鄭州PM5污染水平及時(shí)空分布特征研究

1、鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1概述1研究背景1國(guó)內(nèi)外對(duì)空氣中細(xì)顆粒物的研究現(xiàn)狀 1國(guó)內(nèi)外環(huán)境空氣中顆粒物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 1環(huán)境空氣中顆粒物濃度變化特征研究概述 3研究?jī)?nèi)容與方法4研究?jī)?nèi)容4研究方法5研究目的與意義5研究目的5研究意義6 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2細(xì)顆粒物PM2.5內(nèi)涵與形成機(jī)理7 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 3鄭州市AQI指標(biāo)變化規(guī)律 8AQ

2、I相關(guān)信息8AQI 簡(jiǎn)介8AQI等級(jí)劃分8AQI評(píng)價(jià)方法 9鄭州市AQI變化規(guī)律10PM2.5年際變化規(guī)律 10大顆粒物質(zhì)年際變化規(guī)律11CO年際變化規(guī)律 13NO2年際變化規(guī)律13SO2年際變化規(guī)律14鄭州市AQI指標(biāo)污染程度分析 15 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 4鄭州市PM2.5污染空間時(shí)間劃分 17鄭州市PM2.5污染空間劃分 17鄭州市PM2.5污染時(shí)間劃分 19 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 5鄭州市PM2.5濃度相關(guān)性分析 20鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研

3、究 TOC o 1-5 h z 相關(guān)性分析原理20灰色關(guān)聯(lián)度分析21數(shù)據(jù)處理21關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算22灰色關(guān)聯(lián)度分析22線性回歸分析驗(yàn)證23回歸分析原理23多元線性回歸模型24回歸模型驗(yàn)證25結(jié)論和分析26 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 6供暖期PM2.5小波分析27數(shù)據(jù)的來(lái)源與處理 27供暖期PM2.5濃度變化分析 27供暖期PM2.5濃度與正常時(shí)期比較 28結(jié)論30 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 7、小波分析在供暖期 PM2.5相關(guān)性分析中的應(yīng)用 31小波函數(shù)的選擇31供暖期PM2.5濃度

4、變化分析 31供暖期PM2.5小波分析 32PM10、CO、NO2、SO2主周期的確定 33PM2.5相關(guān)性分析 34結(jié)論與分析36 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 8鄭州市PM2.5治理建議與展望 38本項(xiàng)目研究結(jié)論總結(jié) 38關(guān)B州市PM2.5治理建議 39關(guān)B州市PM2.5治理展望 39 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 參考文獻(xiàn)40鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究1概述研究背景在我國(guó)快速發(fā)展的城市化進(jìn)程中，空氣污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，其中可吸入細(xì)顆粒 物，尤其是PM2.5已成為

5、眾多城市大氣環(huán)境的首要污染物之一。顆粒物本身含有許多 有毒有害的物質(zhì)，研究表明，大氣顆粒物是導(dǎo)致人類死亡率上升的重要原因之一，同 時(shí)也是導(dǎo)致全球氣候變化、煙霧事件、破壞等重大環(huán)境問(wèn)題的重要因素1,目前，顆粒物污染是全國(guó)各大中型城市大氣污染的首要問(wèn)題。而我國(guó)僅在北京、廣州等大城市有 較系統(tǒng)的顆粒物研究，一些中小城市還尚未開(kāi)展研究。鄭州市作為河南省會(huì)，是我國(guó) 具有代表性的中等城市。近年來(lái)，城市工業(yè)、基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展非常迅速，城市人口和機(jī) 動(dòng)車(chē)保有量飛速增長(zhǎng)，給大氣環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重壓力，空氣污染問(wèn)題日益突出，主要表 現(xiàn)在：城區(qū)空氣環(huán)境非常脆弱，而且質(zhì)量不穩(wěn)定，大氣環(huán)境中顆粒物濃度飛速升高， 持續(xù)的霧霾天氣

6、，讓鄭州陷入了十面“霾”、伏。顆粒物的類型也有過(guò)去的煤煙型發(fā) 展為以煤煙、二次揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、餐飲油煙等為特征的復(fù)合型污染，污染物的來(lái) 源很復(fù)雜。鑒于鄭州市空氣中細(xì)顆粒物的污染日益嚴(yán)重，已影響了人們的日常生活和身體健 康。本項(xiàng)目順應(yīng)當(dāng)前緊迫的形勢(shì)，對(duì)鄭州市大氣環(huán)境中細(xì)顆粒物（PM2.5）展開(kāi)研究，探索經(jīng)濟(jì)而有效的顆粒物控制策略，具有非常重要的實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)空氣中細(xì)顆粒物的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外環(huán)境空氣中顆粒物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境空氣中的顆粒物（又稱為氣溶膠）是一類懸浮于大氣環(huán)境中的呈液態(tài)或固態(tài) 的粒子，由于在城市大氣中巨大的數(shù)量、復(fù)雜的成分、多變的性質(zhì)而被視為大氣環(huán)境 中危害最大的污染物之一。為此，國(guó)外

7、一些發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、日本等）早在 20世紀(jì) 70年代就開(kāi)始研究大氣顆粒物污染，先后對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物的濃度限值作了規(guī)定， 而且隨著人們生活水平的提高，以及檢測(cè)技術(shù)水平的進(jìn)步，及時(shí)調(diào)整和更新顆粒物濃 度限值。例如美國(guó)在1971年就將空氣中顆粒物濃度限值寫(xiě)進(jìn)了美國(guó)國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)將顆粒物（PM10）年均濃度限值定為兩級(jí)，分別為 75mg/m3和60mg/m3,日均值濃度限值分別為260 mg/m3和150 mg/m3,隨著科技進(jìn)步，美國(guó)在1997年就將標(biāo)準(zhǔn)中“顆粒物（PM10） ”變成“細(xì)顆粒物（PM2.5） 網(wǎng)。中國(guó)在大 氣顆粒物研究方面起步較晚，直至 1996年才在我國(guó)的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

8、中規(guī)定了 PM10的鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究濃度限值。如今顆粒物 PM10已成為世界各國(guó)，尤其是發(fā)展中國(guó)家首要控制的大氣污 染物。表1.1中國(guó)PM10空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與 who空氣質(zhì)量準(zhǔn)則的對(duì)比（單位：Ng/m3）項(xiàng)目一級(jí)1WHOWHO標(biāo)準(zhǔn)值目標(biāo)1目標(biāo)2目標(biāo)3二級(jí)三級(jí)日均濃度限值501502501510755000年均濃度限值4010015070503020國(guó)家、地區(qū)、膽織圖1.1國(guó)內(nèi)外PM10環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)表1.1是中國(guó)PM10空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與 WHO空氣質(zhì)量準(zhǔn)則的對(duì)比表，圖1.1是包括WHO、美國(guó)、歐盟、日本、中國(guó)的香港和臺(tái)灣及中國(guó)大陸地區(qū)等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外PM10環(huán)境空氣質(zhì)

