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北京市大氣可吸入顆粒物影響因素灰色關(guān)聯(lián)度分析
引言
可吸入顆粒物大量存在于城市空氣中，具有數(shù)目濃度高、停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)、污染范圍廣的特點(diǎn)，造成嚴(yán)重的環(huán)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(duì)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(xiàn)實(shí)意義。北京屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，四季變化分明，夏季降水集中，冬季降水較少，逆溫發(fā)生頻率高，風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、降水量等氣象要素都會(huì)影響空氣質(zhì)量水平[1]。顆粒物的濃度取決于源排放、化學(xué)轉(zhuǎn)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(zhì)量的客觀因素。2012 年趙文慧[4]等對(duì)北京市城區(qū)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(duì)顆粒物濃度的影響大小。2012 年范新強(qiáng)[5]等對(duì)霧霾條件下氣象因子中與PM10 濃度的關(guān)系進(jìn)行了分析。2012 年北京天氣與往年相比濕度大、雨水多的特點(diǎn)，考慮到各氣象因子之間相互影響的復(fù)雜性，并相互關(guān)聯(lián)，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(tǒng)[6 ]的特征。因此，通過利用灰色相關(guān)度理論[6 ]，對(duì)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(guān)程度進(jìn)行分析，得到較為準(zhǔn)確和有用的結(jié)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(chǔ)。
1 計(jì)算模型
1.1 灰色相關(guān)度計(jì)算模型
灰色關(guān)聯(lián)分析法[6][7]是通過確定參考數(shù)列和若干比較數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度（兩系統(tǒng)或兩因素間關(guān)聯(lián)性大小的量度），尋找系統(tǒng)中各因素的關(guān)系，來對(duì)該系統(tǒng)的發(fā)展變化態(tài)勢(shì)進(jìn)行定量比較，找出影響目標(biāo)值的重要因素。
1.2 數(shù)據(jù)初始化處理
對(duì)于進(jìn)行灰色相關(guān)度比較的系統(tǒng)中，各個(gè)相比較的因素之間必須具有可比性，尤其對(duì)于采用數(shù)學(xué)公式的方法進(jìn)行計(jì)算的情況。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確度和可信度，要求對(duì)各個(gè)比較的因素進(jìn)行初始化處理，是各個(gè)因素之間的數(shù)量級(jí)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(jìn)行初始數(shù)據(jù)的無量綱化。
1.3 計(jì)算步驟
使用鄧式灰色相關(guān)度方法，對(duì)北京市天氣因素與可吸入顆粒物進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算。計(jì)算步驟包括數(shù)據(jù)的無量綱化、差序列求解、最大最小值求解、相關(guān)系數(shù)求解以及相關(guān)度的計(jì)算等步驟。 具體的計(jì)算流程見。
2 算例
2.1 初始數(shù)據(jù)
據(jù)北京市氣象局環(huán)境保護(hù)局公布的2012-2012 年北京市天氣污染資料，對(duì)北京市冬季晴天和霧霾兩種天氣條件下，各種氣候參數(shù)（氣溫，露點(diǎn)，濕度，風(fēng)速）對(duì)顆粒物濃度的影響進(jìn)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(shù)據(jù)[9][10]所示。
2.2 初始數(shù)據(jù)的初始化
利用初值化無量綱化公式（2），對(duì)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(jìn)行無量綱化。無量綱化后的數(shù)據(jù)。
按照可吸入顆粒物濃度大小順序?qū)?duì)無量綱后的參量進(jìn)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(fā)展趨勢(shì)。
通過圖可初步看出各影響因素對(duì)可吸入顆粒物濃度影響的變化趨勢(shì)。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(shì)，露點(diǎn)有一定的波動(dòng)但總體為上升趨勢(shì)，濕度為波動(dòng)向下的趨勢(shì)，而風(fēng)速的影響為比較大的震蕩，但總體為上升趨勢(shì)。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(shì)。與圖2 的變化趨勢(shì)相比，風(fēng)速和露點(diǎn)變化趨勢(shì)相似，但濕度與溫度因素隨可吸入顆粒物濃度的變化趨勢(shì)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(dòng)上升的趨勢(shì)，溫度為波動(dòng)上升趨勢(shì)。從圖2 和圖3 無法準(zhǔn)確得出各相關(guān)因素與可吸入顆粒物濃度變化的相關(guān)量以及相關(guān)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(duì)可吸入顆粒物濃度的影響是不同的。
