鄭州市大氣可吸入顆粒物濃度變化的小波分析

楊書(shū)申,楊春麗,鄭明凱

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

鄭州市大氣可吸入顆粒物濃度變化的小波分析

楊書(shū)申,楊春麗,鄭明凱

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

對(duì)鄭州市2005-2010年大氣可吸入顆粒物濃度(PM10)的變化特征進(jìn)行了分析,利用小波分析法對(duì)鄭州市PM10日濃度變化曲線進(jìn)行了消噪濾波分析,并結(jié)合鄭州市的氣候條件,討論了造成鄭州市 PM10變化規(guī)律的原因.結(jié)果表明:鄭州市PM10質(zhì)量濃度在夏季達(dá)到最低值,冬春季節(jié)污染較嚴(yán)重,這與鄭州所處的地理位置、自然環(huán)境以及氣候、氣象條件有直接關(guān)系;鄭州市大氣污染物中的PM10污染得到了一定控制,但二氧化硫污染天數(shù)增加較多,應(yīng)該注意SO2污染的控制;小波分析后的濃度曲線較好地把由于偶然因素造成的高頻信號(hào)消除,清晰顯示出污染物濃度的變化規(guī)律,小波分析法在PM10濃度變化規(guī)律的分析中有明顯優(yōu)勢(shì).

大氣可吸入顆粒物(PM10);小波分析;信號(hào)去噪

鄭州市是中原城市群的中心,位于河南省中部偏北地區(qū),北臨黃河,地理位置位于東經(jīng) 112°42′～114°14′、北緯 34°16′～34°58′.近年來(lái) ,鄭州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅猛發(fā)展,同時(shí)也帶來(lái)了一些大氣環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題.雖然環(huán)境整治力度不斷加強(qiáng),但鄭州市的大氣顆粒物污染仍較嚴(yán)重[1-4].因此,對(duì)鄭州市大氣可吸入顆粒物(PM10)進(jìn)行深入研究,有針對(duì)性地采取科學(xué)措施治理大氣PM10,具有十分重要的意義.本文利用小波分析法(Wavelet Transform)分析了鄭州市近年來(lái)PM10的質(zhì)量濃度變化規(guī)律,并討論了鄭州市近年來(lái)影響PM10變化的主要因素.

1 鄭州市2005—2010年 PM10濃度變化

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

鄭州市PM10濃度數(shù)據(jù),主要來(lái)自國(guó)家環(huán)保總局信息中心制作發(fā)布的《中國(guó)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)》.《中國(guó)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)》由中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站匯總了全國(guó)113個(gè)大城市對(duì)國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的常見(jiàn)污染物例行監(jiān)測(cè)的結(jié)果,評(píng)價(jià)城市的空氣質(zhì)量,并以空氣污染指數(shù)(API)的形式向公眾發(fā)布,包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)和可吸入顆粒物(PM10).空氣質(zhì)量公報(bào)的主要內(nèi)容有:空氣污染指數(shù)、空氣質(zhì)量級(jí)別和首要污染物,空氣質(zhì)量為優(yōu)時(shí)無(wú)首要污染物.

分析過(guò)程中將空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)中的污染指數(shù)換算為質(zhì)量濃度[2].

1.2 鄭州市2005—2010年P(guān)M10總體質(zhì)量濃度特征

2005—2010年鄭州市城區(qū)空氣質(zhì)量天數(shù)分布見(jiàn)表1,首要污染物天數(shù)分布見(jiàn)表2.從表1、表2可以看出,2005—2010年,空氣質(zhì)量達(dá)到良以上的天數(shù),從2005年的300 d——占全年天數(shù)的82.2%,逐年增加到2008年的326 d——占全年天數(shù)的89.3%,隨后又逐年減少,到 2010年變?yōu)?318 d——占全年天數(shù)的87.1%.近年來(lái),城區(qū)空氣質(zhì)量呈現(xiàn)惡化趨勢(shì).鄭州市首要污染物的分布顯示,其中可吸入顆粒物污染得到了一定控制,有減少的趨勢(shì),但二氧化硫污染天數(shù)增加較多且居高不下.

