利用混合深度学习方法对沿海城市的水位进行预测

《Science of The Total Environment》：Water level forecasting in coastal cities using a hybrid deep learning approach

城市树木的空气污染净影响及替代策略研究。利用文献参数化和洛杉矶现有树种分布数据，模拟城市森林对PM2.5和臭氧的排放与吸附作用。发现高挥发性有机物（VOCs）树种如甜胶树显著加剧污染，通过逐步替换为低/非VOC树种，预计40年可实现净空气污染吸收。

　　在当今全球城市化进程迅速和气候变化加剧的背景下，城市树木对公共卫生价值的体现愈发显著。树木不仅能够提供阴凉，还能吸收二氧化碳，并通过沉积作用去除空气中的污染物。然而，某些树木会释放挥发性有机化合物（VOCs），这些化合物可能与氧化剂如氮氧化物（NOx）反应，生成细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）。由于不同树种在VOCs排放量和组成上存在显著差异，而树木的污染物去除能力也取决于其物理特征，因此，要准确评估树木对空气质量的净影响，必须基于树种进行具体分析。

以往的研究已经尝试量化不同树种在单棵树层面的空气质量影响，而本文则在此基础上，进一步探讨整个城市森林的综合影响。我们以美国洛杉矶（LA）为例，利用文献中已有的参数化模型，对树木的功能进行建模。我们借助最新的调查数据，了解LA当前树种的分布情况，并据此估算树木在城市尺度上对PM2.5和O3的生成与去除速率。随后，我们探讨了一种理论性的植树方案，即如何通过逐步替换高VOCs排放树种为非排放树种，使整个城市森林的空气质量影响由净源变为净汇。结果显示，实现这一转变大约需要40年的时间。

树木在城市环境中通常被视为促进环境健康的积极因素，但越来越多的研究表明，某些城市树木也可能对空气质量产生负面影响。VOCs的排放量受植被类型和环境温度的影响较大，因此，在未来更温暖的气候条件下，其对大气污染物浓度的贡献可能会增加。特别是在城市区域，由于人类活动导致NOx浓度升高，加上城市热岛效应使温度上升，VOCs的排放可能进一步加剧大气污染问题。以洛杉矶为例，该城市拥有温暖的气候和高密度的城市森林，树木的排放可能在夏季对空气质量产生显著影响。

尽管如此，城市树木仍然在社区和生态系统中发挥着重要的作用。它们可以提供遮荫，吸收二氧化碳，并通过沉积作用被动去除有毒气体和气溶胶。这些功能在南方加利福尼亚地区的价值已经被多项研究证实。因此，尽管树木可能在某些情况下加剧污染物的形成，但它们仍然为城市环境带来了诸多公共健康益处，包括社会和心理层面的正面影响。基于这些考虑，我们仍需继续探索最佳实践，以指导未来的城市绿化计划。

选择合适的树种进行种植是城市绿化计划中的关键因素之一。不同树种在VOCs的排放组成和数量上存在巨大差异，有些树种甚至根本不排放VOCs。因此，在城市空气质量规划中，优先考虑低VOCs排放的树种有助于减少空气污染。然而，目前对于许多常见树种的VOCs排放速率估计仍然不足，这使得相关研究的开展受到一定限制。一些研究因此采取了定性的方法，将树种分为高排放和低排放/非排放两类。然而，这种分类方法在实际应用中存在一定的局限性，因为它无法提供具体的排放数据，从而影响对空气质量影响的精确评估。

在对已知VOCs排放率的城市树种进行定量评估时，文献中仍然存在一些关键的知识空白。虽然实验室控制条件下的研究表明，树叶对污染物有显著的沉积作用，但将这一过程推广到实际城市环境中的研究结果却并不一致，且难以进行大规模的推广。树木与空气污染物的相互作用不仅包括直接的拦截和沉积，还涉及通过扩散调节污染物的传输。在城市环境中，建筑环境与植被之间的相互作用对空气流动有重要影响，树木有时甚至会成为污染物扩散的屏障，阻碍其消散。这些复杂的影响使得在评估植被对空气污染物浓度变化的贡献时，很难将变化单纯归因于沉积作用，而需要综合考虑气象和空气动力学过程。

此外，由于沉积速率与环境中的污染物浓度相关，树木在不同环境中的作用可能有所不同。例如，Datta等人（2021）的一项研究显示，在非常污染的区域，某些树种可能成为PM2.5的净汇，而在空气相对清洁的环境中，它们则可能成为净源。类似地，Manzini等人（2023）的研究发现，在三个不同气象和污染条件的城市区域中，某些树种的臭氧生成量远高于其吸收量。这表明，大气氧化剂的浓度在不同城市之间存在差异，进而影响污染物的生成速率。因此，对于特定城市或地区而言，了解树种在不同环境中的表现至关重要。

