空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的濃度預(yù)測(cè)及校準(zhǔn)

亳州學(xué)院 安徽 亳州 236800

一、問(wèn)題重述

1.1 問(wèn)題的背景 空氣問(wèn)題是我們?nèi)祟愱P(guān)乎生存的重大問(wèn)題,人類沒(méi)有了空氣就如同魚兒離開了水就不能存活。習(xí)大大在2018年全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)上為了解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題而提出的新觀點(diǎn):“堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn),推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)邁上新臺(tái)階?！贝髿馕廴臼侨祟惖墓珨?它不僅對(duì)人體健康存在嚴(yán)重的危害,同時(shí)也嚴(yán)重的影響著自然生態(tài)環(huán)境。所以對(duì)空氣質(zhì)量的建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,不僅對(duì)我們的生活有所裨益,而且對(duì)各地政府機(jī)構(gòu)研究制定大氣污染防治政策具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。習(xí)大大曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“綠水青山就是金山銀山?！币虼丝諝赓|(zhì)量十分重要。

空氣污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康危害巨大,通過(guò)對(duì)“兩塵四氣”(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3)濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以及時(shí)掌握空氣質(zhì)量,再通過(guò)準(zhǔn)確的建立數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)于對(duì)污染源采取相應(yīng)措施。雖然國(guó)家監(jiān)測(cè)控制站點(diǎn)(國(guó)控點(diǎn))對(duì)“兩塵四氣”有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),且較為準(zhǔn)確,但因?yàn)閲?guó)控點(diǎn)的布控較少,數(shù)據(jù)發(fā)布時(shí)間滯后較長(zhǎng)且花費(fèi)較大,無(wú)法給出實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。某公司自主研發(fā)的微型空氣質(zhì)量檢測(cè)儀花費(fèi)小,可對(duì)某一地區(qū)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)格化監(jiān)控,并同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓、降水等氣象參數(shù)。空氣污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康危害巨大。國(guó)家有國(guó)控點(diǎn),地方有自建點(diǎn),但國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)都有優(yōu)劣之處。國(guó)控點(diǎn)儀器精準(zhǔn),但國(guó)控點(diǎn)的基站數(shù)目較少且影響因素多。

二、問(wèn)題分析

對(duì)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行使用借助MATLAB數(shù)學(xué)軟件及C語(yǔ)言程序?qū)氩⑶覍?duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)求均值,導(dǎo)出分析自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù),分析自建點(diǎn)與國(guó)控點(diǎn)。再通過(guò)運(yùn)用Python軟件得出自建點(diǎn)與國(guó)控點(diǎn)的未來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

對(duì)導(dǎo)致自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)造成差異的因素進(jìn)行分析。由于所使用的電化學(xué)氣體傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)產(chǎn)生一定的零點(diǎn)漂移和量程漂移,非常規(guī)氣態(tài)污染物(氣)濃度變化對(duì)傳感器存在交叉干擾,以及天氣因素對(duì)傳感器的影響,對(duì)自建點(diǎn)與國(guó)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)圖通過(guò)借助MATLAB數(shù)學(xué)軟件及C語(yǔ)言程序擬合分析制并制作出擬合數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)擬合數(shù)據(jù)庫(kù)分析其因素。根據(jù)國(guó)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)與自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。國(guó)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)以小時(shí)為單位,自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)以每五分鐘為單位。對(duì)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析。根據(jù)國(guó)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)與自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)運(yùn)用MATLAB數(shù)學(xué)軟件及C語(yǔ)言程序與Python軟件對(duì)導(dǎo)致自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)造成差異的因素進(jìn)行分析。

三、問(wèn)題假設(shè)

(1)假設(shè)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)都是準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)據(jù)均為可供分析的可靠數(shù)據(jù),不存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)

(2)假設(shè)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)相同的外部環(huán)境,在對(duì)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程中不考慮隨機(jī)因素

