大數(shù)據(jù)在大氣環(huán)境治理中的應(yīng)用研究

李嘉賓

（華云創(chuàng)信（廣東）生態(tài)環(huán)境科技有限公司，廣東 佛山 528000）

引言

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)已成為各行各業(yè)變革和創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動力，特別是在環(huán)境治理領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)提供了前所未有的機(jī)會，使得環(huán)境監(jiān)測和管理更加準(zhǔn)確、高效和科學(xué)。作為生存的第一屏障，大氣環(huán)境質(zhì)量直接影響到每一個生命體的健康與福祉。目前，我國空氣質(zhì)量已有所改善，然而近年來，隨著工業(yè)化和城市化的加速發(fā)展，大氣區(qū)域性污染問題日益顯現(xiàn)，如何有效治理、預(yù)警及精準(zhǔn)干預(yù)，已成為全球各國亟待解決的重大課題。幸運(yùn)的是，大數(shù)據(jù)技術(shù)提供了新的視角和手段，通過對大量數(shù)據(jù)的采集、分析和應(yīng)用，可以更加精準(zhǔn)地把握污染源，優(yōu)化治理策略，甚至預(yù)測未來的污染趨勢[1]。本文將深入探討大數(shù)據(jù)在大氣環(huán)境治理中的應(yīng)用及其帶來的創(chuàng)新路徑，希望為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和實踐者提供有價值的參考。

1 大數(shù)據(jù)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過連接設(shè)備、傳感器和機(jī)器，實現(xiàn)了對大氣環(huán)境的實時監(jiān)測。這種連續(xù)、動態(tài)的數(shù)據(jù)流為大氣質(zhì)量評估、預(yù)測與管理提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。例如，城市中部署的各種空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器不僅可以提供顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、臭氧等關(guān)鍵污染物的實時濃度數(shù)據(jù)，還能輔助定位污染源，為后續(xù)的大氣環(huán)境治理提供方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動通信技術(shù)相結(jié)合，使得數(shù)據(jù)傳輸更加迅速且實時，這種即時性對于應(yīng)對突發(fā)的大氣污染事件至關(guān)重要[2]。

1.2 衛(wèi)星遙感在大氣監(jiān)測中的應(yīng)用

衛(wèi)星遙感是大氣環(huán)境監(jiān)測的重要手段之一。衛(wèi)星遙感具有覆蓋廣、分辨率高、監(jiān)測連續(xù)的優(yōu)勢，可實現(xiàn)對大氣污染物的全天候、全區(qū)域監(jiān)測。

首先，衛(wèi)星遙感可監(jiān)測各類大氣污染物的總量及其時空分布。通過不同傳感器的觀測，可以監(jiān)測二氧化硫、二氧化氮、臭氧、細(xì)顆粒物等污染物的總量及其在區(qū)域尺度的時空分布規(guī)律。這為全面評估區(qū)域大氣污染狀況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

其次，衛(wèi)星遙感可用于污染物濃度反演。通過建立衛(wèi)星資料與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停梢詫崿F(xiàn)衛(wèi)星資料到地面濃度的定量反演，獲知地面點狀污染濃度分布，為評價地面空氣質(zhì)量提供依據(jù)。目前臭氧和二氧化氮的反演精度較高。

最后，衛(wèi)星遙感可同化入數(shù)值模式，提高空氣質(zhì)量預(yù)報精度。衛(wèi)星數(shù)據(jù)可驗證和校正模式模擬結(jié)果，也可通過數(shù)據(jù)同化優(yōu)化模式初始場，這將大幅提升模式的模擬和預(yù)測能力。衛(wèi)星遙感與數(shù)值模型的結(jié)合為空氣質(zhì)量預(yù)報提供了新途徑。

衛(wèi)星遙感已成為大氣監(jiān)測的有力技術(shù)手段，未來隨著衛(wèi)星與傳感器技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感在大氣監(jiān)測中的應(yīng)用前景廣闊。但衛(wèi)星數(shù)據(jù)也存在無法觀測地面情況等局限性，仍需與地面監(jiān)測和模型相結(jié)合，以發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)的最大效用[3]。

1.3 大數(shù)據(jù)分析在監(jiān)測數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)技術(shù)為海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與分析提供了新的思路。大數(shù)據(jù)可充分利用環(huán)境監(jiān)測形成的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果的深入分析與應(yīng)用。