本文的研究旨在通过分析城市森林的整体影响，为城市空气质量建模提供一个更全面的框架。我们以洛杉矶作为研究对象，因其庞大的人口、丰富且分类清晰的城市森林以及温暖的气候，使得该城市成为研究城市绿化对空气质量影响的理想案例。通过分析当前洛杉矶树木的人口结构，我们首先估算了树木对PM2.5和O3的净影响。随后，我们利用另一项关于树木死亡率的最新研究，推测未来几十年内树种分布可能的变化趋势。最后，我们计算了通过系统替换高VOCs排放树种为非排放树种，可能在空气质量方面带来的理论性益处。我们的主要目标是建立一个可以被未来研究进一步完善和扩展的模型框架，以更好地理解和预测城市森林对空气质量的综合影响。

在具体研究过程中，我们首先查阅了洛杉矶的树种数据，这些数据来源于由加州大学圣路易斯奥比斯波分校（California Polytechnic State University, San Luis Obispo）管理的加州城市森林库存（CUFI）。CUFI是一个包含超过700万棵树记录的数据库，通过整合加州各地的树木库存信息而建立。该数据库主要涵盖了街道树木和公园中种植的树木。值得注意的是，CUFI的数据虽然提供了丰富的树种信息，但其数据范围和精度仍需进一步完善，以便更准确地反映城市森林的真实情况。

我们随后对这些树种进行了分类，以评估它们在VOCs排放和污染物去除方面的表现。在研究过程中，我们发现大多数树种的PM2.5生成速率接近于零，只有少数树种的生成速率在0到0.5克/树/天之间，而其中的显著例外是“甜胶树”（Liquidambar styraciflua），其PM2.5生成速率超过了2克/树/天。这一结果表明，尽管大多数树种对PM2.5的生成贡献较小，但某些特定树种可能会对空气质量产生较大的负面影响。类似的情况也出现在臭氧（O3）的生成和去除过程中，大多数树种的O3生成速率接近于零，而少数树种则表现出较高的生成速率。

为了更全面地评估树种对空气质量的影响，我们不仅考虑了单棵树的排放和去除能力，还探讨了整个城市森林的综合效应。在这一过程中，我们利用最新的调查数据，分析了洛杉矶当前树种的分布情况，并据此估算树木在城市尺度上对PM2.5和O3的生成与去除速率。我们还参考了另一项关于洛杉矶树木死亡率的研究，推测未来几十年内树种分布可能的变化趋势。通过这些分析，我们希望能够为未来的城市绿化计划提供科学依据，并为政策制定者和城市规划者提供有价值的参考信息。

此外，我们还探讨了通过系统替换高VOCs排放树种为非排放树种，可能在空气质量方面带来的理论性益处。我们假设，随着高排放树种逐渐老化并被替换，城市森林的整体空气质量影响可能会发生转变。然而，这一过程需要较长的时间，大约需要40年才能实现从净源到净汇的转变。这表明，尽管城市绿化计划对改善空气质量具有积极作用，但其效果可能不会立竿见影，需要长期的规划和实施。

在本文的研究中，我们还对一些关键假设进行了说明。例如，我们假设所有树木的排放和去除能力在城市尺度上是均匀分布的，且不考虑树木之间的相互作用。尽管这些假设在一定程度上简化了模型，但它们仍然能够为研究提供一个合理的起点。我们还假设，随着高VOCs排放树种的自然老化，它们会被替换为低排放或非排放树种，这一过程可能受到多种因素的影响，包括城市规划、绿化政策以及公众参与等。因此，在未来的研究中，需要进一步探讨这些因素如何影响树种替换的效率和效果。

总的来说，本文的研究揭示了城市树木在空气质量方面的双重作用。一方面，它们能够通过吸收二氧化碳和去除空气污染物来改善环境质量；另一方面，某些树种的VOCs排放可能会加剧臭氧和细颗粒物的形成。因此，在制定城市绿化计划时，需要综合考虑这些因素，以确保树木种植既能发挥其生态和社会效益，又不会对空气质量造成负面影响。我们希望，通过本文的研究，能够为未来的城市空气质量建模和规划提供一个更全面的框架，并为相关领域的研究者和政策制定者提供有价值的参考信息。