基于多机器学习算法耦合的空气质量数值预报订正方法研究及应用

应用多种机器学习算法进行时空耦合从而建立一种新的多模式集合预报订正算法(简称“ET-BPNN算法”),对4种常规污染物(NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀)的空气质量模型预报结果进行订正. 订正方法分为两步,第一步中利用随机森林、极端随机树和梯度提升回归树3种机器学习算法,采用4个空气质量数值预报模式(CMAQ、CAMx、NAQPMS和WRFChem)的多尺度污染物浓度预报数据、中尺度天气模式(WRF)的气象因子预报数据(包括2 m温度、2 m相对湿度、10 m风速、10 m风向、气压和小时累计降水量)以及污染物浓度观测数据作为训练集,训练结果进入基于均方根误差的择优选择器,选取3种机器学习算法中优化效果最好的算法;在第二步中利用了BP神经网络算法,通过加权平均获得集合模式订正预报结果. 结果表明:①与模式集合平均算法相比,ET-BPNN算法使NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀浓度预报值与观测值之间的均方根误差分别减小了30.4%、18.9%、43.3%和38.1%. ②ET-BPNN算法的优化效果较随机森林、极端随机树和梯度提升回归树3个机器学习算法有明显提升,与极端随机树算法相比,ET-BPNN算法使NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀浓度预报值与观测值之间的均方根误差分别降低了42.7%、20.1%、19.7%和9.7%. ③在易发生污染的秋冬季,ET-BPNN算法对PM_2.5浓度的预报具有明显的优化效果,此外该算法明显缩小了不同站点预报和不同预报时效之间的偏差,具有较好的鲁棒性. ④对O₃和PM_2.5浓度预报而言,经ET-BPNN算法优化后的预报结果能够更好地把握污染过程,对污染物峰值浓度的预报也较模式集合平均算法更准确. 研究显示,ET-BPNN算法提高了空气质量模式对污染物浓度的预报效果.      

粤港澳大湾区大气PM2.5浓度的遥感估算模型

PM_2.5对大气环境和人类健康危害极大,及时准确地掌握高时空分辨率的PM_2.5浓度对空气污染防治起着重要作用.基于粤港澳大湾区2015～2020年多角度大气校正算法(MAIAC)1 km AOD产品、 ERA5气象资料和站点污染物浓度(CO、 O₃、 NO₂、 SO₂、PM₁₀和PM_2.5),分别建立了估算PM_2.5浓度的时空地理加权模型(GTWR)、 BP神经网络模型(BPNN)、支持向量机回归模型(SVR)和随机森林模型(RF).结果表明,RF模型的估算能力优于BPNN、 SVR和GTWR模型,BPNN、 SVR、 GTWR和RF模型的相关系数依次为0.922、 0.920、 0.934和0.981,均方根误差(RMSE)分别为7.192、 7.101、 6.385和3.670μg·m^-3,平均绝对误差(MAE)分别为5.482、 5.450、 4.849和2.323μg·m^-...     

基于Informer的PM2.5浓度预测

针对现有PM_2.5浓度时序预测模型预测精度不高的问题,基于Informer建立了1个Seq2Seq的单站点PM_2.5浓度多步时序预测模型,以历史污染物数据和气象数据为输入,实现对未来一段时间PM_2.5浓度的预测。所构建模型基于ProbSparse (概率稀疏)自注意力机制提取所输入的序列信息,能够广泛地捕获输入序列的长期依赖信息,并对影响因子之间复杂的非线性关系进行建模,从而提高预测准确度。采用北京市2015-2019年逐小时空气污染物数据与气象数据进行模型训练、验证和测试,建立与循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)的对比实验并与其他现有研究方法进行比较,结果表明:对未来1~6 h的PM_2.5浓度时序预测,Informer的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和可决系数(R2)指标均为最好,实现了较为准确的预测。     

