河北省城市PM2.5濃度模型構(gòu)建研究

朱創(chuàng)業(yè)，張昊斐，王 勇

(天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院,天津 300384)

河北省城市PM2.5濃度模型構(gòu)建研究

朱創(chuàng)業(yè)，張昊斐，王 勇

(天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院,天津 300384)

多年P(guān)M2.5濃度序列可用于區(qū)域大氣污染的時空演變特征分析,現(xiàn)有PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)積累時間短，有必要構(gòu)建PM2.5濃度模型。以河北省為例，選擇空氣污染程度不同的 6 個城市(邢臺、保定、承德、張家口、唐山、秦皇島)，開展河北省城市 PM2.5濃度模型構(gòu)建研究。利用 2013-2016 年的PM2.5濃度與PM10、大氣污染物(SO2、NO2、CO 和 O3)觀測數(shù)據(jù)，分析 PM2.5與 PM10、大氣污染物(SO2、NO2、CO 和 O3)相關(guān)性，PM2.5濃度與 PM10、NO2、SO2和 CO 呈顯著正相關(guān)，與O3呈負(fù)相關(guān)。利用逐步多元回歸方法分析構(gòu)建基于PM10與氣態(tài)污染物的PM2.5濃度模型，模型預(yù)測PM2.5濃度與實測PM2.5濃度序列存在較高的相關(guān)性，平均偏差優(yōu)于3.5 μg/m3。河北省城市 PM2.5濃度模型預(yù)測值與PM2.5濃度觀測值基本吻合。

PM2.5；相關(guān)性分析；逐步回歸；氣態(tài)污染物；河北

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和城市化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，城市大氣污染物及顆粒污染物濃度增加，重度污染天氣頻發(fā)。PM2.5微顆粒是重度污染天氣形成的重要物質(zhì)，因嚴(yán)重危害人們的身體健康而備受研究者的廣泛關(guān)注。河北省作為環(huán)京津地區(qū)，地理位置重要，近年來霾天氣的 激增備受人們的詬病,在環(huán)保部門公布的 2013、2014、2015 年全國74個城市空氣質(zhì)量狀況中,河北省的石家莊、唐山、邢臺、邯鄲、保定、衡水連續(xù)3年進(jìn)入污染最嚴(yán)重的10個城市榜單[1-3]。在 2016年5月14日,世界衛(wèi)生組織公布了的 2016 版世界城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)庫中顯示，邢臺、保定進(jìn)入全球細(xì)顆粒物(PM2.5)污染前10位[4]。目前國內(nèi)外不少專家學(xué)者針對我國華北重點污染城市的主要污染物濃度變化開展了PM2.5的來源及形成機(jī)理研究[5-7]。定量化的PM2.5濃度序列有助于研究區(qū)域的大氣污染時空演變特征。我國PM2.5的連續(xù)觀測始于2012年，利用現(xiàn)有的 PM2.5觀測數(shù)據(jù)研究區(qū)域大氣污染時空演變特征受觀測年限短的限制[8]。為獲得區(qū)域大氣污染時空演變特征，有必要構(gòu)建PM2.5濃度模型。PM2.5微顆粒是組成 PM10顆粒的重要來源,氣態(tài)污染物(SO2、NO2、CO等)是在一定環(huán)境條件下形成 PM2.5的主要氣態(tài)物質(zhì)[9-11]，且觀測工作開展較早，故可以利用PM10與氣態(tài)污染物構(gòu)建PM2.5濃度模型。

本文擬以河北省為例，利用 2013-2016 年的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展 PM2.5與 PM10、SO2、 NO2、CO、O3相關(guān)性分析,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于 PM10與氣態(tài)污染物的PM2.5濃度模型，并對模型的可靠性進(jìn)行檢驗。

1 研究區(qū)域選擇及研究數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域選擇

河北是全國PM2.5污染最為嚴(yán)重的區(qū)域，污染呈南高北低的走勢[12]，邢臺、保定市是河北南部霧霾最為嚴(yán)重的城市；張家口、承德市受季風(fēng)影響整體空氣質(zhì)量較好；唐山市是重工業(yè)城市，污染嚴(yán)重；秦皇島是沿海城市，受海洋傳輸影響空氣質(zhì)量較好[13]。從污染嚴(yán)重性、 地理位置、城市類型、氣候等因素考慮，本文選擇以上 6 個城市為研究區(qū)，開展 PM2.5濃度模型研究。

1.2 研究數(shù)據(jù)來源

通過天氣后報(http://www.tianqihoubao.com/aqi/)下載了2013年10月28日-2016年3月15日邢臺、保定、承德、張家口、唐山、秦皇島 6 個城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。選取6項指標(biāo)PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO的日均濃度值(CO濃度單位為mg/m3，其他觀測要素的單位為μg/m3)。以上數(shù)據(jù)均用于PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO、O3相關(guān)性分析。本文還將開展PM2.5濃度模型的構(gòu)建與檢驗，實驗設(shè)計如下：選取每個城市2013年10月28日-2015年12月30日相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于各城市PM2.5濃度模型的構(gòu)建，選用2016年1月1日-2016年3月15日的數(shù)據(jù)，用于模型可靠性檢驗。