圖1—圖3分別表示2005—2010年鄭州市 PM10濃度的年度、月、季節(jié)平均分布.可以看出,除了2008年市區(qū)PM10年平均濃度值好于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.100 mg/m3)外,其余年份都超過(guò)了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),并且出現(xiàn)了鞍形分布,2008年最低.PM10月平均濃度值和季節(jié)平均濃度值均顯示,在鄭州市,常規(guī)年份都是 PM10冬季(每年的12月和次年的1、2月)污染最重,春季(3-5月)、秋季(9-11月)污染稍輕,夏季(6-8月)污染最輕,一般污染最輕的夏季PM10平均質(zhì)量濃度低于年平均值的國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).以上說(shuō)明鄭州市PM10污染隨季節(jié)變化特征明顯.

表12005—2010年鄭州市空氣質(zhì)量天數(shù)分布

表22005—2010年鄭州市大氣首要污染物分布

圖32005—2010年鄭州市PM10濃度的季節(jié)變化

2 PM10濃度變化的小波分析

大氣環(huán)境質(zhì)量由于受多種因素的影響,使得污染物濃度時(shí)間序列數(shù)據(jù)有很大的無(wú)規(guī)律變化,其中有許多是由于偶然因素造成的,這些因素嚴(yán)重影響其變化規(guī)律的分析和處理.消除偶然因素造成的變化,分析污染物濃度的變化規(guī)律,從信號(hào)處理的角度來(lái)看是典型的去噪處理[5].

對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)去噪的傳統(tǒng)方法,主要有移動(dòng)平均法、傳統(tǒng)濾波法、卡爾曼濾波法和維納濾波法[6].傳統(tǒng)濾波法的一個(gè)典型例子是采用傅立葉(Fourier)變換,它是信號(hào)數(shù)字處理中的重要手段,在信號(hào)處理中得到普遍應(yīng)用.傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)變換到頻域,認(rèn)為低頻信號(hào)是有用信號(hào)而高頻信號(hào)一般為噪聲.它要求有用信號(hào)和噪聲的頻譜相互分開(kāi);同時(shí),由于 Fourier變換中采樣間隔都是常數(shù),時(shí)間域與頻率域之間彼此是整體刻畫(huà),不能用于局部分析.對(duì)污染物濃度時(shí)間序列來(lái)說(shuō),波動(dòng)性都比較大,頻譜比較寬,有用信號(hào)和噪聲譜重疊比較嚴(yán)重,污染物濃度時(shí)間序列數(shù)據(jù)本身具有非平穩(wěn)、非線性和信噪比高的特點(diǎn),采用傳統(tǒng)的去噪處理方法往往存在諸多缺陷,難以實(shí)現(xiàn)信噪的有效分離[7].

小波分析法(或小波變換法)是近幾年發(fā)展很快的一種多尺度分析工具,它是根據(jù)時(shí)頻局部化的要求而發(fā)展起來(lái)的,具有自適應(yīng)和數(shù)學(xué)顯微鏡性質(zhì).與傳統(tǒng)的傅里葉變換相比,小波變換對(duì)于不同的頻率分量具有不同的時(shí)間分辨率,能夠提供信號(hào)在時(shí)頻域上的局部化特征,特別適合非平穩(wěn)、非線性信號(hào)的處理[8-9].利用小波變換去噪,其實(shí)質(zhì)就是用不同中心頻率的帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,把那些主要反映噪聲性質(zhì)的成分去掉,得到質(zhì)量較好的觀測(cè)數(shù)據(jù).它是一種窗口面積恒定、窗口形狀(時(shí)域窗口和頻域窗口)可變的時(shí)頻域局域化分析方法,在低頻段具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率,在高頻段具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率,可以對(duì)信號(hào)的任意細(xì)節(jié)加以分析,實(shí)現(xiàn)了時(shí)頻窗口的自適應(yīng)變化,具有時(shí)頻分析局域性.

