空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)探索性分析

陳本衛(wèi) 劉霞

摘 要：空氣質(zhì)量是影響人類生存的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本文將對國家檢測控制站點(diǎn)（國控點(diǎn)）與自主研發(fā)的微型空氣質(zhì)量檢測儀的數(shù)據(jù)（自建點(diǎn)數(shù)據(jù)）進(jìn)行探索性分析。首先對自建點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出自建點(diǎn)污染物和天氣因素每小時(shí)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。然后根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定，計(jì)算出自建點(diǎn)和國控點(diǎn)的AQI，將空氣質(zhì)量進(jìn)行等級分析，發(fā)現(xiàn)差異：國控點(diǎn)空氣質(zhì)量優(yōu)的時(shí)間比自建點(diǎn)多482個(gè)小時(shí)。計(jì)算自建點(diǎn)與國控點(diǎn)的數(shù)據(jù)的偏差值（自建數(shù)據(jù)-國控?cái)?shù)據(jù)），求出偏差值的平均數(shù)、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、眾數(shù)、極大極小值和極差，最后計(jì)算出自建點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均相對誤差。結(jié)果表明自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國控點(diǎn)存在顯著性差異。

關(guān)鍵詞：探索性分析;自建點(diǎn)數(shù)據(jù);國建點(diǎn)數(shù)據(jù);空氣質(zhì)量指數(shù)

1.引言

空氣污染影響著人們的生活，并對生態(tài)環(huán)境造成巨大影響。在2019年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽D題中探討的“兩塵四氣”，PM2.5和O3污染加重導(dǎo)致全國各地產(chǎn)生霧霾，SO在大氣氧化形成有毒物質(zhì)，也是造成酸雨的重要原因。為了對空氣污染進(jìn)行防治，國家利用檢測控制站點(diǎn)對大氣污染物進(jìn)行監(jiān)控。由于國家控制站點(diǎn)的布控較少，并且投入較高，為達(dá)到對大氣污染物全面監(jiān)控，研發(fā)了微型空氣質(zhì)量檢測儀，不僅投入較少，同時(shí)使用實(shí)時(shí)網(wǎng)格化監(jiān)控。

由于所使用的電化學(xué)氣體傳感器[1]在長時(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）濃度變化對傳感器存在交叉干擾，以及天氣因素對傳感器的影響，在國控點(diǎn)近鄰所布控的自建點(diǎn)上，同一時(shí)間微型空氣質(zhì)量檢測儀所采集的數(shù)據(jù)與該國控點(diǎn)的數(shù)據(jù)值存在一定的差異，因此，需要利用國控點(diǎn)每小時(shí)的數(shù)據(jù)對國控點(diǎn)近鄰的自建點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.引入空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），將空氣質(zhì)量進(jìn)行等級分析

通過初步分析，首先要讓國控點(diǎn)與自建點(diǎn)數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。為此篩除了59個(gè)數(shù)據(jù)缺失的異常點(diǎn)，將自建點(diǎn)的一個(gè)小時(shí)內(nèi)時(shí)間段中各污染物濃度的平均值對應(yīng)于國控點(diǎn)的整點(diǎn)時(shí)刻污染物濃度。然后引入空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），將空氣質(zhì)量進(jìn)行等級分析[2]。

空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)。根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值，利用MATLAB可以計(jì)算出國控點(diǎn)與自建點(diǎn)每時(shí)刻對應(yīng)空質(zhì)量指數(shù)。依據(jù)空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值表[3]計(jì)算“兩塵四氣”空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQI，再由此計(jì)算出空氣質(zhì)量指數(shù)AQI。

空氣質(zhì)量分指數(shù)計(jì)算方法[3]：

空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法：

根據(jù)上述計(jì)算方法，設(shè)污染物濃度為自變量x，空氣質(zhì)量指數(shù)為因變量y，針對六種污染物列出對應(yīng)的分段函數(shù)（從左到右依次為PM2.5，PM10，CO，NO2，SO2，O3），如下所示：

根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定，利用MATLAB[4]計(jì)算出自建點(diǎn)和國控點(diǎn)的AQI，由此進(jìn)行等級分析（優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染）。分別對國控點(diǎn)與自建點(diǎn)中各個(gè)等級進(jìn)行篩選，并計(jì)算出各個(gè)等級分別在自建點(diǎn)與國控點(diǎn)中所占比例（見表1）。

對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)國控點(diǎn)與自建點(diǎn)各個(gè)空氣質(zhì)量指數(shù)類別都具有較大的差異性。兩者之間污染物濃度存在差異，導(dǎo)致空氣質(zhì)量指數(shù)類別所占比不同。自建點(diǎn)的輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染小時(shí)數(shù)都比國控點(diǎn)多，國控點(diǎn)的優(yōu)和良的小時(shí)數(shù)都比自建點(diǎn)多。

3.對自建點(diǎn)數(shù)據(jù)與國控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析

為對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入分析，選取一個(gè)月為時(shí)間段，計(jì)算國控點(diǎn)與自建點(diǎn)在這一個(gè)月內(nèi)各個(gè)污染物濃度偏差值的基本統(tǒng)計(jì)量（平均數(shù)、中位數(shù)、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、極大極小值、極差），進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析[5][6][7]，進(jìn)一步證明國控點(diǎn)與自建點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的誤差比較顯著，見表2。

在之前的數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)二者存在差異，為直觀體現(xiàn)其差異性，利用MATLAB計(jì)算所有自建點(diǎn)與國控點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對偏差值，最后計(jì)算出平均相對誤差（MRE），見表3。

由此可以看出PM2.5、PM10、CO、SO2的平均相對誤差（MRE）較小，但NO2與O2平均相對誤差很大，說明NO2與O3數(shù)據(jù)差異最大。

4.結(jié)束語

空氣污染對生態(tài)環(huán)境和人類健康危害巨大，通過對“兩塵四氣”（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3）濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測可以及時(shí)掌握空氣質(zhì)量，對污染源采取相應(yīng)措施。本文分別從自建點(diǎn)與國控點(diǎn)空氣質(zhì)量指數(shù)的巨大差異和探索性數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)自建點(diǎn)的數(shù)據(jù)偏差比較大。因此，需要利用國控點(diǎn)數(shù)據(jù)對國控點(diǎn)近鄰的自建點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]2019年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽D題數(shù)據(jù);

[2]全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺，http：//106.37.208.233：20035/

[3]環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2012;

[4]趙靜，但琦.數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2000.05（250-254）

[5]雷寶.基于大數(shù)據(jù)的探索性空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析[J].電子世界，2017;

[6]孫麗君. 探索性數(shù)據(jù)分析方法及應(yīng)用[D].東北財(cái)經(jīng)大學(xué)，2005.

[7]姜澒月，閆亞琛，李海蓉.中國2013年城市大氣污染現(xiàn)狀及探索性空間數(shù)據(jù)分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016;