城际道路交通排放 PM2.5精细尺度计算与公众健康影响研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张贝贝 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 陆锋 ; 程诗奋 |
| 关键词 | 道路交通流量 道路交通污染 时空特征 PM2.5浓度 公众健康 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地理学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 道路交通排放已成为我国大城市空气污染的重要来源，交通污染的精细化 和科学化治理迫在眉睫。准确厘清道路交通污染排放的细粒度特征，系统评估 道路交通污染对不同人群的健康影响，对于持续改善区域大气环境，降低公众 健康风险具有重要现实意义，有助于促进国家节能减排‘十四五’规划、健康中 国和美丽中国的全面建设。 本研究以机动车污染排放细粒度计算与机动车排放对公众健康影响的定量 化解析为研究目标，以机动车排放 PM2.5为研究对象，以“细粒度城际道路交通 流量推断-高时空分辨率机动车排放 PM2.5 污染物计算-道路交通与大气污染浓度 的响应关系挖掘-道路交通污染排放的公共健康影响评估”为脉络开展研究，主 要研究成果如下： （1）现有交通流量推断研究大多基于神经网络等纯数据驱动的深度学习方 法，缺乏可解释性且难以部署。针对这一问题，论文从城际道路交通流量形成 原因视角，通过考虑区域间社会经济空间交互强度和交通网络结构对交通流量 的影响，提出一种简单可泛化、易部署且具有可解释性的城际道路交通流量推 断方法。首先将城市的社会经济发展水平嵌入到传统的道路网络中介中心性指 标，建立增强型中介中心性指标，以定量刻画城市间空间交互强度。其次，采 用机器学习方法建立增强型中介中心性指标与城际道路交通流量之间的非线性 响应关系，以准确推断道路交通流量。最后，引入可解释性机器学习方法量化 城际道路交通流量驱动因素的作用矢量。基于城际高速公路收费站实测数据进 行了验证，并与基于中介中心性指标、仅考虑潜在目的地或出发地城市吸引力 的中介中心性加权的交通流量方法进行对比，结果表明，提出的方法优于基准 模型，R 2 提升了 4-14%，RMSE 降低了 24.5-40%。此外，提出的方法对于未知 路段的推断结果更接近真实值，推断结果更加稳定且具有可解释性。 （2）现有道路交通污染物排放清单构建研究缺乏细粒度的交通活动信息作 为输入数据，限制了机动车污染排放计算的准确度。针对这一问题，论文基于 可解释性的高速公路交通流量推断方法，耦合交通污染排放模型的排放因子参 数与机动车属性信息，构建了路段级、分钟级的高速公路机动车污染物排放清 单。在此基础上，采用三维时空一体化模型，实现了高速公路交通污染排放的 时间和空间的一体化表达，并进一步挖掘机动车污染排放的全局和局部时空模 式。论文以京津冀作为研究区域，结果表明，白天时段的排放强度最大值（11 点）是夜晚时段最小值（24 点）的 5.4 倍。经统计，京津冀 99.98%的高速公路 路段 PM2.5排放通过了显著性检验，表现为冷点或者热点趋势，研究结果可以辅助识别新增与持续的机动车污染排放时空热点区域，为制定因地制宜的机动车 污染排放控制措施提供科学依据。 （3）现有交通污染排放研究忽视道路交通数据与大气污染物浓度的时空依 赖特征，使得道路交通排放空气污染物浓度难以准确量化。针对这一问题，论 文提出了一种考虑时间和空间依赖特征的交通与 PM2.5浓度映射关系的挖掘方法， 基于时空随机森林方法建立了交通流量、交通排放、气象与 PM2.5浓度的非线性 关系，并采用可解释的机器学习方法解析影响大气污染物浓度变化的重要驱动 因素与作用矢量，进一步厘清不同车型交通活动与交通排放共同变化对大气污 染物浓度的定量化影响。结果表明，考虑时空依赖特征能使得模型的 R 2 提高了 3.4%-5.2%，RMSE 降低了 6%-10.3%，MAE 降低了 5.3-5.6%。气象是影响 PM2.5 浓度变化的重要因素。在交通相关变量中，重载货车的排放是影响大气污染物 浓度的重要变量，且重载货车排放的时间和空间依赖特征对于 PM2.5浓度变化发 挥着重要作用。未来区域实施交通排放控制和管理时，需加强重载货车监管以 及区域协同一体化的联防联控治理。 （4）现有道路交通污染排放的健康影响评估研究主要以粗粒度的排放数据 作为扩散模型的输入，导致无法准确捕获污染物浓度的时空变异性，增加了健 康影响结果评估的不确定性。针对这一问题，论文耦合政策情景分析、时空一 体化模式挖掘、流行病学模型与经济损失模型，厘清机动车排放 PM2.5导致的短 期和长期的公众健康影响及其相关的损失，并解析了不同交通管理控制的健康 和经济效益。结果表明，人群暴露风险随年龄增长呈现先升后降的趋势，男性 人均暴露剂量和女性人均暴露剂量分别在 20-44 岁年龄组与 45-59 年龄组达到峰 值，最大值是最小值的近 4 倍，男性的人均暴露剂量显著高于女性。人群暴露 的健康影响及经济损失结果表明，60 岁以上的老年人群的健康经济损失占总人 口经济损失的 58.99%。不同时空模式的健康结果表明，高高聚类时空模式的健 康影响和经济损失占比较高，均在 85%以上。交通控制措施情景模拟结果表明， 重型柴油车燃油标准提升为国 6 和排放标准更新为国 5 的综合场景可实现最大 的效益。 |
| 学科主题 | 地理学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 140 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209378]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张贝贝. 城际道路交通排放 PM2.5精细尺度计算与公众健康影响研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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