船舶大氣污染物時(shí)頻特征分析

莊 凱，封學(xué)軍，王 康，沈金星

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著長(zhǎng)江南京段以下12.5 m 深水航道工程于2018年5月全線貫通，5 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船可直達(dá)南京，有效改善了長(zhǎng)江江蘇段的通航條件，海進(jìn)江運(yùn)量增長(zhǎng)迅速。 明確新的航行條件下航道內(nèi)船舶大氣污染物的排放情況，為航道環(huán)境治理提供支撐。

在船舶大氣污染物測(cè)算方面，CORBCTT J J 等[1]于2000年提出排放測(cè)算的一個(gè)初步計(jì)算公式，以船舶的營(yíng)運(yùn)里程、貨物量數(shù)據(jù)計(jì)算了美國(guó)所有的通航水域中的NOx和SOx排放量；2009年JALKANCN J P 等[2]引入了船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的船舶航行數(shù)據(jù)，應(yīng)用船舶交通量排放模型對(duì)波羅的海的船舶排放進(jìn)行了測(cè)算；2012年JALKANEN J P 等[3-4]繼續(xù)在已有模型的基礎(chǔ)上，增加了PM 和CO 的計(jì)算。 近年來，我國(guó)學(xué)者逐步引入船舶動(dòng)力法，分別測(cè)算了環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)、珠江流域等區(qū)域的船舶排放情況[5-10]；在長(zhǎng)江江蘇段區(qū)域內(nèi)，顧健等[11]應(yīng)用本土化的船舶排放因子，對(duì)南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)2014年的船舶排放情況進(jìn)行了測(cè)算；封學(xué)軍等[12-13]應(yīng)用了船舶動(dòng)力法，在長(zhǎng)江江蘇段中選取典型斷面，測(cè)算了長(zhǎng)江江蘇段2017年的船舶排放情況。

綜合來看，上述研究主要著眼于以年、月為時(shí)間尺度的測(cè)算，鮮有對(duì)于特定區(qū)域進(jìn)行單日、單時(shí)的排放測(cè)算，進(jìn)而缺少對(duì)船舶大氣污染物即時(shí)排放情況的說明，本文進(jìn)行的船舶排放即時(shí)測(cè)算研究，可作為船舶大氣污染物排放測(cè)算研究的補(bǔ)充。

船舶大氣污染物的產(chǎn)生與多種因素有關(guān)，短周期因素：船舶的種類、船舶的負(fù)載情況、船舶的噸位、船舶的航行速度、區(qū)域內(nèi)船舶航行的數(shù)量；長(zhǎng)周期因素：航道水深條件、水流流速、航道的限行情況、通航貿(mào)易班輪航線、上下游港口基礎(chǔ)設(shè)施配備、上下游港口主營(yíng)貨物種類、船舶航行燃油標(biāo)準(zhǔn)等。上述因素均會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)船舶的即時(shí)排放產(chǎn)生不同程度的影響，排放數(shù)據(jù)因此發(fā)生非線性、非平穩(wěn)性的數(shù)據(jù)波動(dòng)，污染物數(shù)據(jù)的波動(dòng)難以直觀的反映其排放特征與所受的影響因素，引入希爾伯特-黃變換對(duì)數(shù)據(jù)的波動(dòng)進(jìn)行分解，以期獲取更多排放特征并對(duì)應(yīng)分析。

希爾伯特-黃變換是一種常用的數(shù)據(jù)信號(hào)波動(dòng)分析方法，應(yīng)用于非線性信號(hào)處理。 SHI K 等[14]構(gòu)建了NO2等污染物的非線性模型，結(jié)合希爾伯特-黃變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣污染物的預(yù)測(cè)；杜娟等[15]采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法與自組織臨界理論確定了成都市冬季PM2.5的濃度時(shí)空變化規(guī)律。 FENG X 等[16]通過希爾伯特-黃變換對(duì)干散貨港區(qū)的顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)頻特征分析，說明了區(qū)域內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度變化的主要影響因素。 對(duì)于區(qū)域污染物排放質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)的分析，希爾伯特-黃變換具有良好的適用性。

