基于随机森林模型的气象归一化方法评估墨西哥湾港口船舶排放对空气质量的影响

《Marine Pollution Bulletin》：Random Forest approach to air quality assessment for port emissions in a coastal area in the Gulf of Mexico

本研究针对墨西哥韦拉克鲁斯港船舶排放对空气质量的影响问题，采用随机森林(Random Forest)模型进行气象归一化分析。研究人员通过处理2017-2020年SO2、PM10和PM2.5监测数据，结合CALPUFF扩散模型验证，发现温度、风速风向和湿度是影响污染物浓度的关键气象因素。研究证实该港口燃料硫含量符合墨西哥NOM-016-CRE-2016标准(0.05%硫)，为港口空气质量管理和政策制定提供了科学依据。

　　

在全球化贸易蓬勃发展的今天，港口作为海上运输的重要枢纽，其环境问题日益受到关注。墨西哥韦拉克鲁斯港作为该国重要的海运门户，面临着船舶排放带来的空气质量挑战。尽管国际海事组织(IMO)通过MARPOL公约附则VI对船舶燃料硫含量实施了严格限制，但在实际执行过程中，由于缺乏有效的监测手段和准确的排放数据，港口区域的空气质量影响评估仍然存在诸多困难。

为了解决这一问题，由Rafael Esteban Antonio Durán领导的研究团队在《Marine Pollution Bulletin》上发表了一项创新性研究。该研究首次将随机森林(Random Forest)机器学习技术与CALPUFF大气扩散模型相结合，系统评估了韦拉克鲁斯港船舶排放对当地空气质量的影响。研究团队利用港口特有的空气质量监测站（距离主要排放源仅1公里）获取的高分辨率数据，为港口环境管理提供了新的技术路径。

研究方法主要包含三个关键技术环节：首先，利用rmweather软件包进行气象归一化处理，通过300棵决策树和1000次预测的随机森林模型配置，有效分离气象因素对污染物浓度的影响；其次，采用自下而上(bottom-up)的排放清单方法，基于船舶总吨位和发动机功率估算SO₂、PM₁₀和PM_2.5排放量；最后，运用WRF/CALPUFF模型系统进行污染物扩散模拟，验证不同硫含量情景（3.5%、0.5%和0.05%）下的浓度分布。

空气质量和气象监测结果显示，韦拉克鲁斯港的污染物浓度呈现明显的季节性变化。根据Guerra-Santos和Kahl提出的季节分类，该地区分为旱季（2-4月）、过渡期（5月）、雨季（6-9月）和"Nortes"季（10月至次年3月）。监测数据显示，SO₂浓度在"Nortes"季最高，雨季最低，而颗粒物浓度在特定气象条件下会超过墨西哥标准NOM-025-SSA1-2021规定的限值（70μg/m³）。

随机森林模型的气象归一化性能评估表明，该模型对SO₂的预测表现出较好的准确性（R²=0.63），对PM₁₀的预测能力中等（R²=0.56）。通过变量重要性分析发现，温度是影响SO₂浓度的最关键因素，而风速对PM₁₀浓度的影响最为显著。当风速超过15m/s时，PM₁₀浓度往往超过100μg/m³，这与港口扩建工程产生的扬尘密切相关。

排放清单分析显示，集装箱船（32.2%）和散货船（20.8%）是港口船舶活动的主要类型，其中集装箱船和散货船分别贡献了31.3%和29.8%的SO₂排放。空间分布上，南部海湾集中了76.9%的排放活动，这与港口的基础设施布局和地理特征相符。值得注意的是，排放估算表明，2020年后SO₂排放量从之前的2-18Mg/天降至4Mg/天以下，体现了硫含量限制政策的积极效果。

CALPUFF扩散模拟结果提供了更具说服力的证据。通过比较不同硫含量情景下的模拟浓度与实测数据，研究发现3.5%硫含量的情景会高估SO₂浓度，而0.5%和0.05%硫含量的情景则低估了浓度。特别值得注意的是，0.05%硫含量的情景（符合墨西哥NOM-016-CRE-2016标准）与监测数据最为吻合，这表明韦拉克鲁斯港实际上已经在执行严格的燃料硫含量标准。

研究讨论部分强调了随机森林模型在港口空气质量评估中的独特价值。与欧洲港口的研究相比，韦拉克鲁斯港的案例显示，尽管国际法规已经实施，但当地的特殊因素（如燃料存储习惯、监管执行情况）会对政策效果产生重要影响。气象归一化技术的应用成功揭示了隐藏在气象变异背后的真实排放趋势，为环境政策评估提供了可靠工具。

该研究的结论具有重要的实践意义。首先，它证实了墨西哥NOM-016-CRE-2016标准在韦拉克鲁斯港的有效实施，为其他发展中国家港口的环境管理提供了参考范例。其次，研究方法创新性地结合了机器学习与大气扩散模型，为港口空气质量评估建立了可推广的技术框架。最后，研究结果强调了持续监测和全面排放清单编制的重要性，只有综合考虑所有潜在排放源（包括陆地车辆、铁路和港口设备），才能准确评估港口活动的真实环境影响。

这项研究不仅为韦拉克鲁斯港的空气质量管理提供了科学依据，更重要的是展示了一种综合运用先进技术解决复杂环境问题的方法论。随着全球航运业的持续发展，这种基于数据驱动和模型验证的研究思路，将为港口城市的可持续发展提供重要技术支持，在经济增长与环境保护之间寻找最佳平衡点。