論文の概要: Interpretable PM2.5 Forecasting for Urban Air Quality: A Comparative Study of Operational Time-Series Models

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.25495v1
• Date: Thu, 26 Mar 2026 14:35:43 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-27 20:52:48.33443
• Title: Interpretable PM2.5 Forecasting for Urban Air Quality: A Comparative Study of Operational Time-Series Models
• Title（参考訳）: 都市大気質予測のための解釈可能なPM2.5予測:運用時系列モデルの比較検討
• Authors: Moazzam Umer Gondal, Hamad ul Qudous, Asma Ahmad Farhan, Sultan Alamri,
• Abstract要約: 本研究は,中国北京市におけるPM2.5予測において,軽量かつ解釈可能な予測手法が競争力を発揮するかどうかを考察する。 SARIMAX、Facebook Prophet、Neural Prophetの3つの予測ファミリーが評価された。 その結果,予測精度と計算効率に差が認められた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.7985445077416795
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Accurate short-term air-quality forecasting is essential for public health protection and urban management, yet many recent forecasting frameworks rely on complex, data-intensive, and computationally demanding models. This study investigates whether lightweight and interpretable forecasting approaches can provide competitive performance for hourly PM2.5 prediction in Beijing, China. Using multi-year pollutant and meteorological time-series data, we developed a leakage-aware forecasting workflow that combined chronological data partitioning, preprocessing, feature selection, and exogenous-driver modeling under the Perfect Prognosis setting. Three forecasting families were evaluated: SARIMAX, Facebook Prophet, and NeuralProphet. To assess practical deployment behavior, the models were tested under two adaptive regimes: weekly walk-forward refitting and frozen forecasting with online residual correction. Results showed clear differences in both predictive accuracy and computational efficiency. Under walk-forward refitting, Facebook Prophet achieved the strongest completed performance, with an MAE of $37.61$ and an RMSE of $50.10$, while also requiring substantially less execution time than NeuralProphet. In the frozen-model regime, online residual correction improved Facebook Prophet and SARIMAX, with corrected SARIMAX yielding the lowest overall error (MAE $32.50$; RMSE $46.85$). NeuralProphet remained less accurate and less stable across both regimes, and residual correction did not improve its forecasts. Notably, corrected Facebook Prophet reached nearly the same error as its walk-forward counterpart while reducing runtime from $15$ min $21.91$ sec to $46.60$ sec. These findings show that lightweight additive forecasting strategies can remain highly competitive for urban air-quality prediction, offering a practical balance between accuracy, interpretability, ...
• Abstract（参考訳）: 正確な短期的な空気質予測は公衆衛生保護と都市管理に不可欠であるが、近年の予測フレームワークの多くは複雑でデータ集約的で計算に要求されるモデルに依存している。 本研究は,中国北京市におけるPM2.5予測において,軽量かつ解釈可能な予測手法が競争力を発揮するかどうかを考察する。 複数年にわたる汚染物質と気象時系列データを用いて,時系列データ分割,前処理,特徴選択,およびPerfect Prognosis 設定による外因性ドライバモデリングを組み合わせた漏出認識予測ワークフローを開発した。 SARIMAX、Facebook Prophet、Neural Prophetの3つの予測ファミリーが評価された。 実際の展開行動を評価するために, 週次歩行順応と, オンライン残差補正による凍結予測という2つの適応型体制の下で実験を行った。 その結果,予測精度と計算効率に差が認められた。 Facebook Prophetはウォークフォワードで37.61ドルのMAEと50.10ドルのRMSEを達成し、Neural Prophetよりも実行時間が大幅に短縮された。 凍結モデル体制下では、オンラインの残留補正によりFacebook ProphetとSARIMAXが改善され、SARIMAXは最も低いエラー(MAE$32.50$; RMSE$46.85$)となった。 ニューラルプロフェートは両方の政権で正確さが低く、安定したままであり、残留補正は予測を改善しなかった。 特に、修正されたFacebook Prophetはウォーキングフォワードとほぼ同じエラーに達し、ランタイムを15ドル分から21.91ドル秒から46.60ドル秒に下げた。 これらの結果から, 都市大気質予測において, 軽量な付加的予測戦略は高い競争力を維持し, 精度, 解釈可能性, 信頼性の両立を図っている。

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