Accurate estimation of Aerosol Optical Depth (AOD) is crucial for understanding climate change and its impacts on public health, as aerosols are a measure of air quality conditions. AOD is usually retrieved from satellite imagery at coarse spatial and temporal resolutions. However, producing high-resolution AOD estimates in both space and time can better support evidence-based policies and interventions. We propose a spatio-temporal disaggregation model that assumes a latent spatio--temporal continuous Gaussian process observed through aggregated measurements. The model links discrete observations to the continuous domain and accommodates covariates to improve explanatory power and interpretability. The approach employs Gaussian processes with separable or non-separable covariance structures derived from a diffusion-based spatio-temporal stochastic partial differential equation (SPDE). Bayesian inference is conducted using the INLA-SPDE framework for computational efficiency. Simulation studies and an application to nowcasting AOD at 550 nm in India demonstrate the model's effectiveness, improving spatial resolution from 0.75° to 0.25° and temporal resolution from 3 hours to 1 hour.


翻译:气溶胶光学厚度(AOD)的精确估计对于理解气候变化及其对公共健康的影响至关重要,因为气溶胶是空气质量状况的重要指标。AOD通常从空间和时间分辨率较粗的卫星影像中反演获得。然而,在空间和时间上生成高分辨率AOD估计能更好地支持基于证据的政策制定和干预措施。我们提出了一种时空分解模型,该模型假设存在一个潜在的时空连续高斯过程,并通过聚合测量值进行观测。该模型将离散观测与连续域联系起来,并纳入协变量以提升解释力和可解释性。该方法采用基于扩散的时空随机偏微分方程(SPDE)导出的可分离或不可分离协方差结构的高斯过程。为提升计算效率,采用INLA-SPDE框架进行贝叶斯推断。模拟研究及在印度550纳米波长AOD临近预报中的应用表明,该模型能有效将空间分辨率从0.75°提升至0.25°,时间分辨率从3小时提升至1小时。

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