《Environmental Pollution》：Operational forecasting of climate-sensitive ragweed pollen exposure events under delayed and simulated real-time monitoring scenarios in Central Europe
编辑推荐：
摘要短柄葎草（Ambrosia artemisiifolia）是一种对气候敏感的入侵物种，其传播的空气花粉在中欧地区构成重大的过敏原负担。运营性预报受到监测系统设计的限制：传统的希斯特型采样器存在处理延迟，导致无法实时获取数据，而自动化系统则能提供近乎即时获取的数据。本研究在
摘要
短柄葎草（Ambrosia artemisiifolia）是一种对气候敏感的入侵物种，其传播的空气花粉在中欧地区构成重大的过敏原负担。运营性预报受到监测系统设计的限制：传统的希斯特型采样器存在处理延迟，导致无法实时获取数据，而自动化系统则能提供近乎即时获取的数据。本研究在东欧斯洛伐克和捷克的八个城市站点评估了在这两种范式下的超标事件预报，覆盖从短柄葎草高度富集到极少出现的梯度范围。实时情景通过假设希斯特型数据可即时获取来模拟，而非使用自动花粉监测仪的实测数据。研究评估了四种结合了季节、气象及短柄葎草花粉历史预测因子的弹性网络惩罚逻辑回归模型，预报时效为1至7天，采用扩展窗口交叉验证。超标阈值为20花粉/米3（斯洛伐克站点）和5花粉/米3（捷克站点）。预报性能强烈受超标事件发生频率支配。在斯洛伐克站点（频率为8%至17%），最佳实时模型在1天时效的F1分数通常（0.67至0.82）高于最佳延迟报告模型（0.59至0.72）。在捷克站点（频率低于3%），F1分数很少超过0.30，在类别严重失衡的情况下，敏感度（sensitivity）是更具信息量的指标。实时优势随着预报时效延长而逐渐减弱，到第7天时趋于与延迟报告的性能一致。日照时长和最高气温是最稳定的正向预测因子，相对湿度在大多数站点主要呈正向关联，而降水和风速的关联较弱且不稳定。这些发现为开发可适应异构监测基础设施的短柄葎草花粉预警系统提供了可迁移的框架。
引言
常见葎草（Ambrosia artemisiifolia L.，菊科）是一种入侵性致敏植物，在过去几十年里迅速扩散于中欧和东欧（Essl等，2015；Knolmajer等，2024；Hrabovsky等，2024）。这种扩散受到多种环境压力相互作用驱动，包括气候变化、土地利用变化以及大气CO2浓度升高，这些因素预计将进一步增强温带生态系统的花粉产生量与空气中暴露水平（Wayne等，2002；Hamaoui-Laguel等，2015）。因此，短柄葎草已成为一种与气候敏感相关的重要空气中生物污染源，在环境暴露评估中日益受到重视。
A. artemisiifolia的空气花粉具有高度致敏性，显著增加呼吸系统疾病负担，包括过敏性鼻炎、哮喘和结膜炎（Smith等，2014；Turkalj等，2017）。欧洲各地的致敏率差异很大，在潘诺尼亚平原等严重受侵袭地区超过50%（Schaffner等，2020），而花粉季从7月持续至10月，暴露峰值出现在夏末（Sikoparija等，2017）。这些特征使短柄葎草花粉成为重要的环境暴露风险，对公共卫生系统、医疗成本及工作效率均有较大影响。
空气中A. artemisiifolia花粉的时空变异性由本地排放、土地利用、气象条件以及区域大气输送（尤其是来自潘诺尼亚平原）之间的相互作用所控制（Sikoparija等，2009，2013，2017）。这些过程产生了强烈的空间异质性和间歇性高浓度事件，仅凭季节平均值无法捕捉。
人们已开发出多种统计和机器学习方法来建模花粉动态，包括回归模型、时间序列方法以及随机森林和神经网络等非线性算法（Zewdie等，2019；Maya-Manzano等，2021；Vélez-Pereira等，2021）。然而，大多数研究聚焦于连续浓度预测，而从环境暴露角度看，超过临床相关阈值往往对运营性应用更具意义。
确定合适的阈值仍然是一个关键挑战。对于A. artemisiifolia，报告的症状发生浓度范围为5至20花粉/米3（St?palska等，2020）。然而，超标事件的发生频率在站点之间差异显著，在低源区域此类事件本身就很稀少，从而引入类别失衡，可能损害模型性能。因此，超标阈值的选择对暴露评估影响显著，需要针对不同环境中的差异本地暴露格局采用站点特异性阈值。