小波變換理論的一個(gè)重要特色是可以進(jìn)行多分辨率分析.通過(guò)這種多分辨率分解,信號(hào)和噪聲通常會(huì)有不同的表現(xiàn),從而可達(dá)到信噪分離的目的.將小波變換用于信號(hào)去噪,能在去噪的同時(shí)而不損壞信號(hào)的突變部分,是一種對(duì)信號(hào)局部頻譜分析比較理想的數(shù)學(xué)工具.小波變換廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、地震勘測(cè)、圖形處理、語(yǔ)言分析等眾多領(lǐng)域[10-11].

本研究采用MATLAB7.0附帶的小波分析工具,對(duì)鄭州市2005-2010年P(guān)M10質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪分析.分析過(guò)程是將2005-2010年P(guān)M10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)導(dǎo)入MA TLAB,然后用MA TLAB命令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析,將原始數(shù)據(jù)和處理得到的數(shù)據(jù)作圖,以便進(jìn)行分析.

3 鄭州市PM10濃度變化規(guī)律

鄭州市2005-2010年P(guān)M10質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的曲線及小波分析結(jié)果如圖4所示.可以看出,經(jīng)過(guò)小波分析去噪后,污染物的變化規(guī)律比較明顯地顯現(xiàn)出來(lái)了,說(shuō)明小波去噪處理在分析時(shí)間序列數(shù)據(jù)中確實(shí)有明顯的效果.

圖42005-2010年鄭州市PM10濃度變化的小波分析結(jié)果

從圖4可以看出,鄭州市PM10濃度變化在一年中呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,每年年初有一下降的過(guò)程,一般到2月達(dá)到最低,隨后上升,到3、4月達(dá)到高點(diǎn),隨后一直降低,到7、8月,只有 2008年、2009年兩年基本上從年初一直降低到7月,隨后逐漸上升,到11-12月達(dá)到最高,以后逐漸下降到次年,只有2006年9月出現(xiàn)了一個(gè)峰值.分析造成這種變化的原因,除了鄭州市局域污染的變化外,原因可能還有:每年的3-4月,鄭州市及周邊開(kāi)始春耕,同時(shí)氣溫升高,土壤解凍,風(fēng)力也逐漸達(dá)到全年最大,引起土壤浮塵和局地?fù)P塵,同時(shí)來(lái)自西北沙漠的春季沙塵暴更加重了顆粒物污染,這些因素都會(huì)影響鄭州市的大氣質(zhì)量;6、7、8月是鄭州市的雨季(見(jiàn)表3),降水對(duì)顆粒物的清除能力增強(qiáng),顆粒物濃度降低;進(jìn)入9月后氣溫降低,鄭州市及周邊地區(qū)進(jìn)入秋收季節(jié),莊稼開(kāi)始收割,植被減少,同時(shí)降水減少,降水造成的可吸入顆粒物清除減少,同時(shí)風(fēng)力減小,大氣擴(kuò)散能力降低,容易造成污染物積累;特別是進(jìn)入冬季后,鄭州地區(qū)開(kāi)始取暖季節(jié),使顆粒物濃度開(kāi)始增加,到12月顆粒物濃度達(dá)到最高;到年底 PM10濃度開(kāi)始降低的主要原因,可能是進(jìn)入冬季后,天氣寒冷,土壤開(kāi)始凍結(jié),同時(shí)來(lái)自北方的冷空氣頻繁入侵,使可吸入顆粒物得到擴(kuò)散、凈化,可吸入顆粒物濃度降低.