大數(shù)據(jù)集成分析可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多維關(guān)聯(lián)。不同時空尺度、不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)可集成在云平臺，進(jìn)行跨尺度、跨區(qū)域的關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)系，為查找污染成因提供依據(jù)。比如，可關(guān)聯(lián)氣象數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測，解析污染物時空分布的影響因素。

大數(shù)據(jù)挖掘可實施監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能化處理?？墒褂脵C(jī)器學(xué)習(xí)等算法，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的歸一化處理、異常點標(biāo)記、空缺數(shù)據(jù)修復(fù)等，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。還可利用深度學(xué)習(xí)實現(xiàn)監(jiān)測圖像的智能分析，輔助檢測結(jié)果判讀。

大數(shù)據(jù)可構(gòu)建監(jiān)測知識圖譜。通過知識圖譜技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，揭示監(jiān)測對象之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建監(jiān)測知識體系。這可深化對監(jiān)測事項的認(rèn)知，有利于監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用[4]。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在大氣環(huán)境治理中的決策支持應(yīng)用

2.1 空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警

2.1.1 數(shù)值預(yù)報模型

數(shù)值預(yù)報模型在大氣環(huán)境治理中扮演了重要的角色。這類模型通常基于大氣物理和化學(xué)過程進(jìn)行構(gòu)建，并能夠模擬各種大氣污染物的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以對大量的氣象和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，為數(shù)值預(yù)報模型提供實時輸入，從而大大提高預(yù)報的準(zhǔn)確性[5]。

例如，CMAQ模型是目前廣泛使用的一種模擬大氣污染的數(shù)值模型。它綜合了氣象、地形、人類活動和氣溶膠光學(xué)特性等因素，可以模擬區(qū)域范圍內(nèi)的大氣氣溶膠、臭氧、氮氧化物和其他污染物的傳輸、轉(zhuǎn)化和形成。結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以收集和分析更多的氣象、空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與CMAQ模型結(jié)合起來，支持高分辨率模擬，從而提高模型的精度，同時識別模型中未考慮的變量和誤差，并將這些數(shù)據(jù)反饋到模型中，以更好地估算模型的不確定性。

2.1.2 預(yù)警發(fā)布機(jī)制

大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測未來的空氣質(zhì)量，還使預(yù)警發(fā)布機(jī)制更為迅速和智能。

基于大數(shù)據(jù)平臺，可以實時收集各地的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，與數(shù)值預(yù)報模型的預(yù)測結(jié)果相結(jié)合，實時評估污染風(fēng)險。一旦檢測到可能的污染事件，系統(tǒng)會自動觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，向相關(guān)部門和公眾發(fā)送預(yù)警信息。例如，某城市的大數(shù)據(jù)中心發(fā)現(xiàn)，由于不利的氣象條件和污染物排放量的增加，未來兩天該城市的臭氧濃度可能超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會立即啟動預(yù)警機(jī)制，通知相關(guān)部門加強(qiáng)排放控制，同時提醒市民采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

這種基于大數(shù)據(jù)的預(yù)警發(fā)布機(jī)制不僅提高了預(yù)警的及時性和準(zhǔn)確性，還增強(qiáng)了公眾的參與感，為整個社會的協(xié)同治理提供了有力的技術(shù)支撐。

2.2 污染源精準(zhǔn)識別與管控

2.2.1 污染源確定方法

在大氣環(huán)境治理的過程中，準(zhǔn)確識別污染源至關(guān)重要。傳統(tǒng)的方法依賴于地面監(jiān)測和手動排查，不僅耗時且效率有限。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)在擁有更加先進(jìn)和高效的污染源確定方法。

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對大氣中的污染物進(jìn)行實時跟蹤，分析其傳輸路徑和濃度分布。結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、地形信息和城市規(guī)劃數(shù)據(jù)，專業(yè)的數(shù)據(jù)分析算法可以逆推污染物的來源[6]。例如，某城市發(fā)現(xiàn)某地區(qū)的氮氧化物濃度突然上升，通過大數(shù)據(jù)分析，可以迅速確定污染源為附近某工廠的非法排放。

此外，無人機(jī)技術(shù)也為污染源識別提供了強(qiáng)大的支持。無人機(jī)搭載可檢測污染物濃度的空氣盒子巡檢疑似污染區(qū)域，輔助確定潛在的污染源。

2.2.2 關(guān)鍵污染源管控

一旦污染源被確定，有效的管控策略則成為關(guān)鍵?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)，可以為每一個污染源制定個性化、精準(zhǔn)的管控策略。