基于GA-ANN改进的空气质量预测模型

基于人工神经网络的空气质量预测模型优于传统的逐步回归模型,但由于性能差异不明显而较少在空气质量预报中应用. 设计了将遗传算法和神经网络算法相结合的基于GA_-ANN的空气质量预测模型,并利用天津市2003—2007年气象和污染物监测资料对该模型进行验证. 对2007年全年的ρ(SO₂),ρ(NO₂)和ρ(PM₁₀₎进行预测,预测值与实测值的相关系数分别为0.899 6,0.828 3和0.600 0. 与一般的人工神经网络预测模型相比较,GA_-ANN模型将空气质量等级预报的准确率从77.57%提高到79.67%. GA_-ANN模型可结合其他方法进行日常空气质量预报.      

基于深度学习模型的广州市大气PM2.5和PM10浓度预测

精准预测大气污染颗粒物PM_2.5、PM₁₀浓度能为大气污染防治提供科学依据,但目前较多PM_2.5和PM₁₀浓度预测在缺少污染源排放清单和能见度数据时,预测精度不高。而目前深度学习模型应用于PM_2.5和PM₁₀浓度预测的研究还鲜见报道。基于广州市2015年6月1日—2018年1月10日的空气质量和气象监测历史数据,分别构建了随机森林模型(RF)、XGBoost模型2种传统的机器学习模型和长短时记忆网络(LSTM)、门控循环单元网络(GRU)2种深度学习模型,并对广州市的PM_2.5、PM₁₀日均浓度值进行预测。结果表明:在缺少污染源排放清单和能见度数据时,4种模型也能较好地预测PM_2.5、PM₁₀日均浓度。根据MSE、RMSE、MAPE、MAE和R2等评价指标,对4个模型的PM_2.5、PM₁₀预测效果进行测评,得出深度学习GRU模型预测效果均为最佳,RF模型的预测结果均为最差。相比目前研究及应用较多的RF模型、XGBoost模型、LSTM模型,基于深度学习的GRU模型能更好地预测PM_2.5、PM₁₀浓度。     

基于GTWR-XGBoost模型的四川省PM2.5小时浓度估算

卫星气溶胶光学厚度(AOD)和气象数据已被广泛用于估算空气动力学直径≤2.5μm的地表颗粒物(PM_2.5)浓度.研究高时间分辨率、高精度的PM_2.5浓度估算方法,对及时准确的空气质量预报和大气污染的预防及缓解具有重要意义.使用Himawari-8 AOD小时产品和ERA5气象再分析资料作为估算变量,提出GTWR-XGBoost组合模型,对四川省PM_2.5小时浓度进行估算.结果表明：(1)提出的组合模型运用于全数据集的性能优于KNN、 RF、 AdaBoost、 GTWR、 GTWR-KNN、 GTWR-RF和GTWR-AdaBoost模型,拟合精度指标R²、 MAE和RMSE分别为0.96、 3.43μg·m^-3和5.52μg·m^-3,验证精度指标R²、 MAE和RMSE分别为0.9、 4.98μg·m^-3和7.92μg·m^-3.(2)该模型作用于PM_2.5浓度小时估算...     

XGBoost-LSTM变权组合模型支持下短期PM2.5浓度预测——以上海为例

为进一步提高PM_2.5浓度预测的精度,基于XGBoost和LSTM进行改进得到变权组合模型XGBoost-LSTM（Variable）.过对预测因子进行相关性分析,得到其它大气污染物和气象因素对PM_2.5浓度的影响,确定最优PM_2.5浓度预测因子,再将预处理后数据集输入LSTM模型和XGBoost模型分别进行预测,采用基于残差改进的自适应变权组合方法得到最终预测结果.结果表明,污染物变量的相对重要性高于气象因子变量,其中当前PM_2.5和CO浓度的相对重要性较高,而平均风速和相对湿度重要性较低.XGBoost-LSTM（Variable）模型的RMSE、MAE和MAPE值为1.75、1.12和6.06,优于LSTM、XGBoost、SVR、XGBoost-LSTM（Equal）和XGBoost-LSTM（Residual）模型.分季节预测结果表明,XGBoost-LSTM（Variable）模型在春季预测精度最好,而夏季预测精度较差.模型预测精度高的原因在于其不仅考虑了数据的时间序列特征,又兼顾了数据的非线性特征.     