2 PM2.5濃度與PM10濃度、氣態(tài)污染物的相關(guān)性分析

在進(jìn)行PM2.5濃度模型構(gòu)建之前，需要獲取PM2.5濃度與哪些要素有關(guān)，且分析PM2.5濃度與其他要素的相關(guān)性。針對2013-2016年各城市的大氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展PM2.5濃度與PM10濃度、氣態(tài)污染物的比較研究，圖1為邢臺PM2.5濃度與PM10濃度、氣態(tài)污染物的比較(受篇幅限制僅給出邢臺市相關(guān)圖)，并分析各城市PM2.5濃度與PM10濃度、氣態(tài)污染物的相關(guān)性(表1)。由圖1可見，邢臺市PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO質(zhì)量濃度變化趨勢一致，與O3質(zhì)量濃度變化趨勢相反。由表1可以知，各城市PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.567,除邢臺、唐山，其余4個城市的觀測要素與PM2.5相關(guān)性從大到小依次為PM10、CO、NO2、SO2。大氣中的SO2、NO2、CO主要來自于原煤的燃燒，說明河北省以煤為主的能源結(jié)構(gòu)是造成河北省PM2.5污染的重要原因。但各城市PM2.5與O3則呈負(fù)相關(guān)性，因為O3濃度始終與NO2、CO濃度呈負(fù)相關(guān)。而PM2.5與NO2、CO來源相近且呈正相關(guān)，故PM2.5濃度與O3濃度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)[18]。復(fù)相關(guān)分析是研究一個變量x0與其他多個變量(x1,x2,…，xn)之間線性相關(guān)程度的指標(biāo)，用復(fù)相關(guān)系數(shù)來測定。取值為[0，1]，其值愈接近1，表明線性相關(guān)程度愈密切。表2統(tǒng)計了各城市PM2.5濃度與其它觀測要素的復(fù)相關(guān)分析結(jié)果。

表1 PM2.5濃度與PM10濃度、氣態(tài)污染物的相關(guān)性統(tǒng)計

測站PM25與PM10PM25與SO2PM25與N02PM25與COPM25與O3樣本數(shù)/d邢臺0．913??0．706??0．836??0．793??-0．409??866保定0．946??0．758??0．841??0．852??-0．430??866張家口0．839??0．596??0．684??0．775??-0．120??866承德0．879??0．567??0．673??0．787??-0．127??866秦皇島0．905??0．706??0．722??0．751??-0．184??866唐山0．942??0．682??0．765??0．747??-0．215??866

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯示相關(guān)。

圖2 PM2.5模型估算值與實測PM2.5濃度值的比較

表2 PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO、O3的復(fù)相關(guān)分析結(jié)果

測站邢臺保定唐山張家口承德秦皇島復(fù)相關(guān)系數(shù)R2087509330898082108440833

由表2可知，各測站復(fù)相關(guān)系數(shù)最小值為0.821,接近于1,表明各測站PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO、O3這幾個監(jiān)測指標(biāo)的線性相關(guān)程度密切，可用于PM2.5濃度估算模型的構(gòu)建。

3 基于PM10與氣態(tài)污染物的PM2.5濃度模型

3.1 模型構(gòu)建

多元回歸分析[15]是一種處理一個因變量與多個自變量關(guān)系的方法，通過多元回歸分析，能夠得到因變量與自變量的數(shù)量關(guān)系。該方法作為一種大氣污染的傳統(tǒng)預(yù)測方法，可通過回歸建模對污染物質(zhì)量濃度進(jìn)行擬合預(yù)測。針對2013年10月28日-2015年12月30日期間的各類觀測數(shù)據(jù)，以PM2.5為因變量，PM10、SO2、NO2、CO、O3觀測要素為自變量，采用逐步回歸方法構(gòu)建多元線性回歸模型。河北省6個城市的PM2.5濃度最優(yōu)回歸模型的常數(shù)項和各觀測要素的系數(shù)見表3。

由表3可知，保定市PM2.5濃度模型自變量SO2系數(shù)為0，被剔除。說明自變量SO2在模型建立中對因變量PM2.5所引起的作用被其他自變量代替。

3.2 模型可靠性檢驗

通過實驗設(shè)計,將河北省這幾個重點城市2016年1月1日-2016年3月15日，共計74d的PM10、SO2、NO2、O3、CO日均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)代入各市已建立的PM2.5模型，計算出PM2.5濃度值，并與實測PM2.5濃度值進(jìn)行比較(圖2)，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

