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

（北京聯合大學師范學院，北京 100011）

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

0 引言

PM2.5 的主要來源，是日常發電、工業生產、汽車尾氣排放等過程中經過燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬等有毒物質。根據北京市的地形，又根據主要污染源的位置，按功能區進行劃分為商業區、居民區、交通區、文化區，因為商業區與居民區在一起，所以把這兩個區聯系在一起考慮；交通區為交通要道、汽車站、火車站、道路交匯處；文化區為旅游地點，比如自然風景區。

主要是對朝陽奧體中心、西直門北大街和密云鎮附近的PM2.5 進行檢測分析。考慮人群活動密度，車輛密集度以及工業區排放等等因素，最終選中三個地點作為檢測點：朝陽奧體中心、西直門北大街和密云鎮。其中朝陽奧體中心來往的人比較多，屬于人群密集地區。西直門北大街車輛流量比較大，屬于交通重點地區。密云鎮有山有水，屬于自然風景區。本著在朝陽附近不同區均勻設立監測站的原則，東西南北各個方向都應有一個監測站，各類污染源附近也應有監測站，遠離污染源的地方建立監測站，靠近居民的地方建立監測站，各功能區應有代表建立監測站，共建立6 個監測站，在每個監測點不同方位各做兩個監測站。

1 數據分析

1.1 大氣化學反應

除自然源和人為源之外，大氣中的氣態前體污染物會通過大氣化學反應生成二次顆粒物，實現由氣體到粒子的相態轉換。如：

其中氣態硫酸來自OH 自由基氧化二氧化硫SO2的氣態反應。[2]鹽的水合物：如xCl·yH2O、xNO3·yH2O、xSO4·yH2O，隨著濕度的變化，水合物對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 數據采集

北京市雖然有對PM2.5 濃度的監測，但是只有當天的數據，沒有歷史的監測的數據，數據量很少；而且市級市只顯示平均濃度，對朝陽區、西直門和密云的的濃度，監測數據如圖1，2，3 所示。

站點：朝陽奧體中心。（圖1）

站點：西直門北大街。（圖2）

站點：密云鎮。（圖3）

圖1 朝陽奧體中心PM2.5 濃度的監測

圖2 西直門北大街PM2.5 濃度的監測圖

圖3 密云鎮PM2.5 濃度的監測圖

1.3 數據分析

將數據作歸一化處理：

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

故xmax=453，xmin=48。

表1 朝陽奧體中心PM2.5 濃度歸一化處理數據

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

其中S（x）=-xlnx-（1-x）ln（1-x）亦即申農（C.E.Shanon）函數。模糊熵是度量空氣質量的工具，模糊熵愈小，說明該地區的空氣質量愈好，以此來確定各地區的優劣次序。

由（1）式可得表2 和表3。

表2 西直門北大街PM2.5 濃度歸一化處理數據

表3 密云鎮PM2.5 濃度歸一化處理數據

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：

2 結果討論

從以上分析結果可見，西直門北大街PM2.5 的濃度最高，其次是朝陽奧體中心，再次是密云鎮。現實生活中PM2.5 的濃度和很多因素有關，人為來源包括：道路揚塵、建筑施工揚塵、工業粉塵、廚房煙氣。自然來源包括：風揚塵土、火山灰、森林火災、漂浮的海鹽、真菌孢子、細菌等。而這次主要研究的方向是人為來源與之的關系，因此主要考慮的因素有：交通密集度和人員密集度。其中朝陽奧體中心來往的人比較多，屬于人群密集地區。西直門北大街車輛流量比較大，屬于交通重點地區。密云鎮有山有水，屬于自然風景區。在選擇測量地點的時候考慮了人群活動密度，車輛密集度以及工業區排放等方面，經過比較之后選中了以上三個地點，由此可知郊區、人群活動少的地點PM2.5 較小，反之車輛密集處，人群流量較高的地點PM2.5 也相對更高。

3 結論

根據已有數據可以看出：北京大氣PM2.5 污染嚴重，已對人體健康和經濟社會發展造成嚴重威脅，同時對大氣能見度和氣候也產生了重要影響。細顆粒物不僅會對居民健康和城市能見度帶來負面影響，同時也會對湖泊、森林等生態系統造成危害，導致水體富營養化，影響水體質量，甚至還會造成全球大氣污染，為平流層臭氧損耗提供反應表面并催化，影響地球輻射平衡，我們應該盡量綠色出行，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，2012（03）.

[2]王波，袁濤.霾天氣的危害和防御[J].今日科苑，2008（17）.

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[5]賀仲雄.模糊數學及其應用[M].天津：天津科學技術出版社，1983.