摘要：針對(duì)烏蘇市重污染天氣展開(kāi)深入研究，通過(guò)綜合分析大量氣象和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示重污染天氣的特征和形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，烏蘇市重污染天氣分為2種類(lèi)型，即冬季工業(yè)排放型和靜穩(wěn)天氣逆溫型。為了加強(qiáng)對(duì)重污染天氣的科學(xué)預(yù)測(cè)和有效防控，提出一套基于數(shù)據(jù)挖掘和時(shí)間序列分析的預(yù)警預(yù)報(bào)方法。在實(shí)施預(yù)警預(yù)報(bào)的同時(shí)，要加強(qiáng)宣傳，建立公眾參與平臺(tái)，通過(guò)社交媒體向居民傳遞實(shí)時(shí)的重污染天氣信息，以便采取防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：重污染天氣；預(yù)警預(yù)報(bào)；數(shù)據(jù)挖掘；公眾宣傳；烏蘇市

中圖分類(lèi)號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.055

Research on Classification and Early Warning and Forecasting Methods of Heavy Pollution Weather in Wusu City

MA Huiqin

（Wusu City Environmental Monitoring Station， Wusu 833000， China）

Abstract： In-depth research is conducted on heavy pollution weather in Wusu city， and the characteristics and formation mechanisms of heavy pollution weather are revealed through comprehensive analysis of a large amount of meteorological and air quality monitoring data. Research has found that heavy pollution weather in Wusu city can be divided into two types， namely winter industrial emission type and static and stable weather inversion type. In order to strengthen the scientific prediction and effective prevention and control of heavy pollution weather， a set of warning and forecasting methods based on data mining and time series analysis is proposed. While implementing early warning and forecasting， it is necessary to strengthen publicity， establish public participation platforms， and transmit real-time heavy pollution weather information to residents through social media in order to take protective measures.

Keywords： heavy pollution weather; early warning and forecasting; data mining; public publicity; Wusu city

城市化和工業(yè)化發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。烏蘇市位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，隸屬于天山北坡城市群，其空氣質(zhì)量問(wèn)題日益凸顯，對(duì)居民的健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。重污染天氣的頻繁發(fā)生不僅直接影響居民的生活質(zhì)量，也對(duì)環(huán)境可持續(xù)性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。綜合分析大量氣象和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以為烏蘇市提供科學(xué)、準(zhǔn)確的重污染天氣預(yù)測(cè)手段，從而及時(shí)采取有效的控制措施，改善城市空氣質(zhì)量，保障居民身體健康。

1 烏蘇市重污染天氣特征

細(xì)顆粒物（PM2.5）是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物。2023年，烏蘇市四季PM2.5平均濃度變化如表1所示。冬季，烏蘇市PM2.5濃度普遍偏高，達(dá)到中度污染甚至重度污染的水平，空氣質(zhì)量問(wèn)題突出。PM2.5主要來(lái)源于化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，影響人體健康、氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活。研究表明，PM2.5不僅對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生危害，還可能增加癌癥發(fā)病率和死亡率。因此，解決PM2.5污染問(wèn)題成為當(dāng)前社會(huì)的重要任務(wù)之一。冬季，烏蘇市能源消耗量較大，尤其是燃煤和燒柴取暖使得空氣中的顆粒物和有害物質(zhì)含量增加。冬季的氣象條件通常不利于污染物的擴(kuò)散，如逆溫現(xiàn)象和靜風(fēng)天氣等，使得污染物在空氣中積聚，進(jìn)一步加劇空氣污染[1]。

1.1 日變化特征

冬季，烏蘇市PM2.5濃度日變化曲線呈鮮明的單峰型，環(huán)境空氣在下午至晚間最易受到污染。PM2.5濃度的峰值出現(xiàn)在15：00—17：00，此時(shí)濃度明顯高于其他時(shí)間段；PM2.5濃度的谷值則出現(xiàn)在06：00左右，此時(shí)濃度達(dá)到當(dāng)日的最低點(diǎn)。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與冬季的氣象條件和人們活動(dòng)有關(guān)。冬季，烏蘇市天氣較為干燥、寒冷，這種氣象條件可能會(huì)導(dǎo)致大氣中的顆粒物增多，從而增加PM2.5濃度。同時(shí)，人們的活動(dòng)習(xí)慣也可能影響空氣質(zhì)量。白天，人們可能會(huì)燃燒煤炭、木材等燃料來(lái)取暖或烹飪食物，這些活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵和廢氣，從而增加空氣的PM2.5濃度。夜晚缺乏陽(yáng)光，氣溫下降，燃燒活動(dòng)減少，空氣PM2.5濃度會(huì)相應(yīng)降低。