(3)假設(shè)題中的6個(gè)條件指標(biāo)的影響程度是不相互影響的

(4)假設(shè)各個(gè)機(jī)器都能正常檢測(cè)“兩塵四氣”

(5)假設(shè)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立,不互相影響的

(6)假設(shè)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)不存在零點(diǎn)漂移和量程漂移

(7)假設(shè)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)不存在非常規(guī)氣態(tài)污染物(氣)濃度變化對(duì)傳感器存在交叉干擾

(8)假設(shè)自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)不存在天氣因素對(duì)傳感器的影響

四、模型的建立與問(wèn)題解答

空氣污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康危害巨大,通過(guò)對(duì)“兩塵四氣”(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3)濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以及時(shí)掌握空氣質(zhì)量,對(duì)污染源采取相應(yīng)措施。雖然國(guó)家監(jiān)測(cè)控制站點(diǎn)(國(guó)控點(diǎn))對(duì)“兩塵四氣”有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),且較為準(zhǔn)確,但因?yàn)閲?guó)控點(diǎn)的布控較少,數(shù)據(jù)發(fā)布時(shí)間滯后較長(zhǎng)且花費(fèi)較大,無(wú)法給出實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。某公司自主研發(fā)的微型空氣質(zhì)量檢測(cè)儀花費(fèi)小,可對(duì)某一地區(qū)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)格化監(jiān)控,并同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓、降水等氣象參數(shù)。這是對(duì)“兩塵四器”(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3)的大致的數(shù)據(jù)處理,其誤差偏大,但有一定的科學(xué)依據(jù)反應(yīng)出國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)有誤差,可以大致看出兩塵四氣體的基本狀況。

我們擬通過(guò)數(shù)學(xué)MATLAB軟件與Pytho軟件來(lái)預(yù)測(cè)空氣污染物濃度模型。由于本文所構(gòu)建的是非機(jī)理模型,當(dāng)前時(shí)刻空氣污染物濃度會(huì)受過(guò)去一個(gè)時(shí)間段內(nèi)空氣污染物濃度的影響,所以有本底污染物濃度的初始值存在,又因?yàn)橛绊懣諝赓|(zhì)量的PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3等6種污染物之間彼此會(huì)存在一定程度的轉(zhuǎn)換關(guān)系,換言之,當(dāng)前時(shí)刻的6種常見(jiàn)污染物指標(biāo)的濃度勢(shì)必會(huì)影響到后一時(shí)刻的其他污染物濃度。通過(guò)建立污染物單因子循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),決定以過(guò)去2小時(shí)內(nèi)因子的小時(shí)濃度均值和當(dāng)前時(shí)刻六種污染因子的每小時(shí)濃度平均值共計(jì)8項(xiàng)作為輸入層。并將因子的下一小時(shí)的濃度平均值用作輸出層。以預(yù)測(cè)PM2.5一小時(shí)濃度均值為例,如下表所示,當(dāng)我們模型要預(yù)測(cè)PM2.5一小時(shí)濃度均值模型時(shí),只需要知道當(dāng)前PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3一小時(shí)濃度均值以及過(guò)去2個(gè)小時(shí)的PM2.5小時(shí)濃度均值,我們就能預(yù)測(cè)出下一個(gè)小時(shí)PM2.5的濃度均值。

通過(guò)用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到數(shù)據(jù)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)的主要污染指標(biāo)分析

PM2.5:國(guó)控點(diǎn)PM2.5濃度的變化,在3916小時(shí)左右顯示最低,在1306小時(shí)的時(shí)候濃度變化最大。從開始一直到2466小時(shí)左右國(guó)控點(diǎn)下PM2.5濃度的變化比較大顯的非常陡峭。在2466小時(shí)以后則顯得非常平緩,基本上都在0到200ug/m3內(nèi)變化,可以看出時(shí)間越長(zhǎng),PM2.5變化會(huì)越小。自建點(diǎn)PM2.5濃度變化圖中,在40471h到48565h之間PM2.5濃度達(dá)到最高為540ug/h,在1h到72847h之間PM2.5主要集中于280ug/h3.后期變化較為穩(wěn)定。