2.3 相關(guān)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果
利用中的相關(guān)系數(shù)公式，對(duì)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(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的天氣因素與可吸入顆粒物濃度相關(guān)系數(shù)見所示。
2.4 鄧氏灰色相關(guān)度計(jì)算結(jié)果
利用中的相關(guān)度計(jì)算公式，對(duì)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(guān)度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的天氣因素與可吸入顆粒物濃度相關(guān)度見所示。
如所示，通過計(jì)算得到，在晴天天氣情況下，氣溫、露點(diǎn)、濕度、和風(fēng)速對(duì)北京市顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)闅鉁?gt;露點(diǎn)>濕度>風(fēng)速。在晴天天氣情況下，溫度因素發(fā)揮的較大作用。如所示，在霧霾天氣下對(duì)北京市顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)闈穸?gt;露點(diǎn)>氣溫>風(fēng)速。在霧霾天氣情況下，濕度因素發(fā)揮的較大作用。但從數(shù)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(duì)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(jié)果與趙文慧[4]采用典型相關(guān)分析(CCA)對(duì)2012 年北京城區(qū)夏季PM1.0 、PM3.0 、PM5.0 與氣象因子的空間分布進(jìn)行分析的結(jié)果基本一致。這也也證實(shí)了灰色相關(guān)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(fā)揮的較大作用。
3 結(jié)果分析
在排放源穩(wěn)定不變的情況下，影響顆粒物在大氣環(huán)境中濃度主要原因是顆粒物的擴(kuò)散強(qiáng)度，其中影響顆粒物擴(kuò)散強(qiáng)度的天氣因素有溫度，濕度，風(fēng)速，日照時(shí)間，與天氣狀況有關(guān)。
通過利用鄧式灰色相關(guān)度，得到在不同的天氣條件下，各個(gè)不同因素對(duì)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(duì)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?yàn)闇囟仍礁�，空氣中的溫度梯度越大，空氣的穩(wěn)定度越大，大氣擴(kuò)散系數(shù)越小，細(xì)顆粒容易集中和團(tuán)聚，導(dǎo)致顆粒物濃度增大。
在霧霾天氣條件下，濕度對(duì)大氣中顆粒物濃度的影響較大。因?yàn)樵陟F霾條件下，濕度的大小是大氣擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散的阻力變大，導(dǎo)致顆粒不容易擴(kuò)散，還可能團(tuán)聚成較大的粒子。
4 結(jié)論
大氣的因素影響顆粒物的濃度分布主要是大氣擴(kuò)散條件的影響，通過計(jì)算得到氣溫、露點(diǎn)、濕度以及風(fēng)速四個(gè)因素對(duì)大氣中顆粒物的濃度都有具有較大的影響。通過對(duì)冬季兩種天氣條件下的各個(gè)因素對(duì)大氣中的顆粒物濃度的相關(guān)度分析，可以得到：
�。�1）不同的天氣條件下，各個(gè)因素對(duì)大氣中顆粒物濃度的影響不同；
�。�2）晴天條件下，溫度對(duì)顆粒物濃度的影響最大，霧霾天氣條件下，濕度對(duì)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(xiàn)頻率增大，在霧霾天氣下，風(fēng)速一般都比較小，對(duì)大氣的擴(kuò)散的影響也是最小的；
�。�4）通過分析得到選取的溫度，濕度，風(fēng)速，以及露點(diǎn)對(duì)大氣中顆粒物濃度相關(guān)度相差不大，可以得到這四個(gè)因素都是影響大氣中顆粒物濃度的重要因素。
通過對(duì)北京市可吸入顆粒物污染的程度與影響因子的相關(guān)評(píng)價(jià)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(guān)性,從而有利于城市空氣質(zhì)量控制與預(yù)測,為揭示城市空氣污染機(jī)理，并根據(jù)其中不同天氣條件下差異性，為提出相應(yīng)的規(guī)劃、緩減對(duì)策等提供科學(xué)依據(jù)。
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[參考文獻(xiàn)] (References)
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[9] 北京市環(huán)境保護(hù)局.
[10] 天氣記錄網(wǎng).
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