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。該英文文章于2020年1月被英國物理學(xué)會期刊《Enviromental Research Communication》接收，但是本文并不是該文章的簡單復(fù)述，補(bǔ)充了筆者的一些做研究的感悟。

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

高架煙羽

? 但是，在我們看來，上圖這種情況反而是不用擔(dān)心的。出現(xiàn)非常長的條形煙羽，且末端在云內(nèi)展開的，像個(gè)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。所謂中性大氣，通俗易懂的講就是高架煙囪排放出來的污染物，在垂直方向上的擴(kuò)散速度較慢，但在水平方向傳播速度較快。換而言之，這種情況下煙羽向高空其他地方跑，禍水東引，吹向海洋(如下圖)，而不向地面擴(kuò)散，適合污染物的消散。所以生活在地面上的人類不必?fù)?dān)心。然而，學(xué)過高中物理學(xué)的人都知道，物質(zhì)和能量是守恒的。污染物不會跑向太空，它們?nèi)匀淮嬖谟谑篱g。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、吞并了直徑較小的工業(yè)排放的污染物，就像巨型的白細(xì)胞吞并細(xì)菌一樣，然后通過降雨過程返回到大地中，最終的效果是把懸浮的、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，凡夫畏果”。僅僅是通過觀察性實(shí)驗(yàn)來對排放源定罪量刑是非常困難的，因?yàn)橐蚬P(guān)系的確定需要十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评碜C明。在沒有數(shù)據(jù)前，不了解背景條件，應(yīng)該使用演繹推理，也就是根據(jù)假設(shè)和既有規(guī)則推導(dǎo)出初步結(jié)論。我們知道，空氣中的污染物主要集中在2000米高度以下，但是在垂直方向上，具體的污染空氣和清潔空氣之間的邊界是變化的，這個(gè)不斷變化的邊界稱之為大氣邊界層。假設(shè)日照市為典型的海陸大氣邊界層，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，受地表摩擦力影響，風(fēng)速隨著高度呈現(xiàn)對數(shù)分布而增加。
• 海洋層 (100-500 m)，受海陸風(fēng)環(huán)流的影響。
• 混合層(500-2000 m)，污染物混合均勻。
• 逆溫層(2000-3000 m)，污染物向上擴(kuò)散受阻，通常是下沉逆溫。

典型的海陸大氣邊界層，筆者繪圖。

? 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，空氣向上劇烈混合，常形成混合層。需要注意的是，雖然日照市等沿海地區(qū)屬于海霧多發(fā)區(qū)，海陸風(fēng)環(huán)流特征明顯，但是一般來講，中緯度地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流特征只在夏季較為突出。且海陸風(fēng)環(huán)流較弱，風(fēng)力較小，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。故海洋層有時(shí)不明顯。

? 當(dāng)具備一定的背景資料時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用歸納推理，總結(jié)初步的規(guī)律。當(dāng)混合層的高度高于受地表摩擦影響的邊界層高度時(shí)，湍流邊界層內(nèi)的空氣團(tuán)全部混合均勻。此時(shí)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，邊界層高度的減小會伴隨著空氣污染物濃度的累積，地面PM_2.5濃度會線性升高。如下圖，橫坐標(biāo)為邊界層高度BLH，縱坐標(biāo)為顆粒物濃度，可以看到，當(dāng)邊界層高度低于500米高度時(shí)，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，橫坐標(biāo)為邊界層高度BLH，縱坐標(biāo)為顆粒物濃度，可以看到，當(dāng)邊界層高度低于500米高度時(shí)，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，這基本符合我們的前提假設(shè)。

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。

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。

? 為了進(jìn)一步得出歸納的初步結(jié)論，我們對2013-2019年日照市PM_2.5濃度和臭氧O₃濃度進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)。從下圖可以看出，PM_2.5濃度是典型的單峰高斯正態(tài)分布，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。臭氧雙峰分布說明近地面臭氧的部分生成過程和光化學(xué)反應(yīng)無關(guān)，而是存在高空向下輸送，主要在發(fā)生正午12點(diǎn)之前。細(xì)顆粒物濃度來源主要是線性的近地面累積，如前所述，但也存在非線性的爆發(fā)式增長。詳情請見筆者前述文章：http://www.itdecent.cn/p/19085537b21e。

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，足以沖破混合層，向外層的大氣擴(kuò)散均勻。但是煙羽本身的形狀是多變的，和高空復(fù)雜的氣象條件有關(guān)。甚至由于局地小尺度湍流渦旋的存在，相鄰的兩個(gè)煙囪排放出來的煙羽長度不一致。我們對各種高架源煙羽的形態(tài)進(jìn)行了歸納，發(fā)現(xiàn)了以下情況是清潔天氣：一個(gè)是水平風(fēng)速較小，但垂直湍流交換較強(qiáng)，如下圖第一張；另一個(gè)是中性大氣，水平風(fēng)速較大，但是垂向交換較弱，如下圖第二張。

典型清潔天氣

? 經(jīng)過初步的演繹和歸納。我們最終決定，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。當(dāng)排放源較強(qiáng)時(shí)，則空氣污染物濃度對氣象因子敏感，亦即稀缺因子控制。海陸邊界層氣象因子復(fù)雜，精確的觀測高空的氣象條件非常困難，耗時(shí)耗力，而煙羽輪廓是良好的氣象指示物。