PM10:國(guó)空點(diǎn)下PM10的濃度變化。僅在2076小時(shí)左右和3191左右的變化比較高。隨著時(shí)間的增加,國(guó)控點(diǎn)下PM10的濃度變化將會(huì)越來(lái)越平緩?；旧显?到300ug/m3之間變化。國(guó)控點(diǎn)下PM10的濃度變化隨時(shí)間變化并不是很大。整體上看起來(lái)是特別平緩,所以看出PM10影響比較小。自建點(diǎn)排名PM10濃度變化中,在40471h和48565h之間最高可達(dá)到920ug/h3.在1h和72847h在50ug/h3聚集。在72847h之后少數(shù)可達(dá)到400ug/h3,主要集中于150ug/h3到300ug/h3之間。

CO:國(guó)控點(diǎn)下CO濃度變化隨時(shí)間的變化。1530小時(shí)左右看,可以看出國(guó)空間下CO濃度變化最低。前642小時(shí)之前,國(guó)控點(diǎn)下CO濃度的變化隨時(shí)間的變化比較陡峭。此之后,國(guó)控點(diǎn)下CO濃度的變化逐漸變得平緩?？傮w上看國(guó)控點(diǎn)下CO濃度隨時(shí)間變化比較明顯。特別是在時(shí)間前期變化的非常明顯。整體上都在0到3mg/m3之間變化。自建點(diǎn)下CO濃度變化整體來(lái)看CO濃度落差不大,但在40471h到56659h之間最大落差可達(dá)到3mg/h3.在1h到202351h之間主要集中于1mg/h3和1.5mg/h3,較少的位于0.5mg/h3.其他的主要集中于2mg/h3。

N02:國(guó)控點(diǎn)NO2的濃度隨時(shí)間的變化。從總體上看。隨著時(shí)間的增加,國(guó)控點(diǎn)NO2的濃度的變化比較明顯。0到1016年段內(nèi),國(guó)控點(diǎn)NO2的濃度的變化比較低且比較平緩。在1161分鐘后,國(guó)控點(diǎn)NO2的濃度變化比較大。在1016分鐘后,國(guó)控點(diǎn)NO2的濃度的變化呈現(xiàn)波形震蕩。從整體上看,在3626分鐘時(shí)國(guó)控點(diǎn)NO2的濃度取得最大值。在581分鐘左右國(guó)控點(diǎn)NO:的濃度取得最小值。整體上看,隨時(shí)間的增加,國(guó)控點(diǎn)NO2的受到的影響比較大。自建點(diǎn)NO2的濃度隨時(shí)間的變化。在前期自建點(diǎn)NO2的濃度變化比較平穩(wěn)。56659分鐘時(shí),自建點(diǎn)NO2的濃度變化比較陡峭,且為整個(gè)圖表的最高值,在這個(gè)時(shí)間后自建點(diǎn)NO2的濃度迅速下降,且變化平穩(wěn)。在97129分鐘后,自建點(diǎn)NO2的濃度的變化。有陡然上升,后來(lái)又變得比較的平穩(wěn)。從整體上看自自建點(diǎn)NO2的濃度隨時(shí)間的變化,還是比較平穩(wěn)的。

