التهديد المتزايد بالطقوس القصوى للجودة الحضرية

كما أن تغير المناخ يعيد تشكيل أنماط الطقس في جميع أنحاء العالم، مما يتسبب في أن تصبح الأحداث المتطرفة أكثر تواتراً وشدة، كما أن موجات الأشعة الحرارية، وحالات الجفاف الشديد، والعواصف العنيفة تصيب الآن بقدر أكبر من الانتظام، وتؤثر آثارها على البيئات الحضرية، ومن أهم العواقب التي تكثر فيها المادة التي كثيراً ما تُعدّل نوعية الهواء داخل المدن، وفي أثناء موجة حرارية، على سبيل المثال، تعثرت ظروف ملوث الفم.

وهذه المضاعفات من التلوث ليست غير مريحة فحسب، بل إنها تشكل مخاطر صحية خطيرة، إذ أن ارتفاع مستويات الأوزون وغرامة الجسيمات (الآفات المتعددة الأطراف)()(2).) يرتبط بالأمراض التنفسية وأمراض القلب والأوعية الدموية، والدخول في المستشفيات، والوفيات المبكرة، إذ أن الفئات السكانية الضعيفة، بما فيها الأطفال والمسنين، والأشخاص الذين يعانون من ظروف متطرفة، لا تزال عرضة لخطر التلوث.

لماذا النماذج الافتراضية أساسية للصحة العامة والتخطيط

ويمكن للتنبؤات الدقيقة بتلوث الهواء خلال الأحداث الجوية الشديدة أن تتيح استجابة استباقية بدلا من أزمة تفاعلية، ويمكن للمدن أن تصدر المشورة الصحية، وأن توصي بإغلاق المدارس، وأن تعدل أنماط حركة المرور، وأن تخفض مؤقتا الانبعاثات الصناعية عندما تشير النماذج إلى حدوث موجة تلوث وشيكة، وعلى سبيل المثال، إذا كان من الممكن أن تؤدي التوقعات النموذجية بأن الموجة الحرارية إلى تجاوز مستويات الأمان قبل يومين، فإن وكالات النقل العام يمكن أن تقدم توصيلات مجانية لتثبيطيحات عن طريق الرعاية الخاصة.

وبالإضافة إلى الحماية الصحية الفورية، فإن النماذج التنبؤية تسترشد أيضاً بالتخطيط الحضري الطويل الأجل، إذ إن تحديد الأحياء الأكثر عرضة للتلوث خلال فترات متطرفة محددة من الأحوال الجوية، يمكن للمخططين أن يرتبوا أولويات البنية الأساسية الخضراء - مثل زراعة الأشجار والأسطح الخضراء - التي تساعد على تهدئة ملوثات الهواء والمرشحات، كما أن النماذج تساعد أيضاً في تصميم بروتوكولات الاستجابة لحالات الطوارئ من أجل الأحداث المشتركة، مثل إطلاق النار البرية الذي تليه عواصفة، حيث تظل ظروف التخمينية أكثر من حيث تكون نوعية الهواء دون التنبؤات موثوقة.

العناصر الأساسية لنموذج إرشادي لجودة الهواء

ويتطلب بناء نموذج تنبؤي يُتوقع بشكل موثوق وجودة الهواء أثناء الطقس المتطرف تكامل مسارات البيانات المتنوعة وفهم التفاعلات المعقدة بين الأرصاد الجوية والانبعاثات والكيمياء الجوية، والمكونات التالية هي عناصر أساسية.

الظواهر الجوية المتغيرة ودورها

إن ظروف الأرصاد الجوية هي المحرك الرئيسي للنقل والتحويل والتراكم الملوثين، إذ تؤثر الحرارة على معدل ردود الفعل الكيميائية التي تنتج الأوزون، كما أن سرعة الرياح واتجاهها يحددان ما إذا كانت الملوثات تغرق أو تحاصر في منطقة محلية، كما أن الرطوبة تؤثر على نمو جسيمات الهباء الجوي، كما أن استقرار الغلاف الجوي - اتجاه مقاومة التقلبات الجوية الرأسية - هو أمر بالغ الأهمية أثناء التحولات الحرارية.