? 為了捕捉到高空復(fù)雜的氣象條件變化，我們采用定時(shí)自動攝像機(jī)，每隔半個(gè)小時(shí)拍攝一次照片。而由上文可知，煙羽的輪廓能反應(yīng)復(fù)雜的氣象變化，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，機(jī)器自動識別圖像中的煙羽輪廓的效果不理想，需要圖像增強(qiáng)和人工標(biāo)注。圖像增強(qiáng)使用了不世出的AI天才何凱明研發(fā)的去霧算法。煙羽形狀瞬息多變，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。需要特別注意的是，實(shí)際大氣顆粒物的擴(kuò)散范圍可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其可視輪廓，這是因?yàn)槿庋劭吹降臒熡疠喞饕且驗(yàn)樗哪Y(jié)。

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(fù)雜，如風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、云霧等。由下圖可以看出，地面顆粒物濃度與煙羽輪廓長度存在負(fù)相關(guān)，但是非線性的。天氣系統(tǒng)是典型的混沌系統(tǒng)，而復(fù)雜系統(tǒng)中非線性特征只有在滿足一定條件時(shí)才會出現(xiàn)。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(yīng)該可分類。

2019年3月山鋼站點(diǎn)地面PM2.5濃度和煙羽輪廓長度、風(fēng)速風(fēng)向、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(jìn)行擬合。雖然邏輯回歸雖然名字叫是回歸模型，但卻是二分類算法。如下圖所示，其中，煙囪的高度(H)是在圖像中標(biāo)注，計(jì)算可知 H=385 (像素點(diǎn))。煙囪高度根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)是200米。以2倍煙囪高度為臨界點(diǎn)，可以看出，當(dāng)煙羽輪廓的多邊形長度大于2倍煙囪高度，地面顆粒物濃度才會受擴(kuò)散條件影響。當(dāng)煙羽長度小于2倍煙囪高度，擴(kuò)散對局地的顆粒物的清除效果不明顯。

2019年3月山鋼站點(diǎn)地面PM2.5濃度和煙羽輪廓長度的關(guān)系

? 我們得到一個(gè)地面顆粒物濃度y和煙羽長度x的公式：

公式.png

? 當(dāng)煙羽長度小于400米時(shí)，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。所以我們把不同高度的氣象因子也考慮進(jìn)去，使用決策樹模型，進(jìn)行擬合。下圖是2019年3月山鋼站點(diǎn)地面PM_2.5濃度的決策樹模型。可以看出，對流層頂(850 hPa約1500米高度)的緯向風(fēng)(U_850)和煙羽長度(PL)是這顆決策樹中統(tǒng)計(jì)學(xué)上的決定性因子。

2019年3月山鋼站點(diǎn)地面PM2.5濃度的決策樹模型。

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

? 即使這顆決策樹只有6層，陳述和解釋起來還是比較繁瑣冗長的。但其實(shí)我們只需關(guān)心決策樹的兩個(gè)主干，亦即地面PM_2.5濃度最高時(shí)和最低時(shí)的決策樹枝即可。上圖中的紅圈區(qū)域是PM_2.5濃度最高時(shí)的決策樹枝：U_850 < -5.4 m/s→ PL < 509 pixels → PM_2.5 > 176 μg/m³；藍(lán)圈區(qū)域是PM_2.5濃度最低時(shí)的決策樹枝：U_850 > -5.4 m/s → PL >796 pixels →PM_2.5 < 67 μg/m³。可以推測出，當(dāng)1500米高度以上自由大氣向岸風(fēng)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(kuò)散均較弱，地面顆粒物累積，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，顆粒物的數(shù)濃度也是對人體健康影響較大的因子。由球形粒子的質(zhì)量公式 m=ρV= 4ρR³ /3，可知：PM_2.5，亦即2500 納米以下的顆粒物的質(zhì)量，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，能穿透肺泡膜；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(jìn)行了顆粒物的數(shù)濃度觀測。田野空氣最清潔的時(shí)候顆粒物濃度只有不到3000 個(gè)/cm³ 。然而在有些時(shí)候顆粒物濃度大于10000個(gè)/cm³ 。顆粒物數(shù)量最多的時(shí)候，反而是看起來晴好的藍(lán)天。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。

? 而在城市道路邊上，受機(jī)動車交通影響，顆粒物濃度可達(dá)60000個(gè)/cm³ ，是農(nóng)村最臟時(shí)候的6倍。但是，城市上空，超過300米高度的工業(yè)煙羽中，顆粒物濃度只有不到3000個(gè)/cm³，與潔凈時(shí)農(nóng)村戶外空氣相當(dāng)。至于室內(nèi)空氣，在十幾平米有人的辦公室內(nèi)約在7000 個(gè)/cm³，因人的數(shù)量而異。當(dāng)你看到手機(jī)預(yù)警，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI破百的時(shí)候，大氣顆粒物濃度雖然高，但是基本上是大的顆粒，每立方厘米中只有幾千個(gè)。當(dāng)看到清潔的藍(lán)天時(shí)，顆粒物濃度可能達(dá)到每立方厘米上萬個(gè)。

日照市野外觀測，清潔時(shí)和污染時(shí)儀器測量顆粒物濃度對比。

日照市野外觀測，燃燒源和新的粒子形成。

? 之所以無法保留原始的田野，只是因?yàn)槲覀冞€不夠現(xiàn)代。工業(yè)的粗糙，必然會讓我們既丟失田野，也丟失現(xiàn)代。觀察性科學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該逐步由城市向田野轉(zhuǎn)移，由中心向邊緣探出觸手。