S02:國(guó)控點(diǎn)下SO2濃度變化隨時(shí)間的變化。在時(shí)間的后期,隨時(shí)間的變化,國(guó)控點(diǎn)下二氧濃度的變化比較平緩。在時(shí)間的前期國(guó)控點(diǎn)SO2濃度變化比較陡峭。特別是在1073小時(shí)之前。國(guó)控點(diǎn)下SO2濃度隨時(shí)間在0到120ug/m3內(nèi)變化。在時(shí)間的后期3619小時(shí)左右濃度變化會(huì)陡然上升。從整體上可以看出控點(diǎn)SO2濃度隨時(shí)間變化還是比較明顯的。自建點(diǎn)下so2濃度變化當(dāng)時(shí)間56659分鐘時(shí)濃度變化達(dá)到最大值,約1100ug/分鐘,在56659分鐘之后無(wú)明顯變化,基本濃度為零。但是在56659之前濃度有細(xì)微的變化?？傮w而言濃度還是趨近于零,除了56659分鐘時(shí)達(dá)到最大值。

03:國(guó)控點(diǎn)下O3濃度的變化隨時(shí)間變化,在291小時(shí)代時(shí)候O3濃度變化的比較明顯,隨著時(shí)間的增加O3濃度變化比較平緩,直到2756小時(shí)的時(shí)候,隨著時(shí)間的增加,國(guó)空點(diǎn)下O3的濃度開始陡然上升。在1161小時(shí)代時(shí)候國(guó)控點(diǎn)下的O3濃度最低。在2841小時(shí)的時(shí)候國(guó)控點(diǎn)下的O3濃度最高,在時(shí)間變化的過(guò)程中,開始的階段,國(guó)控點(diǎn)的O3濃度變化平緩,時(shí)間越長(zhǎng),則變化的比較陡?？梢钥闯鰰r(shí)間越長(zhǎng)國(guó)控點(diǎn)下的O3濃度將會(huì)越大。自建點(diǎn)下O3濃度變化隨時(shí)間的變化。在150895分鐘左右的時(shí)間段取得取得最大值。58682時(shí)間段里取的最小值,從總體上看。自建點(diǎn)下O3濃度隨時(shí)間的變化非常陡峭,比較明顯在。在58682到100597的時(shí)間段自建點(diǎn)下O3濃度隨時(shí)間變化比較小,影響比較小。時(shí)間越長(zhǎng),自建點(diǎn)下O3濃度的變化范圍越廣。

自建點(diǎn)下的其他數(shù)據(jù)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到以下:

以下自建點(diǎn)的風(fēng)速、壓強(qiáng)、降水量、溫度、濕度的數(shù)據(jù)分析

風(fēng)速:自建點(diǎn)風(fēng)速變化中在72847h到80941h之間濃度每小時(shí)變化最快,可達(dá)到9h每秒。在129505到186163之間較為突出,主要集中于7h每秒。前期時(shí)間段比較平穩(wěn),整體變化較為平和。

壓強(qiáng):自建點(diǎn)壓強(qiáng)變化中其平均壓強(qiáng)在1000pa以上,最高壓強(qiáng)可達(dá)1040pa,整體趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)。

降水量:自建點(diǎn)下降水量變化可分為兩個(gè)部分,在1h到48565h之間降水量呈上升趨勢(shì),達(dá)到最高點(diǎn)310mm/h2.分布的降水量較為集中,呈現(xiàn)出矩形形狀。第二部分,在48565h到161881h之間,48565h與64753h之間降水量接近0mm/h2,此后降水量在逐步上升。在161881h到169975h之間出現(xiàn)降水量直線回落,直到226633h時(shí)逐步平穩(wěn)至250mm/h2.

溫度:自建點(diǎn)溫度變化下,整體趨勢(shì)呈現(xiàn)上升。在97127h到105210h之間出現(xiàn)了巨大轉(zhuǎn)折,后期趨勢(shì)一路上漲達(dá)到40攝氏度。但是在16187h到48559h之間出現(xiàn)零下攝氏度。

濕度;自建點(diǎn)下濕度隨時(shí)間的變化,隨著時(shí)間的增加,自建點(diǎn)下濕度變化還是比較平緩的整體上成一個(gè)波動(dòng)不大的波浪線,整體自建點(diǎn)下濕度的變化20rh到100rh沒(méi)變化,自建點(diǎn)下濕度129505分鐘左右取得最小值。濕度的最大值為100rh。時(shí)間后期基本上保持在80rh到100rh之間變化,自建點(diǎn)下濕度波動(dòng)不是很大影響比較小。