郑州市降水对大气污染物浓度的影响分析

基于2017—2020年郑州市空气质量监测数据和同期地面气象观测资料，采用数理统计方法，分析了郑州市降水对空气质量和大气污染物浓度的影响。结果表明，有降水时的空气质量等级为优和良的频率比无降水时的频率高，且降水量级越大空气质量越好。除SO₂外，郑州市其他大气污染物PM_2.5、PM₁₀、NO₂、O₃和CO在降水天气后浓度降低时次占比为42.97%～56.12%，其中PM₁₀浓度降低最明显，CO最不明显。小时降水量越大，污染物浓度降低值越小，PM_2.5和PM₁₀在降雨天气后浓度降低时次占比越大，当小时降水量(R)>1 mm时，浓度降低时次占比显著高于升高时次占比，且粒径越大效果越好；SO₂没有明显变化规律；NO₂和CO变化不大。降水天气前大气污染物浓度越高，降水天气后浓度降低值的范围越大；同时浓度降低时次占比也越大(NO₂除外)。在小时降水量较大...     

基于长短期记忆网络-卷积神经网络(LSTM-CNN)的北京市PM2.5浓度预测

准确预测PM_2.5浓度可以有效避免重污染天气对人体带来的危害。现有方法往往重视本地历史信息对PM_2.5浓度预测的影响,而忽略空间传输的作用。提出了一种长短期记忆网络和卷积神经网络(LSTM-CNN)相结合的方法,利用历史PM_2.5浓度数据、历史气象数据和时间数据,对空气质量监测站未来6 h PM_2.5浓度做出预测。该模型主要由2部分组成:1)基于长短期记忆网络的时序预测模型,模拟本地因素对PM_2.5浓度预测的影响;2)基于一维卷积神经网络的特征提取模型,模拟周边地区污染物的传输与扩散对PM_2.5浓度预测的影响。随机选取了北京市市区及郊区7个监测站在2014-05-01—2015-04-30期间的数据,用于研究和评估LSTM-CNN模型。结果表明:提出的LSTM-CNN模型相比于LSTM模型具有更好的预测效果,且对于郊区站点预测效果的改进略优于市区站点。     

基于多通道长短期记忆网络的PM2.5小时浓度预报

PM_2.5作为主要的大气污染物之一,严重影响空气质量和人体健康. 基于深度学习的PM_2.5小时预报研究中,不同输入要素的历史时间序列对PM_2.5预报结果的响应情况存在差异. 因此,基于太原市2019—2020年空气质量监测站、气象观测站的数据,提出一种多通道长短期记忆网络(Multi-Channels Long Short Term Memory,MULTI-LSTM)模型对PM_2.5浓度进行预报. 首先使用独立的长短期记忆网络(LSTM)学习每个输入要素,然后将每个模型的学习结果进行融合,最终获得未来多小时的PM_2.5浓度预报结果. 将单通道LSTM模型(BASE-LSTM)和LSTM扩展模型(LSTME)作为对照模型,与MULTI-LSTM模型的预报精度进行对比. 结果表明:不同观测窗与预报时效下,MULTI-LSTM模型在测试集上的预报精度明显高于其他2个对照模型. 其中,MULTI-LSTM模型在8 h观测窗和6 h预报时效组合下,均方根误差(RMSE)、平均绝对百分误差(MAPE)以及拟合指数(IA)分别为20.26 μg/m3、51%、0.91. 对未来逐6 h的预报中,观测窗宽度从8 h增至32 h,MULTI-LSTM模型的预报精度无明显变化,观测窗宽度为40和48 h时,RMSE比8 h观测窗下分别下降了2%和3%. 此外,增加LSTM层深度不会提升模型的预报精度. 研究显示,利用MULTI-LSTM模型作为PM_2.5浓度小时预报模型,通过选取合适的观测窗宽度与气象要素,可获得精度较高的预报结果.      