本文在應(yīng)用船舶動(dòng)力法對(duì)船舶大氣污染物進(jìn)行測(cè)算的基礎(chǔ)上，將其分解為以30 s 為間隔的大氣污染物排放數(shù)據(jù)，在單日、單時(shí)時(shí)間尺度上展現(xiàn)即時(shí)排放情況；將希爾伯特-黃變換引入船舶大氣污染物排放數(shù)據(jù)的分析，獲取排放數(shù)據(jù)在時(shí)域、頻域的特征，明確其所受的影響因素，提出實(shí)現(xiàn)區(qū)域減排的建議。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

選取長(zhǎng)江江蘇段京杭運(yùn)河與長(zhǎng)江交界區(qū)域的一處斷面，緯度范圍：119.543°～119.553°，經(jīng)度范圍：32.215°～32.224°，其中東西向距離0.937 km，南北向距離1.938 km，覆蓋全部江面，見圖1。

圖1 研究區(qū)域

研究區(qū)域的過境船舶包括： 長(zhǎng)江口駛?cè)氲暮４⒑叫杏陂L(zhǎng)江干線、京杭運(yùn)河的內(nèi)河船舶；船舶類別包括：普通貨船、集裝箱船、油船及其它船型。月過境船舶1.5 萬(wàn)艘，本文抽樣船舶8 576 艘，抽樣情況見圖2。

圖2 過境船舶抽樣分布

過境船舶的情況反映深水航道工程投入運(yùn)營(yíng)之后，長(zhǎng)江江蘇段內(nèi)船舶通航狀況，內(nèi)河船為主要過境船舶；船舶噸位主要為2 000 t 以下的小型船舶，累計(jì)頻率大于60%，萬(wàn)噸級(jí)以上船舶通過數(shù)量極少。過境船舶的特征可反映長(zhǎng)江江蘇段過境船舶的復(fù)雜性、多樣性，可作為長(zhǎng)江江蘇段的代表區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

原始數(shù)據(jù)來自：①船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS），AIS 系統(tǒng)通過布設(shè)于航道沿線的數(shù)據(jù)基站可接收過往船舶的通航訊息，其中包括：船舶水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（MMSI）、船舶瞬時(shí)時(shí)間（時(shí)間戳）、船首向、航跡向、船舶經(jīng)度、船舶緯度；②中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS），在CCS 數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過檢索船舶的MMSI，可對(duì)應(yīng)獲取船舶的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息：船舶長(zhǎng)度（m）、船舶寬度（m）、船舶吃水深度（m）、船舶總噸位（t）、船舶類型。

本文獲取2019 全年研究區(qū)域的AIS 數(shù)據(jù)，提取每月第15日，共12 d 的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，以30 s為間隔，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，單日獲取2 880 組數(shù)據(jù)。 每組數(shù)據(jù)中包含30 s 內(nèi)海船數(shù)量、海船平均船長(zhǎng)、海船平均噸位、海船平均功率、海船平均航速、內(nèi)河航船數(shù)量、內(nèi)河航船平均船長(zhǎng)、內(nèi)河航船平均噸位、內(nèi)河航船平均功率、內(nèi)河航船平均航速。

1.3 船舶動(dòng)力法

單艘船舶在航行的過程中，產(chǎn)生的主要大氣污染物包括SO2，NOx，PM2.5，CO，VOCs，其中船舶的油品質(zhì)量顯著影響了SO2，PM2.5，VOCs 的排放；船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、燃燒效率、工作時(shí)間等影響了NOx，CO的排放，計(jì)算公式如下：

式中：i為污染物種類；Ei為對(duì)應(yīng)某種大氣污染物的排放量，g；P 為船舶主機(jī)或副機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，kW；T 為船舶主機(jī)工作時(shí)間，h；EFi為對(duì)應(yīng)某種大氣污染物的排放因子，見表1[9-11]，g/（kW·h）；LLF（Low Load Factor）為船舶主機(jī)低負(fù)載調(diào)整系數(shù)，無量綱。當(dāng)船舶以低速航行時(shí)，船舶主機(jī)對(duì)油品進(jìn)行不完全燃燒，致使產(chǎn)生的大氣污染物增多，一般認(rèn)為當(dāng)船舶主機(jī)負(fù)荷低于20%時(shí)，需對(duì)其排放因子進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，船舶主機(jī)低負(fù)載調(diào)整系數(shù)示例見表2[17]。

表1 船舶大氣污染物排放因子 g·（kW·h）-1

表2 船舶主機(jī)低負(fù)載調(diào)整系數(shù)示例

1.4 希爾伯特-黃（HHT）變換

希爾伯特-黃變換分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）和在EMD 分解基礎(chǔ)上進(jìn)行的希爾伯特變換（Hilbert Transform，HT）。

