北京市大氣可吸入顆粒物影響因素灰色關聯度分析

北京市大氣可吸入顆粒物影響因素灰色關聯度分析

引言
　　
　　可吸入顆粒物大量存在于城市空氣中，具有數目濃度高、停留時間長、輸送距離遠、污染范圍廣的特點，造成嚴重的環境污染，危害人體健康。城市空氣中顆粒物含量的測定和研究已受到高度重視，因此，分析其空間特征及影響因素，對于制定更為有效的可吸入顆粒物污染控制政策具有重要的現實意義。北京屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，四季變化分明，夏季降水集中，冬季降水較少，逆溫發生頻率高，風向、風速、溫度、濕度、降水量等氣象要素都會影響空氣質量水平[1]。顆粒物的濃度取決于源排放、化學轉化、氣象條件和地形地貌特征等[2][3]，其中氣象條件是影響空氣質量的客觀因素。2012 年趙文慧[4]等對北京市城區2012 年夏季PM1.0 、PM3.0 、PM5.0 以及氣象因子的空間分布，比較各氣象因子對顆粒物濃度的影響大小。2012 年范新強[5]等對霧霾條件下氣象因子中與PM10 濃度的關系進行了分析。2012 年北京天氣與往年相比濕度大、雨水多的特點，考慮到各氣象因子之間相互影響的復雜性，并相互關聯，還有一些不很明確的因素，即有已明確的信息，也有不明確的信息，符合灰色系統[6 ]的特征。因此，通過利用灰色相關度理論[6 ]，對北京市冬季霧霾天氣和晴天天氣下可吸入顆粒物濃度與大氣各因素相關程度進行分析，得到較為準確和有用的結論，以便為研究北京市天氣可吸入顆粒物的影響奠定良好基礎。
　　
　　1 計算模型
　　
　　1.1 灰色相關度計算模型
　　灰色關聯分析法[6][7]是通過確定參考數列和若干比較數列之間的關聯系數和關聯度（兩系統或兩因素間關聯性大小的量度），尋找系統中各因素的關系，來對該系統的發展變化態勢進行定量比較，找出影響目標值的重要因素。
　　
　　1.2 數據初始化處理
　　對于進行灰色相關度比較的系統中，各個相比較的因素之間必須具有可比性，尤其對于采用數學公式的方法進行計算的情況。為了提高計算的準確度和可信度，要求對各個比較的因素進行初始化處理，是各個因素之間的數量級相差不大，或者無量綱。一般通常采用無量綱化處理，無量綱化處理有很多方案，此處采用初值化方法進行初始數據的無量綱化。
　　
　　1.3 計算步驟
　　使用鄧式灰色相關度方法，對北京市天氣因素與可吸入顆粒物進行相關度計算。計算步驟包括數據的無量綱化、差序列求解、最大最小值求解、相關系數求解以及相關度的計算等步驟。 具體的計算流程見。
　　
　　2 算例
　　
　　2.1 初始數據
　　據北京市氣象局環境保護局公布的2012-2012 年北京市天氣污染資料，對北京市冬季晴天和霧霾兩種天氣條件下，各種氣候參數（氣溫，露點，濕度，風速）對顆粒物濃度的影響進行分析。選取典型的天氣因素條件下的可吸入顆粒物濃度PM10 濃度數據[9][10]所示。
　　
　　2.2 初始數據的初始化
　　利用初值化無量綱化公式（2），對北京市冬季晴天天氣和霧霾天氣條件下的氣候因素和可吸入顆粒物濃度進行無量綱化。無量綱化后的數據。
　　按照可吸入顆粒物濃度大小順序對對無量綱后的參量進行排序，比較無量綱后的各天氣因素隨可吸入顆粒物變大的發展趨勢。
　　通過圖可初步看出各影響因素對可吸入顆粒物濃度影響的變化趨勢。由圖2可以看出在北京市晴天天氣條件下隨著可吸入顆粒物濃度的不斷增加，大氣溫度有下降的趨勢，露點有一定的波動但總體為上升趨勢，濕度為波動向下的趨勢，而風速的影響為比較大的震蕩，但總體為上升趨勢。由圖3 可以看出在霧霾天氣條件下各天氣因素與可吸入顆粒物濃度的變化趨勢。與圖2 的變化趨勢相比，風速和露點變化趨勢相似，但濕度與溫度因素隨可吸入顆粒物濃度的變化趨勢有所變化。由圖3 可見，濕度隨可吸入顆粒物濃度的增加為波動上升的趨勢，溫度為波動上升趨勢。從圖2 和圖3 無法準確得出各相關因素與可吸入顆粒物濃度變化的相關量以及相關性的排序，但可以得到北京市冬季晴天天氣條件下和霧霾天氣條件下，各天氣因素對可吸入顆粒物濃度的影響是不同的。
　　
　　2.3 相關系數的計算結果
　　利用中的相關系數公式，對北京市晴天和霧霾兩種天氣條件下天氣因素與可吸入顆粒物濃度之間的相關系數進行計算。計算得到的天氣因素與可吸入顆粒物濃度相關系數見所示。
　　
　　2.4 鄧氏灰色相關度計算結果
　　利用中的相關度計算公式，對北京市晴天和霧霾兩種天氣條件下天氣因素與可吸入顆粒物濃度之間的相關度進行計算。計算得到的天氣因素與可吸入顆粒物濃度相關度見所示。
　　如所示，通過計算得到，在晴天天氣情況下，氣溫、露點、濕度、和風速對北京市顆粒物濃度的關聯度排序為氣溫>露點>濕度>風速。在晴天天氣情況下，溫度因素發揮的較大作用。如所示，在霧霾天氣下對北京市顆粒物濃度的關聯度排序為濕度>露點>氣溫>風速。在霧霾天氣情況下，濕度因素發揮的較大作用。但從數值的角度看，無論是晴天天氣條件下還是霧霾天氣條件下各因素對可吸入顆粒物的影響因子都在0.6~0.8 之間，都是影響北京市可吸入顆粒物濃度的重要的天氣因素。分析結果與趙文慧[4]采用典型相關分析(CCA)對2012 年北京城區夏季PM1.0 、PM3.0 、PM5.0 與氣象因子的空間分布進行分析的結果基本一致。這也也證實了灰色相關度模型的可信性。由此可見，雖然2012 年氣候有其濕度較大的特殊性，但其并沒有改變氣象因子的空間分布。而在霧霾天氣下，更加凸顯了濕度因素發揮的較大作用。
　　
　　3 結果分析
　　
　　在排放源穩定不變的情況下，影響顆粒物在大氣環境中濃度主要原因是顆粒物的擴散強度，其中影響顆粒物擴散強度的天氣因素有溫度，濕度，風速，日照時間，與天氣狀況有關。
　　通過利用鄧式灰色相關度，得到在不同的天氣條件下，各個不同因素對大氣顆粒物濃度變化的影響不同。
　　在晴天天氣條件下，氣溫的影響對大氣中顆粒物濃度的影響是最大的，氣溫溫度越高，大氣中顆粒物的濃度越大。這是因為溫度越高，空氣中的溫度梯度越大，空氣的穩定度越大，大氣擴散系數越小，細顆粒容易集中和團聚，導致顆粒物濃度增大。
　　在霧霾天氣條件下，濕度對大氣中顆粒物濃度的影響較大。因為在霧霾條件下，濕度的大小是大氣擴散系數的主要因素，空氣濕度越大，顆粒物的表面的粘性力越大，在大氣中擴散的阻力變大，導致顆粒不容易擴散，還可能團聚成較大的粒子。
　　
　　4 結論
　　
　　大氣的因素影響顆粒物的濃度分布主要是大氣擴散條件的影響，通過計算得到氣溫、露點、濕度以及風速四個因素對大氣中顆粒物的濃度都有具有較大的影響。通過對冬季兩種天氣條件下的各個因素對大氣中的顆粒物濃度的相關度分析，可以得到：
　�。�1）不同的天氣條件下，各個因素對大氣中顆粒物濃度的影響不同；
　�。�2）晴天條件下，溫度對顆粒物濃度的影響最大，霧霾天氣條件下，濕度對顆粒物濃度的影響最大；
　�。�3）隨著空氣濕度的增大，霧霾天氣出現頻率增大，在霧霾天氣下，風速一般都比較小，對大氣的擴散的影響也是最小的；
　�。�4）通過分析得到選取的溫度，濕度，風速，以及露點對大氣中顆粒物濃度相關度相差不大，可以得到這四個因素都是影響大氣中顆粒物濃度的重要因素。
　　通過對北京市可吸入顆粒物污染的程度與影響因子的相關評價研究,能夠客觀反映出北京市空氣可吸入顆粒物污染水平,以及不同條件下受氣象因素影響程度的差異性與相關性,從而有利于城市空氣質量控制與預測,為揭示城市空氣污染機理，并根據其中不同天氣條件下差異性，為提出相應的規劃、緩減對策等提供科學依據。