基于机器学习方法的西安市数值模拟优化研究

为提高西安市ρ(PM_2.5)及ρ(O₃)预报准确率,更好地服务西安市预报预警工作,以CAMx模式预报结果为基础,结合中尺度WRF气象预报数据、ρ(PM_2.5)及ρ(O₃)观测数据,基于多元线性回归、岭回归、lasso回归、决策树、随机森林以及支持向量机6种机器学习优化模型,对西安市2019年PM_2.5及O₃模拟结果进行优化.结果表明:①CAMx模式对污染物的预报存在偏差,优化模型明显修正了CAMx模式的系统性偏差,提高了预报精度.②ρ(PM_2.5)及ρ(O₃)的均方根误差(RMSE)由174.00、37.11 μg/m3分别降至34.36~39.37、24.77~28.82 μg/m3,相关性系数(R)由0.63、0.78分别提至0.70~0.78、0.83~0.88.③不同模型对模拟值的订正优势不同,随机森林对PM_2.5优化效果显著,优化提高率为80%;支持向量机对O₃的优化效果最理想,优化提高率为36%;线性回归方法对O₃的优化效果较好,但对PM_2.5的优化效果相对较差.研究显示,机器学习模型显著优化了CAMx模拟结果,反映了利用机器学习修正空气质量数值模式预报结果的研究意义和可行性.      

空气质量模拟与观测机器学习NO2浓度预报

在空气质量模拟预报数据基础上,采用套索算法(Lasso)将前馈神经网络(FNN)与基于污染物浓度及气象实时观测值搭建的长短期记忆网络(LSTM)组合,形成了模拟与观测机器学习(SOML)预报模型,开展了佛山市顺德区NO₂未来3d10个镇街空气质量监测点位逐日浓度预报.结果显示:SOML3d的准确性均优于WRF-CMAQ及其它单一模型,其中第一天SOML平均绝对误差(MAE)为4.99μg/m³,改进幅度达66.18%;SOML不同季节适用性均较强,四季预报效果均较WRF-CMAQ明显提升(MAE分别降低42.18%、42.89%、61.04%、50.91%),其中秋冬季改善幅度更好;相比WRF-CMAQ,SOML预报结果能较好反映顺德区内各站点NO₂浓度实际空间分布和数值水平,有效提升了浓度预报精准度.     

空气质量数值预报优化方法研究

基于源清单“Nudging”修正方法和XGBoost算法对徐州市2016年12月13个监测站点的PM_2．5、PM₁₀、O₃、SO₂、NO₂、CO等6种污染物浓度预报值进行修正,并分析了修正前后模式预报改善效果.在源清单“Nudging”修正部分,本文结合IDW空间插值算法对SO₂、NO₂、CO等3种污染物浓度预报值进行修正,与修正前后模拟结果相比,采用同化源模拟的预报浓度值与观测值的相关系数提高了0.06~0.27不等,平均绝对误差和均方根误差减少的幅度较为明显,平均相对偏差（MFB）和平均相对误差（MFE）均在理想水平范围内,NO₂修正效果最好,其次是SO₂和CO.基于XGBoost算法的统计修正部分,本文结合WRF气象预报要素建立统计回归模型,对6种污染物进行统计修正,经滚动修正之后,预报偏低或偏高现象得到很大的改善,除了SO₂之外,相关系数均提高到0.6~0.7左右,各项误差统计指标改进幅度非常明显.总体而言,本文采用的两种修正方法对中小尺度空气质量数值预报改进效果非常明显,反映了此优化方案的可行性和科学性.     