對于重點污染源，例如大型工業(yè)園區(qū)、熱電廠等，可以部署更為密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測其排放情況。結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和模型預(yù)測，當(dāng)預(yù)測到可能的超標(biāo)排放時，可以自動觸發(fā)警報機(jī)制，通知相關(guān)部門進(jìn)行及時干預(yù)。

同時，通過對污染源的歷史排放數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，可以發(fā)現(xiàn)其排放的規(guī)律和模式，繼而優(yōu)化生產(chǎn)過程、調(diào)整排放策略，從而實現(xiàn)更為環(huán)保的生產(chǎn)模式。例如，在某電廠，大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，燃煤的煙氣流量和溫度也是影響排放濃度和污染物的重要因素?；谶@一發(fā)現(xiàn)，項目方進(jìn)行了技術(shù)改造：精調(diào)燃煤控制、改善煙囪排氣條件以及塵埃管路維修，成功降低了有害物質(zhì)的排放，提高了整體的環(huán)保水平。

這種基于大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)管控策略，不僅提高了大氣環(huán)境治理的效果，還為企業(yè)節(jié)省了大量的經(jīng)濟(jì)成本，實現(xiàn)了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

2.2.3 協(xié)同治理機(jī)制建立

2.2.3.1 部門間信息共享

協(xié)同治理的核心在于多方參與，而部門間的信息共享是實現(xiàn)有效協(xié)同的前提。在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的收集、整合和利用已成為治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

部門信息共享不僅僅是數(shù)據(jù)交換的過程，它更關(guān)乎如何將各個部門的數(shù)據(jù)資源整合為一個統(tǒng)一的、對治理有價值的信息體系。例如，環(huán)保部門持續(xù)收集的大氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、氣象部門的氣象數(shù)據(jù)以及交通部門的道路流量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在單獨(dú)使用時各有價值，但當(dāng)它們被整合在一起時，就可以為城市提供全面的大氣污染情境分析。以某大城市為例，當(dāng)環(huán)保部門發(fā)現(xiàn)某地區(qū)的氮氧化物濃度持續(xù)升高時，通過與氣象部門和交通部門的數(shù)據(jù)整合，迅速發(fā)現(xiàn)此次污染與特定的氣象條件和道路擁堵密切相關(guān)。這為后續(xù)的決策提供了更為準(zhǔn)確的依據(jù)，如限制某些路段的機(jī)動車流量、采取臨時交通疏導(dǎo)措施等。

2.2.3.2 治理資源優(yōu)化配置

大數(shù)據(jù)不僅能夠幫助更好地理解大氣污染的形成機(jī)制，更可以指導(dǎo)如何優(yōu)化和配置治理資源。通過對大量數(shù)據(jù)的分析，可以識別出污染的關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵時段以及關(guān)鍵污染源，從而實現(xiàn)有針對性的治理。例如，某市通過對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)家具制造、包裝印刷、涂料油墨、金屬表面噴涂、塑料制品生產(chǎn)等行業(yè)是VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）污染的主要污染源。基于這一發(fā)現(xiàn)，政府加大了對相關(guān)技術(shù)研發(fā)和推廣的投資，為企業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)和技術(shù)服務(wù)，促進(jìn) VOCs 治理技術(shù)的不斷升級和推廣；同時加強(qiáng)對企業(yè)日常排放行為的監(jiān)管，建立信息化平臺，實現(xiàn) VOCs 重點排放源的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。這種基于數(shù)據(jù)的決策不僅大大提高了治理的效果，還能確保公共資源得到最有效的利用。

此外，大數(shù)據(jù)還可以幫助政府評估各種治理措施的效果，從而不斷調(diào)整和完善策略。治理資源的優(yōu)化配置并不是一次性的決策，而是一個持續(xù)的、基于數(shù)據(jù)反饋的迭代過程。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)推動大氣環(huán)境治理路徑創(chuàng)新

3.1 技術(shù)手段創(chuàng)新

大數(shù)據(jù)技術(shù)為大氣環(huán)境治理提供了新的技術(shù)手段。首先，大數(shù)據(jù)的海量數(shù)據(jù)分析能力可用于建立大氣污染源清單，便于實現(xiàn)源頭治理。通過物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等手段收集各類污染源的實時排放數(shù)據(jù)，再利用云計算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)分析掌握主要污染源，有利于制定針對性治理方案。其次，大數(shù)據(jù)可用于環(huán)境監(jiān)測預(yù)警和污染傳輸模擬。利用高密度環(huán)境監(jiān)測站點采集數(shù)據(jù)，輔以衛(wèi)星遙感、無人機(jī)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，建立實時動態(tài)污染分布監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，提高突發(fā)事件應(yīng)對能力。同時，利用大數(shù)據(jù)訓(xùn)練的高精度數(shù)值模擬，可深入研究區(qū)域污染傳輸規(guī)律，指導(dǎo)科學(xué)治理。

