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空气质量和天气数据如何帮助城市提高弹性

世界各地的城市都在努力改善空气质量，这反过来有助于减轻气候变化的影响。本文解释了紧凑型空气质量传感器的重要作用，以及如何将它们与气象站和其他智能城市设备一起使用，以实现其价值的最大化。弹性、气候适应和可持续性是世界各地城市议程的重中之重，并日益引起每个城市部门的共鸣。当然，讨论的核心是应对气候变化，但这些话题也是解决城市面临的其他一些关键挑战的关键，比如空气质量差、污染、拥堵和对化石燃料的依赖。如果不正面应对，这些只会变得更糟。根据联合国(UN)的数据，到2050年，三分之二的人将生活在城市地区，人口变化和人口增长将使世界总人口增加约25亿人。联合国还预测，到2030年，世界上可能会有43个人口超过1000万的特大城市，其中大多数位于发展中国家。这一切都给城市的资源和服务带来了巨大的压力，加剧了现有的问题，无疑还会产生新的问题，这将对公民的生活质量以及环境和地球产生不利的影响。事实上，能呼吸清洁空气是最基本的人权。但根据世界卫生组织(WHO)的数据，几乎全球所有人口(99%)呼吸的空气质量都超过了其空气质量限值，而中低收入国家的问题更为严重。据估计，每年暴露于空气污染会导致700万人过早死亡。世卫组织于2021年9月发布了更为严格的空气质量指南(AQGs)，就颗粒物、臭氧、二氧化氮和一氧化碳等六种污染物的空气质量水平提出了建议。AQG旨在作为决策者指导立法，以降低此类污染物水平的工具。其对健康的负面影响足以成为采取措施改善空气质量的理由，但这一领域的措施也涉及其他战略和项目，如更智能的出行、更清洁的能源和更环保的建筑，属于弹性和可持续性的旗帜。事实上，正如将在本特别报告中探讨的那样，改善空气质量也有助于减缓气候变化、增强抵御能力，并最终有助于建设面向未来的城市。这不仅依赖于城市单独测量空气质量，还依赖于了解影响空气质量的因素、变化的方式、原因和时间，以及至关重要的天气在其中所起的作用。而这一切都始于数据收集。空气质量传感器，数据收集和城市一体化从历史上看，空气质量是通过空气质量监测站来测量的，这些监测站使用精密的分析仪技术和校准方法。这意味着其非常准确，但也很昂贵。此外，它们的规模和成本意味着其倾向于在有限的地点少量安装，而不是作为网络。十多年前紧凑型空气质量传感器的出现，为城市提供了一种成本更低的辅助工具来测量超本地化空气质量。它们是在两种关键的现场应用传感技术成熟之后出现的：一种是用于检测十亿分之几(ppb)水平的气态污染物的安培电化学传感器，另一种是用于检测微米/亚微米尺寸颗粒的紧密型光学粒子计数器。起初，它们的测量性能比较有限，尤其是在极端条件下，但世界各地的研究人员和制造商都在努力提高其性能。如今，传感器足够灵敏，即使在清洁的环境空气中也能检测到污染物，这可以让用户相信其有能力确定从清洁空气到中度污染到重度污染条件的转变。空气质量传感器能够部署在密集的广域网络中，与传统的空气质量参考网络相辅相成，因此非常适合部署在城市环境中。重要的是，当将气象站添加到此类网络以提供有关气象条件的信息（例如风速、风向和降水）时，其可以更全面地了解城市空气的质量和运动。例如，维萨拉的空气质量传感器和气象站部署在世界各地，它们收集的数据在许多智能城市项目中发挥着至关重要的作用。典型的用例包括交通管理、街道灰尘监测、污染热点检测、近源监测(例如在城市工业园区，甚至在学校附近的特定时间，如接送学生)、社区监测以及健康和幸福的计划。当这些网络的数据与其他来源(如交通部门、私人和公共交通供应商以及医疗机构)的数据进行整合和交叉引用时，这些数据将变得更加强大。然而，建立这样的网络仍然存在挑战，比如连接性和互操作性。传感器需要电力和连接来进行数据传输，因此我们越来越多地看到它们被部署在智能城市基础设施和移动电话网络站(包括4G和5G)上。由诺基亚牵头的一个财团，其合作伙伴包括Vaisala、Destia、Premix、Indagon、RumbleTools、Orbis、Tehomet、Teleste、Spinverse、Tampere和AaltoUniversities以及芬兰技术研究中心更进一步，展示了智能杆如何被用来作为此类网络的底层基础设施，以及一系列其他设备和技术的主机。此外，LuxTurrim5G生态系统项目开始创建一个试点环境，以演示芬兰和国外城市数据驱动服务的发展。其覆盖了从埃斯波的诺基亚总部园区到附近的Kera火车站的区域，由19个带有5G基站的智能杆和250个互连设备组成，以创建一个广泛的传感器网络。智能杆还配备了来自维萨拉等公司的空气质量和天气传感器、摄像机、雷达设备(包括激光雷达)、信息屏幕，以及一个电动汽车充电点，以及在电线杆顶部的无人机充电和降落站。“其为智慧城市建立了数字支柱。人们开始理解智能杆的概念和价值，”生态系统负责人JuhaSalmelin解释道：“内置的5G基站负责连接。我们可以在每根相距50m的智能杆上安装传感器，将数据组合在一起，为城市创建新的数据驱动服务，以监测环境，同时也为交通管理等领域提供数据。”采取这种综合方法监测空气质量的能力，使其成为城市将其纳入弹性和可持续性战略的一项高价值指标。例如，如果用于近污染源监测，空气质量传感器可以位于学校附近，并结合交通数据来评估接送时间对污染的影响。反过来，这些信息可以为积极旅行和低排放区战略提供信息，从而改善健康和幸福值，并减少城市的碳足迹。Salmelin解释道：“现有的技术是为了实现环境监测数据的最佳利用，但有时部门和数据孤岛会阻止收集的数据发挥最大作用。这取决于谁拥有数据，以及如何通过数据市场和生态系统共享数据，以发掘空气质量信息以及其他城市数据的真正价值。”天气预报和资源潜力最大化许多城市尚未充分认识到将空气质量和天气数据结合起来的潜在价值。天气总是会影响空气质量，因此空气质量测量与风速、风向、温度、湿度和其他直接影响污染及其在空气中传播方式的因素有关的实时数据更有价值。除了对污染扩散的影响外，天气数据还有助于告知网络位置，以及在严重污染期间何时创建警报或采取干预措施。例如，雨水可以使大气中的污染物向下冲刷，减少街道和道路灰尘的排放。同时，温度会影响空气、污染气体和颗粒物的行为。所有这些数据都可以用来更好地为多个城市部门的决策提供信息。

