基于小波分析的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量變化及與氣象關(guān)系研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市人口的迅速增長(zhǎng)，城市大氣污染日趨嚴(yán)重，這使人民的生命和財(cái)產(chǎn)受到了嚴(yán)重的威脅，因此我們?cè)诎l(fā)展生產(chǎn)的同時(shí)迫切需要保護(hù)和改善環(huán)境。尤其是空氣環(huán)境，空氣質(zhì)量的好壞一方面取決于污染源的多少、性質(zhì)和排放強(qiáng)度，另一方面還要依據(jù)當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件而定。在不同氣象條件下，同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍。氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系十分密切，為了改善上海市地區(qū)的空氣質(zhì)量，我們很有必要研究該地區(qū)氣象條

2、件與空氣質(zhì)量的關(guān)系。大氣污染物含量具有一定的年變化、日變化規(guī)律，在時(shí)域中存在多層次時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)和局部化特征，包括主周期變化和突變點(diǎn)變化，分析大氣污染物的本身規(guī)律，來(lái)進(jìn)行短時(shí)間的預(yù)測(cè)和突變點(diǎn)原因分析很有必要。 本文工作是在上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心在四個(gè)國(guó)控點(diǎn)，分別包括楊浦區(qū)第四漂染廠(工業(yè)區(qū)域)、虹口區(qū)海南路(商業(yè)區(qū)域)、普陀區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站(居住區(qū)域)和淀山湖環(huán)境監(jiān)測(cè)站(清潔對(duì)照點(diǎn))2005年12月31號(hào)12時(shí)—2006年5月11號(hào)9時(shí)

3、的實(shí)測(cè)小時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用具有可變分辨率、能夠提供信號(hào)在時(shí)域和頻域上局部化信息的小波分析法來(lái)研究上海市環(huán)境空氣質(zhì)量的變化規(guī)律和趨勢(shì)及其與氣象的關(guān)系，得出上海市環(huán)境空氣質(zhì)量濃度時(shí)間序列變化的周期性和突變性以及突變點(diǎn)發(fā)生的具體時(shí)間和原因，并對(duì)其短時(shí)期內(nèi)的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 本文研究發(fā)現(xiàn)近半年來(lái)四個(gè)區(qū)的相對(duì)濕度、氣溫和PM<,10>的變化接近，無(wú)論是從第一，二主周期上，還是從突變點(diǎn)的變化情況來(lái)看，雖然是四個(gè)不同的功能區(qū)，每區(qū)的情況各

4、有不同，但相對(duì)濕度、氣溫和PM<,10>的第一主周期均在14天左右，也就是兩個(gè)星期，與之對(duì)應(yīng)的是第二主周期均在5天左右。主要是由于氣溫的變化直接影響到相對(duì)濕度的變化，而相對(duì)的濕度的變化又和PMl0的變化直接相關(guān)，另一方面，從它們的第一主周期在14天左右，主要是和大氣低頻振蕩相關(guān)，而與各區(qū)局部的天氣情況相關(guān)性較小，所以對(duì)這三個(gè)因子而言‘四個(gè)區(qū)的整體情況比較類似。 在進(jìn)行各區(qū)對(duì)比研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，虹口區(qū)與楊浦區(qū)的SO<,2>、PM<,1

5、0>、NO<,2>三個(gè)空氣質(zhì)量因子的主周期和突變點(diǎn)的變化相當(dāng)接近，第一主周期在14天左右，第二主周期在5天左右，表明兩區(qū)的SO<,2>、PM<,10>、NO<,2>季節(jié)變化規(guī)律相當(dāng)?shù)囊恢?。這種典型的季節(jié)變化規(guī)律與天氣條件如逆溫、風(fēng)向、風(fēng)速等關(guān)系密切，由此一致性可以推定，二氧化硫、二氧化氮和可吸入顆粒物的排放源，排放方式及變化規(guī)律之間的某種共性。普陀區(qū)監(jiān)測(cè)站與青浦區(qū)監(jiān)測(cè)站兩地的空氣質(zhì)量因子的各項(xiàng)指標(biāo)比較接近：如SO<,2>、NO<,2>的

6、第一主周期和第二主周期都已經(jīng)很接近，第一主周期在19天左右，第二主周期5天左右，在突變點(diǎn)方面，PM<,10>、O<,3>和NO<,2>空氣質(zhì)量因子也很接近，這主要是因?yàn)榈趸衔镏饕呛蜋C(jī)動(dòng)車的尾氣相關(guān)，隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，郊區(qū)所擁有的機(jī)動(dòng)車的數(shù)量越來(lái)越多，所以氮氧化合物的變化已經(jīng)和市區(qū)的同步。對(duì)臭氧時(shí)間序列進(jìn)行小波分析發(fā)現(xiàn)：臭氧的第一主周期不同于其他各空氣質(zhì)量參數(shù)，除青浦清潔對(duì)照區(qū)外，臭氧的第一主周期均在5天左右，而其他各空氣質(zhì)量參

7、數(shù)的第一主周期均在14天以上，由此可認(rèn)為臭氧的變化機(jī)理不同于PM<,10>、NO<,2>和SO<,2>的變化。而在清潔對(duì)照區(qū)青浦淀山湖臭氧的第一主周期達(dá)到了20天，據(jù)此推定，臭氧的變化之所以與城區(qū)的三區(qū)不同，關(guān)鍵還是在郊區(qū)機(jī)動(dòng)車輛和工業(yè)比城區(qū)的少，在城區(qū)由于機(jī)動(dòng)車排放的氧化氮和城市工業(yè)在燃燒礦物燃料時(shí)排放的氮氧化物和碳?xì)浠衔锏纫淮挝廴疚镌诳諝庵杏龅疥?yáng)光，就可能轉(zhuǎn)化為臭氧等二次污染物，形成光化學(xué)煙霧污染。 在進(jìn)一步研究各空氣質(zhì)

8、量因子的突變點(diǎn)變化的原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)除了人為排放源的影響外，天氣形勢(shì)的變化是重要原因如寒潮、沙塵暴、逆溫及熱島效應(yīng)的影響。 依據(jù)小波系數(shù)變化過(guò)程的高中低三個(gè)尺度的變化趨勢(shì)和等值線的變化情況，可以預(yù)測(cè)今后幾天內(nèi)的污染物濃度的變化。小波系數(shù)正的濃度較大，小波系數(shù)為負(fù)的濃度較小?？梢灶A(yù)測(cè)在今后的4到5天內(nèi)，虹口區(qū)SO<,2>和O<,3>濃度將由繼續(xù)減少，PM<,10>和NO<,2>的濃度先減小后增加。普陀區(qū)SO<,2>、PM<,10>和

9、O<,3>濃度先減小后增加，而NO<,2>的濃度總體上繼續(xù)增加。楊浦區(qū)SO<,2>、NO<,2>和PM<,10>的濃度是先減小后增加，而O<,3>的濃度在1到2天內(nèi)小幅度增加到最大值，然后開(kāi)始減小。青浦SO<,2>、PM<,10>和NO<,2>的濃度是先減小后增加，O<,3>的濃度將由先微弱上升然后一直減小。并且經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)值的檢驗(yàn)與預(yù)測(cè)值較好的保持一致。 總之，小波分析方法克服了傅里葉分析不能實(shí)現(xiàn)時(shí)域局部化和短時(shí)傅里葉分析窗口大