9、量年均值、日均值和小時(shí)均值的對(duì)照?qǐng)D。從表 1.1與圖1.2結(jié)合可見(jiàn)，中國(guó) 目前執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)還處于較低的水平。雖然日均值一級(jí)濃度限值與WHO準(zhǔn)則的濃度限值相同，但是年均值一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值濃度則是WHO年均值一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值濃度的兩倍，而且一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)僅僅適用于一些國(guó)家自然保護(hù)區(qū)及風(fēng)景優(yōu)勝地區(qū)，適用范圍較窄。目前 我國(guó)各城市普遍使用的是環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，濃度限值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值很多（日均值是3倍，年均值為5倍），而三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相距更大（分別為 5倍和7.5倍）（如 表1.1所示）O鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究隨著對(duì)顆粒物研究的深入，尤其是顆粒物的治病機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒物更容 易引起健康方面

10、的問(wèn)題。因此，許多國(guó)家將更細(xì)微的顆粒物列入環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，美國(guó)EPA在1997年將環(huán)境空氣中PM2.5濃度限值的年均值和日均值分別定為 15 mg/m3和35 mg/m3, WHO準(zhǔn)則值中的年均濃度限值與日均濃度限值分別為10mg/m3和25 mg/m34。直到2012年2月29日，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部公布了新修訂的環(huán)境空氣質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012）,本次修訂的主要內(nèi)容：調(diào)整了環(huán)境空氣功能區(qū)分類，將三類區(qū)并入二類區(qū)；增設(shè)了顆粒物（粒徑小于等于2.5 pn度限值和臭氧8小時(shí)平均濃度限 值；調(diào)整了顆粒物（粒徑小于等于10仙m）二氧化氮、鉛和苯并（a）正等的濃度限值；調(diào) 整了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性

11、規(guī)定。與新標(biāo)準(zhǔn)同步還實(shí)施了環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）（HJ6332012）。新標(biāo)準(zhǔn)中，首次將產(chǎn)生灰霾的主要因素 一一對(duì)人類健康危 害極大的細(xì)顆粒物 PM2.5的濃度指標(biāo)作為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定細(xì)顆粒物（粒徑小于等于2.5 m）年平均一級(jí)、二級(jí)濃度限值分別是 15Ng/m3、35Ng/m3 ; 24 小時(shí)平均一級(jí)、二級(jí)濃度限值分別是 35Ng/m3、75Ng/m35。細(xì)顆粒物（PM2.5）已引 起我國(guó)研究學(xué)者的重視，對(duì)其研究也越來(lái)越多。環(huán)境空氣中顆粒物濃度變化特征研究概述在國(guó)外，L.cheng等研究了加拿大的阿爾伯達(dá)農(nóng)村大氣顆粒物的變化特征。X.Querol等研究了西班牙

12、農(nóng)村、城市和工業(yè)區(qū) TSP和PM10的污染水平。Sergio Rodriguez等對(duì)西班牙東部郊區(qū)、城市和工業(yè)區(qū)PM102.5的貢獻(xiàn)率進(jìn)行了研究。Kuang Ling Yang研究了臺(tái)灣大氣中PM10濃度隨時(shí)間和空間的變化特征。 Ying I等 對(duì)臺(tái)灣南部城市大氣中汞和神的時(shí)間特征進(jìn)行了研究。Christoph Hueglin等對(duì)瑞士城市、近郊和農(nóng)村的PM10、PM2.5和總顆粒物質(zhì)的化學(xué)特性進(jìn)行了研究，并考慮了空氣 濕度對(duì)它們的影響。Preetha S.Pillai研究了熱帶海洋地區(qū)PM10和PM2.5的濃度變化。在國(guó)內(nèi)，王宇駿研究了廣州市 PM10污染的季節(jié)性變化和污染水平。關(guān)共湊分析 了

13、佛山禪城區(qū)可吸入顆粒物的日變化、季節(jié)變化以及空間分布特征。鄧朝祥分析了三 明市區(qū)可吸入顆粒物的污染現(xiàn)狀并提出了可吸入顆粒物的防治對(duì)策。王葛慧等研究了 南京城市大氣中PM10和PM2.5的水溶性物質(zhì)的特征。陳建發(fā)找出了福州市環(huán)境空氣 中PMI10和TSP相關(guān)關(guān)系的變化規(guī)律。王京麗圈研究了細(xì)粒子的化學(xué)組成特征及日變 化特征。馬廷分析了氣候因子對(duì) PM10時(shí)空濃度變化的影響。Yele Sun等研究了北京大 氣中PM10和PM2.5的濃度、化學(xué)組成、粒徑分布和來(lái)源。樊曙先等分析了銀川市大鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究氣可吸入顆粒物的質(zhì)量濃度變化特征。張凱、柴發(fā)合、張新民等利用膜采樣！顆

14、粒在線稱重方法和維薩拉氣象儀對(duì) 2004和2006年秋季嘉興大氣中PM2.5及氣象因子進(jìn)行了 分析。梁明易、董林、陶俊等收集了 2005年12月至2006年2月的PM2.5濃度觀測(cè)數(shù) 據(jù)及同步氣象數(shù)據(jù)，分析了冬季PM2.5質(zhì)量濃度日變化趨勢(shì)以及霾日期間 PM2.5質(zhì)量濃 度日變化和小時(shí)變化趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外眾多的研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物的濃度與溫度、濕度、風(fēng)速和所處區(qū)域等都有密 切關(guān)系。一般情況下，溫度升高，顆粒物運(yùn)動(dòng)加快，對(duì)顆粒物的擴(kuò)散有利，在環(huán)境空 氣中顆粒物濃度會(huì)降低。濕度降低，風(fēng)速增加也會(huì)加快顆粒物的擴(kuò)散。因此，環(huán)境空 氣中顆粒物（TSP、PM10、PM2.5）總質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，即春冬

15、季最 高，夏季最低6171819o各功能區(qū)環(huán)境空氣中顆粒物濃度表現(xiàn)為商業(yè)區(qū)、交通區(qū)、居民區(qū) 的較高，這顯然與人為活動(dòng)、機(jī)動(dòng)車(chē)輛排放密切相關(guān)。但是，我們也不難發(fā)現(xiàn)，對(duì) PM2.5的研究具有地區(qū)性，大都集中對(duì)于一個(gè)地區(qū)進(jìn) 行研究，而對(duì)于鄭州市細(xì)顆粒物特征的研究還很少。另外，學(xué)者們對(duì)于PM2.5成因及演變規(guī)律的研究不具有普遍性，而對(duì) AQI6個(gè)指標(biāo)相互關(guān)系沒(méi)有進(jìn)行探索，于是在 AQI 6個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中，確定 PM2.5與其他指標(biāo)關(guān)系，對(duì)分析 PM2.5相關(guān)因素、成因和防治 都有積極作用。而鄭州屬于典型的二線城市，基礎(chǔ)薄弱，環(huán)境壓力大，適合對(duì) pm2.5 進(jìn)行研究。1.3研究?jī)?nèi)容與方法研究?jī)?nèi)容根據(jù)國(guó)家

16、兩型社會(huì)”建設(shè)和創(chuàng)建 國(guó)家環(huán)保模范城市”的要求，提高城市環(huán)境空氣質(zhì) 量，改善市民居住環(huán)境，解決日趨嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題。本項(xiàng)目主要利用鄭州市 PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)公布數(shù)據(jù)，并與鄭州市天氣狀況數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究鄭州市大 氣中細(xì)顆粒物（PM2.5）污染水平及時(shí)空分布特征，探索 PM2.5與氣象條件的相關(guān) 性，及氣象條件對(duì)于其濃度遷移、稀釋等影響。揭示 PM2.5成因、演變等的一般規(guī) 律，從而為鄭州市大氣污染控制和治理提供有利的建議和措施。其研究?jī)?nèi)容主要有：1、研究空氣中細(xì)顆粒物 PM2.5的內(nèi)涵，分析鄭州市PM2.5的現(xiàn)狀及其成因、影響 因素等，探索該地區(qū)PM2.5的污染水平。2、基于鄭州市20