通過(guò)MATLAB軟件對(duì)自建點(diǎn)與國(guó)控點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)得到通過(guò)使用Python對(duì)自建點(diǎn)的風(fēng)速、壓強(qiáng)、降水量、溫度、濕度的數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)得到數(shù)據(jù)分析:

通過(guò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出“兩塵四氣”(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3),這些數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)的監(jiān)測(cè)有一定參考價(jià)值。通過(guò)預(yù)測(cè)值、國(guó)控點(diǎn)、自建點(diǎn)三方面數(shù)據(jù)可以對(duì)未來(lái)的數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)的有大大提升。

空氣中的所有的氣體污染物達(dá)到一定濃度時(shí),將影響人體健康,降低能見(jiàn)度,甚至改變區(qū)域的氣候。目前中國(guó)的所有的氣體污染物污染已經(jīng)受到政府相關(guān)部門、科學(xué)界與普通民眾的廣泛關(guān)注已成為影響人民生活的重要因子之一。所有的氣體污染物是區(qū)域性大氣復(fù)合污染的重要產(chǎn)物,其既有一次來(lái)源,也有經(jīng)其它氣態(tài)或半揮發(fā)性物種二次轉(zhuǎn)化生成,來(lái)源復(fù)雜。準(zhǔn)確掌握大氣所有的氣體污染物濃度對(duì)于掌握區(qū)域大氣復(fù)合污染特性,以及制定科學(xué)的污染控制措施有重要的作用。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)兩家每天每小時(shí)都在發(fā)布所有的氣體污染物濃度數(shù)據(jù),由于濃度數(shù)據(jù)不完全一樣,有時(shí)甚至存在較大差異,導(dǎo)致不少民眾會(huì)對(duì)真實(shí)的所有的氣體污染物濃度產(chǎn)生疑惑。我們主要對(duì)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析兩個(gè)機(jī)構(gòu)公布的所有的氣體污染物濃度,以增公眾和強(qiáng)學(xué)界對(duì)所有的氣體污染物濃度的理解。首先假定大氣環(huán)境中污染物信息熵的時(shí)間序列作為我們研究的參考序列灰色關(guān)聯(lián)分析法源于灰色系統(tǒng)理論。它是通過(guò)描述序列曲線的幾何形狀,根據(jù)其相似程度來(lái)判斷系統(tǒng)因素之間的聯(lián)系是否緊密,從而找出復(fù)雜系統(tǒng)中的主次因素。將數(shù)據(jù)帶入公式得出結(jié)論在該理論中,關(guān)聯(lián)度數(shù)值越大,表示該因素在大氣污染物指標(biāo)系統(tǒng)中對(duì)參考序列(特定污染指標(biāo),如PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3污染濃度指標(biāo))的影響就越大,反之,關(guān)聯(lián)度數(shù)值越小,表示該因素在系統(tǒng)中對(duì)參考序列影響就越小。

我們對(duì)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn),分析了2018年11月4日到2019年6月11日各污染物的濃度均值,污染物采用24h平均值作為日均值;而月(年)均值為各月(年)所有有效天的日均值的平均值。通過(guò)對(duì)比不同月份兩個(gè)機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)的濃度分析國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)大氣細(xì)顆粒物污染監(jiān)測(cè)的差異,通過(guò)MATLAB軟件對(duì)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,建立國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù),通過(guò)圖片分析“兩塵四氣”(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3)。