قوائم جرد الانبعاثات والمصادر الدينامية

ولا تتوقف نوعية الهواء على الطقس فحسب، بل إن كمية ونوع الملوثات المنبعثة إلى الغلاف الجوي بشكل هائل، وتوفر قوائم جرد الانبعاثات تقديرات لمصادر التلوث، بما في ذلك المركبات، ومحطات الطاقة، والمرافق الصناعية، والتدفئة السكنية، وأنشطة البناء، ويمكن أن تتغير أنماط الانبعاثات أثناء الأحوال الجوية القصوى: إذ أن المزيد من الناس يستخدمون تكييف الهواء أثناء موجات الحرارة، وزيادة انبعاثات محطات توليد الطاقة؛ وقد يؤدي هذا الارتفاع إلى الحد من حركة المرور، بل إلى زيادة معدلات تغيرات في نماذج الاستهلاك العضوية المتقلبة.

بيانات التلوث التاريخي والاعتراف بالأدوات

ولا يمكن بناء نموذج معين دون خط أساس من الملاحظات السابقة، إذ أن بيانات رصد نوعية الهواء التاريخية من محطات أرضية، التي كثيرا ما تدار من قبل الوكالات البيئية مثل شبكة الهواء التابعة لوكالة حماية البيئة التابعة للولايات المتحدة () تشير إلى أن مستويات قياس درجة الحرارة غير المستقرة في المدينة يمكن أن تتجاوز باستمرار مستويات الحرارة الدفترية (2).5، وتدريس نماذج التلوث في الماضي.

العوامل الجغرافية المكانية ومورفيولوجيا المناطق الحضرية

وتؤثر المخططات المادية للمدينة على كيفية تفرق الملوثات. وتخلق مجموعات المباني الكثيفة علب الشوارع التي تحرق صمامات العادم؛ ويمكن للمتنزهات وهيئات المياه أن تعتدل درجة الحرارة وتشجع على تهوية أفضل.() ويؤثر ارتفاع وقرب السواحل على أنماط الرياح المحلية، ويتزايد إدراج نماذج استخدام الأراضي ومؤشرات الغطس التي تستخدمها السواتل، ونماذج بناء ذات ثلاثة مستويات لتصحيح هذه الآثار.()

منهجيات بناء النماذج الافتراضية

وقد وضع الباحثون مجموعة متنوعة من النهج للتنبؤ بجودة الهواء الحضري خلال الأحوال الجوية القصوى، وكل منها له مواطن القوة والقيود.

النهج الإحصائية

وقد استخدمت أساليب إحصائية تقليدية مثل الانحدار الخطي المتعدد، والمتوسط المتكامل للتحرك آليا، والنماذج المضافة العامة لعدة عقود، وهذه التقنيات قابلة للتفسير والكفاءة الحسابية، وهي تعمل جيدا عندما تكون العلاقة بين الطقس والتلوث مستقرة نسبيا، غير أن الأحداث الجوية الشديدة كثيرا ما تستحدث ظروفا متلازمة خارج النطاقات التاريخية، مما يكسر افتراضات التسلسل الحراري والقوام.

تقنيات التعلم في مجال الآلات

(ب) أن تتعلم الشبكات العصبية، ولا سيما هياكل التعلم العميق مثل شبكات الذاكرة القصيرة الأجل الطويلة المدى والشبكات العصبية المولدة للثورة، يمكن أن تلتقط معالم مؤقتة وأنماط مكانية، وأن تشمل هذه النماذج التنبؤية الكثير من أنواع التحفُّظ.

النماذج الهجينة وأساليب التجمع

ولا يوجد نهج واحد مثالي، فالنماذج الهجينة تجمع بين المحاكاة الجوية القائمة على الفيزياء مع إدخال تصويبات على التعلم الآلي، وتتمثل استراتيجية مشتركة في إدارة نموذج محدد للكيمياء والنقل، مثل نموذج نوعية الهواء المتعدد النطاق المجتمعي - لإعداد توقعات من الدرجة الأولى، ثم استخدام نموذج للتعلم الآلي لتصحيح التحيزات القائمة على نماذج تاريخية.

