基于分形模型的城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究

陳 輝,厲 青,楊一鵬,申 維,趙 祥 (.北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京00875；.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 0008；.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 00094)

在20世紀(jì)中期倫敦工業(yè)“霧”污染以及后來(lái)工業(yè)國(guó)家一系列引人關(guān)注的空氣污染事件之后,很多學(xué)者開(kāi)始研究短期內(nèi)空氣污染對(duì)人類生活健康的影響[1].隨著中國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展,公眾對(duì)空氣污染問(wèn)題日趨關(guān)注.本文主要研究人為活動(dòng)引起大氣污染狀況下的大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法.很多學(xué)者提出了許多綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法,如橡樹(shù)嶺大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(ORAQI)、姚式指數(shù)、南京大氣質(zhì)量指數(shù)、沈陽(yáng)大氣質(zhì)量指數(shù)等.在現(xiàn)有的各種大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)中,由 Thomas和Ott提出的美國(guó)橡樹(shù)嶺空氣質(zhì)量指數(shù)被認(rèn)為是描述區(qū)域空氣環(huán)境質(zhì)量同時(shí)滿足統(tǒng)一空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最有效的方法[2].

分形概念誕生于 1967年美國(guó)數(shù)學(xué)家Mandelbort在《科學(xué)》上發(fā)表的論文《How Long Is The Coast of Britain》[3].分形是其組成部分以某種方式與整體相似的形體,它以分維數(shù)、自相似、統(tǒng)計(jì)自相似性和冪函數(shù)等為工具,研究不具有特征標(biāo)度,極不規(guī)則和高度分割但具有自相似性的復(fù)雜現(xiàn)象,定量描述這種自相似的參數(shù)成為分維數(shù)[4].由于很多環(huán)境系統(tǒng)具有自相似性,所以分形理論建立后立即在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用[5].本文把分形理論引入到環(huán)境空氣污染分布特征的研究中來(lái),以全新的數(shù)學(xué)方法和理論模型來(lái)描述環(huán)境空氣質(zhì)量的變化特征,根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量的分布變化特征確定環(huán)境空氣背景值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),有助于從新的方向和視角研究環(huán)境空氣質(zhì)量對(duì)人類健康的影響,為改善環(huán)境提供新的理論方法和依據(jù).

通過(guò)分形模型與橡樹(shù)嶺大氣環(huán)境指數(shù)結(jié)合,可以更好的表達(dá)城市地區(qū)人為活動(dòng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響.

1 基于分形模型的大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值確定方法研究

1.1 大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)概念及其計(jì)算方法

環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的基本原理在于將環(huán)境質(zhì)量參數(shù)與環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來(lái),構(gòu)成無(wú)量綱的可供對(duì)比的相對(duì)數(shù)值.既可以用于單項(xiàng)污染評(píng)價(jià),又可以作為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的結(jié)構(gòu)單元[6].

一般空氣污染指數(shù)(API)/空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)被定義為一項(xiàng)或者多項(xiàng)空氣污染物的線性加權(quán)結(jié)果,用來(lái)描述空氣質(zhì)量的日變化情況.美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(U.S. EPA)曾經(jīng)提出了一種污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)(PSI),以每天提供準(zhǔn)確、及時(shí)并且通俗易懂的空氣污染信息.污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)(PSI)是把每種污染物的濃度轉(zhuǎn)換為一種無(wú)量綱數(shù)值,提供統(tǒng)一的污染水平分級(jí)方式.目前中國(guó)大部分城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)也是采取這種方法(API),這種空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法能體現(xiàn)出空氣中的主要污染物,但是不能綜合表達(dá)大氣中其他因子對(duì)于空氣環(huán)境質(zhì)量的影響[2].并且由于中國(guó)大部分處于北溫帶,屬于季風(fēng)性氣候區(qū),氣候條件和所遇到的污染問(wèn)題與美國(guó)或歐洲國(guó)家不同,污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)的適用性大大降低.橡樹(shù)嶺大氣質(zhì)量指數(shù)(the Oak Ridge Air Quality Index, ORAQI)是由美國(guó)原子能委員會(huì)橡樹(shù)嶺國(guó)立實(shí)驗(yàn)室于1971年9月提出的.這種指數(shù)評(píng)價(jià)方法認(rèn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)效果的影響呈指數(shù)關(guān)系,可以根據(jù)各地區(qū)不同的環(huán)境狀況和氣候條件確定相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型.