(一)擬合數(shù)據(jù)分析。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)空氣污染物濃度對(duì)比,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)空氣污染物濃度均值表現(xiàn)出一致的日變化規(guī)律與相似的濃度水平?？傮w而言,自建點(diǎn)(2018與2019年均值分別為55與50)略高于國(guó)控點(diǎn)的均值。(2018與2019年均值分別為53與49)從空氣污染物月均值的差值來(lái)看,自建點(diǎn)在2018年5-6月的濃度顯著較低(圖3),5月和6月比國(guó)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別低了約10和30μg/m3,在2018年年初與8-9月也偏低約5～10μg/m3,但自建點(diǎn)的平均濃度在2018年12月,2019年1月和7一10月要比自建點(diǎn)高出約5～10μg/m3,其余月份自建點(diǎn)的濃度與國(guó)控點(diǎn)平均濃度水平接近。從兩年的數(shù)據(jù)來(lái)看,自建點(diǎn)與國(guó)控點(diǎn)的空氣污染物濃度差異并未呈現(xiàn)出季節(jié)性規(guī)律。若剔除2019年6月這一極端月份,則自建點(diǎn)與國(guó)控點(diǎn)均值接近。這說(shuō)明國(guó)控點(diǎn)空氣污染物年均濃度高于自建點(diǎn)均值主要由于某個(gè)極端月份造成,大部分時(shí)段兩者都比較接近。

(1)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)PM2.5擬合數(shù)據(jù):在0到1000小時(shí)左右的時(shí)間內(nèi)。國(guó)控點(diǎn)與之間點(diǎn)的差別比較大呈現(xiàn)出一年中的極端月份。如果剔除這個(gè)極端月份的話,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)的均值接近。在這個(gè)極端月份國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)呈現(xiàn)你高我低的趨勢(shì)。國(guó)控點(diǎn)的空氣污染濃度差異。并沒(méi)有呈現(xiàn)季節(jié)性規(guī)律。從圖的整體上看,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)PM2.5隨著時(shí)間的變化逐漸的降低,且逐漸變得平緩。

(2)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)PM10擬合數(shù)據(jù):國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)PM10隨著時(shí)間的變化非常的平緩。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)PM10空氣污染物濃度均值表現(xiàn)為一致的變化,濃度均在0到180ug/m3之間變化。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)PM10濃度污染并沒(méi)有呈現(xiàn)季節(jié)性變化,也也無(wú)極端月份。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)對(duì)空氣的污染度基本上一致,兩者比較接近,幾乎是相等的。

(3)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)CO擬合數(shù)據(jù):在0到4000小時(shí)之內(nèi),國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)CO濃度的變化曲線是比較平穩(wěn)的。在4000小時(shí)之后,有的陡然上升的趨勢(shì)。在2000小時(shí)到2500小時(shí)左右的時(shí)間鍛煉也有著明顯上升的趨勢(shì),在這個(gè)時(shí)間段內(nèi),存在極端月份,剔除這一極端月份,則國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)CO濃度在這上半年均值相等,隨著時(shí)間的變化,在下半年國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)CO濃度有著陡然上升的趨勢(shì),且國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)CO濃度的差異比較明顯。

(4)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)NO2擬合數(shù)據(jù):從國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)NO2的濃度上來(lái)看,NO2的濃度變化存在的極端月份。在0到1500小時(shí)之內(nèi),國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)NO2擬合圖存在著很大的變化,特別是在500到1000小時(shí)之內(nèi)。有著極端月份的變化,隨著時(shí)間變化,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)NO2濃度變化比較大,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)NO2濃度之間點(diǎn)的差異較大,均值不同。整個(gè)變化范圍在0到50ug/m3之間變化,如果這個(gè)剔除這個(gè)極端月份,整體上來(lái)看,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)NO2的濃度還是比較平緩的。

(5)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)SO2擬合數(shù)據(jù):在0到1000小時(shí)的時(shí)間內(nèi)變化的波動(dòng)還是比較大的。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)SO2濃度差異比較大,均值不同。在1500小時(shí)之后再變得比較平緩,這里存在著極端月份,并沒(méi)有存在的季節(jié)變季節(jié)性變化。如果剔除極端月份的話,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)SO2濃度在0到30ug/m3之間變化。從500小時(shí)到1500小時(shí)的時(shí)間段內(nèi),國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)SO2濃度隨時(shí)間下降的速度最快?？傮w上來(lái)看下半年國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)SO2濃度的變化還是比較平緩的。