表3 鄭州市1971-2000年的氣候值

通過(guò)分析鄭州市大氣污染物質(zhì)量濃度的變化情況不難看出,大氣污染物濃度的影響因素非常復(fù)雜,但基本上都在夏季達(dá)到污染的最低值,到12月達(dá)到污染的最大值.這主要與鄭州所處的地理位置、自然環(huán)境以及氣候、氣象條件有關(guān).總的說(shuō)來(lái),鄭州市大氣質(zhì)量較好的季節(jié)在5-8月.這種顆粒物污染的季度變化趨勢(shì)和其他北方干旱城市的變化趨勢(shì)接近[12-13],與鄭州市的氣候特點(diǎn)也相符合.鄭州地處北半球的中緯度地帶,屬北暖帶季風(fēng)型大陸性氣候,總的特點(diǎn)是春季干燥,風(fēng)沙較多,夏季炎熱,降雨集中,秋季晴朗,冬季寒冷,年平均降雨量636 mm,全年平均風(fēng)速2.2 m/s.由于春季風(fēng)沙較多,春季的顆粒物污染情況也較高;夏季則由于降雨等的作用,利于顆粒物的沉降、擴(kuò)散,顆粒物不容易積累,因此顆粒物濃度最低;冬季則由于取暖燃煤等的影響,顆粒物濃度最為嚴(yán)重.根據(jù)以上分析,對(duì)于鄭州市大氣顆粒物污染的治理,除了源頭控制,嚴(yán)格控制工業(yè)污染源和機(jī)動(dòng)車尾氣污染外,應(yīng)該針對(duì)鄭州市的氣候、氣象特征,在冬春季節(jié)嚴(yán)格控制建筑工地和道路揚(yáng)塵,在少雨季節(jié)及時(shí)灑水以降低道路揚(yáng)塵,同時(shí)冬季還應(yīng)做好取暖燃煤污染的控制.

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)從對(duì)鄭州市PM10濃度的小波分析可以看出,小波分析后的濃度曲線較好地把由于偶然因素造成的高頻信號(hào)(噪聲)消除,清晰顯示出污染物濃度的變化規(guī)律,小波分析法在PM10濃度變化規(guī)律的分析中有明顯優(yōu)勢(shì).

(2)鄭州市大氣污染物質(zhì)量濃度在夏季達(dá)到最低值,冬春季節(jié)污染最嚴(yán)重,這與鄭州所處的自然環(huán)境以及氣候、氣象條件有直接關(guān)系.

(3)鄭州市首要污染物中,可吸入顆粒物污染得到了一定控制,有減少的趨勢(shì),但 SO2污染天數(shù)增加較多且居高不下,應(yīng)該注意SO2污染的控制.

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Variation Analysis on Concentration of Inhalable Particulate Matter in Zhengzhou by Wavelet Transformation

YANG Shu-shen,YANG Chun-li,ZHENG Ming-kai
(Zhongyuan University of Technology,450007 Zhengzhou,China)

Variation characterization of Concentration of inhalable particulate matter(PM10)in Zhengzhou during 2005 to 2010 was investigated.The denoising filtration analysis on daily variation curve of PM10in Zhengzhou was conducted by Wavelet Transformation.The reasons causing the variation regularity of PM10were discussed combining the climate condition of Zhengzhou.The results show that the concentration of PM10in Zhengzhou reach its lowest value in summer of a year,and the PM10pollution in winter and spring are more serious.This was due to the geography and nature environment,the climate and meteorology condition of Zhengzhou.The PM10pollution was under control,whereas the days of SO2as the principal pollutant increase;The SO2pollution should be controlled in future.The concentration curve after wavelet transformation can well eliminate the high frequency signal caused by accident factors so that the variation regularity of the concentration of pollutants can be shown clearly.The wavelet transformation has the obviously advantage in analyzing the variation regularity of the concentration of PM10.

inhalable particulate matter;wavelet transformation;signal denoising

X513

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.04.004

1671-6906(2011)04-0017-05

2011-07-15

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(072300460060)

楊書(shū)申(1966-),男,河南唐河人,教授,博士.