陳祝軍，李 靜，費(fèi) 勇，于穎慧

(1.江蘇省張家港市疾病預(yù)防控制中心，江蘇 張家港 215600；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120； 3.張家港市環(huán)境保護(hù)局，江蘇 張家港 215600)

前 言

城市空氣質(zhì)量受到越來越多的人關(guān)注，張家港市作為沿海和長江兩大經(jīng)濟(jì)開發(fā)帶交匯處的新興港口工業(yè)城市，在城市不斷高速發(fā)展的同時，常伴隨環(huán)境污染問題。隨著人們對空氣污染防治越來越重視，而且關(guān)注的焦點(diǎn)逐漸由粗顆粒逐漸轉(zhuǎn)化為細(xì)顆粒，如：PM2.5、PM10以及其他化合成分(如：SO2、CO、NO2、O3等)。本文運(yùn)用R/S 分析法對張家港市大氣污染進(jìn)行分析并預(yù)測未來張家港市的大氣

污染變化趨勢，探討近年來張家港市實(shí)施的空氣污染防治措施的治理效果，為相關(guān)政府行政部門研究和制定張家港市大氣污染的防治對策等提供科學(xué)支持。

重標(biāo)極差分析法(Rescaled Range Analysis，R/S分析法)，是一種通過時間序列來呈現(xiàn)的統(tǒng)計檢驗(yàn)方法，對數(shù)據(jù)變化的持續(xù)性(反持續(xù)性)給予證明，并對持續(xù)性(反持續(xù)性)成分的強(qiáng)度進(jìn)行定量比較[1]，同時對數(shù)據(jù)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。在城市氣候效應(yīng)[2～4]、經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測[5～7]、沙塵暴預(yù)測[8]、水質(zhì)變化[9～11]等方面進(jìn)行科學(xué)預(yù)報時，具有重要意義。R/S 分析法已成為時間序列分析中比相關(guān)分析更常用的工具。

1 材料與方法

1.1 資料數(shù)據(jù)來源

空氣污染指數(shù)(API)是根據(jù)空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)污染物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其對人體健康的影響來確定污染指數(shù)的分級數(shù)值及相應(yīng)的污染物濃度限值[12]。本文采用的數(shù)據(jù)來源于空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(https://www.aqistudy.cn/)2011年1月1日到2020年4月30日空氣環(huán)境質(zhì)量中的可吸入顆粒物(PM2.5、PM10)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)以及臭氧(O3-8h)的API數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

時間序列是指將某種現(xiàn)象某一個統(tǒng)計指標(biāo)在不同時間上的各個數(shù)值，按時間先后順序排列而形成的序列。時間序列法是被廣泛應(yīng)用的定量預(yù)測方法之一[13]。目前，我國專家學(xué)者在研究時間序列分形特征時，多數(shù)采用重標(biāo)極差分析(R/S)、譜分析、周期圖回歸法和相關(guān)分析法。R/S 分析具有一定的精確性和準(zhǔn)確性，能夠揭示出時間序列分型結(jié)構(gòu)特征，是可行且有效的研究方法，其研究結(jié)果對于認(rèn)識大氣污染特點(diǎn)、進(jìn)行大氣污染監(jiān)測和預(yù)報具有重要的參考價值。

考慮一個時間序列{ξt=x1,x2,...,xn}。

對于任意正整數(shù) k≥1，其均值系列為

(1)

累積偏差Ftk為

(2)

極值Rk為

RK=maxFtk-minFtk，1≤t≤k

(3)

標(biāo)準(zhǔn)差Sk為

(4)

(5)

則表明該時間序列存在霍斯特(Hurst)現(xiàn)象，式(5)中的H稱為Hurst指數(shù)。式(5)也表示log(R/S)與log(k)之間存在線性相關(guān)關(guān)系。H值可根據(jù)計算出的(lnk， ln(R/S))值，在雙對數(shù)坐標(biāo)系(lnk，ln(R/S))中用最小二乘法擬合式(5)得到[14]。當(dāng)0

2 結(jié)果與分析

2.1 總體情況

2011年1月～2020年4月，張家港市大氣空氣污染物PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2及O3-8hAPI指數(shù)平均為49μg/m3，83μg/m3，21μg/m3，83μg/m3，36μg/m3，92μg/m3。各年平均值如表 1 所示。

由于模型中已將車頭及輪胎化簡，為減小仿真誤差，需將其質(zhì)量及摩擦力附加在模型中[4-5]。摩擦力和慣性力產(chǎn)生于碰撞瞬間、運(yùn)輸車狀態(tài)發(fā)生改變的時刻，故可以統(tǒng)一換算成阻力。后輪與地面的阻力F1和前方牽引銷處的阻力F2可表示為

表1 張家港市2011～2020年空氣環(huán)境質(zhì)量API指數(shù)年平均值Tab.1 Annual average value of air environmental quality API index in Zhangjiagang from 2011 to 2020 (μg/m3)

將所獲的API指數(shù)年平均值數(shù)據(jù)輸入Excel軟件作空氣污染API指數(shù)變化曲線圖(如圖 1 所示)。

圖1 張家港市2011～2020年空氣 污染API 指數(shù)變化趨勢圖Fig.1 The variation trend of API in Zhangjiagang from 2011 to 2020

