您好,上海奕枫仪器设备有限公司!

基于城市尺度的超细颗粒物土地利用回归模型

发布人: 来源: 发布时间:2023-06-04 22:20:30

超细颗粒 (Ultrafine particles, 简称UFPs) 被定义为直径约为 100 nm 或更小的颗粒,有研究指出,相比于较大的颗粒,UFPs 可能对人类健康构成更大的风险(WHO,2013 年)。纳米级尺寸允许 UFPs 颗粒深入渗透并沉积到肺部;随后,UFPs 可能进入血液循环系统并转移到其他身体器官(心脏、肝脏和大脑)。UFPs 粒子数浓度 (PNC) 通常占城市周围环境中总粒子数浓度的大部分(超过 80%),因此,PNC 是表征环境 UFPs 浓度的较常用指标。

由于缺乏适用于人群研究且准确有效的暴露评估方法,目前关于UPFs对健康影响的研究受限。一些研究已经构建了 土地利用回归(Land use regression, 简称LUR)模型来表征不同欧洲和美国城市 UFPs 浓度的空间分布模型,模拟UFPs浓度的小尺度空间变化,但在中国还没有类似研究。2021年11月,复旦大学公共卫生学院阚海东、蔡婧课题组在Science of the Total Environment杂志上发表了题为“High Spatial Resolution Land-Use Regression Model for Urban Ultrafine Particle Exposure Assessment in Shanghai, China”的研究论文(DOI:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151633),基于自主构建的监测网络,对上海市超细颗粒物浓度的空间分布进行了长期观测,并基于观测数据建立了首个城市尺度的UFPs土地利用回归 (land use regression, LUR) 模型。(数据更新中)

图 图片摘要

研究方法

该研究根据人口分布密度在上海市选取144个固定监测站点,站点的选取根据UFP的排放源类型分设6大类,并采用外环线内密集布点、卫星城区全覆盖的策略进行布点,具体分布如图2所示。

使用NanoTracer手持式超细颗粒物监测仪对冬、过渡季(春)、夏三季的UFP颗粒物浓度,各进行3次30min的短期监测。NanoTracer基于diffusion charging 方法实时(10 s)记录平均粒径在 20 nm - 120 nm 之间的粒子数浓度。为了控制数据质量,在监测之前,在 NanoTracer 手持式超细颗粒物监测仪和扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)之间进行了平行比较。NanoTracer之间的 Pearson 相关性 R2 高于 0.72,斜率范围为 0.71 到 1.14,表明单元之间具有很好的可重复性。随机选择一个 NanoTracer (N0009) 与 SMPS 进行比较,对于 SMPS,提取了尺寸低于 300 nm 的粒子数。两个设备的 5 分钟平均测量值的 R2 为 0.97,表明 NanoTracer 和 SMPS 之间的一致性非常好,是一款理想的便携式UFPs粒子数浓度监测设备。

在此基础上,收集UFP关键的预测变量(包括交通流量、土地利用、建筑面积、人口等),通过受控的向前逐步回归的方法建立了上海市大气UFPs的LUR模型。本研究采用方差膨胀因子以及库克距离等指标对模型表现进行了系统评价,采用了十折交叉验证等方法对模型效果进行了验证,最终基于模型结果绘制了上海市UFPs浓度空间分布地图。

图 研究区域、监测站点类型及空间分布

研究结果

监测结果显示,上海市超细颗粒物年均数量浓度为26584 ± 11489 p/cm3,与国外同类型研究的监测结果相比,上海市UFP的浓度处于相对较高的水平。站点分布特征为,城市地区的UFP浓度(mean ± SD = 29, 755 ± 16, 572 个/立方厘米)高于农村地区(24,352 ± 9232 个/立方厘米);餐饮区的UFP浓度水平较高。其季节分布特征与细颗粒物类似,呈现冬季高、夏季低的趋势。

该研究构建的模型adj-R2为0.69,均方根误差为6008 P/cm3,十折交叉验证R2为0.68,纳入变量的方差膨胀因子均在1.7以下,各点位的库克距离均在0.5以下。上述结果表明LUR模型不存在明显的过拟合或共线性。

模型最终共纳入4个预测变量: 缓冲区内餐饮点数量、路网每日NOx排放量、建筑占地面积以及监测站点与国道之间的最近距离。模型结果表明,超细颗粒物较高浓度区域集中在上海市车流量较大的主干道附近以及交叉口处、餐饮点聚集区域以及建筑物密集的区域 ,其年均浓度可以达到38000p/cm3以上。模型的可视化结果如下图所示。

图 按地点类型分列的所有站点的年均UFP浓度。RC=餐厅聚集区,BT=交通繁忙区,LT=交通区,RA=居民区,GS=绿地,FL=农田
图 上海市超细颗粒物浓度的空间分布地图

该研究设计了专门的UFP监测网络,在上海市开发了一个超细颗粒物土地利用回归模型,为UFP的健康效应研究提供了较为可靠的暴露评估数据。同时该研究发现餐饮和交通是城市大气超细颗粒物的主要来源,研究结果可为污染物的重点防控工作提供指导。