注：本文是基于以筆者為第一作者的文章《Identify the contribution of elevated industrial plume to ground air quality by optical and machine learning methods》所做辜膝。該英文文章于2020年1月被英國物理學會期刊《Enviromental Research Communication》接收允乐，但是本文并不是該文章的簡單復述长捧，補充了筆者的一些做研究的感悟。

? 原始和現(xiàn)代的平衡點到底在哪？當你經(jīng)過一個工廠時，尤其是鋼鐵工廠疚宇，濃煙滾滾的煙囪時常會讓你本能的感到恐懼。這種感覺出于生物進化的本能丑勤，幾百萬年以來，當遮天蔽日的濃煙彌漫時吧趣，通常是火山爆發(fā)法竞，一個種群可能會在頃刻間滅絕。

高架煙羽

? 但是强挫，在我們看來岔霸，上圖這種情況反而是不用擔心的。出現(xiàn)非常長的條形煙羽俯渤，且末端在云內(nèi)展開的呆细，像個蒼蠅拍一樣，這種氣象條件為中性大氣(無逆溫層結(jié))+云內(nèi)清除八匠。所謂中性大氣絮爷，通俗易懂的講就是高架煙囪排放出來的污染物诡曙，在垂直方向上的擴散速度較慢，但在水平方向傳播速度較快略水。換而言之，這種情況下煙羽向高空其他地方跑劝萤，禍水東引渊涝，吹向海洋(如下圖)，而不向地面擴散床嫌，適合污染物的消散跨释。所以生活在地面上的人類不必擔心。然而厌处，學過高中物理學的人都知道鳖谈，物質(zhì)和能量是守恒的。污染物不會跑向太空阔涉，它們?nèi)匀淮嬖谟谑篱g缆娃。污染物首先在云或者煙羽內(nèi)清除，簡單講就是是水滴碰撞瑰排、吞并了直徑較小的工業(yè)排放的污染物贯要，就像巨型的白細胞吞并細菌一樣，然后通過降雨過程返回到大地中椭住，最終的效果是把懸浮的崇渗、容易被吸入人體的空氣污染物三拳兩腳摁死在地面上。

煙羽的傳輸

? “菩薩畏因京郑，凡夫畏果”宅广。僅僅是通過觀察性實驗來對排放源定罪量刑是非常困難的，因為因果關(guān)系的確定需要十分嚴謹?shù)耐评碜C明些举。在沒有數(shù)據(jù)前跟狱，不了解背景條件，應該使用演繹推理金拒，也就是根據(jù)假設(shè)和既有規(guī)則推導出初步結(jié)論兽肤。我們知道，空氣中的污染物主要集中在2000米高度以下绪抛，但是在垂直方向上资铡，具體的污染空氣和清潔空氣之間的邊界是變化的，這個不斷變化的邊界稱之為大氣邊界層幢码。假設(shè)日照市為典型的海陸大氣邊界層笤休，根據(jù)第二代空氣質(zhì)量模式ROM對大氣的分層，可分為：

• 近地面層 (0-100 m), 含建筑物症副，受地表摩擦力影響店雅，風速隨著高度呈現(xiàn)對數(shù)分布而增加政基。
• 海洋層 (100-500 m)，受海陸風環(huán)流的影響闹啦。
• 混合層(500-2000 m)沮明，污染物混合均勻。
• 逆溫層(2000-3000 m)窍奋，污染物向上擴散受阻荐健，通常是下沉逆溫。

典型的海陸大氣邊界層琳袄，筆者繪圖江场。

? 邊界層和混合層雖然不是同義詞，但是具有旺盛對流的邊界層窖逗，空氣向上劇烈混合址否，常形成混合層。需要注意的是碎紊，雖然日照市等沿海地區(qū)屬于海霧多發(fā)區(qū)佑附，海陸風環(huán)流特征明顯，但是一般來講矮慕，中緯度地區(qū)海陸風環(huán)流特征只在夏季較為突出帮匾。且海陸風環(huán)流較弱，風力較小痴鳄，常被大尺度的環(huán)流如南下的東北冷渦和北上的東南/西南暖濕氣流掩蓋掉瘟斜。故海洋層有時不明顯。

? 當具備一定的背景資料時痪寻，應當使用歸納推理螺句，總結(jié)初步的規(guī)律。當混合層的高度高于受地表摩擦影響的邊界層高度時橡类，湍流邊界層內(nèi)的空氣團全部混合均勻蛇尚。此時假設(shè)地面排放的污染物質(zhì)量不變，由密度和體積的關(guān)系可知顾画，邊界層高度的減小會伴隨著空氣污染物濃度的累積取劫，地面PM_2.5濃度會線性升高。如下圖研侣，橫坐標為邊界層高度BLH谱邪，縱坐標為顆粒物濃度，可以看到庶诡，當邊界層高度低于500米高度時惦银，PM_2.5濃度開始線性增加。歸納2013-2019年日照地區(qū)的邊界層高度，如下圖扯俱，橫坐標為邊界層高度BLH书蚪，縱坐標為顆粒物濃度，可以看到迅栅，當邊界層高度低于500米高度時殊校，PM_2.5濃度開始線性增加。故日照市冬季的混合層的高度在500米左右读存，這基本符合我們的前提假設(shè)箩艺。