1.2 季節(jié)變化特征

根據(jù)PM2.5濃度的月際變化特征，11月至次年3月，烏蘇市污染日數(shù)較多。其間，空氣PM2.5濃度較高，給人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。2023年，1月是污染日數(shù)最多的月份，高達(dá)25 d，占比高達(dá)81%。冬季，氣候寒冷干燥，加上燃煤取暖、工業(yè)排放等因素的影響，PM2.5濃度迅速上升，給人們的呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)帶來(lái)極大的危害。4—10月，無(wú)污染日數(shù)較多，空氣質(zhì)量較好。夏季和秋季的氣候較為宜人，空氣濕度較大，有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋。夏季和秋季的工業(yè)生產(chǎn)和交通活動(dòng)較少，污染物排放減少。因此，烏蘇市重污染天氣具有明顯的季節(jié)特征，即冬季空氣污染突出，日變化特征明顯，季節(jié)變化差異顯著。冬季是空氣污染的高發(fā)季節(jié)，尤其是下午至晚間，PM2.5濃度較高。冬季污染天數(shù)占比較大，表明冬季是烏蘇市大氣污染防治的關(guān)鍵時(shí)期[2]。

2 烏蘇市重污染天氣分型

2.1 冬季工業(yè)排放型

烏蘇市冬季工業(yè)排放型的重污染天氣表現(xiàn)為霧霾，空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，能見(jiàn)度降低。冬季，燃煤供暖和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，煤炭燃燒產(chǎn)生大量廢氣和顆粒物。這些廢氣和顆粒物在空氣中不斷積累，形成重污染天氣。冬季，為滿(mǎn)足供暖需求，烏蘇市的供暖系統(tǒng)大量投入使用，廢氣排放量增加。大部分供暖系統(tǒng)依賴(lài)燃煤，而煤炭燃燒產(chǎn)生的廢氣含有大量有害物質(zhì)，如SO2、氮氧化物（NOx）等。冬季，這些廢氣在相對(duì)封閉的大氣條件下難以有效擴(kuò)散，導(dǎo)致大氣的污染物濃度急劇上升。與供暖同時(shí)進(jìn)行的高峰工業(yè)生產(chǎn)也是冬季工業(yè)排放型重污染天氣的重要因素。在寒冷的冬季，為保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，工業(yè)企業(yè)通常會(huì)增加能源使用量，其中以煤炭為主的高污染能源被廣泛采用。工業(yè)生產(chǎn)排放的PM2.5、可吸入顆粒物（PM10）和廢氣會(huì)在大氣中滯留較長(zhǎng)時(shí)間，形成濃厚的污染層。逆溫是指氣溫隨海拔的增加而降低的現(xiàn)象。冬季的氣象條件通常會(huì)導(dǎo)致大氣逆溫層的形成，這加劇冬季工業(yè)排放型的重污染天氣。逆溫層的存在使得廢氣和顆粒物無(wú)法順利上升和擴(kuò)散，而在逆溫層中滯留，進(jìn)一步加劇大氣污染。

2.2 靜穩(wěn)天氣逆溫型

在晴朗而無(wú)風(fēng)的條件下，烏蘇市可能出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣逆溫型的重污染天氣。這種情況下，大氣層結(jié)穩(wěn)定，致使污染物在較低的空間高度內(nèi)堆積，難以擴(kuò)散。逆溫天氣下，烏蘇市大氣污染問(wèn)題加劇。靜穩(wěn)天氣是指氣象條件穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的風(fēng)和降水，大氣層結(jié)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。在這種天氣條件下，烏蘇市的上空可能存在逆溫層，使得污染物無(wú)法向上擴(kuò)散，而是在較低的高度堆積。在逆溫天氣下，地面的空氣溫度低于高空的溫度，這種溫度差異導(dǎo)致空氣上下流動(dòng)減弱，污染物無(wú)法被帶到更高處，進(jìn)而在低空中積累。

3 烏蘇市重污染天氣分型預(yù)警預(yù)報(bào)方法

首先收集烏蘇市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括PM2.5濃度、PM10濃度、SO2濃度、CO濃度和O3濃度等關(guān)鍵指標(biāo)。這些數(shù)據(jù)覆蓋不同時(shí)間段和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)的全面性。其次，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清理、缺失值處理和異常值檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。通過(guò)K均值聚類(lèi)算法將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)劃分為不同的類(lèi)別，以揭示不同污染物濃度的相似性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)型劃分示例如表2所示。通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，探索不同污染物濃度的關(guān)系。再次，分析PM2.5濃度時(shí)間序列數(shù)據(jù)，示例如表3所示。最后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提出預(yù)警措施。