17、122013年空氣質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、可吸入顆粒物PM10、細(xì)顆粒物PM2.5、臭氧O3和一氧化碳CO等，分析PM2.54鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究（含量）與其它5項(xiàng)分指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)污染物（含量）之間的相關(guān)性及其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行 分析。3、基于鄭州市2013 2014年的氣象條件數(shù)據(jù)，包括風(fēng)力、溫度及季節(jié)等，刻畫(huà)鄭州地區(qū)PM2.5的發(fā)生和演變（擴(kuò)散與衰減等）規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，描述鄭州市 PM2.5 的發(fā)展規(guī)律。4、以鄭州地區(qū) PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最高的一天為例，利用所建立的模型描述該地區(qū) PM2.5濃度遷移、稀釋的規(guī)律，并推測(cè)該大重度污染和可能安全區(qū)域。

18、5、采用適當(dāng)方法檢驗(yàn)本項(xiàng)目所建立模型和采用的方法合理性，并根據(jù)已有研究成 果探索PM2.5的成因、演變等一般性規(guī)律。6、提出有利的建議和措施控制和治理鄭州市大氣污染，以期能有效抑制鄭州霧霾 天氣的出現(xiàn)頻率。研究方法1、通過(guò)網(wǎng)上資源，收集相關(guān)資料，查閱大量論文文獻(xiàn)，充分了解PM2.5的相關(guān)研究，充實(shí)本項(xiàng)目的研究。2、采用DPS、MATLAB等數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行相 關(guān)性分析及建立有效模型。3、通過(guò)層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等綜合評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)各地區(qū)、各時(shí)段的污染情況。1.4研究目的與意義研究目的我國(guó)顆粒物污染程度很高，是很多北方城市的首要污染物。可吸入顆粒物參與了由 燃煤、機(jī)動(dòng)車(chē)

19、尾氣以及揚(yáng)塵 3種污染相互作用而形成以大氣氧化性增強(qiáng)、二次污染物 復(fù)雜為特征的復(fù)合型空氣污染。目前，很多城市 PM 2.5日平均質(zhì)量濃度均超過(guò) 100Ng/m3。PM 2.5細(xì)顆粒不僅含有大量的有機(jī)和有毒金屬成份，而且比粗顆粒更能夠 進(jìn)入人體并滯留在體內(nèi)，嚴(yán)重危害人類健康。本項(xiàng)目調(diào)查2013-2014年鄭州市大氣污染狀況及大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，分析主要污染物 （PM2.5）和當(dāng)?shù)貧庀髼l件（風(fēng)速、風(fēng)向、濕度）的相關(guān)性，以及分析PM2.5濃度與其他AQI指標(biāo)的相關(guān)性，綜合國(guó)內(nèi)外大氣污染防治方法和措施，為鄭州市大氣污染的 防治工作提供有利的基礎(chǔ)資料和更為經(jīng)濟(jì)的大氣污染防治措施。也為其他城市的大氣 污染治理工

20、作提供有利的參考價(jià)值。鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究研究意義鄭州市由于人口稠密，工業(yè)集中，交通擁擠，能源的大量消耗等因素，造成城市氣候要素改變，導(dǎo)致空氣嚴(yán)重惡化，尤其以細(xì)顆粒物（PM2.5）的污染水平更嚴(yán)重，年平均值超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。大氣中常年有大量的懸浮顆粒物及灰塵，不僅導(dǎo)致整個(gè)城市的可見(jiàn)度降低，更嚴(yán)重影響了城市居民的健康水平。分析鄭州市細(xì)顆粒物時(shí)空分布及 其余氣象條件的相關(guān)性，如何更有效地、更經(jīng)濟(jì)的控制大氣污染，是一項(xiàng)十分重要而 又緊迫的任務(wù)。因此如何在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)外大氣污染先進(jìn)治理經(jīng)驗(yàn)， 防治大氣污染，保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)人民身心健康具有重要意義。

21、鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究2細(xì)顆粒物PM2.5內(nèi)涵與形成機(jī)理PM是顆粒物（particulate matter）的英文縮寫(xiě)，又稱塵，指大氣中的固體或顆粒狀物 質(zhì)。PM2.5是指空氣中直徑小于等于 2.5 Nm的可吸入顆粒物，也稱為細(xì)顆粒物或可入 肺顆粒物，由于富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)， 因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響非常大。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，大約是一根頭發(fā)絲的1/2050PM2.5的形成機(jī)理和過(guò)程比較復(fù)雜，主要來(lái)源有自然源（植物花粉和抱子、土壤 揚(yáng)塵、海鹽、森林火災(zāi)、火山爆發(fā)等）和人為源（燃燒燃料、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排

22、放、交 通運(yùn)輸排放等），可以分為一次顆粒物（即由排放源直接排放到大氣中的顆粒物）和 二次顆粒物（即通過(guò)與大氣組成成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成的顆粒物）。PM2.5的成分主要由水溶性離子、顆粒有機(jī)物和微量元素等組成。一般而言，粒徑 2.5微米至10微 米的粗顆粒物主要來(lái)自道路揚(yáng)塵等；2.5微米以下的細(xì)顆粒物（PM2.5）則主要來(lái)自化石燃料的燃燒（如機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、燃煤）、揮發(fā)性有機(jī)物等。鄭州市大氣環(huán)境細(xì)顆粒物的污染水平已十分嚴(yán)重，年均值遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并長(zhǎng) 期名列前茅。關(guān)B州市2012年已設(shè)置九個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始對(duì) PM2.5進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)報(bào)工作，但 缺乏科學(xué)系統(tǒng)的分析。城市建設(shè)快速發(fā)展的同時(shí)，人為污染源造成的顆

23、粒物污染問(wèn)題 不可忽視。細(xì)顆粒物PM2.5是我國(guó)目前和未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間大氣污染控制的重點(diǎn)。鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究3鄭州市AQI指標(biāo)變化規(guī)律AQI相關(guān)信息AQI 簡(jiǎn)介空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index,簡(jiǎn)稱AQI ）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱 指數(shù)。針對(duì)單項(xiàng)污染物的還規(guī)定了空氣質(zhì)量分指數(shù)。參與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要污染物 為細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六項(xiàng)。2012年上半年出臺(tái)規(guī)定，將用空氣質(zhì)量指數(shù)（ AQI）替代原有的空氣污染指數(shù) （API）。AQI共分六級(jí)，從一級(jí)優(yōu)，二級(jí)良，三級(jí)輕度污染，四級(jí)中度污染，直至五 級(jí)重度污染，六級(jí)

