Atmospheric nitrogen oxides (NOx) primarily from fuel combustion have recognized acute and chronic health and environmental effects. Machine learning (ML) methods have significantly enhanced our capacity to predict NOx concentrations at ground-level with high spatiotemporal resolution but may suffer from high estimation bias since they lack physical and chemical knowledge about air pollution dynamics. Chemical transport models (CTMs) leverage this knowledge; however, accurate predictions of ground-level concentrations typically necessitate extensive post-calibration. Here, we present a physics-informed deep learning framework that encodes advection-diffusion mechanisms and fluid dynamics constraints to jointly predict NO2 and NOx and reduce ML model bias by 21-42%. Our approach captures fine-scale transport of NO2 and NOx, generates robust spatial extrapolation, and provides explicit uncertainty estimation. The framework fuses knowledge-driven physicochemical principles of CTMs with the predictive power of ML for air quality exposure, health, and policy applications. Our approach offers significant improvements over purely data-driven ML methods and has unprecedented bias reduction in joint NO2 and NOx prediction.


翻译:大气氮氧化物(NOx)主要来源于燃料燃烧,已被公认对健康和环境具有急性和慢性影响。机器学习方法显著提升了我们以高时空分辨率预测地面NOx浓度的能力,但由于缺乏空气污染动态的物理和化学知识,可能面临较高的估计偏差。化学传输模型利用这些知识,然而要准确预测地面浓度通常需要进行广泛的后校准。本文提出了一种物理信息深度学习框架,该框架编码了对流-扩散机制和流体动力学约束,以联合预测NO2和NOx,并将机器学习模型偏差降低21-42%。我们的方法捕捉了NO2和NOx的精细尺度输运,生成了稳健的空间外推,并提供了明确的误差估计。该框架融合了化学传输模型的物理化学原理驱动力与机器学习的预测能力,适用于空气质量暴露、健康和政策应用。与纯数据驱动的机器学习方法相比,我们的方法在联合预测NO2和NOx方面实现了显著改进和前所未有的偏差降低。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
5+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
6+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员