式进行敏感性实验:在单波长下，细模态粒子占主导的大气，VIIRS/DNB遥感反演AOD和PM2.5可以只考虑城市灯光直射透过率;当粗模态粒子占比较高时，还需考虑散射辐射。“方差法”反演夜间AOD只能得到宽波段(500-900nm)AOD，直接等效为单波长AOD会造成较大误差。对于LED光源，FF=0.8(0.2)，VZA=60°，τ(675nm)=0.5的情形，相对误差dτ/τ为33％(10％)。满月时，“方差法”反演AOD在地表反射率有差异的像素区域明显不适用。
1、地基和卫星遥感气溶胶光学厚度(AOD)产品融合方法研究:将地基气溶胶自动监测网站(AERONET)Beijng站AOD资料和中分辨率成像光谱仪(MODIS)AOD在北京地区近13年的数据进行逐日匹配，通过线性回归分析研究表明AERONET Beijing站的AOD数据与MODIS AOD在整个北京市行政区相关良好，区域平均相关系数(R)超过0.73。利用线性方程组从AERONET Beijing站的AOD中插补北京区域MODIS AOD的缺测数据，得到的融合产品与MODIS AOD具有相同的精度。冬季的平均日AOD采样率从50％提高到81％。基于原始/融合产品反演PM2.5浓度，对比结果表明融合AOD产品能够提高区域平均PM2.5浓度的估算。
2、贝叶斯最大熵统计学习方法填补AOD缺测:为弥补地表PM2.5估算因AOD缺测造成的偏差，我们首次将贝叶斯最大熵(BME)方法与线性混合效应(LME)模型相结合，融合地基太阳光度计和MODIS AOD产品，产生了时空覆盖更为完整和精确的AOD产品，并进行了PM2.5浓度估计。集成了华北平原地区的MODIS AOD和太阳光度计AOD的BME产品，与原始MODIS-AOD产品相比，季节平均采样率可达96％。用BME产品估算的月平均PM2.5与地面观测值相比，偏差为3.5μg·m-3，均方根误差（RMSE）为5.5μg·m-3，而用原始MODIS AOD产品估算的日PM2.5浓度会存在明显偏差。利用BME方法融合太阳光度计和卫星AOD产品是一种同时提高AOD采样率和PM2.5浓度估算的有前景的方法。
3、利用卫星遥感城市夜间灯光反演PM2.5方法研究:利用北京35个站的可见光红外成像辐射计(VIIRS)Day/Night Band(DNB)数据和PM2.5小时数据，基于DNB-PM2.5关系空间上恒定，但时间上变化的假设，提出了一种利用夜间光辐射估算夜间PM2.5的混合效应模型。利用所有台站建立的模型反演春、夏、秋、冬四个季节的日平均PM2.5，交叉验证决定系数(R2)分别为0.87±0.12、0.83±0.10、0.87±0.09、0.83±0.10。进一步分析表明，只考虑城市站点的模型，能得到更好的结果(R2为0.92)。在农村台站，DNB光信号微弱，容易被月照度污染，因此PM2.5估计表现较差。
4、利用夜间辐射传输模式进行敏感性实验:在单波长下，细模态粒子占主导的大气，VIIRS/DNB遥感反演AOD和PM2.5可以只考虑城市灯光直射透过率;当粗模态粒子占比较高时，还需考虑散射辐射。“方差法”反演夜间AOD只能得到宽波段(500-900nm)AOD，直接等效为单波长AOD会造成较大误差。对于LED光源，FF=0.8(0.2)，VZA=60°，τ(675nm)=0.5的情形，相对误差dτ/τ为33％(10％)。满月时，“方差法”反演AOD在地表反射率有差异的像素区域明显不适用。