1.1.1 橡樹(shù)嶺大氣質(zhì)量指數(shù)(ORAQI) 衡量大氣環(huán)境質(zhì)量的主要依據(jù)是不同大氣污染物的危害程度[7].橡樹(shù)嶺大氣質(zhì)量指數(shù)起初包括 5項(xiàng)污染物,即CO、SO2、NO2、O3和SPM,后來(lái)經(jīng)過(guò)推廣可適用于任意多項(xiàng)污染物的綜合評(píng)價(jià).設(shè)Ci代表任一項(xiàng)實(shí)測(cè)污染物的日平均濃度, Si代表該污染物的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值, ORAQI可按下式計(jì)算:

式中: a、b為常系數(shù).實(shí)際評(píng)價(jià)中,根據(jù) ORAQI計(jì)算結(jié)果,將環(huán)境質(zhì)量分為六級(jí),依次為優(yōu)(<20),好(20~39),尚可(40~59),差(60~79),壞(80~100),危險(xiǎn)(>100);ORAQI越大,大氣環(huán)境質(zhì)量越差[8].

采用ORAQI評(píng)價(jià)大氣環(huán)境污染狀況主要考慮了人類活動(dòng)造成大氣污染,先需要確定當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境背景值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),以消除或降低大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)城市地區(qū)空氣污染狀況的影響.用 ORAQI進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)首先需要計(jì)算出適用于研究地區(qū)的常系數(shù)a、b.而系數(shù)a、b的確定方法為:當(dāng)各種污染物濃度等于該地區(qū)背景濃度Ci′時(shí),ORAQI=10;當(dāng)各種污染物濃度均達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí),ORAQI=100;因此,a、b由以下方程組確定:

Ott等[9]選取5種污染物評(píng)價(jià)因子計(jì)算明尼蘇達(dá)州地區(qū)的(美國(guó)中西部最大的一個(gè)州) ORAQI值,采用美國(guó)國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NAAQS)計(jì)算得出 a= 5.7,b = 1.37; Joshi[10]選取3種污染因子(SPM,SO2,NOx)并采用美國(guó)國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算明尼蘇達(dá)州地區(qū)的 ORAQI值時(shí),計(jì)算得出a=9.58,b=1.37; REDDY等[2]選取SPM、SO2、NOx3種和SPM、SO22種污染物并采用美國(guó)國(guó)家空氣質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算維沙卡帕特南港口(印度東海岸中部)地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況分別得出 a= 39.2,b = 0.967和 a= 14.42,b=1.37.由此可見(jiàn),常系數(shù)a和b根據(jù)不同地區(qū)、不同的污染物以及采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的變化而各不相同.目前,中國(guó)大部分城市的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)3種污染物.因此,把橡樹(shù)嶺大氣質(zhì)量指數(shù)應(yīng)用于中國(guó)城市地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),首先需要根據(jù)各地區(qū)的不同條件確定污染物濃度的標(biāo)準(zhǔn)值和背景值,從而確定系數(shù)a、b.

1.1.2 大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值 大氣環(huán)境背景是指未疊加城市局地的污染貢獻(xiàn)時(shí),中尺度天氣系統(tǒng)所攜帶的大氣污染物的濃度水平.該濃度水平既包括自然環(huán)境背景,又包括大范圍長(zhǎng)距離輸送的污染[11].區(qū)域環(huán)境背景計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單,一般是在研究區(qū)內(nèi)相對(duì)清潔或受人類活動(dòng)影響較小的地區(qū),通過(guò)采樣分析并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法檢驗(yàn)分析結(jié)果,然后采取分析數(shù)據(jù)的平均值(或者范圍)作為背景值.環(huán)境空氣質(zhì)量背景值是一個(gè)動(dòng)態(tài)值,它與污染源、氣象條件和地形等因素密切相關(guān).在環(huán)境空氣評(píng)價(jià)中,無(wú)論是例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),未經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析處理而直接作為背景值使用均是不妥的[12].這樣所獲得的環(huán)境背景值也不夠精確,直接影響了大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性.