استيعاب البيانات وتحديثها في الوقت الحقيقي

وتفقد المقاييس الدقة مع تغير الظروف، وتشتمل تقنيات استيعاب البيانات على ملاحظات آنية من محطات الرصد والمجسات المنخفضة التكلفة لتحديث الدول النموذجية، وتُستخدم مرشحات كالمان وأساليب مختلفة في التنبؤ بالطقس، وتُكيَّف حسب نوعية الهواء، وعندما يبدأ التنبؤ بالأوزون من القياسات الفعلية، فإن استيعاب البيانات يُعدّل النموذج على المسار الصحيح.

مصادر البيانات وتحديات التكامل

شبكات الرصد الأرضية

أما العمود الفقري لبيانات نوعية الهواء فهو شبكة محطات الرصد التنظيمية التي تديرها الوكالات الحكومية، وهذه المحطات توفر قياسات دقيقة ومستمرة جداً للملوثات المعيارية، وفي الولايات المتحدة، فإن نظام نوعية الهواء التابع لوكالة حماية البيئة () يمكن أن يسجل هذه البيانات في محفوظات، غير أن المحطات غالباً ما تكون متفرقة، ولا سيما في البلدان النامية أو المناطق الريفية، وقد لا تلتقط الصور.

الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل

وتعطي السواتل نظرة واسعة النطاق، وقياس العمق البصري للهيروسول، وأعمدة ثاني أكسيد النيتروجين، ومؤشرات أخرى من الفضاء، إذ أن أدوات مثل " القرار الحديث " الذي يُستخدم فيه المقياس الشعاعي للصدمات الجوية، و " أداة الرصد الجوي " (TROPOMI) يمكن أن توفر تغطية عالمية، ويمكن أن تسد البيانات الساتلية الثغرات بين المحطات الأرضية، وهي مفيدة بوجه خاص لتتبع نقل الدخان أو الغبار من مصادر بعيدة.

IoT and Low-Cost Sensors

إن انتشار أجهزة الاستشعار ذات التكلفة المنخفضة (مثلاً، PurpleAir، بلاتووير) وأجهزة الاستشعار الغازية قد فتحت حدوداً جديدة للرصد فوق الصوتي، وهذه الأجهزة يمكن أن توزع في شبكات الكثافة، وتكشف عن أنماط التلوث على مستوى الشارع، وقد تؤدي دراسة قياس الموجات الحرارية في مدينة مثل أوكلاند، كاليفورنيا، إلى حدوث حساسيات منخفضة التكلفة من حيث الارتداد الحراري.

نوعية البيانات والثغرات

والعقبة الكبرى التي تحول دون بناء نماذج تنبؤية قوية هي الافتقار إلى بيانات عالية الجودة خلال الأحداث الجوية البالغة الشدة، والأحداث الكبيرة نادرة، ومن ثم فإن السجلات التاريخية تتضمن أمثلة قليلة، وهذا الاختلال يجعل من الصعب على نماذج التعلم الآلاتي تعلم أنماطاً موثوقة بالنسبة لأخطر السيناريوهات، وعلاوة على ذلك، قد تفشل محطات الرصد أثناء الأحوال الجوية القصوى بسبب انقطاع الكهرباء أو التلف المادي، ويمكن أن تؤدي الثغرات في البيانات إلى نماذج تقلل من تركيزات القصوى.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وتنتقل النماذج الافتراضية من البحث إلى الاستخدام التشغيلي في مدن كثيرة، وفي لندن تستخدم شبكة نوعية الهواء مزيجا من التنبؤات الجوية ونماذج الانبعاثات لإصدار توقعات يومية للتلوث، وخلال الموجة الحرارية التي حددت درجات حرارة قياسية في تموز/يوليه 2022، يتوقع النموذج مستويات الأوزون التي تتجاوز 200 ميكروغرام/م3 قبل ثلاثة أيام، وقد قامت السلطات بتفعيل نهج " الانذار بالهبوط المرتفع " ، وأخطر على الأفراد الضعفاء بتقليل النشاط الخارجي.

