estimation of atmospheric particulate matter (pm10) concentration based on remote sensing measurements and meteorological parameters: application of artificial neural network

[ ' s u s p e n d e d a e r o s o l s i n t h e a t m o s p h e r e h a v e s t r o n g i m p a c t o n t h e g l o b a l c l i m a t e . t h e y i n f l u e n c e t h e e a r t h ’ s r a d i a t i o n b u d g e t b y s c a t t e r i n g o r a b s o r b i n g b o t h i n c o m i n g a n d o u t g o i n g r a d i a t i o n . a e r o s o l s i n t r o p o s p h e r e a r e c a u s e d b y n a t u r a l s o u r c e s ' , ' s u c h a s d u s t ' , ' s e a ' , ' s p r a y a n d v o l c a n o e s a n d a l s o b y a n t h r o p o g e n i c s o u r c e s ' , ' s u c h a s c o m b u s t i o n o f f o s s i l f u e l s a n d b i o m a s s b u r n i n g a c t i v i t i e s a n d f r o m g a s ' , ' t o ' , ' p a r t i c l e c o n v e r s i o n p r o c e s s e s . t h o s e h a v e b e e n i m p l i c a t e d i n h u m a n h e a l t h e f f e c t s a n d v i s i b i l i t y r e d u c t i o n i n u r b a n a n d r e g i o n a l a r e a s . r n x a 0 i n t h i s w o r k ' , ' t h e a e r o s o l o p t i c a l i n d i c e s w e r e c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e c i m e l s u n p h o t o m e t e r i . e . p a s s i v e m e a s u r e m e n t . t h e s e i n d i c e s h a v e b e e n m o n i t o r e d d u r i n g d e c e m b e r 2 0 0 9 t o s e p t e m b e r ' , 2 0 1 0 , ' i n a s e m i u r b a n a r e a i n t h e z a n j a n r e g i o n i n i r a n ' , ' w h i c h h a s a c o n t i n e n t a l c l i m a t e . a e r o s o l o p t i c a l d e p t h ( a o d ) i s a d i m e n s i o n l e s s n u m b e r t h a t c h a r a c t e r i z e s t h e t o t a l a b s o r p t i o n a n d s c a t t e r i n g e f f e c t s o f p a r t i c l e s i n t h e d i r e c t o r s c a t t e r e d s u n l i g h t . t h e v a l u e o f a o d w a s m e a s u r e d b y m e a n s o f a s u n ' , ' p h o t o m e t e r i n a g r o u n d s t a t i o n ' , ' l o c a t e d a t t h e u n i v e r s i t y o f z a n j a n ( 3 6 . 7 n ' , ' 4 8 . 5 e ) . t h e i n f o r m a t i o n o n t h e a e r o s o l n u m b e r d i s t r i b u t i o n w a s d e f i n e d b y a n g s t r o m i n 1 9 2 9 . t h e w a v e l e n g t h e x p o n e n t i s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e a n g s t r o m f o r m u l a . h e n c e ' , ' t h e w a v e l e n g t h e x p o n e n t m a y b e c a l c u l a t e d f r o m t h e s l o p e o f a l i n e a r f i t o f l n a o d a g a i n s t l n λ . t h e v a l u e o f 1 . 3 f o r α r e p r e s e n t s a n a v e r a g e v a l u e f o r t h e m e a n a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n s . a n e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e w a v e l e n g t h e x p o n e n t a n d t h e d o m i n a n t g e o m e t r i c d i a m e t e r o f t h e a e r o s o l p a r t i c l e s w a s f o u n d b y a n g s t r o m . r n x a 0 b e s i d e s s u c h g r o u n d ' , ' b a s e d o b s e r v a t i o n s o f a o d ' , ' w h i c h a r e p o i n t ' , ' b a s e d ' , ' a e r o s o l o p t i c a l d e p t h m e a s u r e m e n t s t a k e n b y m o d i s o n b o a r d o f t h e t