太原市PM2.5预报统计修正模型及其应用检验

为提高太原市PM_2.5预报准确率,更好地服务于空气质量预报预警工作,在华北区域BREMPS（环境气象数值预报系统）预报结果的基础上,结合MR（多元线性回归）、BP（BP神经网络）和MLR（多层递阶）建立10 d的滚动修正模型,并对太原市2017年1月15日—4月15日ρ（PM_2.5）进行了修正.结果表明:3种修正模型对BREMPS预报的ρ（PM_2.5）小时值和日均值均有不同程度的改善,尤其是MLR修正结果在多项评价指标上明显优于MR和BP,其小时值的RMSE（均方根误差）由原来的42.46 μg/m3降至26.74 μg/m3,重污染和非重污染时段日均值的RMSE分别由未修正前的63.78、43.68 μg/m3降至28.52、21.27 μg/m3,日均值修正结果的基础评分从0.65升至0.88,预报准确率由原来的66.18%升至86.74%.从3种修正模型的构建来看,MR和BP方法对系统平稳状态的修正具有一定的优势,而对系统大幅变化的识别能力较弱,所以在天气变化时临界状态的修正结果误差较大,模型的稳定性较差.研究显示,MLR方法本身具有一定的自适应能力,稳定性和修正结果的整体趋势明显优于MR和BP方法,对太原市空气质量预报改进、重污染天气预警和大气污染防治等方面具有较大的应用价值.      

多机器学习模型下逐小时PM2.5预测及对比分析

为了能及时、准确的估算出PM_2.5浓度及污染等级,分别构建了K最邻近模型（KNN）、BP神经网络模型（BPNN）、支持向量机回归模型（SVR）、高斯过程回归模型（GPR）、XGBoost模型和随机森林模型（RF）6个PM_2.5浓度预测模型,选取江西省赣州市为实验区域,采用2017~2018年逐小时气象站数据、PM_2.5浓度数据和Merra-2再分析数据开展PM_2.5预测实验.结果表明,缺少污染物观测数据时,利用能见度和气象因子等数据也能较好的预测PM_2.5浓度.在PM_2.5浓度预测精度方面,XGBoost模型最高,随机森林模型次之,高斯过程回归模型最差.6个模型的预测精度总体呈现冬季最高,秋季和春季次之,夏季最低.XGBoost模型的PM_2.5污染等级预测准确率高于其他模型,综合准确率达87.6%,并且XGBoost模型具有训练时间短,占用内存小等优点.XGBoost模型的变量重要性结果表明,能见度变量的重要性最高,相对湿度和时间变量次之.本研究可为环境部门准确预测、预报PM_2.5浓度提供参考.     

2018年吉林市大气污染物浓度变化及其与气象因素的相关性分析

采用统计学方法、Pearson相关系数法和线性回归法研究分析了2018年吉林市大气污染物SO₂、NO₂、PM₁₀、PM_2.5、CO和O₃浓度的变化特征、污染物浓度之间的相关性以及污染物与气象因素的相关性。结果表明:1）吉林市大气环境中O₃、PM₁₀和PM_2.5日均值超标率分别为1.06%、3.27%和7.14%,颗粒物、O₃及其前体物质为治理重点;CO、SO₂、NO₂、PM₁₀和PM_2.5春、冬季污染较重,夏季污染最轻;大气环境中的污染物浓度随季节、时刻及人类活动发生周期性变化;2）PM₁₀和PM_2.5、PM_2.5和CO、NO₂和CO浓度之间高度相关（相关系数r均>0.8）,并建立了其预测线性模型;3）污染物（O₃除外）浓度与温度、风速和混合层高度呈负相关,与气压呈正相关;降水对SO₂、PM₁₀和PM_2.5浓度具有一定的削减作用,降水后其浓度减少的次数占总降水次数的68.75%、84.38%和78.13%;吉林市污染最严重的颗粒物受气象因素中混合层高度、风速和降水影响较大。该研究成果可为日后吉林市开展大气污染治理、区域大气环境容量测算、空气污染潜势预报等研究提供参考。     

