基于随机森林的南京市PM_2.5和O₃对减排的响应

来源：环境科学杂志2023年第1期北京时间：

作者：尚永杰,茅宇豪,廖宏,胡建林,邹泽庸

单位：南京信息工程大学环境科学与工程学院, 江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室, 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044,南京信息工程大学环境科学与工程学院, 江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室, 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044,南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 气象灾害预报与评估协同创新中心, 气候与环境变化国际联合研究实验室, 南京 210044,南京信息工程大学环境科学与工程学院, 江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室, 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044,南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 气象灾害预报与评估协同创新中心, 气候与环境变化国际联合研究实验室, 南京 210044,南京信息工程大学环境科学与工程学院, 江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室, 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044,南京信息工程大学环境科学与工程学院, 江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室, 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044

摘要：自2013年《大气污染防治行动计划》实施后,南京市大气污染有所改善,但仍面临着细颗粒物(PM_2.5)和臭氧(O₃)污染问题.为探究污染物浓度对其前体物减排的响应,获得有效的减排策略,常利用大气化学模式进行多组基于排放扰动的敏感性试验,而这需要消耗大量计算时间和计算资源.应用随机森林算法对2015年大气化学传输模式(GEOS-Chem)模拟结果进行机器学习,高效地预测了南京2019年PM_2.5 浓度日均值和日最大8 h 臭氧(MDA8 O₃)浓度对不同人为源排放控制情景的响应.随机森林结果表明2019年中国人为排放每减少10%,南京ρ(PM_2.5)季节平均值下降2~4 μg ·m-3.当2019年中国人为源减排比例高于20%时,南京ρ(PM_2.5)年均值将低于国家二级限值(35 μg ·m-3).若仅对中国地区O₃前体物氮氧化物(NO_x)和挥发性有机污染物(VOCs)同比例减排,反而可能导致南京MDA8 O₃浓度季节平均值上升.2019年中国地区人为排放同等比例减少10%~50%,南京ρ(MDA8 O₃)季节平均值在春、秋和冬季分别比基准试验增高约1~3、1~4和3~11 μg ·m-3.而当中国地区NO_x 减排10% 且VOCs 减排20%时,南京各季节的ρ(MDA8 O₃)平均值均有所下降(3~6 μg ·m-3); 在此基础上,进一步加大VOCs 减排比例(30%),南京ρ(MDA8 O₃)年均值将减少7 μg ·m-3.若是仅进行南京本地人为源减排,南京O₃浓度年均值将出现增加.因此,为有效缓解南京O₃ 污染,中国地区NO_x和VOCs 减排比需小于1:2.结合随机森林和GEOS-Chem 模式可高效地得到污染物对前体物减排的响应,为大气污染防治策略的制定提供有效的科学支撑.

关键词：细颗粒物(PM2.5),臭氧(O3),随机森林,减排情景分析,GEOS-Chem 模式,