高时间分辨率的渗透与暴露因素建模揭示中国城市住宅空气污染暴露评估中存在显著的错误分类

《Journal of Building Engineering》：High-temporal-resolution Modeling of Infiltration and Exposure Factors Reveal Significant Misclassifications in Residential Air Pollution Exposure Assessments in Urban China

　　

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  开发了一个高时间分辨率框架，用于建模每小时的F_inf和F_exp
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  该框架整合了动态通风、开窗行为和居住占用状态
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  F_inf和F_exp在不同污染物和气候区域表现出显著的昼夜变化
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  简化方法显著高估了居住环境中的暴露水平
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  纳入动态F_inf和F_exp对于减少暴露误分类至关重要

引言

尽管过去二十年间空气质量有了显著改善，但环境空气污染仍是中国疾病负担和过早死亡的主要贡献因素。仅在2017年，估计约有0.85百万（95% UI：0.71–0.99）的死亡可归因于环境细颗粒物（空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物，PM_2.5）污染，另有0.18百万（95% UI：0.07–0.28）的死亡与环境臭氧（O₃）相关（Yin等，2020）。然而，大规模流行病学研究面临的一个基本挑战是普遍依赖环境污染物浓度作为个人暴露的直接替代指标（Brauer等，2016；Cohen等，2017；Hoek，2017；Rentschler和Leonova，2023）。这种简化方法未能考虑建成环境的至关重要的调节作用，而个人大部分时间都在其中度过（Klepeis等，2001），可能会高估暴露水平及相关健康效应（Chen等，2013；Yang和Zhao，2024）。两个关键参数决定了室内环境中个人对环境污染物的暴露：渗透因子（F_inf），它量化了室外来源污染物渗透并悬浮在室内的份额，以及暴露因子（F_exp），它表示个人暴露与相应室外浓度的比率，并进一步整合了人体居住占用模式。越来越多的证据表明，考虑这些参数对于减少可能偏倚健康风险评估并阻碍公共卫生干预措施制定的系统性暴露误分类至关重要（Che等，2018；Korhonen等，2024；Wood等，2025）。

目前已开发了各种实验、理论和数据驱动方法来估算F_inf和F_exp。例如，传统实验方法通常利用室内-室外硫比来近似PM_2.5的渗透（Liang等，2021）。随机分量叠加（RCS）方法通过将室内浓度与室外浓度进行回归来估算F_inf，同时排除受室内来源影响的时段（Lunderberg等，2023；Wallace等，2022）。此外，基于稳态质量守恒原理的理论模型已被广泛应用于估算不同空气污染物的F_inf和F_exp（Hu等，2020；Wang等，2024）。然而，许多现有研究假设渗透因子和暴露因子在较长时间内（如按季节或年度）保持恒定，忽视了它们固有的时间变异性，这种变异性源于动态通风率和居住者行为（Su等，2022；Zhou等，2022）。这种简化可能会在暴露评估中引入重大误分类。为解决这一问题，Xia等（2021）提出了一种递归算法，能够利用低成本传感器监测室内外污染物浓度和开窗行为，从而得出高时间分辨率的F_inf估计值。尽管该方法具有创新性，但它依赖高频监测数据，限制了其在全国范围应用中的可扩展性。因此，针对中国主要环境污染物动态渗透因子和暴露因子的综合空间-时间解析评估仍然缺乏。此外，依赖环境浓度作为替代指标或使用静态调整因子的简化暴露评估范式所导致的系统性暴露误分类程度仍缺乏充分量化。

为弥补这一差距，我们对五种主要环境污染物进行了高时间分辨率的渗透和暴露动力学分析，包括空气动力学直径小于2.5 μm和10 μm的颗粒物（分别为PM_2.5和PM₁₀）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）和O₃，覆盖了中国五个代表性气候区域。选择这些污染物是因为它们受中国《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）（环境保护部，2012）监管，拥有全国范围的小时监测数据，且具有相对明确表征的渗透和室内损失参数，可用于渗透建模。所选择的污染物还包括具有不同渗透和室内去除机制的颗粒物和气体物质。本研究聚焦于居住环境，个人在此度过最大比例的时间（Chen等，2011）。研究旨在通过渗透因子和暴露因子分析个人对室外来源空气污染的暴露，因此排除了室内来源的空气污染物。该评估整合了污染物特定性质、区域气候条件、居住建筑类型和居住者行为，以估算全年每小时的F_inf和F_exp。这些高时间分辨率的估计值使得能够详细描述污染物渗透和人体暴露的昼夜、季节和空间模式。同时，本研究通过将高时间分辨率暴露曲线与简化粗尺度方法进行比较，量化了暴露误分类的程度。这一比较分析阐明了传统评估方法固有的系统性偏倚，从而为动态建模在稳健健康风险评估中的必要性提供了关键见解。

章节摘要

材料与方法

为全面表征中国居住环境污染物渗透和人口暴露的空间-时间异质性，我们开发了一个高时间分辨率建模框架。该框架模拟五种主要环境污染物（PM_2.5、PM₁₀、O₃、NO₂和SO₂）每小时的渗透因子（F_inf）和暴露因子（F_exp）。研究涵盖国家气候分区标准定义的五个不同气候区域：严寒（SC）、寒冷（C）、炎热夏季

渗透率的每小时分布和昼夜模式

每小时F_inf的统计摘要见《支持信息》表S5。利用均值及第5至95百分位数来表征各分布，全国范围每小时F_inf值为：PM_2.5为0.54（0.11–0.95），PM₁₀为0.25（0.01–0.75），SO₂为0.31（0.03–0.88），NO₂为0.39（0.06–0.85），O₃为0.25（0.02–0.71）。在空间上，对于每种污染物，每小时F_inf在HSWW区域最高，其次是M区域、C区域、HSCW区域

模型验证

验证过程旨在从三个维度严格评估物理建模框架的稳健性和输出的合理性：(1)渗透因子和暴露因子控制方程的理论有效性，(2)与文献报告渗透水平的定量一致性，以及(3)时间暴露趋势的定性一致性。在理论维度方面，用于描述的稳态质量平衡方程

结论

本研究开发了一个全国规模框架，用于量化中国五个气候区域主要环境污染物的高时间分辨率渗透因子和暴露因子。通过明确整合动态建筑通风、开窗行为和居住占用状态，该框架将暴露评估推向了超越基于环境浓度的替代指标和长期平均调整因子的新阶段。它使得能够表征

CRediT作者贡献声明

Shanshan Shi：撰写——审查与编辑，撰写——原稿，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。Shuwen Ding：撰写——原稿，可视化，验证，软件，方法学，数据整理。Chen Chen：撰写——审查与编辑，方法学。Jianping Cao：撰写——审查与编辑，资金获取。Mingyao Yao：撰写——审查与编辑，方法学

未引用参考文献

Han等，2025；SAC，2022；Zhang等，2019；Zhou等，2018。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金重点项目（编号42477443）、广东省环境污染防治与修复技术重点实验室研究基金（2023B1212060016）以及天津市科技计划项目（编号23JCQNJC01760）资助。

Shuwen Ding|Shanshan Shi|Jianping Cao|Chen Chen|Mingyao Yao