2018～2020年北京市大气PM2.5污染特征及改善原因

利用2018～2020年北京市33个环境评价站和5个区域评价站的空气质量数据,以及气象数据和北京市城区PM_2.5组分数据,研究了3年间北京PM_2.5的浓度演变、时空变化和重污染发生情况,并对PM_2.5组分和气象条件变化进行比较分析.结果发现,3年间北京市ρ(PM_2.5)分别为51、42和38μg·m^-3,2020年的PM_2.5相比2017年下降30.9%,但仍超过国际标准8.6%;北京市PM_2.5空间分布依旧维持南高北低的特征,但南北差异逐年减小,区域浓度趋于均一化;1～3月PM_2.5浓度相对较高,8～9月PM_2.5浓度相对较低,采暖季各污染物浓度均显著高于非采暖季,NO_x和CO分别偏高58.4%和52.9%,PM_2.5偏高27.5%;采暖季和非采暖季PM_2.5日变化出现反向特征,采暖季夜间PM_2.5明显...     

泉州市2017-2021年大气污染特征及新冠疫情的影响

该文基于2017-2021年泉州市6项主要污染物(PM₁₀、PM_2.5、NO₂、SO₂、CO和O₃)监测数据及空气质量指数(AQI)数据，分析讨论了泉州大气污染的年际和季节变化特征以及常态化新冠疫情管控对泉州环境空气质量的影响，以期为泉州大气污染的进一步治理提供科学参考。结果表明，泉州2017-2021年PM₁₀、PM_2.5、NO₂、SO₂和CO的年均浓度整体上均呈现下降趋势，年均下降率最大的是SO₂(15.8%)，其次是NO₂和CO(9.3%和8.1%),O₃污染相对突出但浓度变化范围显著减小，泉州的整体大气污染波动趋于平稳。泉州的PM₁₀、NO₂、SO₂、CO和O₃污染浓度最高的季节均为春季，春季为泉州的主要污染季节。新冠疫情管控期间，...     

山东省AQI、颗粒物和臭氧时空演化特征及关键影响因素识别分析

山东省空气质量存在明显的时空差异,并受气象和社会经济因子等的综合影响.为了解山东省空气质量指数(AQI)以及颗粒物和臭氧(O₃)浓度等时空演化特征,探究颗粒物与O₃浓度之间的协同关系,基于山东省16个地级市2013年12月—2021年12月的AQI和空气污染物(SO₂、NO₂、CO、O₃、PM_2.5和PM₁₀)浓度数据与同期的气象数据、工业及生活污染物(氨氮、SO₂、氮氧化物和烟尘、粉尘等)排放量和社会经济数据,运用R语言和ArcGIS对各地区AQI与PM_2.5和O₃浓度等的时间和空间变化特征及关键影响因素识别分析.结果表明：(1)山东省AQI和空气污染物浓度具有明显的月际、季节和年际变化特征以及地区性差异.鲁东地区各季节空气质量明显优于鲁西地区,呈现由东向西空气污染愈加严重的趋势. PM_2.5浓度呈鲁西地区最高,鲁中、鲁南和鲁北地区次之,鲁东地区...     

基于神经网络的教室室内PM2.5浓度预测研究

为建立适用于教室PM_2.5的室内预测模型，该文依据长期监测的教室内环境数据，建立了涵盖室内外环境参数、人员活动因素和季节性因素在内的PM_2.5预测模型。研究使用多元线性回归模型和人工神经网络模型，采用主成分分析法和和熵值法分析了影响室内PM_2.5浓度的总方差的影响因素权重及对BP神经网络输入因子进行降维。结果表明：(1)在采集的13个因素中，对室内PM_2.5的总方差解释大小排名前5的影响因素依次是室内相对湿度、室内通风量、室内二氧化碳浓度、室外相对湿度、门开启时间占比。(2)采用BP神经网络的预测效果优于传统的多元线性回归，拟合优度R2从0.412上升到0.547。(3)针对BP神经网络，采用交叉验证法验证了各个季节的预测效果，结果表明春季的预测效果最好，冬季次之，秋季最差。(4)采用主成分对数据进行降维和调整BP神经网络的隐藏层数能够优化BP神经网络，可将R2提升至0.710和0.805。研究结果可为机械通风下的教室室内PM_2.5预测模型建立提供依据和数据支撑。