In Beijing, scientists have developed machine learning models that integrate satellite AOD, meteorological data, and ground PM2.5] to predict severe winter haze events. A 2023 study published in ] Atmospheric Environment showed that an LSTM-based model could predict PM[FT.5 accuracy:

ومن التطبيقات الواعدة الأخرى استخدام نماذج التنبؤ بالتصميم الحضري " غير المكيف " ، فعلى سبيل المثال، استخدمت مدينة باريس بيانات تاريخية عن نوعية الهواء والإسقاطات المناخية لتحفيز الكيفية التي يمكن بها لشبكة مخططة من الممرات الخضراء أن تقلل من مقياس PM2.5] أثناء موجات الحرارة في المستقبل، وساعدت النماذج المخططين على إعطاء الأولوية للاستثمارات في الأحياء التي تفتقر حالياً إلى الحيز الحر والخضراء.

التغلب على التحديات الرئيسية

ورغم التقدم المحرز، لا تزال هناك تحديات عديدة قبل أن يمكن الوثوق في النماذج التنبؤية في جميع السيناريوهات الجوية البالغة الشدة. Data scarcity] هي الأكثر استمراراً: تعني " ذيل طويل " من الأحداث المتطرفة مجموعات التدريب صغيرة، ويتحول الباحثون إلى نماذج تعلمية مدربة مسبقاً على البيانات من مدينة ما، وتكيفها مع نماذج أخرى للتلوث في الغلاف الجوي المعروفة.

وأخيراً، فإن الاختلاف في مجال التقلبات العامة () يعقّد التنبؤات المكانية، وقد لا تمثل القياسات التي تُتخذ على أحد المباني ظروفاً بعيدة عن بعض الشوارع، ويحتاج النموذج الاستبانة العالية إلى بيانات مفصّلة (مثل ارتفاعات البناء، وإحصاءات المرور) تفتقر إليها مدن كثيرة.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

ومن المرجح أن يدمج الجيل القادم من النماذج التنبؤية معلومات استخباراتية اصطناعية بعمق أكبر مع التكنولوجيا الرقمية المزدوجة، ويمكن أن يؤدي التوأم الرقمي من الغلاف الجوي الحضري، الذي يجري تحديثه باستمرار مع بيانات الاستشعار، إلى تحفيز أثر نوعية الهواء لمختلف التدخلات في الوقت الحقيقي القريب، وعلى سبيل المثال، يمكن لمدير المدينة أن يسأل: " إذا أغلقت هذا الشارع أمام حركة المرور خلال موجة الحرارة غدا، فما هي مستويات الأوزون التي ستنخفض؟"

وثمة حدود أخرى تتمثل في إدراج بيانات علوم المواطنين، ويمكن أن تقدر كاميرات السمفونية العمق البصري للهيروسول، ويمكن للمستشعرات القابلة للارتداء تتبع التعرض الشخصي، ومع مراقبة الجودة المناسبة، يمكن لهذه البيانات التي يزودها الجمهور أن تحسن من التسوية المكانية النموذجية بأقل تكلفة، كما أن التقدم المحرز في الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل، مثل السواتل الثابتة الأرضية القادمة التي تقدم ملاحظات ساعة على المناطق الكبيرة، سيزيد من تعزيز المدخلات النموذجية.

وأخيرا، أصبح التعاون الدولي أكثر شيوعا، ويوفر النظام العالمي لتنبؤات ومعلومات نوعية الهواء التابع للمنظمة العالمية للأرصاد الجوية، ودائرة رصد الغلاف الجوي في كوبرنيكوس () للنظم الإيكولوجية البحرية ) توقعات إقليمية وعالمية يمكن تقليصها للاستخدام المحلي، ومن خلال تقاسم النماذج والبيانات وأفضل الممارسات، يمكن للمدن أن تعجل بوضع أنماط التنبؤات.

إن النماذج الافتراضية لجودة الهواء الحضري أثناء الطقس المتطرف ليست ضرورة فاخرة، فمع استمرار تغير المناخ في التكثيف، ستتوقف صحة الملايين على قدرتنا على التنبؤ بظواهر التلوث قبل حدوثها واتخاذ الإجراءات اللازمة، فجمع التعلم الآلاتي المتقدم، والبيانات العالية الاستبانة، وتكنولوجيات الاستشعار الجديدة، يوفر طريقا لحماية المجتمعات المحلية، ولكنه يتطلب استثمارات مستمرة، وتعاونا متعدد التخصصات، والتزاما بتحويل التنبؤات إلى الوقاية.