EMD 分解是將提取到的原始數(shù)據(jù)信號(hào)通過自適應(yīng)的方式分解為若干多個(gè)本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF），使得每個(gè)IMF 函數(shù)滿足：①在整個(gè)時(shí)域區(qū)間內(nèi)，IMF 函數(shù)的波動(dòng)曲線過零點(diǎn)與曲線極值點(diǎn)的數(shù)量相等或最多相差1 個(gè)；②曲線上任何1 點(diǎn)的局部最大值與最小值的包絡(luò)（包絡(luò)線）均值必須為0。 經(jīng)過EMD 分解之后，污染物濃度數(shù)據(jù)信號(hào)可以分解為若干個(gè)IMF 函數(shù)與余波之和，分解公式如下：

式中：f（t）為原始數(shù)據(jù)信號(hào)，mg/m2；IMFi（t）為第i 個(gè)IMF 函數(shù)，mg/m2；r（t）為原始信號(hào)數(shù)據(jù)中分離n 個(gè)IMF函數(shù)之后的余波信號(hào)，mg/m2。

將EMD 分解得到的IMF 函數(shù)進(jìn)行HT 變換，變換公式如下：

通過HT 變換將一維實(shí)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S復(fù)平面上的解析信號(hào)，轉(zhuǎn)變公式如下：

其中：

式（4）~式（6）中：Zi（t）為二維復(fù)平面上的解析信號(hào)；ai（t）為解析信號(hào)的幅度；θi（t）為解析信號(hào)的相位；j為Zi（t）的虛元素。

通過式（4）中的極坐標(biāo)表達(dá)式，IMFi（t）的瞬時(shí)頻率ωi（t）可以表示為式（7）。

ωi（t）反映了IMFi（t）的瞬時(shí)頻率的波動(dòng)情況，Hz。HHT 變換可以從原始數(shù)據(jù)信號(hào)中提取出頻率波段相近的成分，形成不同的分量信號(hào)，并展現(xiàn)其頻率隨時(shí)間的變化。 將原始質(zhì)量濃度信號(hào)在時(shí)間序列上的波動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率波動(dòng)數(shù)據(jù)，由此進(jìn)一步表征一定時(shí)間尺度上大氣污染物濃度數(shù)據(jù)信號(hào)的變化情況，獲取研究區(qū)域內(nèi)船舶污染物質(zhì)量濃度的變化特征。

2 實(shí)證分析

2.1 即時(shí)船舶污染分布

研究區(qū)域內(nèi)2019年對(duì)應(yīng)的12 d 污染物平面濃度數(shù)據(jù)信號(hào)即時(shí)分布見圖3。 由圖3 可知，每日污染物平面濃度呈周期性分布，在每日日中時(shí)刻（10：00～15：00），污染物平面濃度達(dá)到峰值，SO2波動(dòng)區(qū)間集中于0 ～0.10 mg/m2，NOx集中于0 ～6.19 mg/m2，PM2.5集中于0 ～0.25 mg/m2，CO 集中于0 ～0.74 mg/m2，VOCs 集中于0 ～0.98 mg/m2；以SO2排放為例，1月至9月日均排放量（對(duì)應(yīng)1 ～9 d）為16.68 mg/m2，10月排放較其它月份顯著上升，達(dá)到112.48 mg/m2，次月則出現(xiàn)明顯跌落，下降至6.11 mg/m2，12月恢復(fù)至正常排放水平23.02 mg/m2。

圖3 大氣污染物平面濃度數(shù)據(jù)信號(hào)即時(shí)分布

研究區(qū)域內(nèi)24 h 全時(shí)段污染物平均總量見圖4。 由圖4 可知，各類大氣污染物總量隨時(shí)間的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致。 每日06：00 起，單位小時(shí)內(nèi)污染物總量開始逐步上升，18：00 后趨于平穩(wěn)，緩慢下降。大氣污染物整體排放趨勢(shì)符合船舶航行的基本規(guī)律：在白天視線較好時(shí)較高，在日落后視線較差時(shí)較低，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。NOx時(shí)均排放量最高，其后依次為VOCs，CO，PM2.5，SO2。