e r r a a n d a q u a s a t e l l i t e s a r e u s e d f o r f u r t h e r a n a l y s i s . s a t e l l i t e s a r e a b l e t o y i e l d t i m e l y i n f o r m a t i o n o n t h e a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n s a t t h e r e g i o n a l a n d g l o b a l s c a l e s i n e x p e n s i v e l y . t h e m o d i s s e n s o r o n b o a r d t h e t e r r a / a q u a e a r t h o b s e r v a t i o n s y s t e m s a t e l l i t e s c a p t u r e s t h e r a d i a t i v e e n e r g y f r o m t h e t a r g e t i n 3 6 s p e c t r a l b a n d s o v e r t h e v i s i b l e l i g h t ' , ' n e a r i n f r a r e d a n d i n f r a r e d s p e c t r a . t h e r a w i m a g e r y h a s a s p a t i a l r e s o l u t i o n r a n g i n g f r o m 2 5 0 m t o 1 k m a t a g r o u n d s w a t h o f 2 ' , ' 3 3 0 k m . s t a n d a r d m e t e o r o l o g i c a l v a r i a b l e s ' , ' s u c h a s a i r p r e s s u r e ' , ' r e l a t i v e h u m i d i t y ' , ' w i n d s p e e d a n d d i r e c t i o n a r e a l s o m e a s u r e d a t z a n j a n s y n o p t i c s t a t i o n . m o r e o v e r ' , ' t h e c o n c e n t r a t i o n o f p a r t i c l e m a s s u n d e r 1 0 μ m ( p m 1 0 ) w h i c h i s m e a s u r e d h o u r l y b y t h e z a n j a n e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n b u r e a u ' , ' i s a l s o u s e d . r n x a 0 i n t h i s s t u d y ' , ' t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s u s p e n d e d p a r t i c u l a t e m a t t e r ( p m 1 0 x a 0 ) c o n c e n t r a t i o n a n d a e r o s o l o p t i c a l i n d i c e s s u c h a s a o d ' , ' a n g s t r o m c o e f f i c i e n t s ( α ' , ' β ) a n d m e t e o r o l o g i c a l p a r a m e t e r s s u c h a s w i n d s p e e d a n d d i r e c t i o n ' , ' a n d r e l a t i v e h u m i d i t y w e r e c o n s i d e r e d . t w o f o r e c a s t i n g t e c h n i q u e s a r e p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r f o r p r e d i c t i n g t h e a v e r a g e h o u r l y p m 1 0 c o n c e n t r a t i o n . t h e f i r s t o n e i s t h e m u l t i v a r i a t e l i n e a r r e g r e s s i o n ( m l r ) a n d t h e s e c o n d t e c h n i q u e i s a n a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ( a n n ) m o d e l ' , ' b a s e d o n r a d i a l b a s i s f u n c t i o n ( r b f ) . m u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l s w e r e d e v e l o p e d w i t h s e v e r a l s e t s o f d a t a ( a e r o s o l o p t i c a l p r o p e r t i e s a n d m e t e o r o l o g i c a l d a t a a s p r e d i c t o r ) . t h e r e s u l t s s h o w t h a t c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t b e t w e e n p r e d i c t e d v a l u e s a n d o b s e r v e d v a l u e s f o r m l r m o d e l a n d a n n m o d e l w e r e 0 . 6 2 a n d 0 . 8 1 ' , ' r e s p e c t i v e l y . t h e i m p a c t o f w i n d d i r e c t i o n o n p m 1 0 x a 0 c o n c e n t r a t i o n p r e d i c t i o n i s w e a k i n m l r m o d e l . t h e r e s u l t s a l s o s h o w t h a t m l r c o u l d n o t p r e d i c t p m 1 0 x a 0 c o n c e n t r a t i o n a s w e l l a s a n n m o d e l . 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