24、嚴(yán)重污染。當(dāng) PM2.5日均值濃度達(dá)到150微克/立方米時(shí)，AQI即達(dá) 到200;當(dāng)PM2.5日均濃度達(dá)到250微克/立方米時(shí)，AQI即達(dá)300; PM2.5日均濃度達(dá) 到500微克/立方米時(shí)，對(duì)應(yīng)的AQI指數(shù)達(dá)到500?？諝赓|(zhì)量按照空氣質(zhì)量指數(shù)大小分為六級(jí)，相對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量的六個(gè)類別，指數(shù)越 大、級(jí)別越高說(shuō)明污染的情況越嚴(yán)重，對(duì)人體的健康危害也就越大。AQI等級(jí)劃分根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）（HJ 633-2012）規(guī)定：空 氣污染指數(shù)劃分為 0 50、51 100、101 150、151 200、201300 和大于 300 六 檔，對(duì)應(yīng)于空氣質(zhì)量的六個(gè)級(jí)別，指數(shù)越大，級(jí)

25、別越高，說(shuō)明污染越嚴(yán)重，對(duì)人體健 康的影響也越明顯?？諝馕廴局笖?shù)為0-50,空氣質(zhì)量級(jí)別為一級(jí)，空氣質(zhì)量狀況屬于優(yōu)。此時(shí)，空氣 質(zhì)量令人滿意，基本無(wú)空氣污染，各類人群可正?；顒?dòng)?？諝馕廴局笖?shù)為51-100,空氣質(zhì)量級(jí)別為二級(jí)，空氣質(zhì)量狀況屬于良。此時(shí)空氣 質(zhì)量可接受，但某些污染物可能對(duì)極少數(shù)異常敏感人群健康有較弱影響，建議極少數(shù) 異常敏感人群應(yīng)減少戶外活動(dòng)?？諝馕廴局笖?shù)為101-150,空氣質(zhì)量級(jí)別為三級(jí)，空氣質(zhì)量狀況屬于輕度污染。 此時(shí)，易感人群癥狀有輕度加劇，健康人群出現(xiàn)刺激癥狀。建議兒童、老年人及心臟 病、呼吸系統(tǒng)疾病患者應(yīng)減少長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的戶外鍛煉?？諝馕廴局笖?shù)為151-200,空氣

26、質(zhì)量級(jí)別為四級(jí)，空氣質(zhì)量狀況屬于中度污染。 此時(shí)，進(jìn)一步加劇易感人群癥狀，可能對(duì)健康人群心臟、呼吸系統(tǒng)有影響，建議疾病 患者避免長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的戶外鍛練，一般人群適量減少戶外運(yùn)動(dòng)。鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究空氣污染指數(shù)為201-300,空氣質(zhì)量級(jí)別為五級(jí)，空氣質(zhì)量狀況屬于重度污染。 此時(shí)，心臟病和肺病患者癥狀顯著加劇，運(yùn)動(dòng)耐受力降低，健康人群普遍出現(xiàn)癥狀， 建議兒童、老年人和心臟病、肺病患者應(yīng)停留在室內(nèi)，停止戶外運(yùn)動(dòng)，一般人群減少 戶外運(yùn)動(dòng)?？諝馕廴局笖?shù)大于 300,空氣質(zhì)量級(jí)別為六級(jí)，空氣質(zhì)量狀況屬于嚴(yán)重污染。此 時(shí)，健康人群運(yùn)動(dòng)耐受力降低，有明顯強(qiáng)烈癥狀，提前出現(xiàn)某些疾

27、病，建議兒童、老 年人和病人應(yīng)當(dāng)留在室內(nèi)，避免體力消耗，一般人群應(yīng)避免戶外活動(dòng)。表3.1 AQI等級(jí)AQI數(shù)值0-50優(yōu)50-100良100-150輕度污染150-200中度污染200-300重度污染300以上嚴(yán)重污染AQI評(píng)價(jià)方法就像上證綜合指數(shù)不代表股價(jià)、消費(fèi)物價(jià)指數(shù)CPI不代表物價(jià)一樣，AQI指數(shù)也只表征污染程度，并非具體污染物的濃度值。由于 AQI評(píng)價(jià)的6種污染物濃度限值各 有不同，在評(píng)價(jià)時(shí)各污染物都會(huì)根據(jù)不同的目標(biāo)濃度限值折算成空氣質(zhì)量分指數(shù) AQI 0AQI范圍從0到500,大于100的污染物為超標(biāo)污染物。例如 PM2.5日均濃度35 微克/立方米對(duì)應(yīng)的分指數(shù)為 50, 75微克/

28、立方米（就是通常所說(shuō)的限值），折算為分 指數(shù)是100,而500微克/立方米對(duì)應(yīng)的IAQI值是500。AQI就是各項(xiàng)污染物空氣質(zhì)量分指數(shù)中的最大值。當(dāng) AQI大于50時(shí)，IAQI最大 的污染物為首要污染物，若IAQI最大的污染物為兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上時(shí)，并列為首要污染 物。而在6項(xiàng)污染物中，PM2.5折算成IAQI為500的濃度限值，也剛好是500微克/立 方米。也就是說(shuō)，一旦 PM2.5的日均濃度超過(guò)500微克/立方米，AQI隨即達(dá)到500, 無(wú)論濃度再怎么高，AQI也還是500。因此，嚴(yán)重霧霾期間，PM2.5日均濃度超過(guò)500 微克/立方米的地方，就“爆表” 了。鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空

29、分布特征研究表1空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值空氣質(zhì)量 外新城 (IAQIJ污壁物項(xiàng)目詼度限值一輒比此(BQ.)24小盹平期二氧化酸(so2)1小時(shí) 平均，卬的山二敏化某 (N02)24小時(shí)平現(xiàn)一社化碳 (CO)24小時(shí)平均/ingA力一氧化碳 (CO)1小時(shí) 平均，mrE/mbLh臭輒U小時(shí)平劃44g/mJ)艮小時(shí)滑 司平均1/(|4g/lTIJ 粒粒物1鞫程小 于等r2.51ini)34小時(shí) 平野00000000000505015040L0O5025L6010035150500用200)504102001607515047565010T002501435300215LJ52(X)

30、A00800.111 20035024604002651503001 6OD:=5652S404203690800BOD2504002 10075A30505004H1201 0003505002 6209403 S4060060)50J 200fp500說(shuō)明土?。褐喕tSQJ.二氧化氮和-一轉(zhuǎn)化碟(CO)的i打時(shí)平均濃段限值儀用于戲時(shí)報(bào).在日據(jù)中 需怏用相鹿污染恂的24小時(shí)平均論慢限也口山二徜化峨(S0/ 1小時(shí)平均懈度值高于KOOh助/麻 不再進(jìn)行其空氣晞量分指數(shù)計(jì)粒二河化硫(sod 空氣就量分析數(shù)按24 時(shí)平均濃度計(jì)算的分指轂報(bào)告小發(fā)就0/$小時(shí)平均濃度值品于20所的.不再進(jìn)打其空氣質(zhì)精

31、分揖數(shù)計(jì)悼.必機(jī)力力空氣商讓 “速敷按1小時(shí)平均濃&il算的小指數(shù)揪;k圖3.1 AQI評(píng)價(jià)方法鄭州市AQI變化規(guī)律PM2.5年際變化規(guī)律根據(jù)鄭州市2013年11月到2014年10月一年內(nèi)365天的平均PM2.5濃度數(shù)據(jù),PM2.5年際變化如下圖。紅線為空氣質(zhì)量為良的指標(biāo)線。10鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究O 4035o o o o O0 5 0 5 03 2 2 1 1 蒯落zsd50n 111月般月1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月時(shí)間：13年11月年10月圖3.2 PM2.5年際變化由圖看出，在一年內(nèi)，PM2.5始終處于不斷波動(dòng)之中，出現(xiàn)一個(gè)波峰之后，隨即會(huì)出現(xiàn)

