Europe-wide air pollution modeling from 2000 to 2019 using geographically weighted regression

地理加权回归模型 环境科学 线性回归 回归分析 空气污染 回归 化学输运模型 空间变异性 统计 污染 气象学 大气科学 地理 空气质量指数 数学 生态学 地质学 生物
作者
Youchen Shen,Kees de Hoogh,Oliver Schmitz,Nicholas Clinton,Karin Tuxen-Bettman,Jørgen Brandt,Jesper H. Christensen,Lise M. Frohn,Camilla Geels,Derek Karssenberg,Roel Vermeulen,Gerard Hoek
出处
期刊:Environment International [Elsevier]
卷期号:168: 107485-107485 被引量:44
标识
DOI:10.1016/j.envint.2022.107485
摘要

Previous European land-use regression (LUR) models assumed fixed linear relationships between air pollution concentrations and predictors such as traffic and land use. We evaluated whether including spatially-varying relationships could improve European LUR models by using geographically weighted regression (GWR) and random forest (RF). We built separate LUR models for each year from 2000 to 2019 for NO2, O3, PM2.5 and PM10 using annual average monitoring observations across Europe. Potential predictors included satellite retrievals, chemical transport model estimates and land-use variables. Supervised linear regression (SLR) was used to select predictors, and then GWR estimated the potentially spatially-varying coefficients. We developed multi-year models using geographically and temporally weighted regression (GTWR). Five-fold cross-validation per year showed that GWR and GTWR explained similar spatial variations in annual average concentrations (average R2 = NO2: 0.66; O3: 0.58; PM10: 0.62; PM2.5: 0.77), which are better than SLR (average R2 = NO2: 0.61; O3: 0.46; PM10: 0.51; PM2.5: 0.75) and RF (average R2 = NO2: 0.64; O3: 0.53; PM10: 0.56; PM2.5: 0.67). The GTWR predictions and a previously-used method of back-extrapolating 2010 model predictions using CTM were overall highly correlated (R2 > 0.8) for all pollutants. Including spatially-varying relationships using GWR modestly improved European air pollution annual LUR models, allowing time-varying exposure-health risk models.

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