埃斯波市是芬兰仅次于赫尔辛基的第二大城市，其制定了可持续埃斯波计划，该计划有许多目标，包括:

成为实施联合国可持续发展目标（SDGs）的先驱到2030年实现碳中和为社区和居民提供可持续行动的机会成为城市可持续发展的模范城市成为可持续和智慧城市解决方案的最佳发展伙伴

其积极主动地与技术供应商合作，正在迅速成为智能城市的试验台。其中正在进行的项目之一是实施区域供热系统。它正与发电公司Fortum在碳中和区进行合作，旨在用更灵活的解决方案替代化石燃料，如可再生电力、余热利用、热泵、电锅炉和生物能源。建筑物的区域供暖和制冷取决于天气，即使环境的微小变化也会导致需求激增。这可能会给能源供应商带来挑战，因此当地天气信息是优化系统的关键。这对埃斯波这样的城市尤其重要，因为其既有沿海地区，也有森林(内陆的温度可能比沿海低几度)。城市中拥有建筑、桥梁和柏油街道等基础设施的城市区域也将不同于建成区。

Fortum不仅仅依赖于一般天气信息，而是希望以最高精度获得超本地天气数据。因此，作为项目的一部分，在城市周围精心挑选的位置安装了六个维萨拉AWS310气象站，旨在为优化区域供暖系统中运行的热水的温度提供洞察。数据显示，在一个相对较小的区域内，有7种不同的小气候，其天气条件各不相同，这显然会影响供热能源的需求。气象站将数据发送到维萨拉预测引擎，该引擎使用先进的机器学习来生成精确的天气预报。维萨拉城市和工业系统负责人HannamariJaakkola解释道:“这可以提前优化供暖供应，并避免在加热系统中的水方面超支。通过将预测与实际天气条件进行比较，机器学习不断改进模型，从而不断变得越来越准确。”Fortum将继续利用这些数据来改善供热网络，并减少化石燃料的使用。天气数据的重要性也需要从大局来看。区域供暖系统越优化、越高效，埃斯波就越有能力减少对化石燃料的依赖，从而增强其弹性和可持续性，并减轻气候变化的影响。处于气候行动前线的城市城市是碳的主要排放源，因此处于气候变化的最前沿。正如Jaakkola所言，虽然它们是问题的一部分，但“它们也是治疗的一部分”。埃斯波市和该项目表明，只要有正确的智慧城市基础设施和人、组织和技术组成的生态系统，城市就可以确保自己处于对抗气候变化的前沿。这些案例研究显示了一个城市在包括交通、环境、城市空间、能源以及健康和幸福在内的关键领域可能取得的胜利数量。这些共同提高了公民的生活质量，同时也是建设更适应未来、更具弹性和可持续发展的城市的主要支柱。