(6)國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)O3擬合數(shù)據(jù):從開始的階段兩者的差異非常大,從250ug/m3下降的速度非常的快,再到500小時(shí)之后,變得的較為平緩,在1500小時(shí)之后,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)O3的濃度變化逐漸的增加,兩者出現(xiàn)較大的差異。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)有著同步增加的趨勢(shì),隨著時(shí)間的推移,1500到4000小時(shí)這個(gè)這個(gè)時(shí)間段內(nèi)。國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)O3的濃度不斷的增加,這里存在著季節(jié)性差異,從土地整體上來(lái)看,國(guó)控點(diǎn)與自建點(diǎn)O3濃度隨時(shí)間的差異還是比較大的。

(二)原因分析。國(guó)控點(diǎn)位于城市市的中心城區(qū),附近路網(wǎng)密布,交通繁忙,受交通源的影響較大;自建點(diǎn)分布于不同行政區(qū)的不同功能區(qū),其中包括學(xué)校、公園或居民區(qū)。位置的差異是造成兩者濃度差異的主要原因。由于廣自建點(diǎn)分布較廣,其均值更能代表城市平均污染水平;而國(guó)控點(diǎn)使用站點(diǎn)有限,其不足以代表城市的平均情況,只能說(shuō)明其所在區(qū)域的情況。另外,監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量方法的差異也是原因之一。由于所使用的儀器不同外界因素導(dǎo)致的誤差存在,由于電化學(xué)氣體傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)產(chǎn)生一定的零點(diǎn)漂移和量程漂移,非常規(guī)氣態(tài)污染物(氣)濃度變化對(duì)傳感器存在交叉干擾,以及天氣因素對(duì)傳感器的影響,在國(guó)控點(diǎn)近鄰所布控的自建點(diǎn)上,同一時(shí)間微型空氣質(zhì)量檢測(cè)儀所采集的數(shù)據(jù)與該國(guó)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)值存在一定的差異,因此,需要利用國(guó)控點(diǎn)每小時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)國(guó)控點(diǎn)近鄰的自建點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

因此,自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)與國(guó)控點(diǎn)均值不具有直接的可比性,但由于自建點(diǎn)與國(guó)控點(diǎn)都在城市市中心城區(qū),所以在談及城市大氣污染時(shí),兩者都有一定的參考價(jià)值。

五、模型的改進(jìn)

5.1 模型的改進(jìn) 回歸模型預(yù)測(cè)技術(shù)中采用最小二乘法計(jì)算回歸模型參數(shù)理論上存在一定的缺陷,是模型在進(jìn)行中長(zhǎng)期時(shí)產(chǎn)生較大誤差。通過(guò)對(duì)最小二乘法進(jìn)行改進(jìn),在一定程度上彌補(bǔ)這種缺陷,提高了回歸模型的適用性和穩(wěn)健型。在傳統(tǒng)回歸模型的參數(shù)估計(jì)方法中,最小二乘法利用刻畫真實(shí)值與模型值之間偏差,主要考慮到計(jì)算簡(jiǎn)便,參數(shù)估計(jì)易于用公式求解,但當(dāng)原始數(shù)據(jù)存在奇異點(diǎn)時(shí),平方會(huì)放大奇異點(diǎn)對(duì)可信度的影響,導(dǎo)致回歸模型的預(yù)測(cè)效果不好,即最小二乘法的穩(wěn)健性不好。在中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的最小二乘法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)通常首先剔除這些偏差較大的奇異點(diǎn),再進(jìn)行下一-步的分析和預(yù)測(cè)。然而這些異常點(diǎn)恰好在某些方面反映了一些特殊的信息,不可以隨意剔除。