32、一個(gè)波谷，年際整體水平看出，污染程度較嚴(yán)重時(shí)期為12月和1月的冬季，污染程度較輕時(shí)期為7月、8月和9月夏季時(shí)期。在一年內(nèi)各個(gè)污染水平對(duì)應(yīng)天數(shù)如表3.2。由表中可以看出：鄭州市全年處于環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)為197天，占全年的54%,處于中度污染以上的天數(shù)為 77天，占全年的 21.1%。表3.2 PM2.5污染等級(jí)優(yōu)良輕度污染中度污染重度污染天數(shù)291689137346大顆粒物質(zhì)年際變化規(guī)律大顆粒物質(zhì)為可吸入物質(zhì)，表示為 PM10o可吸入顆粒物是在環(huán)境空氣中長(zhǎng)期飄浮的懸浮微粒，對(duì)大氣能見(jiàn)度影響很大。一些顆粒物來(lái)自污染源的直接排放，比如煙囪 與車(chē)輛。另一些則是由環(huán)境空氣中硫氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有

33、機(jī)化合物及其它化 合物互相作用形成的細(xì)小顆粒物，它們的化學(xué)和物理組成依地點(diǎn)、氣候、一年中的季節(jié)不同而變化很大。可吸入顆粒物通常來(lái)自在未鋪瀝青、水泥的路面上行使的機(jī)動(dòng)車(chē)、材料的破碎碾磨處理過(guò)程以及被風(fēng)揚(yáng)起的塵土。W2.5微米的細(xì)粒子，例如Pb、Mn、Cd、Sb、Sr、As、Ni、硫酸鹽、多環(huán)芳爛等含量較高，在空氣中持留時(shí)間長(zhǎng)，易11鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究將污染物帶到很遠(yuǎn)的地方使污染范圍擴(kuò)大。對(duì)環(huán)境的有害影響還有散射陽(yáng)光、降低大氣的能見(jiàn)度等?？晌雺m同時(shí)在大氣中還可為化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)床，是氣溶膠化學(xué)中 研究的重點(diǎn)對(duì)象，已被定為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)鄭州市2013年

34、11月到2014年10月一年內(nèi)365天的平均PM10濃度數(shù)據(jù), PM10年際變化如下圖。即saLIAId時(shí)間：13年11月-14年W月圖3.3 PM10年際變化PM10變化規(guī)律大致跟PM2.5類似，亦處于不斷波動(dòng)之中，波峰和波谷交替變化之 中，年際變化范圍沒(méi)有 PM2.5大，污染程度最嚴(yán)重月份為 12月，污染程度較輕為 7 月、8月和九月。呈現(xiàn)冬季污染嚴(yán)重，夏季污染輕的現(xiàn)象。在一年內(nèi)各個(gè)污染水平對(duì)應(yīng)天數(shù)如表 3.3。由表中可以看出：鄭州市全年處于環(huán)境 質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)為231天，占全年的63.3%,處于中度污染以上的天數(shù)為 24天，占全 年的6.5%。污染等級(jí)呈現(xiàn) 兩頭少，中間多”現(xiàn)象，全年內(nèi)P

35、M10空氣質(zhì)量多數(shù)天數(shù)處 于良好和輕度污染程度之中。表3.3 PM10污染等級(jí)優(yōu)良輕度污染中度污染重度污染天數(shù)11220110202212鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究CO年際變化規(guī)律根據(jù)鄭州市2013年11月到2014年10月一年內(nèi)365天的平均PM10濃度數(shù)據(jù), CO年際變化如下圖。時(shí)間:13年11月-14年10月圖3.4 CO年際變化CO全年變化比較明顯，冬季波動(dòng)范圍大，波峰波谷交替現(xiàn)象比較明顯，其余季節(jié) 波動(dòng)范圍較小。污染嚴(yán)重時(shí)期在冬季，空氣質(zhì)量較好時(shí)期在夏季，空氣質(zhì)量基本都處 于優(yōu)。在一年內(nèi)各個(gè)污染水平對(duì)應(yīng)天數(shù)如表 3.4。由表中可以看出：鄭州市全年處于環(huán)境 質(zhì)量?jī)?yōu)良

36、的天數(shù)為357天，占全年的97.8%,處于中度污染以上的天數(shù)為 0天，占全年 的0%。全年內(nèi)CO空氣質(zhì)量基本都處于優(yōu)良。說(shuō)明鄭州市 CO污染程度很低，CO不 是鄭州市主要污染物。表3.4 CO污染等級(jí)優(yōu)良輕度污染中度污染重度污染天數(shù)2281298000NO2年際變化規(guī)律根據(jù)鄭州市2013年11月到2014年10月一年內(nèi)365天的平均PM10濃度數(shù)據(jù),NO2年際變化如下圖13鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究4月12月1月2月3月4月5月6月7月8月9月何月 時(shí)間：13年11月-14年10月圖3.5 NO2年際變化NO2全年變化比較平均，波動(dòng)范圍小，平均值大致處于50-60范圍內(nèi)，波

37、峰波谷交替現(xiàn)象比較明顯，季節(jié)間變化范圍較小。污染嚴(yán)重時(shí)期在冬季，空氣質(zhì)量較好時(shí)期 在夏季，空氣質(zhì)量基本都處于良。在一年內(nèi)各個(gè)污染水平對(duì)應(yīng)天數(shù)如表3.5。由表中可以看出：鄭州市全年處于環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)為345天，占全年的94.5%,處于中度污染以上的天數(shù)為 0天，占全年 的0%。全年內(nèi)NO2空氣質(zhì)量基本都處于優(yōu)良。說(shuō)明鄭州市NO2污染程度很低，NO2不是鄭州市主要污染物。表3.5 NO2污染等級(jí)優(yōu)良輕度污染中度污染重度污染天數(shù)11123420000SO2年際變化規(guī)律根據(jù)鄭州市2013年11月到2014年10月一年內(nèi)365天的平均PM10濃度數(shù)據(jù), SO2年際變化如下圖。14鄭州市空氣PM2.5

38、污染水平及時(shí)空分布特征研究n 11o11月12月1月？月3月4月5月6月7月8月9月1 0月時(shí)間：13年11月J4年1。月圖3.6 SO2年際變化SO2全年變化波動(dòng)較大，12月、1月污染嚴(yán)重，7月、8月污染程度較輕。全年波 峰波谷交替現(xiàn)象比較明顯，季節(jié)間波動(dòng)范圍較大。污染嚴(yán)重時(shí)期在冬季，空氣質(zhì)量較 好時(shí)期在夏季，冬季、夏季相差較大。在一年內(nèi)各個(gè)污染水平對(duì)應(yīng)天數(shù)如表 3.5。由表中可以看出：鄭州市全年處于環(huán)境 質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)為361天，占全年的98.9%,處于中度污染以上的天數(shù)為 0天，占全年 的0%。全年內(nèi)SO2空氣質(zhì)量基本都處于優(yōu)良。說(shuō)明鄭州市 SO2污染程度很低，SO2不 是鄭州市主要污染