运营性预报还受到监测系统设计的进一步制约。在欧洲广泛使用的传统希斯特型采样器虽然提供可靠测量，但手工处理导致延迟，限制了实时应用（Oteros等，2020；Buters等，2024）。相比之下，自动化系统可实现近实时报告，支持运营性暴露预报和早期预警系统（Maya-Manzano等，2023；Buters等，2024）。然而，二者在统一建模框架下的对比性能仍缺乏充分探索。
本研究将短柄葎草花粉建模重新界定为一个环境暴露风险评估问题，而非纯粹的预测练习。我们系统地评估了基于超标事件的暴露事件，采用反映异构短柄葎草暴露格局的站点特异性阈值，并在多个预报时效以及两种根本不同的监测范式下进行：延迟的气象生物报告与实时的自动观测。分析覆盖中欧八个城市，包含多样的生物气候条件和短柄葎草种群丰度梯度，从已充分建立源区到本地出现有限的区域。这一空间范围使研究超越站点特异性建模，走向一种可迁移的、用于气候敏感型生物气溶胶污染运营性环境风险预报的框架。这种暴露导向的视角是对连续浓度预测的补充而非取代，后者对于早期预警系统和解析对不同敏感度个体相关的多种暴露类别仍至关重要。
相应地，我们开发并评估了统计模型，用于预测斯洛伐克和捷克（布拉迪斯拉发、班斯卡-比斯特里察、尼特拉、科希策、布尔诺、布拉格、比尔森、利贝雷茨）每日A. artemisiifolia花粉超标事件。共测试了四种建模配置，整合了季节、气象及基于浓度的预测因子。在延迟报告与实时监测条件下，针对1至7天的预报时效评估了性能。本研究旨在：（i）量化在短柄葎草丰度与生物气候环境不同的站点之间的超标预报技能，（ii）评估监测系统设计（延迟与实时）在不同预报时效下对模型性能的影响，以及（iii）识别在异构源条件下支配暴露可预测性的气象和季节预测因子。
章节摘要
研究区域
分析共纳入八个城市气象生物监测站点，四个位于斯洛伐克，四个位于捷克（图1；表1）。表1总结了各站点特性，包括地理坐标、海拔、采样高度以及长期气候平均值。图1中所示的气候包络范围采用年均气温阈值9.4°C加以界定，该值是Hrabovsky等（2024）所确定的取整近似值。
各监测站点短柄葎草花粉季特征
A. artemisiifolia的气象生物花粉季（MPS）在八个监测站点之间表现出显著异质性，无论季节时间还是暴露强度均如此（表2）。斯洛伐克站点记录的花粉负荷明显高于捷克站点，平均季节花粉积分值（SPIn）从科希策的1,344花粉·天/米3到尼特拉的2,560花粉·天/米3，而捷克站点（利贝雷茨和布尔诺）则为80至851花粉·天/米3。斯洛伐克站点每季高暴露天数平均为16至34天，捷克站点为4至19天。
各监测站点短柄葎草暴露异质性
所有站点的气象生物花粉季起始主要发生在8月初至中旬，与A. artemisiifolia在温带中欧的典型开花物候一致（Sikoparija等，2017；??evková等，2024）。相比之下，气象生物花粉季的强度和持续时间表现出明显的异质性，这与短柄葎草种群丰度、土地利用和区域气候的综合影响一致。季节花粉积分值呈现出明显的梯度——从短柄葎草出现极少的地方开始。
结论
本研究在中欧八个监测站点，基于四种统计建模配置和1至7天的预报时效，在延迟报告与实时监测条件下，评估了A. artemisiifolia花粉暴露事件的超标预报。
预报技能总体上随着超标事件发生频率的下降而降低。在斯洛伐克站点（频率为8%至17%），实时模型在1天预报时效的F1分数达到0.67至0.82，通常高于延迟报告模型。
CRediT作者贡献声明
Jozef Ková?：写作——审阅与编辑、验证、形式化分析。Ond?ej Rybní?ek：写作——审阅与编辑、数据整理。Janka Lafférsová：写作——审阅与编辑、数据整理。Jana ??evková：写作——初稿撰写、验证、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。
资金来源
本研究由斯洛伐克科学与技术资助机构（VEGA，布拉迪斯拉发）资助，项目编号1/0144/27。
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些情形可能影响本论文所报告的工作。
致谢
作者感谢斯洛伐克水文气象研究所和捷克水文气象研究所提供本文使用的气象数据。
Jana ??evková|Janka Lafférsová|Ond?ej Rybní?ek|Jozef Ková?
康斯坦丁诺·尼基季耶夫大学（Comenius大学），自然科学学院，植物学系，Révová 39, 811 02 布拉迪斯拉发，斯洛伐克
