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        空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)探索性分析

        2020-06-28 20:23:06陳本衛(wèi)劉霞
        大眾科學(xué)·下旬 2020年7期

        陳本衛(wèi) 劉霞

        摘 要:空氣質(zhì)量是影響人類生存的一項(xiàng)重要指標(biāo),本文將對國家檢測控制站點(diǎn)(國控點(diǎn))與自主研發(fā)的微型空氣質(zhì)量檢測儀的數(shù)據(jù)(自建點(diǎn)數(shù)據(jù))進(jìn)行探索性分析。首先對自建點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,計(jì)算出自建點(diǎn)污染物和天氣因素每小時(shí)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。然后根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定,計(jì)算出自建點(diǎn)和國控點(diǎn)的AQI,將空氣質(zhì)量進(jìn)行等級分析,發(fā)現(xiàn)差異:國控點(diǎn)空氣質(zhì)量優(yōu)的時(shí)間比自建點(diǎn)多482個小時(shí)。計(jì)算自建點(diǎn)與國控點(diǎn)的數(shù)據(jù)的偏差值(自建數(shù)據(jù)-國控?cái)?shù)據(jù)),求出偏差值的平均數(shù)、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、眾數(shù)、極大極小值和極差,最后計(jì)算出自建點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均相對誤差。結(jié)果表明自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國控點(diǎn)存在顯著性差異。

        關(guān)鍵詞:探索性分析;自建點(diǎn)數(shù)據(jù);國建點(diǎn)數(shù)據(jù);空氣質(zhì)量指數(shù)

        1.引言

        空氣污染影響著人們的生活,并對生態(tài)環(huán)境造成巨大影響。在2019年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽D題中探討的“兩塵四氣”,PM2.5和O3污染加重導(dǎo)致全國各地產(chǎn)生霧霾,SO在大氣氧化形成有毒物質(zhì),也是造成酸雨的重要原因。為了對空氣污染進(jìn)行防治,國家利用檢測控制站點(diǎn)對大氣污染物進(jìn)行監(jiān)控。由于國家控制站點(diǎn)的布控較少,并且投入較高,為達(dá)到對大氣污染物全面監(jiān)控,研發(fā)了微型空氣質(zhì)量檢測儀,不僅投入較少,同時(shí)使用實(shí)時(shí)網(wǎng)格化監(jiān)控。

        由于所使用的電化學(xué)氣體傳感器[1]在長時(shí)間使用后會產(chǎn)生一定的零點(diǎn)漂移和量程漂移,非常規(guī)氣態(tài)污染物(氣)濃度變化對傳感器存在交叉干擾,以及天氣因素對傳感器的影響,在國控點(diǎn)近鄰所布控的自建點(diǎn)上,同一時(shí)間微型空氣質(zhì)量檢測儀所采集的數(shù)據(jù)與該國控點(diǎn)的數(shù)據(jù)值存在一定的差異,因此,需要利用國控點(diǎn)每小時(shí)的數(shù)據(jù)對國控點(diǎn)近鄰的自建點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

        2.引入空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),將空氣質(zhì)量進(jìn)行等級分析

        通過初步分析,首先要讓國控點(diǎn)與自建點(diǎn)數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。為此篩除了59個數(shù)據(jù)缺失的異常點(diǎn),將自建點(diǎn)的一個小時(shí)內(nèi)時(shí)間段中各污染物濃度的平均值對應(yīng)于國控點(diǎn)的整點(diǎn)時(shí)刻污染物濃度。然后引入空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),將空氣質(zhì)量進(jìn)行等級分析[2]。

        空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)。根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值,利用MATLAB可以計(jì)算出國控點(diǎn)與自建點(diǎn)每時(shí)刻對應(yīng)空質(zhì)量指數(shù)。依據(jù)空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值表[3]計(jì)算“兩塵四氣”空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQI,再由此計(jì)算出空氣質(zhì)量指數(shù)AQI。

        空氣質(zhì)量分指數(shù)計(jì)算方法[3]:

        空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法:

        根據(jù)上述計(jì)算方法,設(shè)污染物濃度為自變量x,空氣質(zhì)量指數(shù)為因變量y,針對六種污染物列出對應(yīng)的分段函數(shù)(從左到右依次為PM2.5,PM10,CO,NO2,SO2,O3),如下所示:

        根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定,利用MATLAB[4]計(jì)算出自建點(diǎn)和國控點(diǎn)的AQI,由此進(jìn)行等級分析(優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染)。分別對國控點(diǎn)與自建點(diǎn)中各個等級進(jìn)行篩選,并計(jì)算出各個等級分別在自建點(diǎn)與國控點(diǎn)中所占比例(見表1)。

        對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)國控點(diǎn)與自建點(diǎn)各個空氣質(zhì)量指數(shù)類別都具有較大的差異性。兩者之間污染物濃度存在差異,導(dǎo)致空氣質(zhì)量指數(shù)類別所占比不同。自建點(diǎn)的輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染小時(shí)數(shù)都比國控點(diǎn)多,國控點(diǎn)的優(yōu)和良的小時(shí)數(shù)都比自建點(diǎn)多。

        3.對自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析

        為對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入分析,選取一個月為時(shí)間段,計(jì)算國控點(diǎn)與自建點(diǎn)在這一個月內(nèi)各個污染物濃度偏差值的基本統(tǒng)計(jì)量(平均數(shù)、中位數(shù)、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、極大極小值、極差),進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析[5][6][7],進(jìn)一步證明國控點(diǎn)與自建點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的誤差比較顯著,見表2。

        在之前的數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)二者存在差異,為直觀體現(xiàn)其差異性,利用MATLAB計(jì)算所有自建點(diǎn)與國控點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對偏差值,最后計(jì)算出平均相對誤差(MRE),見表3。

        由此可以看出PM2.5、PM10、CO、SO2的平均相對誤差(MRE)較小,但NO2與O2平均相對誤差很大,說明NO2與O3數(shù)據(jù)差異最大。

        4.結(jié)束語

        空氣污染對生態(tài)環(huán)境和人類健康危害巨大,通過對“兩塵四氣”(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3)濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測可以及時(shí)掌握空氣質(zhì)量,對污染源采取相應(yīng)措施。本文分別從自建點(diǎn)與國控點(diǎn)空氣質(zhì)量指數(shù)的巨大差異和探索性數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)偏差比較大。因此,需要利用國控點(diǎn)數(shù)據(jù)對國控點(diǎn)近鄰的自建點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]2019年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽D題數(shù)據(jù);

        [2]全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺,http://106.37.208.233:20035/

        [3]環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2012;

        [4]趙靜,但琦.數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2000.05(250-254)

        [5]雷寶.基于大數(shù)據(jù)的探索性空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析[J].電子世界,2017;

        [6]孫麗君. 探索性數(shù)據(jù)分析方法及應(yīng)用[D].東北財(cái)經(jīng)大學(xué),2005.

        [7]姜澒月,閆亞琛,李海蓉.中國2013年城市大氣污染現(xiàn)狀及探索性空間數(shù)據(jù)分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2016;

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