目前,我國(guó)采用的大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是 1996年頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)[13].但是我國(guó)幅員遼闊,地形復(fù)雜,各個(gè)城市之間的自然生態(tài)背景、氣候條件、城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、市政建設(shè)程度、污染防治和環(huán)境管理力度等因素各有差別[14].采用ORAQI評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量主要考慮了人類活動(dòng)造成大氣污染,這種指數(shù)評(píng)價(jià)方法應(yīng)與我國(guó)城市具體氣候條件和環(huán)境狀況密切地結(jié)合在一起才易于應(yīng)用并更有環(huán)境保護(hù)意義.我國(guó)沈陽(yáng)、上海等地的環(huán)?？蒲袡C(jī)構(gòu)也曾根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w環(huán)境情況,提出了相似的大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型.在進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)根據(jù)具體城市自身空氣污染特點(diǎn),因地制宜制定相應(yīng)污染物的標(biāo)準(zhǔn),以準(zhǔn)確地反映其空氣污染狀況.沈陽(yáng)大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)所采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8]與現(xiàn)行的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)[13]也不一致.

本文主要應(yīng)用分形理論對(duì)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并參考區(qū)域空氣污染物的濃度值隨機(jī)分布狀況來(lái)獲得大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值.

1.2 應(yīng)用分形模型確定背景值和標(biāo)準(zhǔn)值

1.2.1 分形求和模型 分形分布的特點(diǎn)要求大于某一尺度的物體的數(shù)目,與物體大小之間存在著冪函數(shù)關(guān)系.分形統(tǒng)計(jì)模型實(shí)際上是對(duì)物體累積密度分布特征的解析和描述:

式(3)為最基本的分形統(tǒng)計(jì)模型,其中N(＞ r )為大于或等于特征尺度r的物體數(shù)目, D為分形維數(shù),C為常數(shù).在此基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)學(xué)者[15]提出了分形求和模型:

2.2.2 應(yīng)用分形模型確定背景值和標(biāo)準(zhǔn)值 在分形模型中,分維數(shù)D值表征隨機(jī)數(shù)或樣本之間的隨機(jī)分布狀況,不同的分維數(shù)描述了不同隨機(jī)現(xiàn)象的復(fù)雜程度.D值越小表示隨機(jī)數(shù)或樣本之間的差異越小,均勻程度越好,復(fù)雜程度越高;反之D值越大說(shuō)明隨機(jī)數(shù)或樣本之間的差異越大,均勻程度越差,復(fù)雜程度越低[4].因此,分形求和模型通過(guò)分析區(qū)域內(nèi)隨機(jī)數(shù)據(jù)或樣本分布的復(fù)雜性可以確定其分類的界限[15].

根據(jù)大氣污染物濃度值分布與人類活動(dòng)相互影響的關(guān)系將其分為三類.I類為自然大氣:當(dāng)大氣環(huán)境一般受人類活動(dòng)影響較少時(shí),污染物濃度小于背景值,污染物濃度值分布隨機(jī)性比較高,會(huì)自動(dòng)使內(nèi)部濃度值分布復(fù)雜程度最大化,即其分維數(shù) D1較小;II類為城市大氣:而人類正?；顒?dòng)且尚未對(duì)破壞大氣環(huán)境系統(tǒng)的平衡性時(shí),由于人為活動(dòng)對(duì)污染物濃度值分布會(huì)造成一定程度的影響,其分布復(fù)雜程度相對(duì)較低,分維數(shù) D2應(yīng)大于 D1,但是尚未引起大氣污染,所以此時(shí)污染物濃度大于背景值且小于標(biāo)準(zhǔn)值;III類為污染大氣:當(dāng)大氣污染物濃度已經(jīng)足夠威脅到人類健康即大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),表明人類活動(dòng)非常頻繁破壞了大氣環(huán)境系統(tǒng)的平衡性且引起大氣污染,此時(shí)污染物濃度值分布狀況由于受影響比較大,其分布復(fù)雜程度最低,分維數(shù) D3應(yīng)最大.因此,可以根據(jù)污染物濃度值的分布建立分形求和模型,通過(guò)不同分維數(shù)來(lái)刻畫不同濃度值區(qū)間內(nèi)污染物分布的內(nèi)在復(fù)雜程度,將大氣污染物濃度值分成3個(gè)不同的區(qū)間,從而通過(guò)各區(qū)間的分界點(diǎn)獲取大氣環(huán)境質(zhì)量的背景值和標(biāo)準(zhǔn)值.