日照市2013-2019年邊界層高度BLH與地面PM2.5濃度關(guān)系，月均值宪萄。

注：氣象因子的月平均值一般過濾掉了短波和長波，只保留了行星波的大尺度環(huán)流特征榨惰。

? 為了進一步得出歸納的初步結(jié)論拜英，我們對2013-2019年日照市PM_2.5濃度和臭氧O₃濃度進行概率分布統(tǒng)計。從下圖可以看出琅催，PM_2.5濃度是典型的單峰高斯正態(tài)分布居凶，但是存在高值長尾現(xiàn)象，而臭氧濃度卻是非正態(tài)的雙峰分布藤抡。臭氧雙峰分布說明近地面臭氧的部分生成過程和光化學反應無關(guān)侠碧，而是存在高空向下輸送，主要在發(fā)生正午12點之前缠黍。細顆粒物濃度來源主要是線性的近地面累積弄兜，如前所述，但也存在非線性的爆發(fā)式增長瓷式。詳情請見筆者前述文章：http://www.reibang.com/p/19085537b21e替饿。

日照市2013-2019年地面PM2.5濃度和臭氧濃度概率分布

? 中國的工業(yè)煙囪高度一般大于200米，所以加上煙羽本身的長度贸典，足以沖破混合層视卢，向外層的大氣擴散均勻。但是煙羽本身的形狀是多變的廊驼，和高空復雜的氣象條件有關(guān)据过。甚至由于局地小尺度湍流渦旋的存在，相鄰的兩個煙囪排放出來的煙羽長度不一致妒挎。我們對各種高架源煙羽的形態(tài)進行了歸納绳锅，發(fā)現(xiàn)了以下情況是清潔天氣：一個是水平風速較小，但垂直湍流交換較強饥漫，如下圖第一張榨呆；另一個是中性大氣，水平風速較大，但是垂向交換較弱积蜻，如下圖第二張闯割。

典型清潔天氣

? 經(jīng)過初步的演繹和歸納。我們最終決定竿拆，采用圖像法來推斷高架源工業(yè)煙羽對地面空氣污染的關(guān)系宙拉。當排放源較強時，則空氣污染物濃度對氣象因子敏感丙笋，亦即稀缺因子控制谢澈。海陸邊界層氣象因子復雜，精確的觀測高空的氣象條件非常困難御板，耗時耗力锥忿，而煙羽輪廓是良好的氣象指示物。

? 為了捕捉到高空復雜的氣象條件變化怠肋，我們采用定時自動攝像機靠益，每隔半個小時拍攝一次照片奈虾。而由上文可知施逾，煙羽的輪廓能反應復雜的氣象變化邦鲫，我們就把煙羽輪廓作為氣象條件的指示物。由于低云的存在杈抢，機器自動識別圖像中的煙羽輪廓的效果不理想数尿，需要圖像增強和人工標注。圖像增強使用了不世出的AI天才何凱明研發(fā)的去霧算法惶楼。煙羽形狀瞬息多變右蹦，故采用煙羽輪廓的多邊形長度(Polygon Length)，亦即對角線長度來描述其輪廓特征歼捐。需要特別注意的是嫩实，實際大氣顆粒物的擴散范圍可能遠遠超過其可視輪廓，這是因為肉眼看到的煙羽輪廓主要是因為水汽的凝結(jié)窥岩。

代表性攝像圖片中的煙羽多邊形長度和地面PM2.5濃度的關(guān)系

? 控制煙羽長度的因子非常復雜甲献，如風速、風向颂翼、濕度晃洒、云霧等。由下圖可以看出朦乏，地面顆粒物濃度與煙羽輪廓長度存在負相關(guān)球及，但是非線性的。天氣系統(tǒng)是典型的混沌系統(tǒng)呻疹，而復雜系統(tǒng)中非線性特征只有在滿足一定條件時才會出現(xiàn)吃引。所以，我們推測：地面顆粒物濃度和煙羽輪廓之間的關(guān)系應該可分類。