3.1 閾值設(shè)定

為有效預(yù)警和及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，必須設(shè)定重污染天氣的合理閾值。這需要綜合考慮氣象因素和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以確保預(yù)警的準(zhǔn)確性和靈敏度，從不同方面細(xì)致入手，明確各類(lèi)污染天氣的觸發(fā)條件。

3.1.1 氣象因素

氣象因素主要有溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度。高溫通常伴隨著穩(wěn)定的大氣條件，降低空氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力。因此，當(dāng)氣溫較高時(shí)，應(yīng)提高閾值，使之更易觸發(fā)重污染天氣預(yù)警。風(fēng)速是影響空氣污染擴(kuò)散的關(guān)鍵因素。低風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致空氣污染物在空氣中停滯，增加重污染的可能性。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，應(yīng)設(shè)定較低的閾值。相對(duì)濕度的升高有助于顆粒物的沉降和空氣中污染物的清除。因此，當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)，重污染風(fēng)險(xiǎn)較低。設(shè)定相對(duì)濕度的閾值時(shí)，應(yīng)考慮這一因素。

3.1.2 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

PM2.5是導(dǎo)致空氣重污染的主要因素之一。設(shè)定PM2.5濃度的閾值是預(yù)警的核心。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以設(shè)定不同等級(jí)的PM2.5濃度閾值。除了PM2.5，還有必要考慮PM10、SO2、CO和O3等污染物的濃度。這些污染物與空氣質(zhì)量的關(guān)系復(fù)雜，因此設(shè)定閾值時(shí)，要充分考慮它們?cè)诖髿庵械膮f(xié)同作用。

3.1.3 綜合因素

在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，閾值的設(shè)定是一個(gè)關(guān)鍵步驟，它直接影響空氣質(zhì)量的評(píng)估和相應(yīng)措施的采取。在設(shè)定閾值時(shí)，要考慮多種因素，并對(duì)其進(jìn)行權(quán)衡。以PM2.5的閾值設(shè)定為例，當(dāng)溫度升高時(shí)，可以適當(dāng)提高閾值，因?yàn)楦邷貢?huì)導(dǎo)致空氣中的污染物難以擴(kuò)散和清除。相反，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，可以適度降低閾值，因?yàn)轱L(fēng)可以幫助污染物更快地?cái)U(kuò)散，降低其對(duì)人體健康的影響。除了溫度和風(fēng)速，還需要考慮地形、氣象條件、人口密度和工業(yè)分布等因素。在山區(qū)或城市，由于地形和氣象條件的限制，污染物更易在局部地區(qū)積聚，要設(shè)定更嚴(yán)格的閾值。工業(yè)密集區(qū)污染源較多，需要設(shè)定更為嚴(yán)格的閾值。污染源的閾值設(shè)定如表4所示。

3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)

搭建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，將氣象和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)納入系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦監(jiān)測(cè)到相關(guān)指標(biāo)超過(guò)設(shè)定的閾值，立即啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，向居民發(fā)布重污染天氣的預(yù)警信息。

3.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的第一步是確保有可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)源。布設(shè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)烏蘇市環(huán)境敏感點(diǎn)的全覆蓋，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PM2.5、PM10、SO2、CO和O3等關(guān)鍵指標(biāo)。利用氣象站點(diǎn)獲取實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度等，以更全面地了解氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響。結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)，獲取大氣顆粒物濃度、沙塵暴等特殊天氣情況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的時(shí)空分辨率。將來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的信息整合到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。建立合適的數(shù)據(jù)處理和清理流程，以應(yīng)對(duì)可能存在的噪聲、異常值和缺失值。

3.2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析

設(shè)定關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，如PM2.5濃度、風(fēng)速和溫度等。利用時(shí)間序列分析方法，觀察各指標(biāo)的趨勢(shì)和周期性變化，以便更好地理解重污染天氣的發(fā)展趨勢(shì)。運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)，分析不同污染物的關(guān)系，從而更好地理解導(dǎo)致重污染的潛在因素。同時(shí)，利用異常檢測(cè)算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否存在異常數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)可能的重污染事件[3]。

