Estimation of ground-level O3 concentration in the Yangtze River Delta region based on a high-performance spatiotemporal model MixNet

地面臭氧 环境科学 三角洲 残余物 均方误差 长江 计算机科学 统计 气象学 数学 臭氧 地理 航空航天工程 中国 考古 工程类 算法
作者
Qiaolin Zeng,Yechen Wang,Jinhua Tao,Meng Fan,Songyan Zhu,Liangfu Chen,Lihui Wang,Yeming Li
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:896: 165061-165061 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.165061
摘要

In recent years, the escalating ozone (O3) concentration has significantly damaged human health. The machine learning models are widely used to estimate ground-level O3 concentrations, but the spatial and temporal features in the data are less considered. To address the issue, this study proposed a novel framework named MixNet to estimate daily O3 concentration from 2020 to 2021 over the Yangtze River Delta. The MixNet utilized image convolution to extract the potential spatiotemporal information related to O3 fully. The temporal features were extracted by a Long Short-Term Memory (LSTM). A U-Net, a new jump connection method with an attention mechanism and residual blocks, facilitated a more comprehensive extraction of spatial features in the data. The extracted temporal and spatial features were fused to estimate ground-level O3. Meanwhile, a novel training method was proposed to enhance the accuracy of MixNet. The daily mean O3 maps have high validation results in comparison with ground-level O3 measurement, with R2 (RMSE) of 0.903 (14.511 μg/m3) for sample-based validation, 0.831 (19.036 μg/m3) for site-based validation, and 0.712 (25.108 μg/m3) for time-based validation. The season-average maps indicate that O3 concentration is summer > autumn > spring > winter. The highest value was 137.41 μg/m3 in the summer of 2021 over the Yangtze River Delta urban agglomeration, and the lowest value was 52.73 μg/m3 in winter 2020. The MixNet showed better performance compared with other models, and thus the “point-plane image thinking” will contribute to future studies in developing better methods to estimate atmospheric pollutants.
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