圖4 全時(shí)段大氣污染物平均總量

2.2 HHT 變換

將樣本數(shù)據(jù)中的NOx平面濃度數(shù)據(jù)（12 d 平均信號(hào)）作為示例數(shù)據(jù)展示，進(jìn)行EMD 分解，分解結(jié)果見圖5，將分解得到的IMF 函數(shù)分量記為IMFi，NOx濃度波動(dòng)可以分解得到9 個(gè)分量和1 個(gè)余量，即i=[1,9]。

圖5 EMD 分解

對(duì)經(jīng)過EMD 分解后的數(shù)據(jù)進(jìn)行HHT 轉(zhuǎn)換，在HHT 分布中，數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率具有明顯的離散特性，各類污染物濃度數(shù)據(jù)頻率波動(dòng)范圍見表3。 由表3 可知，航道內(nèi)船舶大氣污染物平面濃度數(shù)據(jù)信號(hào)的波動(dòng)均為低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)，除SO2以外的其它種類污染物的波動(dòng)頻率范圍一致。

表3 污染物平面濃度數(shù)據(jù)頻率波動(dòng)范圍 Hz

2.3 邊際譜分析

邊際譜作為數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率特性之一，適用于通過各頻段上的幅值分布，表征各頻段數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)于原始數(shù)據(jù)信號(hào)的影響程度（mg/m2），計(jì)算公式如下：

求得邊際譜見圖6。 由圖6 可知，各類污染物數(shù)據(jù)信號(hào)的影響頻段集中于低頻段，其中SO2，PM2.5，CO，VOCs 的影響頻段為0 ～0.007 Hz，NOx的影響頻段為0 ～0.173 Hz，NOx的邊際譜相較于其它種類污染物分布分散于更多頻段。 低頻長(zhǎng)周期因素為數(shù)據(jù)信號(hào)波動(dòng)的主要影響因素，對(duì)于未來的船舶大氣污染物減排控制，需關(guān)注長(zhǎng)周期因素的影響。

圖6 船舶大氣污染物平面濃度邊際譜

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本文在基于HHT 的船舶大氣污染時(shí)頻分析的基礎(chǔ)上，得到以下結(jié)論。

（1）研究區(qū)域內(nèi)每日污染物平面濃度數(shù)據(jù)信號(hào)呈現(xiàn)周期性分布，每日日中時(shí)刻（10：00 ～15：00），污染物濃度達(dá)到峰值，SO2波動(dòng)區(qū)間集中于0 ～0.10 mg/m2，NOx集中于0 ～6.19 mg/m2，PM2.5集中于0 ～0.25 mg/m2，CO 集中于0 ～0.74 mg/m2，VOCs 集中于0 ～0.98 mg/m2；10月排放較其它月份顯著增加，各類污染物濃度數(shù)值均處于最高，次月則出現(xiàn)明顯跌落，12月恢復(fù)正常排放水平。

（2）各類大氣污染物總量隨時(shí)間的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致。 每日06：00 起，單位小時(shí)內(nèi)污染物總量開始逐步上升，18：00 后趨于平穩(wěn)緩慢下降；NOx時(shí)均排放量最高，其后依次為VOCs，CO，PM2.5，SO2。

（3）所有種類污染物濃度數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率具有一定的離散特性，研究區(qū)域內(nèi)船舶大氣污染物平面濃度數(shù)據(jù)的波動(dòng)均為低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)。

（4）影響污染物平面濃度數(shù)據(jù)波動(dòng)的主要為長(zhǎng)周期因素，對(duì)于未來的船舶大氣污染物減排控制，需關(guān)注長(zhǎng)周期因素的影響。

3.2 展望

本文在應(yīng)用船舶動(dòng)力法的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)船舶大氣污染物排放進(jìn)行測(cè)算，實(shí)現(xiàn)單日、單時(shí)尺度上船舶大氣污染物排放情況的即時(shí)展示，測(cè)算結(jié)果符合一般規(guī)律；在測(cè)算的基礎(chǔ)上引入HHT 分析，將研究區(qū)域中的污染物平面濃度數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，明確其頻域特征。 需要注意的是，HHT 分析僅能從污染物數(shù)據(jù)信號(hào)本身出發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)的信號(hào)進(jìn)行分解，在頻率的角度對(duì)可能的影響因素進(jìn)行分析，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于分解信號(hào)與實(shí)際因素的對(duì)應(yīng)。 因此在區(qū)域船舶大氣污染物的排放分析研究中，需進(jìn)一步明確實(shí)際因素對(duì)應(yīng)的影響效果。