2019年3月山鋼站點地面PM2.5濃度和煙羽輪廓長度镊尺、風速風向朦佩、能見度的關(guān)系

? 我們使用了邏輯回歸模型(Logistic Function)，對地面顆粒物濃度和煙羽輪廓的多邊形長度進行擬合庐氮。雖然邏輯回歸雖然名字叫是回歸模型语稠，但卻是二分類算法。如下圖所示弄砍，其中仙畦，煙囪的高度(H)是在圖像中標注，計算可知 H=385 (像素點)音婶。煙囪高度根據(jù)國家標準是200米慨畸。以2倍煙囪高度為臨界點，可以看出衣式，當煙羽輪廓的多邊形長度大于2倍煙囪高度先口，地面顆粒物濃度才會受擴散條件影響。當煙羽長度小于2倍煙囪高度瞳收，擴散對局地的顆粒物的清除效果不明顯。

2019年3月山鋼站點地面PM2.5濃度和煙羽輪廓長度的關(guān)系

? 我們得到一個地面顆粒物濃度y和煙羽長度x的公式：

公式.png

? 當煙羽長度小于400米時厢汹，可以看出上述公式并不能很好的描述其與PM_2.5之間的關(guān)系螟深。所以我們把不同高度的氣象因子也考慮進去，使用決策樹模型烫葬，進行擬合界弧。下圖是2019年3月山鋼站點地面PM_2.5濃度的決策樹模型〈钭郏可以看出垢箕，對流層頂(850 hPa約1500米高度)的緯向風(U_850)和煙羽長度(PL)是這顆決策樹中統(tǒng)計學上的決定性因子。

2019年3月山鋼站點地面PM2.5濃度的決策樹模型兑巾。

注：大氣環(huán)流的平均運動方向是準緯向的(U分量)条获，亦即可以看成東西方向的平均氣流加上擾動項。

? 即使這顆決策樹只有6層蒋歌，陳述和解釋起來還是比較繁瑣冗長的帅掘。但其實我們只需關(guān)心決策樹的兩個主干，亦即地面PM_2.5濃度最高時和最低時的決策樹枝即可堂油。上圖中的紅圈區(qū)域是PM_2.5濃度最高時的決策樹枝：U_850 < -5.4 m/s→ PL < 509 pixels → PM_2.5 > 176 μg/m³修档；藍圈區(qū)域是PM_2.5濃度最低時的決策樹枝：U_850 > -5.4 m/s → PL >796 pixels →PM_2.5 < 67 μg/m³「颍可以推測出吱窝，當1500米高度以上自由大氣向岸風大于5 m/s(通常為大尺度的東南暖濕氣流)，而煙羽較短(300-500米高度)，水平和垂向擴散均較弱院峡，地面顆粒物累積兴使，易發(fā)生地面的PM_2.5重污染。

?除了顆粒物的質(zhì)量濃度重要以外撕予，顆粒物的數(shù)濃度也是對人體健康影響較大的因子鲫惶。由球形粒子的質(zhì)量公式 m=ρV= 4ρR³ /3，可知：PM_2.5实抡，亦即2500 納米以下的顆粒物的質(zhì)量欠母，是50納米顆粒物的一萬倍以上。500納米以下的顆粒物約占80%的顆粒物總數(shù)量吆寨，能穿透肺泡膜赏淌；而微米級別顆粒物約占90%的質(zhì)量。

? 我們在日照市郊區(qū)農(nóng)村進行了顆粒物的數(shù)濃度觀測啄清。田野空氣最清潔的時候顆粒物濃度只有不到3000 個/cm³ 六水。然而在有些時候顆粒物濃度大于10000個/cm³ 。顆粒物數(shù)量最多的時候辣卒，反而是看起來晴好的藍天掷贾。大量新的納米級別的顆粒物生成并增大，但是PM_2.5濃度卻無明顯變化荣茫。

? 而在城市道路邊上想帅，受機動車交通影響，顆粒物濃度可達60000個/cm³ 啡莉，是農(nóng)村最臟時候的6倍港准。但是，城市上空咧欣，超過300米高度的工業(yè)煙羽中浅缸，顆粒物濃度只有不到3000個/cm³，與潔凈時農(nóng)村戶外空氣相當魄咕。至于室內(nèi)空氣衩椒，在十幾平米有人的辦公室內(nèi)約在7000 個/cm³，因人的數(shù)量而異哮兰。當你看到手機預警烟具，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI破百的時候，大氣顆粒物濃度雖然高奠蹬，但是基本上是大的顆粒朝聋，每立方厘米中只有幾千個。當看到清潔的藍天時囤躁，顆粒物濃度可能達到每立方厘米上萬個冀痕。

日照市野外觀測荔睹，清潔時和污染時儀器測量顆粒物濃度對比。

日照市野外觀測言蛇，燃燒源和新的粒子形成僻他。

? 之所以無法保留原始的田野，只是因為我們還不夠現(xiàn)代腊尚。工業(yè)的粗糙吨拗，必然會讓我們既丟失田野，也丟失現(xiàn)代婿斥。觀察性科學實驗應該逐步由城市向田野轉(zhuǎn)移劝篷，由中心向邊緣探出觸手。