基于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)解析大氣復(fù)合污染時(shí)空特征及過程序列.pdf

1、以PM2.5和O3為特征的區(qū)域大氣復(fù)合污染已成為制約我國京津冀、長三角、珠三角和其他快速發(fā)展城市群區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大瓶頸因素。在過去十年里，以PM2.5和O3為主要污染物，CO、SO2、NO2、PM10等多種污染物并存的大氣復(fù)合污染問題日益突顯。為此，環(huán)境管理信息化逐步建設(shè)與發(fā)展，必將產(chǎn)生一個(gè)龐大的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。隨之，以環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境科學(xué)理論為決策依據(jù)的大氣復(fù)合污染環(huán)境管理模式正在悄然形成。挖掘海量環(huán)境空氣質(zhì)量信息資源，以發(fā)現(xiàn)

2、數(shù)據(jù)中潛在的概念和規(guī)律，揭示大氣環(huán)境復(fù)合污染形成機(jī)制與發(fā)生根因，可為環(huán)境管理決策提供科學(xué)支撐?？v觀國內(nèi)外基于環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的大氣環(huán)境復(fù)合污染研究方法，有灰色關(guān)聯(lián)分析、主成分分析、Spearman秩相關(guān)系數(shù)法、線性相關(guān)性分析等基于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的關(guān)聯(lián)分析技術(shù);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、層次貝葉斯等數(shù)據(jù)挖掘的分類預(yù)測技術(shù);K-means聚類、模糊推理等數(shù)據(jù)挖掘的聚類分析技術(shù)，在識(shí)別多污染物相關(guān)關(guān)系，污染物濃度預(yù)測方面取得了大量研究成果，并且，數(shù)據(jù)

3、挖掘的關(guān)聯(lián)分析技術(shù)也可以應(yīng)用于環(huán)境信息的分析與預(yù)測。本論文延續(xù)了利用空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)解析大氣污染問題的思路和相關(guān)關(guān)系思想，基于全國190個(gè)城市945個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)和序列模式挖掘原理，建立了解析大氣復(fù)合污染狀態(tài)及其變化過程的方法，從PM2.5和O3著手，揭示了污染物的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其時(shí)空特征、在污染過程中表現(xiàn)出的序列特征，這有助于面向大氣復(fù)合污染問題的環(huán)境管理決策，也為海量空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的資源化利用提供新

4、途徑。本論文的研究結(jié)論對(duì)政府監(jiān)管、科學(xué)研究、公眾預(yù)防都有積極的意義。
　　重點(diǎn)研究內(nèi)容:
　　1.海量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和購物籃數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。錄制腳本與自編程序相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)收集了2013年9月4日至12月4日的3個(gè)月的數(shù)據(jù);在數(shù)據(jù)中添加了站點(diǎn)空間屬性數(shù)據(jù)和監(jiān)測時(shí)間數(shù)據(jù);采用離散化方法，進(jìn)行符合數(shù)據(jù)挖掘格式的預(yù)處理，構(gòu)建購物籃數(shù)據(jù)庫。
　　2.面向大氣復(fù)合污染的關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)和序列模式挖掘的實(shí)

5、現(xiàn)?；谡鎸?shí)的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)規(guī)則與序列模式原理，選擇分析平臺(tái)與算法，設(shè)計(jì)面向大氣復(fù)合污染的挖掘方案，編寫R語言程序，建立大氣復(fù)合污染物指標(biāo)關(guān)聯(lián)規(guī)則和序列模式挖掘方法。
　　3.大氣復(fù)合污染關(guān)聯(lián)規(guī)則和序列模式的識(shí)別。(1)識(shí)別包含PM2.5或O3指標(biāo)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。即頻繁出現(xiàn)的包含PM2.5或O3指標(biāo)的關(guān)聯(lián)規(guī)則及其置信度，并分析規(guī)則的時(shí)空特征，解析在不同經(jīng)濟(jì)區(qū)、經(jīng)緯區(qū)和日時(shí)段與PM2.5或O3關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的大氣復(fù)合污染物。(2)識(shí)

6、別包含PM2.5或O3指標(biāo)的強(qiáng)序列模式。即不同時(shí)間間隔下頻繁出現(xiàn)的包含PM2.5或O3指標(biāo)的序列及其支持度，解析PM2.5及O3在大氣復(fù)合污染過程中的序列特征。
　　主要研究結(jié)論:
　　1.在全國范圍，大氣中多種污染物共同存在比一種污染物單獨(dú)存在更容易并發(fā)嚴(yán)重的PM2.5污染。當(dāng)?shù)蜐舛龋ǘ?jí)）的CO，NO2，SO2和PM10（六級(jí)）共存時(shí)，PM2.5六級(jí)發(fā)生的概率為93.0％，而每種污染物單獨(dú)存在情況下PM2.5六級(jí)發(fā)生的最

7、高概率僅為65.7％。
　　2.在東北地區(qū)，大氣中PM10六級(jí)與NO2三級(jí)組合存在或NO2三級(jí)單獨(dú)存在時(shí)，極易發(fā)生PM2.5六級(jí)污染，概率在98％左右。在京津唐經(jīng)濟(jì)區(qū)，大氣中PM10達(dá)到六級(jí)、CO、NO2、SO2達(dá)到二至三級(jí)時(shí)，多種組合下發(fā)生PM2.5六級(jí)污染的概率高，在90％左右。大氣中PM10與PM2.5的關(guān)聯(lián)南方大于北方，東部大于西部。CO、NO2與PM2.5的關(guān)聯(lián)北方大于南方，東部大于西部。SO2與PM2.5的關(guān)聯(lián)北方大于

8、南方。
　　3.23:00-6:00和14:00-16:00時(shí)段出現(xiàn)的大氣污染物指標(biāo)規(guī)則置信度大于0.9。從全國平均看，1-7時(shí)段發(fā)生PM2.5污染的容易度:T=7＞T=6＞T=5＞T=4＞T=1＞T=3＞T=2。T=2、3時(shí)段，即9:00-11:00和12:00-13:00，為一天中大氣較清潔的時(shí)間段;T=1、4時(shí)段，即7:00-8:00和14:00-16:00，為一天中的輕污染時(shí)段;T=5、6、7時(shí)段，即17:00-6:00，

9、為一天中PM2.5污染較嚴(yán)重的時(shí)間段。在東北地區(qū)，T=3、4、6、7時(shí)段，即12:00-16:00和20:00-6:00，為一天中PM2.5污染嚴(yán)重的時(shí)間段。在PM2.5嚴(yán)重污染較難發(fā)生的時(shí)段，PM10六級(jí)和某種污染物共存于大氣中，在PM2.5嚴(yán)重污染較易發(fā)生的時(shí)段，污染物種類較多，CO、SO2、NO2、PM10之間復(fù)雜混合。
　　4.PM2.5濃度維持穩(wěn)定，逐級(jí)加重，逐級(jí)減輕所需時(shí)間隨污染程度改變。PM2.5維持穩(wěn)定的最長時(shí)間是