3.2 管理模式創(chuàng)新

大數(shù)據(jù)將推動大氣治理管理模式的創(chuàng)新升級。首先，實現(xiàn)污染排放管理的精細(xì)化。通過物聯(lián)網(wǎng)采集排放源實時運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用云計算處理后形成排放清單和排放狀況動態(tài)監(jiān)控，強(qiáng)化排放源管理。其次，實現(xiàn)責(zé)任追溯機(jī)制信息化。通過污染源和受體高精度關(guān)聯(lián)分析，可以快速鎖定責(zé)任企業(yè)，形成責(zé)任追溯閉環(huán)。再次，大數(shù)據(jù)可支撐市場化治理新模式，如通過碳交易市場引入市場機(jī)制，以市場化方式調(diào)節(jié)企業(yè)減排行為。

3.3 法制保障創(chuàng)新

大數(shù)據(jù)環(huán)境治理亟須完善法制保障，這不僅是技術(shù)和管理的問題，更是確保社會公正、確保公眾權(quán)益、推動企業(yè)責(zé)任和促進(jìn)政府公信力的問題。

首先，建立大數(shù)據(jù)治理相關(guān)法律法規(guī)至關(guān)重要。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)快速發(fā)展的背景下，已經(jīng)出現(xiàn)了很多法律空白和法規(guī)不足的情況，這需要及時修訂和完善法規(guī)，以適應(yīng)新的技術(shù)和業(yè)務(wù)發(fā)展需求。明確政府、企業(yè)、公眾在大數(shù)據(jù)環(huán)境治理中的角色、權(quán)利、義務(wù)，是確保大數(shù)據(jù)應(yīng)用健康、合規(guī)、公正的基石。政府需要發(fā)揮引導(dǎo)和監(jiān)管作用，企業(yè)要承擔(dān)起合規(guī)使用和保護(hù)數(shù)據(jù)的責(zé)任，公眾也要了解自己的權(quán)益和義務(wù)。此外，法規(guī)的執(zhí)法監(jiān)督也是確保法規(guī)真正發(fā)揮作用的關(guān)鍵，需要加強(qiáng)相關(guān)部門的執(zhí)法能力和執(zhí)法效率。

其次，建立大數(shù)據(jù)環(huán)境信息公開制度至關(guān)重要。信息的公開和透明是保障公眾權(quán)益的有效途徑，也是提高政府公信力的手段。通過環(huán)境信息公開，可以讓公眾了解大數(shù)據(jù)治理的進(jìn)展和成果，增強(qiáng)公眾的環(huán)境意識。這不僅可以幫助公眾更好地維護(hù)自己的權(quán)益，也可以增強(qiáng)公眾參與治理的積極性，形成政府、企業(yè)和公眾三方共治的局面。

最后，建立健全大數(shù)據(jù)環(huán)境治理責(zé)任追溯制度同樣重要。在大數(shù)據(jù)應(yīng)用中，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)濫用等問題，這需要有一個明確的責(zé)任追溯機(jī)制來定責(zé)。通過責(zé)任明確化，企業(yè)會更加重視數(shù)據(jù)的保護(hù)和合規(guī)使用，提高其減排和保護(hù)環(huán)境的主動性。這也是推動企業(yè)社會責(zé)任、促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

4 結(jié)論

大數(shù)據(jù)技術(shù)在大氣環(huán)境治理中的應(yīng)用為環(huán)境治理帶來了革命性的變革。物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)不僅增強(qiáng)了對大氣環(huán)境的實時監(jiān)測能力，而且為政府部門、企業(yè)和公眾提供了更為準(zhǔn)確和及時的空氣質(zhì)量信息。在決策支持應(yīng)用方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)確保了污染源的精準(zhǔn)識別和管控，使得資源得以優(yōu)化配置，提高治理效率。此外，從技術(shù)、管理到法治各個層面，大數(shù)據(jù)還推動了大氣環(huán)境治理路徑的全面創(chuàng)新。期望在未來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，大氣環(huán)境治理將更為智慧、高效和人性化。