39、物。表3.6 SO2污染等級(jí)優(yōu)良輕度污染中度污染重度污染天數(shù)25011140003.2鄭州市AQI指標(biāo)污染程度分析對(duì)五種AQI指標(biāo)年度變化規(guī)律分析可得，五種指標(biāo)都呈現(xiàn)出冬季污染嚴(yán)重，夏季污染程度輕的現(xiàn)象，特別是 CO、NO2、SO2三種污染物，冬夏兩季差別很大，重度以上污染均出現(xiàn)在冬季。對(duì)于 PM2.5和PM10兩種污染物，全年內(nèi)均存在中度以上污 染，重度及以上污染出現(xiàn)在冬季，說(shuō)明 PM2.5和PM10是鄭州市空氣污染主要污染 物，這也是鄭州市經(jīng)常出現(xiàn)能見(jiàn)度低和霧霾的原因，應(yīng)該加大力度主要治理。15鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究根據(jù)五種污染物污染程度分析得到，冬季 12月和1月

40、是空氣質(zhì)量最差月份，夏季 7月、8月、9月份是空氣質(zhì)量最好月份。冬季由于溫度低，氣候干燥，空氣濕度低， 降雨量少，不利于污染物擴(kuò)散，而且鄭州市在 11月15號(hào)到3月15號(hào)全市供暖四個(gè) 月，大量粉塵和燃燒不完全有害氣體排出空氣之中。夏季多降雨，易吸收污染物，特 別是對(duì)降低PM10等大顆粒污染物濃度有積極作用。加之夏季經(jīng)常有季風(fēng)，且地面溫 度高，易產(chǎn)生上升氣流，便于污染物擴(kuò)散。夏季施工產(chǎn)生的有害物質(zhì)能夠得到有效擴(kuò) 散， 空 氣 質(zhì) 量 較 冬 季 更 好。16鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究4關(guān)B州市PM2.5污染空間時(shí)間劃分鄭州市PM2.5污染空間劃分鄭州市共選擇9個(gè)PM2.5監(jiān)測(cè)

41、點(diǎn)，分別為：鄭州市中心的鄭紡機(jī)、市監(jiān)測(cè)站、醫(yī) 學(xué)院和煙廠；市區(qū)周邊的供水公司、銀行學(xué)校、四十七中和十一中；鄭州市北邊郊區(qū)的崗李水庫(kù)5314市即市動(dòng)韌同石展慎鄭紡機(jī)兒苴公園香禮閹鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院中原區(qū)圖4.1鄭州市監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖為便于分析，將9個(gè)站點(diǎn)分為三類：第一類為市區(qū)測(cè)點(diǎn)：分別為鄭紡機(jī)、市監(jiān)測(cè)站、醫(yī)學(xué)院和煙廠；第二類為市區(qū)周邊測(cè)點(diǎn)：分別為供水公司、銀行學(xué)校、四十七中17鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究和十一中；第三類為郊區(qū)測(cè)點(diǎn)：崗李水庫(kù)。為排除供暖期供暖對(duì)環(huán)境的影響，取 2014 年3月到2014年10月每天24小時(shí)PM2.5數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行鄭州市污染空間的劃分。表4.1為不同檢測(cè)地點(diǎn)在

42、統(tǒng)計(jì)期245天內(nèi)，處于輕度及以上污染的天數(shù)和處于中度及以上的天數(shù)。市區(qū)四個(gè)測(cè)點(diǎn)輕度污染及中度污染天數(shù)平均值為：16.25天和58天；市區(qū)周邊為18天和65天；郊區(qū)為23天和53天。由此可見(jiàn)，三類測(cè)點(diǎn)污染水平差別 不大，污染程度上市區(qū)周邊稍微嚴(yán)重。表4.1不同地域污染等級(jí)天數(shù)崗李供水銀行鄭紡機(jī)河醫(yī)大市監(jiān)站47輕度污染536959745056527062中度污染231914261411142217表4.2為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn) PM2.5濃度的平均值，由表中看出，就區(qū)域污染程 度來(lái)說(shuō)，金水區(qū)鄭紡機(jī)平均污染程度最嚴(yán)重，為第三類；第一類為煙廠、河醫(yī)大和市 監(jiān)測(cè)站，位于火車(chē)站西南方向。平均值在55-57;

43、其余為第二類，地點(diǎn)大致分布在鄭紡機(jī)周邊，平均濃度值為：57-600表4.1不同地域PM2.5濃度平均值崗李供水銀行鄭紡機(jī)煙廠河醫(yī)大市監(jiān)站47濃度值56.2761.3857.4165.3353.5457.3555.4360.5959.41通過(guò)以上對(duì)各個(gè)站點(diǎn)PM2.5濃度分析可知，雖然鄭州市火車(chē)站人流量大，但PM2.5污染中心并不在火車(chē)站附近，而在金水區(qū)鄭紡機(jī)附近，由于鄭紡機(jī)工業(yè)生產(chǎn)， 以及細(xì)顆粒雜質(zhì)排放，使其成為 PM2.5污染最嚴(yán)重區(qū)域?；疖?chē)站西南區(qū)域的二七區(qū)和 中原區(qū)，有兒童公園、嵩岳公園等，PM2.5擴(kuò)散速度高于東北方向，使其 空氣質(zhì)量?jī)?yōu) 于市中心。鄭紡機(jī)東邊生活區(qū)產(chǎn)業(yè)區(qū)較多，PM2.5擴(kuò)

44、散較慢，且鄭州市多為西北風(fēng)，利于西方污染物擴(kuò)散。通過(guò)崗李水庫(kù)跟市區(qū)周?chē)?PM2.5濃度值的對(duì)比看出，郊區(qū)空氣質(zhì)量并不優(yōu)于市區(qū) 空去質(zhì)量，這跟郊區(qū)修建地鐵，建造房屋等，有大量施工項(xiàng)目產(chǎn)生大量揚(yáng)塵有關(guān)。但 是因?yàn)榻紖^(qū)測(cè)點(diǎn)較少，對(duì)比性不強(qiáng)，不排除其他郊區(qū)地點(diǎn)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于鄭州市平均水 平可能。18鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究鄭州市PM2.5污染時(shí)間劃分因?yàn)猷嵓彊C(jī)測(cè)點(diǎn)污染最為嚴(yán)重，以鄭紡機(jī)為例，分別抽取鄭紡機(jī)測(cè)點(diǎn)2月到10月十個(gè)月內(nèi)數(shù)據(jù)完整一天為例，研究 PM2.5濃度一天內(nèi)的變化情況。35030025020015010050n LI11L111LI2時(shí) 4時(shí) 6時(shí) 8時(shí)10時(shí)12時(shí)1

