基于模糊熵的北京PM2.5 因素分析

化子怡HUA Zi-yi；沈雨辰SHEN Yu-chen；薛雪XUE Xue；張曉晞ZHANG Xiao-xi

（北京聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院，北京 100011）

（Teachers' College of Beijing Union University，Beijing 100011，China）

0 引言

PM2.5 的主要來(lái)源，是日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等過(guò)程中經(jīng)過(guò)燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬等有毒物質(zhì)。根據(jù)北京市的地形，又根據(jù)主要污染源的位置，按功能區(qū)進(jìn)行劃分為商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、交通區(qū)、文化區(qū)，因?yàn)樯虡I(yè)區(qū)與居民區(qū)在一起，所以把這兩個(gè)區(qū)聯(lián)系在一起考慮；交通區(qū)為交通要道、汽車站、火車站、道路交匯處；文化區(qū)為旅游地點(diǎn)，比如自然風(fēng)景區(qū)。

主要是對(duì)朝陽(yáng)奧體中心、西直門北大街和密云鎮(zhèn)附近的PM2.5 進(jìn)行檢測(cè)分析。考慮人群活動(dòng)密度，車輛密集度以及工業(yè)區(qū)排放等等因素，最終選中三個(gè)地點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)：朝陽(yáng)奧體中心、西直門北大街和密云鎮(zhèn)。其中朝陽(yáng)奧體中心來(lái)往的人比較多，屬于人群密集地區(qū)。西直門北大街車輛流量比較大，屬于交通重點(diǎn)地區(qū)。密云鎮(zhèn)有山有水，屬于自然風(fēng)景區(qū)。本著在朝陽(yáng)附近不同區(qū)均勻設(shè)立監(jiān)測(cè)站的原則，東西南北各個(gè)方向都應(yīng)有一個(gè)監(jiān)測(cè)站，各類污染源附近也應(yīng)有監(jiān)測(cè)站，遠(yuǎn)離污染源的地方建立監(jiān)測(cè)站，靠近居民的地方建立監(jiān)測(cè)站，各功能區(qū)應(yīng)有代表建立監(jiān)測(cè)站，共建立6 個(gè)監(jiān)測(cè)站，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同方位各做兩個(gè)監(jiān)測(cè)站。

1 數(shù)據(jù)分析

1.1 大氣化學(xué)反應(yīng)

除自然源和人為源之外，大氣中的氣態(tài)前體污染物會(huì)通過(guò)大氣化學(xué)反應(yīng)生成二次顆粒物，實(shí)現(xiàn)由氣體到粒子的相態(tài)轉(zhuǎn)換。如：

其中氣態(tài)硫酸來(lái)自O(shè)H 自由基氧化二氧化硫SO2的氣態(tài)反應(yīng)。[2]鹽的水合物：如xCl·yH2O、xNO3·yH2O、xSO4·yH2O，隨著濕度的變化，水合物對(duì)PM2.5 的影響較大，水不僅與鹽化合物生成水合物，由于濕度的改變還形成了鹽的微小溶液液滴。

1.2 數(shù)據(jù)采集

北京市雖然有對(duì)PM2.5 濃度的監(jiān)測(cè)，但是只有當(dāng)天的數(shù)據(jù)，沒(méi)有歷史的監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量很少；而且市級(jí)市只顯示平均濃度，對(duì)朝陽(yáng)區(qū)、西直門和密云的的濃度，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1，2，3 所示。

站點(diǎn)：朝陽(yáng)奧體中心。（圖1）

站點(diǎn)：西直門北大街。（圖2）

站點(diǎn)：密云鎮(zhèn)。（圖3）

圖1 朝陽(yáng)奧體中心PM2.5 濃度的監(jiān)測(cè)

圖2 西直門北大街PM2.5 濃度的監(jiān)測(cè)圖

圖3 密云鎮(zhèn)PM2.5 濃度的監(jiān)測(cè)圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