要建立大氣環(huán)境三項(xiàng)污染物的分形求和統(tǒng)計(jì)模型,首先根據(jù)不同的濃度值 (r1, r2… rm)來(lái)獲取大于相應(yīng)濃度值的總和 (N1,N2… Nm),將這些數(shù)據(jù)代入分形模型(3)中,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中運(yùn)用最小二乘法擬合出分形模型,最后根據(jù)最優(yōu)的擬合結(jié)果分別確定SO2、NO2、PM10的環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值.其基本思想是:根據(jù)污染物濃度分布狀況找到合適的兩個(gè)分界點(diǎn)r1、r2使3個(gè)區(qū)間的擬合值和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的差值平方和最小,即:

式中:D1、D2、D3分別表示污染物濃度在不同分布狀況下的分維數(shù),根據(jù)上述思想一般有:D1＜ D2＜ D3.因此,根據(jù)分形模型擬合的三段直線即可確定兩個(gè)分界點(diǎn)r1、r2即為大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值.

2 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)果分析

根據(jù)上述模型,以西安市為例進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)示范.西安位于中國(guó)內(nèi)陸腹地黃河中游、秦嶺山脈北邊、關(guān)中平原中部,東經(jīng)107°40'~ 109°49',北緯33°39'~34°45'之間,屬于暖溫帶半濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候區(qū),四季冷暖干濕分明,春季升溫迅速,干燥多風(fēng);夏季炎熱高溫,日照強(qiáng)烈;秋季涼爽濕潤(rùn),時(shí)有陰雨;冬季寒冷干燥,雨雪偏少.西安市區(qū)面積 1066km2,城市建成區(qū)面積 178km2.現(xiàn)轄 9區(qū) 4縣,總?cè)丝谶_(dá)7 .25× 106,是世界著名的歷史文化名城[16].

2.1 西安市大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值的確定

根據(jù)西安市興慶小區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、臨潼區(qū)、閻良區(qū)、高新西區(qū)等11個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2010年全年監(jiān)測(cè)獲取的4015組SO2、NO2以及PM10三項(xiàng)空氣污染物濃度有效數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)自西安市環(huán)境保護(hù)局,http://www.xaepb.gov.cn/hopeCMS/site/xaepb/i ndex.gsp),建立分形求和模型.首先根據(jù)不同的濃度值(r1, r2… rm)來(lái)獲取大于相應(yīng)濃度值的總和(N1,N2… Nm),然后將這些數(shù)據(jù)分別在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中描繪出來(lái),結(jié)果見(jiàn)圖1.從圖1可以看出:在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中,2010年西安市SO2、NO2以及PM10濃度求和散點(diǎn)均大致分布在3條線段上.根據(jù)式(5),采用 Matlab曲線擬合工具箱(Curve Fitting Tools)進(jìn)行線性回歸分析處理,并計(jì)算分維數(shù),擬合結(jié)果見(jiàn)表1.

從表1可以看出:污染物(SO2、NO2、PM10)的三段直線擬合決定系數(shù)基本都大于 0.9,這說(shuō)明擬合結(jié)果比較好,分形求和模型可以有效地描述污染物濃度分布狀況.根據(jù)各種污染物的分維數(shù)結(jié)果可以看出,低濃度范圍內(nèi)污染物分布隨機(jī)程度最高,中濃度范圍次之,高濃度范圍最低.由此就可以根據(jù)分界點(diǎn)濃度值確定西安市大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值,結(jié)果見(jiàn)表2.

將表 2結(jié)果與現(xiàn)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)[13]對(duì)比發(fā)現(xiàn):根據(jù)分形求和模型結(jié)果獲得的SO2、NO2、PM10評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值與現(xiàn)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)[13]中的日平均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較接近.其中本文所確定的NO2的標(biāo)準(zhǔn)值與國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)[13]中的日平均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)幾乎一致,SO2的標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)偏小,而 PM10的標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)偏大,這可能跟當(dāng)?shù)厣顮顩r、工業(yè)化程度和沙塵天氣頻繁有關(guān).這說(shuō)明根據(jù)分形求和模型獲得的大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值是有效的,可以用來(lái)進(jìn)行西安市大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià).

圖1 2010年西安市SO2、NO2以及PM10濃度分形求和模型結(jié)果Fig.1 The results of the fractal summation model of SO2, NO2 and PM10 of Xi’an City in 2010

表1 2010年西安市SO2、NO2以及PM10濃度分形求和模型擬合結(jié)果Table 1 The fitting results of the fractal summation model of SO2, NO2 and PM10 of Xi’an City in 2010

表2 西安市大氣環(huán)境背景值和標(biāo)準(zhǔn)值(mg/m3)Table 2 The atmospheric background value and standard value for Xi’an City (mg/m3)

2.2 西安市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)和結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)表 3結(jié)果,通過(guò)(2)式可得到: a= 3.47,b = 1.97.因此,可以得到西安市空氣三項(xiàng)污染物的大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)公式:

由(6)式可對(duì)西安市2010年城市空氣質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),其空氣質(zhì)量日變化結(jié)果見(jiàn)圖2.同時(shí),為對(duì)上述評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比分析,采取API方法評(píng)價(jià)西安市2010年空氣質(zhì)量,其結(jié)果見(jiàn)圖3.