45、4時(shí)16時(shí)18時(shí)20時(shí)22時(shí)24時(shí) 時(shí)間：2時(shí)-24時(shí)圖4.2鄭紡機(jī)每月PM2.5日變化圖由九個(gè)月隨即日變化數(shù)據(jù)可以看出，PM2.5濃度最大值出現(xiàn)在10點(diǎn)到12點(diǎn)區(qū)間 段，凌晨和夜晚變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，PM2.5濃度上升期和下降期大致在早上和午后。部分天數(shù)在晚上六點(diǎn)后因?yàn)槿祟惢顒?dòng)有上升趨勢(shì)，但是幅度不大。由此可以得出，人 為因素對(duì)PM2.5濃度變化影響較大，特別是城市居民活動(dòng)最頻繁的八點(diǎn)到十四點(diǎn)時(shí)段 內(nèi)，PM2.5濃度隨之上升，而夜晚人類活動(dòng)減少，污染物等排放量減少，PM2.5濃度較白 天 降 低， 而 且 趨 于平穩(wěn)。19鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究5鄭州市PM2.5濃度相關(guān)

46、性分析相關(guān)性分析原理相關(guān)分析（correlation analysis,）是從數(shù)學(xué)角度了解和分析現(xiàn)象或變量之間是否存 在不確定、不規(guī)則的變化關(guān)系（即“相關(guān)關(guān)系”），并對(duì)其相關(guān)程度進(jìn)行量化，藉此 確定相關(guān)關(guān)系中的顯著性因素，以便進(jìn)行預(yù)測(cè)和決策。相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient）用來(lái)描述兩個(gè)變量（如x, y）相互間變化方向及密 切程度的數(shù)字特征量，一般用r表示。相關(guān)系數(shù)為無(wú)量綱的值，其數(shù)值范圍為 -1rl 當(dāng)r值為正時(shí)，兩變量X、Y間存在正相關(guān)關(guān)系；r值為負(fù)時(shí)，表示變量間存在負(fù)相關(guān) 關(guān)系。r的絕對(duì)值越大，則變量間的關(guān)聯(lián)程度越強(qiáng)，反之則變量間獨(dú)立性占優(yōu)。當(dāng) r=0 時(shí)，變量間

47、表現(xiàn)為零相關(guān)，即 X、Y彼此獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)；當(dāng)r 0.3時(shí)，序列X、Y關(guān) 系極弱，認(rèn)為不相關(guān)；當(dāng)0.3r 0.5時(shí)，序列X、Y低度相關(guān)；當(dāng)0.5 &r 0.8時(shí)，序列X、Y高度相關(guān)；當(dāng)r =1時(shí)，變量間表現(xiàn)出完全相 關(guān)關(guān)系。對(duì)于尋找離散數(shù)據(jù)間的內(nèi)在規(guī)律性，目前常用的方法有：概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、灰色 理論、模糊數(shù)學(xué)?；貧w分析是分析相關(guān)性的一種較通用的方法，但大都適用于少因素 的、線性的相關(guān)性分析，對(duì)于多因素，特別是非線性的則很難得到正確解答?；疑?論應(yīng)用最廣泛的是關(guān)聯(lián)度分析?；疑P(guān)聯(lián)度分析是分析系統(tǒng)中各個(gè)元素之間關(guān)聯(lián)程度 或相似程度的方法，其基本思想是依據(jù)管連續(xù)對(duì)系統(tǒng)的排序。鄭州市 2013年12

48、月份 才開(kāi)始PM2.5的測(cè)量，數(shù)據(jù)序列不長(zhǎng)，灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的最大優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)數(shù)據(jù)沒(méi) 有太高的要求，數(shù)據(jù)多少都可以分析。他的數(shù)學(xué)方法是非統(tǒng)計(jì)方法，在數(shù)據(jù)系統(tǒng)資料 較少和條件不滿足統(tǒng)計(jì)要求的情況下，更具有實(shí)用性10。本報(bào)告首先采用灰色關(guān)聯(lián)分析，將 PM2.5與二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、可 吸入顆粒物PM10、臭氧03和一氧化碳CO之間的體系視為灰色系統(tǒng)，以 PM2.5的含 量為參考序列，將其它 5個(gè)指標(biāo)的含量數(shù)列與參考數(shù)列比較，計(jì)算出關(guān)聯(lián)度，將每個(gè) 指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行對(duì)比排序，關(guān)聯(lián)度大的表明指標(biāo)與PM2.5的相關(guān)性強(qiáng)。對(duì)比以上兩種方法，即得到PM2.5 （含量）與其它5項(xiàng)分指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)污染物

49、（含量）之間的相 關(guān)性及其關(guān)系進(jìn)行分析。得到PM2.5與其他指標(biāo)的相關(guān)性，然后采用回歸分析的方法，建立PM2.5回歸模型，對(duì)關(guān)聯(lián)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，綜合得到 PM2.5與其他5個(gè) 指標(biāo)的相關(guān)性強(qiáng)弱關(guān)系。作為參照，然后采用以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，以 PM2.5 為因變量，以二氧化硫S02等5個(gè)指標(biāo)為自變量，以最小二乘法為基礎(chǔ)，進(jìn)行線性回20鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究歸分析，得到回歸系數(shù)和回歸方程，回歸方程即為PM2.5與其它5個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系。分析線性擬合的優(yōu)劣度，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)確定線性回歸方程的優(yōu)劣度。比較各 指標(biāo)變量回歸系數(shù)的絕對(duì)值大小，得出各指標(biāo)相關(guān)性大小。綜合兩種

50、方法的結(jié)果，得 到PM2.5與各指標(biāo)的相關(guān)性。灰色關(guān)聯(lián)度分析數(shù)據(jù)處理在鄭州市九個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，市監(jiān)測(cè)站離市中心近，人口密度大，污染嚴(yán)重，故選取市監(jiān)測(cè)站作為研究對(duì)象。記錄得到2014年3月25日至I 4月6日共41天的日平均數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象(日平均數(shù)據(jù)由當(dāng)天24個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)平均得到，數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家環(huán)境保護(hù)部)。PM2.5、二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、可吸入顆粒物 PM10、臭氧O3指標(biāo)的單位為pg/m3 , CO的含量單位為mg/m3,針對(duì)指標(biāo)單位的不統(tǒng)一，需要首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化和歸一化。這里對(duì)數(shù)據(jù)采取區(qū)間化處理，將其化成 0,1區(qū)間內(nèi)的數(shù)。在這里采用下面公式進(jìn)行10:“、xi(k) - min

51、 xi(k)xi(k)=-:(i=0,1 ;5 k=1,2,3 YI)max xi(k) - min xi(k)數(shù)據(jù)處理后如下所示：PM2.5:x0 =1.00.3739,0.5520,0.0856,0.3520,0.5786,0.24759;0.10.715也1190,0.1990,0,0.0517;二氧化硫：Xi =32.5000,25.4167,33.9167,19.8333,29.7273,37.250(24.0833 68.1667,45.1667,3 6.0000,67.5000,50.5833,37.3333二氧化氮：X2 =72.0000,52.0000,40.5000,43.