由圖2可以看出，邢臺、保定、承德、張家口、唐山，秦皇島6個城市的PM2.5模型的預(yù)測值與PM2.5觀測值基本吻合，變化趨勢一致。但在個別時間點偏差較大，如唐山市、張家口兩市2016年3月4日PM2.5預(yù)測值與實測值偏差大，查詢兩地該日的歷史天氣均為小雨，可以分析到雨水對于PM2.5沖刷，能降低PM2.5的濃度值，下一步可增從表4可知，估算值與實測值的平均偏差絕對值小于3.5；標(biāo)準(zhǔn)差小于20；對兩者進(jìn)行相關(guān)性分析計算，相關(guān)性大于0.840 8。

表3 各城市PM2.5濃度模型

加預(yù)測因子(如氣象因素)等優(yōu)化模型，進(jìn)一步提高模型預(yù)測效果。

表4 各城市模型檢驗的平均偏差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

本文利用河北省6個城市(邢臺、保定、承德、張家口、唐山、秦皇島)2013年10月28日-2015年3月15日期間空氣質(zhì)量連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于PM2.5與PM10和氣態(tài)污染物的相關(guān)性分析，建立6個城市的PM2.5濃度模型，并對模型的可靠性進(jìn)行了檢驗，得到的結(jié)論如下：

(1)PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.567，除邢臺、唐山外，其余4個城市的觀測要素與PM2.5相關(guān)性從大到小依次為PM10、CO、NO2、SO2。PM2.5與O3則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。各測站復(fù)相關(guān)系數(shù)最小值為0.821,接近于1,表明各測站PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO、O3這幾個監(jiān)測指標(biāo)的線性相關(guān)程度密切，可用于PM2.5濃度估算模型的構(gòu)建。

(2)河北省6個城市的PM2.5模型的估算值與實測PM2.5值基本吻合，可利用各市PM10及氣態(tài)污染物歷史數(shù)據(jù)反演PM2.5濃度值。

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.關(guān)于發(fā)布國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的公告[EB/OL].[2014-05-27].http://www.zhb.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/201605/P020160526564151497131.pdf.

[2] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.關(guān)于發(fā)布國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的公告[EB/OL].[2015-05-29].http://www.zhb.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/201605/P020160526564730573906.pdf.

[3] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.關(guān)于發(fā)布國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的公告[EB/OL].[2016-04-05].http://www.zhb.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/201606/P020160602333160471955.pdf.

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[15]趙靜,但琦. 數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實驗(第3版)[M].北京:高等教育出社,2000:254-269.

Study on PM2.5Concentration Model of the Cities in Hebei Province

ZHU Chuangye, ZHANG Haofei and WANG Yong

(SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China)

PM2.5concentrationssequenceformanyyearscanbeusedtotemporalandspatialevolutioncharacteristicofregionalairpollution.DuetotheshortdataoftheexistingPM2.5concentrations,itisnecessarytoconstructaPM2.5concentrationmodel.TakingtheexampleofHebeiprovince,itwasselectedsixcitieswithdifferentairpollutionlevels(Xingtai,Baoding,Chengde,Zhangjiakou,TangshanandQinhangdao)toconstructthemodelsofPM2.5concentration.UsingtheobservationdataofPM2.5,PM10andgaseouspollutantsfrom2013to2016,itwasanalyzedthecorrelationbetweenPM2.5,PM10andgaseouspollutants.TherewasnotablepositivecorrelationexistinginPM10,NO2,SO2andCO,andnegativecorrelationinO3.ItwasconstructedthemodelsofPM2.5concentrationsindifferentcitiesbasedonPM10andgaseouspollutantsbyusingthestepwiseregressionanalysismethod.TherewasahighcorrelationofPM2.5concentrationbetweenthepredictedvalueandthemeasuredvaluewhichtheaveragedeviationwasbetterthan3.5μg/mIn3.Indeed,thePM2.5concentrationmodelisinagreementwithitsobservedvalues.

PM2.5;correlationanalysis;stepwiseregression;gaseouspollutants;Hebei

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.037.]

2016-08-02

2016-09-14

河北省自然科學(xué)基金(D2015209024))；天津城建大學(xué)大學(xué)生科研立項(156410)

朱創(chuàng)業(yè)(1992-)，男，河南夏邑人，本科生，主要從事GPS氣象學(xué)研究.E-mail： 937276576@qq.com

王勇(1978-)，男，江西寧都人，博士，教授，主要從事GPS氣象學(xué)研究.E-mail： wangyongjz@126.com

X43；X513

A

1000-811X(2017)02-0210-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.037

朱創(chuàng)業(yè),張昊斐,王勇. 河北省城市PM2.5濃度模型構(gòu)建研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(2)：210-214. [ZHU Chuangye，ZHANG Haofeiand and WANG Yong. Study on PM2.5Concentration Model of the Cities in Hebei Province[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：210-214.