從圖2和圖3中可以看出,基于分形模型的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果和基于API評(píng)價(jià)結(jié)果總體上均處于空氣質(zhì)量較好的水平,部分天數(shù)波動(dòng)較大.且季節(jié)變化特征也較為相似,其中 1~3月和10~12月份空氣質(zhì)量變化幅度較大,4~9月份變化幅度很小,這表明 2010年西安市空氣質(zhì)量隨季節(jié)變化特征比較明顯:總體上夏季和秋季空氣質(zhì)量較好,受污染程度較低,變化幅度較小;冬季和春季空氣質(zhì)量相對(duì)較差,受污染程度偏高,變化幅度也比較大.這可能是因?yàn)槎竞痛杭纠淇諝饣顒?dòng)比較頻繁,大量取暖設(shè)備排放污染氣體;并且西安市地處關(guān)中平原,夏秋季節(jié)氣溫較高,有利于空氣中的污染物通過(guò)大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散,而冬春季氣溫較低,容易形成逆溫,不利于市區(qū)上空污染物的擴(kuò)散,這種現(xiàn)象在我國(guó)北方具有某種普遍性[16].但是從全年的變化趨勢(shì)來(lái)看,基于分形模型的評(píng)價(jià)結(jié)果表明西安市空氣質(zhì)量年變化呈“U”字型分布(圖2),這也與西安市大氣環(huán)境變化規(guī)律的相關(guān)研究結(jié)果[17]相吻合,而基于 API方法的結(jié)果基本呈直線波動(dòng),這表明基于分形模型的評(píng)價(jià)結(jié)果更能表現(xiàn)出空氣質(zhì)量的變化規(guī)律和季節(jié)分布特征.西安市全年空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖2 基于分形模型的2010年西安市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 The air quality evaluation results of Xi’an City in 2010 based on fractal model

圖3 基于API方法的2010年西安市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 The air quality evaluation results of Xi’an City in 2010 based on API

從圖4可以看出,采用API方法表明2010年西安市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果近 80%都為較好,這樣的評(píng)價(jià)結(jié)果不利于對(duì)空氣質(zhì)量的變化做進(jìn)一步分析;而采用ORAQI評(píng)價(jià)結(jié)果表明,西安市空氣質(zhì)量總體較好,但是有少數(shù)天數(shù)的空氣質(zhì)量較差,會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦慕】禒顩r和正?；顒?dòng).

圖4 2010年西安市空氣質(zhì)量ORAQI和API評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Fig.4 The evaluation results of air quality in Xi’an City in 2010 based on API and ORAQI

3 結(jié)論

3.1 分形求和模型能夠有效地描述污染物濃度分布特征,分維數(shù)可以定量描述大氣污染物濃度分布的隨機(jī)程度,分維數(shù)越大表明分布隨機(jī)程度越低,根據(jù)污染物濃度的隨機(jī)分布特征可以有效地確定大氣環(huán)境背景值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值.

3.2 制定環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)因地制宜,確定適用于當(dāng)?shù)貐^(qū)域條件的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)大氣污染物濃度分布隨機(jī)程度確定的西安市大氣環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行國(guó)家環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較接近,其中PM10的標(biāo)準(zhǔn)值偏大,這是因?yàn)槲靼彩械靥幬鞅?受沙塵天氣影響比較大.

3.3 基于分形模型和ORAQI對(duì)2010年西安市空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為西安市空氣質(zhì)量年變化呈“U”字型分布,這比常用的基于 API方法的評(píng)價(jià)結(jié)果更能表現(xiàn)出空氣質(zhì)量的變化規(guī)律和季節(jié)分布特征.

3.4 2010年西安市空氣質(zhì)量隨季節(jié)變化特征比較明顯,夏季和秋季比較穩(wěn)定,空氣受污染程度較低;冬季和春季變化幅度比較大,空氣受污染程度比較大.其中,空氣受污染(即 ORAQI>60)天數(shù)占17%,空氣質(zhì)量嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用裆罱】档奶鞌?shù)占4.1%.

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