52、0833,61.1818,60.7500,49.4167，75.583376.2500, 75.9167,86.1667,50.3636,68.5833一氧化碳：x3 =2.1332,1.5135,1.4147,1.1760,1.6051,1.6288,1.36322.7405,2.6530,2.9249,3.1277,2.7778,2.8407;臭氧:21鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究X4 =29.6667,28.8333,35.0833,26.9167,19.7273,23.41642.5000 54.750,2.6667, 37.7500,31.7500,42.1667,

53、39.5833)PM10:X5 =249.2727,113.7143,261.0000,76.5833,193.6000,277.727331.0833 166.166, 117.8333,137.2500,203.0000,177.0833,122.4167)關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算對(duì)于一個(gè)參考數(shù)據(jù)小,比較數(shù)列的為xi,可用下列關(guān)系表示各比較曲線與參考曲 線在各點(diǎn)的差：八、：min : max片(k):；一；|x0(k) - xi(k)| +max式中，是Mk星第k個(gè)時(shí)刻比較曲線x與參考曲線x。的相對(duì)差值，這種形式的相 對(duì)差值為對(duì)x在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。1為分辨系數(shù)，w 10,1,引入它為了減少極值 對(duì)計(jì)

54、算的影響。取，=0.5。5.2.3灰色關(guān)聯(lián)度分析灰色綜合評(píng)判主要是依據(jù)一下模型：R=E W式中：R = E,r2,r5T為除PM2.5之外五個(gè)被評(píng)估對(duì)象的綜合評(píng)判結(jié)果；41W = W1, w2,w41 1為41個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配向量，其中 Z Wi =1 ;1飛 1(1)七 1(2) 片(41)、七2(1) %(2)七2(41)E為各指標(biāo)的評(píng)判矩陣：E=：;、(1)篤(2)25(41)蜀(k)是xi對(duì)x0在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。因?yàn)槊刻斓臄?shù)據(jù)權(quán)重是相等的，所以取W =W1,W2,. W41T =1/41,1/ 41,1/41T。代入數(shù)據(jù)得到：R=0.7068,0.7138,0.6250,0.63

55、17,0.7958于是得到鄭州市PM10、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、一氧化碳與PM2.5的相關(guān)程度為：PM10 二氧化氮 二氧化硫 臭氧 一氧化碳22鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究由R可知：只有PM10與PM2.5高度相關(guān)，其余皆為中度相關(guān)。線性回歸分析驗(yàn)證根據(jù)灰色相關(guān)度分析結(jié)果，5個(gè)評(píng)判結(jié)果相差不大，為了準(zhǔn)確得出 PM10、二氧化 氮、二氧化硫、臭氧、一氧化碳與PM2.5的相關(guān)性，作為驗(yàn)證，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線 性回歸分析?；貧w分析原理回歸分析是通過(guò)試驗(yàn)和觀測(cè)來(lái)尋找變量之間關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，它的理論 比較成熟，且應(yīng)用非常廣泛。回歸分析的主要目的在于了解自變量和因變量之間的數(shù)

56、 量關(guān)系，并通過(guò)建立回歸模型來(lái)描述這種關(guān)系。為了研究一個(gè)因變量與多個(gè)自變量之間的相關(guān)關(guān)系，最常用的統(tǒng)計(jì)分析方法就是 多元線性回歸分析。設(shè)影響因變量 Y的自變量個(gè)數(shù)為P,并分別記為x,x2,%xp,多元線性模型是指這些自變量對(duì)Y的影響是線性的。記n組樣本分別是：(xii,xi2, xi3xip,yi) , i=1,2 ,n;引入矩陣:Y =yy2*,丫 =11x11x211x12x22mx1px2 p+ .i,p =仇、飭i,z =“0、S1i1xn1xn2xnp )l犯則多元線性回歸方程的矩陣形式為：Y =XP +巴回歸方程中的參數(shù)P可用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。為保證回歸方程與數(shù)據(jù)的配合一致，需進(jìn)

57、行線性擬合度檢驗(yàn)。記：U稱為回歸平方和，表示回歸估計(jì)值與平均值的偏差平方和； S稱為總平方和，表 示觀察值與樣本均值的偏差平方和；稱 R為決定系數(shù)，顯然0MRE1。R越大，則表明 回歸方程的擬合效果越好。僅有R檢驗(yàn)是不夠的，變量y與x之間的線性關(guān)系是統(tǒng)計(jì)意義上的，因此必須進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，即為顯著性檢驗(yàn)11。23鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究回歸方程的顯著性檢驗(yàn)是對(duì)因變量與所有自變量之間的線性關(guān)系是否顯著，或?qū)?多元線性方程的成立與否進(jìn)行的一種假設(shè)檢驗(yàn)?；貧w方程的顯著性檢驗(yàn)一般采用F檢驗(yàn),利用方差分析的方法進(jìn)行。多元線性回歸模型關(guān)B州市PM2.5數(shù)據(jù)是從2013年H一月份開(kāi)始，選

58、取2013年10月29日到2014年 5月31日217組鄭州市每天的 PM2.5、SO2、NO2、CO、PM10值作為數(shù)據(jù)，進(jìn)行線 性回歸分析（數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家環(huán)監(jiān)總站）。擬合出 PM2.5與其它4個(gè)指標(biāo)的回歸方程（置 信水平取為：1-0.05）。第一次進(jìn)行擬合時(shí)，存在殘差置信區(qū)間未經(jīng)過(guò)0點(diǎn)的數(shù)據(jù)，視為異常點(diǎn)，剔除這些數(shù)據(jù)后再進(jìn)行線性回歸分析，以此反復(fù)，直到不再出現(xiàn)異常點(diǎn)為止，得到線性回歸 方程：PM2.5 - -26.330 0.6633PM10 25.0693CO- 0.6103NO2- 0.0603SQ4040-202040 S0 80100120140Casa NumberResidual

59、 Case Order Plot3020100 忖I 團(tuán)-Brlp.5球比圖5.1線性回歸殘差分析圖由圖可知沒(méi)有異常點(diǎn)，置信區(qū)間皆經(jīng)過(guò)0點(diǎn)。計(jì)算回歸方程的相關(guān)系數(shù)r2為0.9572 ,接近于1,表示方程的回歸程度較為顯著，F(xiàn)為843.7274 ,24鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究F AFik, nk1)=Fi-。5(4, 151),其對(duì)應(yīng)的概率為0,小于顯著性水平a0.05 0說(shuō)明回歸模型較為顯著，模型成立?；貧w模型驗(yàn)證取鄭州市2014年6月1日到6月26日30天PM2.5數(shù)值作為模型反演數(shù)據(jù)，對(duì)比PM2.5模型計(jì)算數(shù)值和真值。圖5.2 PM2.5真值與回歸模型對(duì)比圖由圖中可以

60、看出，回歸模型能夠很好地反映出真值的變化規(guī)律，但在某些點(diǎn)差距 較大，為檢驗(yàn)擬合效果，對(duì) 30組模型計(jì)算值和真值的誤差絕對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表 2:表5.1 30組模型計(jì)算值和真值的誤差絕對(duì)值統(tǒng)計(jì)總和平均值最大值大于10的天數(shù)大于15的天數(shù)大于20的天數(shù)366.764912.225553.44361373由表中得到：6月份作為檢驗(yàn)對(duì)象的30天數(shù)據(jù)中，誤差小于15的有22天，占全 月的73.33%,因?yàn)锳QI的危害等級(jí)劃分中相鄰等級(jí)之間數(shù)值相差 50,而且每個(gè)等級(jí) 的波動(dòng)范圍為50,回歸模型計(jì)算結(jié)果能夠滿足空氣質(zhì)量等級(jí)劃分的準(zhǔn)確性。25鄭州市空氣PM2.5污染水平及時(shí)空分布特征研究結(jié)論和分析通過(guò)灰色