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　　[參考文獻] (References)
　　[1] 陳添.氣象條件對北京市空氣質量的影響[J].環境保護,2006,5B:46-47.
　　[2] 李宗愷,潘云仙,孫潤橋.空氣污染氣象學原理及應用[M].北京:氣象出版社,1985.85-92.
　　[3] CHOW J C, WATSON J G. PM10 and PM2. 5 composition in California’s San Joaquin Valley[J]. AerosolScience and Technology.1993 18:105-128.
　　[4] 趙文慧,宮輝力,趙文吉,唐濤.北京市可吸入顆粒物的空間分布特征及與氣象因子的CCA 分析[J]. 地理與地理信息科學 2012:1(25),71:74.
　　[5] Fan Xinqiang, Sun Zhaobo, Su Mingfeng. A New Method to Discern Haze using Meteorological Parametersand Air Pollution Factors,[J]. ICISE2012.2012:4650-4656.
　　[6] 鄧聚龍.灰色系統基本方法[M].武漢:華中理工大學出版社,1987.
　　[7] 劉思峰,黨耀國,方志耕.灰色系統理論及其應用[M].北京:科學出版社,2004.
　　[8] 周秀文.灰色相關度的研究與應用[D].吉林大學.2007.
　　[9] 北京市環境保護局.
　　[10] 天氣記錄網.

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