3.2.3 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

根據(jù)國(guó)家和地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定各項(xiàng)指標(biāo)的重污染閾值。例如，PM2.5濃度超過(guò)150 μg/m3可能觸發(fā)警報(bào)。考慮氣象因素，如溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度，綜合調(diào)整閾值，以更準(zhǔn)確地反映重污染天氣的潛在風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定期甚至實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。建立多渠道報(bào)警系統(tǒng)，如短信、社交媒體等，確保信息及時(shí)傳遞給居民和相關(guān)部門(mén)。根據(jù)不同閾值制定不同的預(yù)警級(jí)別，以便采取不同的防護(hù)和控制措施。

以實(shí)際數(shù)據(jù)為例，設(shè)定150 μg/m3為PM2.5濃度的重污染閾值。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2023年1月30日

17：00，PM2.5濃度為165 μg/m3，溫度為-15.1 ℃，風(fēng)速為0.9 m/s，相對(duì)濕度為74%。經(jīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度超過(guò)閾值，且氣象條件符合重污染天氣的特點(diǎn)。因此，報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)，向居民和相關(guān)部門(mén)發(fā)送警報(bào)信息，以便采取相應(yīng)的防護(hù)措施。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)可以幫助烏蘇市生態(tài)環(huán)境部門(mén)在重污染事件發(fā)生時(shí)及時(shí)做出反應(yīng)，最大限度地保護(hù)居民健康。

3.3 公眾宣傳和參與

在應(yīng)對(duì)重污染天氣時(shí)，公眾宣傳和參與發(fā)揮至關(guān)重要的作用。通過(guò)系統(tǒng)的宣傳教育，居民將全面地了解重污染天氣的形成原因、危害以及應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，建立公眾參與平臺(tái)，使居民能夠及時(shí)獲取實(shí)時(shí)信息，并引導(dǎo)他們采取主動(dòng)的防護(hù)措施，以降低對(duì)健康的影響。

3.3.1 加強(qiáng)宣傳教育，提高居民認(rèn)知水平

冬季工業(yè)排放型和沙塵暴引發(fā)型等不同類(lèi)型污染天氣的形成機(jī)制和特征應(yīng)該通過(guò)多媒體手段向居民解釋。制作宣傳資料，設(shè)計(jì)易懂的宣傳手冊(cè)、海報(bào)和圖表，用生動(dòng)的語(yǔ)言和圖片向居民解釋重污染天氣的成因、危害及預(yù)防方法。這些宣傳資料可在社區(qū)、學(xué)校和其他公共場(chǎng)所進(jìn)行分發(fā)。加強(qiáng)媒體宣傳，在電視、廣播和互聯(lián)網(wǎng)等主要媒體平臺(tái)開(kāi)展專(zhuān)題報(bào)道、節(jié)目訪談以及動(dòng)畫(huà)解說(shuō)，通過(guò)生動(dòng)有趣的形式傳遞相關(guān)知識(shí)。此外，可以邀請(qǐng)環(huán)境專(zhuān)家向公眾解讀重污染天氣的科學(xué)原理和危害。開(kāi)展學(xué)校與社區(qū)講座，組織專(zhuān)家走進(jìn)學(xué)校和社區(qū)，開(kāi)展面對(duì)面的講座活動(dòng)。通過(guò)生動(dòng)的案例和實(shí)地考察，增強(qiáng)居民對(duì)重污染天氣的理解。

3.3.2 做好信息傳遞，引導(dǎo)居民采取防護(hù)措施

要及時(shí)向居民傳遞信息，以便主動(dòng)采取防護(hù)措施，減輕重污染天氣對(duì)健康的影響。制定和發(fā)布詳細(xì)的重污染天氣防護(hù)指南，包括佩戴口罩、減少戶(hù)外活動(dòng)和增加室內(nèi)通風(fēng)等方面的建議。通過(guò)社交媒體平臺(tái)和宣傳資料向居民傳遞這些實(shí)用信息。定期組織重污染天氣的應(yīng)急演練，提升居民在緊急情況下的應(yīng)對(duì)能力。演練內(nèi)容可以包括疏散演練、急救培訓(xùn)等，以確保居民在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)能夠迅速、冷靜地做出正確的應(yīng)對(duì)[4]。

4 結(jié)論

重污染天氣分析、預(yù)警、預(yù)報(bào)及公眾宣傳和參與是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、不可分割的整體，需要全社會(huì)的共同努力，政府、專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位和居民都扮演著重要的角色。系統(tǒng)的建立旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)重污染天氣的科學(xué)管理、精準(zhǔn)預(yù)警和有效防控，并通過(guò)公眾的共同參與形成良好的社會(huì)氛圍，使居民成為環(huán)保事業(yè)的參與者和推動(dòng)者。通過(guò)共同努力，未來(lái)，烏蘇市可以更好地應(yīng)對(duì)重污染天氣，保障居民的身體健康，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

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