將數(shù)據(jù)作歸一化處理：

xmax為朝陽(yáng)奧體中心、西直門北大街和密云鎮(zhèn)PM2.5濃度的最大值，xmin為朝陽(yáng)奧體中心、西直門北大街和密云鎮(zhèn)PM2.5 濃度的最小值。

故xmax=453，xmin=48。

表1 朝陽(yáng)奧體中心PM2.5 濃度歸一化處理數(shù)據(jù)

設(shè)x1，x2，…，xn∈[0，1]為各天的PM2.5 濃度，1 表示很強(qiáng)，0 表示很弱，其余類推。用下面公式計(jì)算各地區(qū)PM2.5濃度的模糊熵：

其中S（x）=-xlnx-（1-x）ln（1-x）亦即申農(nóng)（C.E.Shanon）函數(shù)。模糊熵是度量空氣質(zhì)量的工具，模糊熵愈小，說(shuō)明該地區(qū)的空氣質(zhì)量愈好，以此來(lái)確定各地區(qū)的優(yōu)劣次序。

由（1）式可得表2 和表3。

表2 西直門北大街PM2.5 濃度歸一化處理數(shù)據(jù)

表3 密云鎮(zhèn)PM2.5 濃度歸一化處理數(shù)據(jù)

由（2）式可得H2（x1，x2，…，xn）=0.720

同理，由（2）式可得H3（x1，x2，…，xn）=0.566

綜上可見(jiàn)：

2 結(jié)果討論

從以上分析結(jié)果可見(jiàn)，西直門北大街PM2.5 的濃度最高，其次是朝陽(yáng)奧體中心，再次是密云鎮(zhèn)?，F(xiàn)實(shí)生活中PM2.5 的濃度和很多因素有關(guān)，人為來(lái)源包括：道路揚(yáng)塵、建筑施工揚(yáng)塵、工業(yè)粉塵、廚房煙氣。自然來(lái)源包括：風(fēng)揚(yáng)塵土、火山灰、森林火災(zāi)、漂浮的海鹽、真菌孢子、細(xì)菌等。而這次主要研究的方向是人為來(lái)源與之的關(guān)系，因此主要考慮的因素有：交通密集度和人員密集度。其中朝陽(yáng)奧體中心來(lái)往的人比較多，屬于人群密集地區(qū)。西直門北大街車輛流量比較大，屬于交通重點(diǎn)地區(qū)。密云鎮(zhèn)有山有水，屬于自然風(fēng)景區(qū)。在選擇測(cè)量地點(diǎn)的時(shí)候考慮了人群活動(dòng)密度，車輛密集度以及工業(yè)區(qū)排放等方面，經(jīng)過(guò)比較之后選中了以上三個(gè)地點(diǎn)，由此可知郊區(qū)、人群活動(dòng)少的地點(diǎn)PM2.5 較小，反之車輛密集處，人群流量較高的地點(diǎn)PM2.5 也相對(duì)更高。

3 結(jié)論

根據(jù)已有數(shù)據(jù)可以看出：北京大氣PM2.5 污染嚴(yán)重，已對(duì)人體健康和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)對(duì)大氣能見(jiàn)度和氣候也產(chǎn)生了重要影響。細(xì)顆粒物不僅會(huì)對(duì)居民健康和城市能見(jiàn)度帶來(lái)負(fù)面影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)湖泊、森林等生態(tài)系統(tǒng)造成危害，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，影響水體質(zhì)量，甚至還會(huì)造成全球大氣污染，為平流層臭氧損耗提供反應(yīng)表面并催化，影響地球輻射平衡，我們應(yīng)該盡量綠色出行，減少車輛尾氣的污染。

[1]楊新興，馮麗華，尉鵬.大氣顆粒物PM2.5 及其危害[J].前沿科學(xué)，2012（03）.

[2]王波，袁濤.霾天氣的危害和防御[J].今日科苑，2008（17）.

[3]向陽(yáng).大氣環(huán)境健康[J].百度知識(shí)，2005（23）.

[4]王冰，張承中.大氣可吸入顆粒物PM2.5 研究進(jìn)展[J].中國(guó)科技信息，2009（08）.

[5]賀仲雄.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1983.