一个混合深度学习模型用于O3预测和解释在中国的长江三角洲地区
Lingxia Wu1, Junlin An1, Jianjun He2
1Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, 210044, China.
The Science of the total environment
|November 13, 2025
概括
可解释的人工智能 (XAI) 和层级相关性传播 (LRP) 揭示了臭氧 (O3) 污染的关键驱动因素. 气象因素显著影响O3预测,特别是在光化学活动高峰期间.
科学领域:
- 环境科学 环境科学
- 人工智能的人工智能
- 大气化学 大气化学
背景情况:
- 准确的空气质量预测对于公共卫生和环境管理至关重要.
- 深度学习 (DL) 模型对空气质量预测有希望,但往往缺乏可解释性.
- 可解释的人工智能 (XAI) 方法,如层级相关性传播 (LRP),是理解DL模型预测所需的.
研究的目的:
- 将XAI (LRP) 应用于深度学习模型,用于预测臭氧 (O3) 度.
- 量化不同特征 (网格,气象,污染物) 对O3预测的贡献.
- 确定影响长江三角洲 (YRD) O3变异性的排放源和运输机制.
主要方法:
- 开发了一种随机森林校正 (RF校正) 模型,用于为YRD (2020-2023) 生成9公里网格的O3数据.
- 利用基于注意力的序列对序列 (seq2seq) DL模型,结合网格式O3,WRF气象数据和地面观测,进行24小时,48小时和72小时的O3预测.
- 应用层级相关性传播 (LRP) 来分析seq2seq模型对O3预测的特征贡献.
主要成果:
- seq2seq模型实现了强大的24小时预测性能 (R=0.85测试,R=0.89验证).
- LRP分析表明,每年平均有24.6%的格子,38.2%的气象特征和17.0%的污染物特征对O3预测有显著的贡献.
- 特征贡献在13:00-15:00达到顶峰,与光化学生产和区域运输相关;LRP洞察与潜在来源贡献函数 (PSCF) 和工业区数据保持一致.
结论:
- 通过XAI (LRP) 增强的深度学习模型,为推动臭氧变化的复杂因素提供了宝贵的见解.
- 气象因素是O3预测的主要驱动因素,其次是网格和污染物特征.
- 来自XAI的特征重要性有助于识别排放源和了解O3传输机制,这对于有效的空气质量管理至关重要.
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