由圖 1 可知， 張家港市2011～2020年P(guān)M2.5、PM10、O3-8h和SO2API指數(shù)總體呈現(xiàn)先增高，后降低的趨勢，而NO2、CO API指數(shù)波動較小。其中：PM2.5、PM10API指數(shù)在2014年達(dá)到峰值后逐年降低，SO2API指數(shù)在2013年達(dá)到峰值后逐年降低。O3-8hAPI指數(shù)從2011年到2014年呈逐年上升趨勢，2014～2020年變化趨于平緩。2011年張家港市十二五規(guī)劃頒布，在大氣污染上要建立全防全治的防治體系，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力推廣清潔能源，減低大氣中二氧化硫和煙塵排放量，以公共綠地為核心，加快綠色生態(tài)建設(shè)，以保證生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，注重防止建筑揚(yáng)塵和地面揚(yáng)塵。十二五結(jié)束后，在2016年5月31日，張家港市環(huán)保局和市環(huán)境科學(xué)會共同又將揮發(fā)性有機(jī)物定為張家港市大氣污染治理的重點(diǎn)。通過一系列的治理，張家港市大氣API指數(shù)得到較好的改善。

2.2 變異系數(shù)分析

變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差和平均數(shù)的比值，是衡量資料中各觀測值變異程度的另一個統(tǒng)計量。變異系數(shù)表示了數(shù)據(jù)的離散程度或相對變化程度，可以消除單位和(或)平均數(shù)不同對兩個或多個資料變異程度比較的影響。2011～2020年間，大氣API各項(xiàng)指數(shù)月度均值冬春季高，夏秋季低，總體分布呈V字型。大氣中PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2及O3-8hAPI指數(shù)變異系數(shù)分別在0.56～0.82、0.44～0.65、0.38～0.62、0.34～0.66、0.37～0.50、0.38～0.64之間，如圖2所示。2013年P(guān)M2.5、PM10、CO、NO2API指數(shù)變異系數(shù)最大，為0.82、0.65、0.62、0.52；2015年SO2API指數(shù)變異系數(shù)最大，為0.62；2017年O3-8hAPI指數(shù)變異系數(shù)最大，為0.64. 由此可以推測，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2及O3-8h的API指數(shù)分別在2013年、2015年、2017年變化程度最大，說明該時間段張家港市大氣環(huán)境受工業(yè)生產(chǎn)、交通等人為活動污染較大。

圖2 張家港市2011～2020年空氣環(huán)境 質(zhì)量API指數(shù)變異系數(shù)柱狀圖Fig.2 Variation efficient of API in Zhangjiagang from 2011 to 2020

2.3 R/S 分析結(jié)果

根據(jù)上述 R/S 分析方法的計算步驟，結(jié)合張家港市空氣環(huán)境污染的具體特征，將張家港市空氣環(huán)境中的PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2及O3-8h等6個指數(shù)值代入公式，進(jìn)行了計算與分析，每項(xiàng)指數(shù)經(jīng)計算獲得的結(jié)果如表2所示。

表2 張家港市空氣環(huán)境污染評價指數(shù)的 ln(k)， ln(R/S)值Tab.2 The ln(K)and ln(R/S) values of air pollution evaluation index in Zhangjiagang

續(xù)表2

通過對張家港市空氣環(huán)境污染指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的R/S 分析，并根據(jù)表 2 計算得到的張家港市空氣環(huán)境污染 6個指數(shù)9年來的ln(k)，ln(R/S)值，在雙對數(shù)坐標(biāo)中畫出ln(k)，ln(R/S)的散點(diǎn)圖，用最小二乘法擬合,得到的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 張家港市2012～2020年空氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)R/S分析結(jié)果Fig.3 R/S analysis results of API in Zhangjiagang from 2011 to 2020

3 結(jié) 論

通過對張家港市空氣環(huán)境中6個API指數(shù)的時間序列進(jìn)行R/S分析，初步得出以下結(jié)論。

3.1 張家港市空氣環(huán)境中6個污染指標(biāo)在時間序列上具有較強(qiáng)的Hurst效應(yīng)，即存在較強(qiáng)的持續(xù)性。R/S 分析預(yù)測張家港市未來空氣環(huán)境中PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2及O3-8h等污染指標(biāo)變化趨勢與過去相同，即總體將呈現(xiàn)減輕趨勢。

3.2 張家港市近年來采取的一系列污染控制措施有密切聯(lián)系，包括加強(qiáng)揚(yáng)塵污染、工業(yè)污染、機(jī)動車污染等治理，張家港市空氣污染狀況有明顯的改善。

3.3 為了從根本上解決張家港市的大氣污染問題，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)境管理，構(gòu)建城市污染控制體系，盡快調(diào)整不合理工業(yè)布局和能源結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制環(huán)境污染，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系，加強(qiáng)機(jī)動車尾氣排放檢查，構(gòu)建綠色低碳交通體系，同時加快城市綠化建設(shè)進(jìn)度，提高綠化覆蓋率，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。