李洪亮，裴慧麗

(河北大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 河北省機(jī)器學(xué)習(xí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002)

京津冀地區(qū)一次大范圍霧霾的判定及數(shù)據(jù)分析

李洪亮，裴慧麗

(河北大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 河北省機(jī)器學(xué)習(xí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002)

通過研究河北地區(qū)每天的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2016年9月12日至2016年9月17日整個(gè)河北地區(qū)的日空氣質(zhì)量平均值顯著高于觀察期間的平均水平，并且該值已達(dá)到輕度污染水平.通過記錄京津冀地區(qū)2016年9月12日0時(shí)至2016年9月18日23時(shí)，共計(jì)168 h的空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)，分析了這次霧霾產(chǎn)生的原因，以及地區(qū)之間空氣質(zhì)量指數(shù)的相互影響.

京津冀；空氣質(zhì)量指數(shù)；霧霾；PM2.5;PM10

隨著京津冀地區(qū)不斷受到霧霾侵?jǐn)_，中國(guó)北方的空氣質(zhì)量問題逐漸受到的重視.相關(guān)學(xué)者對(duì)霧霾的產(chǎn)生及預(yù)測(cè)進(jìn)行了很多研究.2013年，李翔[1]提出一種由GentleAdaBoost(GAB)迭代算法和模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)方法，并對(duì)北京市近1年的空氣污染指數(shù)(API)和空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：該方法比傳統(tǒng)BP空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)平均誤差絕對(duì)值減少近30%.同年，陳宮燕等人[2]利用前20天的氣象觀測(cè)資料和實(shí)際的大氣污染物濃度作為輸入?yún)?shù)，動(dòng)態(tài)建立每天的多元線性回歸方程，求取二氧化硫、二氧化氮、PM10的預(yù)測(cè)值和空氣污染指數(shù)(API)值.2014年，張濤[3]等人以石家莊市為例，探討了如何開展預(yù)測(cè)預(yù)警和加強(qiáng)重污染天氣的應(yīng)急管理機(jī)制.2015年，李北一[4]提出空氣質(zhì)量模型要素要點(diǎn)以及質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)模型分析.尹文君等人[5]針對(duì)環(huán)境大數(shù)據(jù)時(shí)代下的城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)方法.2016年，王占山等人[6]介紹了北京市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，以及動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型的建立和預(yù)報(bào)性能，同時(shí)指出目前北京市預(yù)報(bào)體系的構(gòu)成為主觀預(yù)報(bào)手段為主，客觀預(yù)報(bào)手段為輔的預(yù)報(bào)現(xiàn)狀.同年，陸成偉等人[7]建立了一個(gè)以Models-3為基礎(chǔ)的自動(dòng)化空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示成都市2014年空氣質(zhì)量變化情況趨勢(shì)的預(yù)報(bào)效果較好.

以上的研究基本是對(duì)于一城一地的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究，并沒有考慮到污染物隨著空氣的流動(dòng)，對(duì)周邊城市或地區(qū)的影響.所以，本文以京津冀地區(qū)為例，探討了多城市組成的地區(qū)霧霾的判定，以及城市之間空氣中污染物的相互影響問題，分析了一次霧霾的形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

1 該次京津冀地區(qū)霧霾的判定

通過記錄河北省環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)發(fā)布系統(tǒng)的每日數(shù)據(jù)，見表1.

表1 2016年河北地區(qū)主要城市9月3日～9月20日每天的空氣質(zhì)量指數(shù)

數(shù)據(jù)來源：http://121.28.49.85:8080/datas/day/include.html

網(wǎng)站的數(shù)據(jù)還表明河北省的主要污染物多為PM2.5或PM10.這兩種污染物往往會(huì)隨著空氣的流動(dòng)而擴(kuò)散.考慮到石家莊處于河北省的中部位置，該市的空氣質(zhì)量可能會(huì)影響京津冀地區(qū)的多數(shù)城市，因此我們重點(diǎn)觀測(cè)了石家莊的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù).通過觀察省會(huì)石家莊的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：9月12～9月17日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯著高于其他時(shí)間的數(shù)值，峰值已達(dá)到172，推測(cè)：這段時(shí)間石家莊的空氣質(zhì)量明顯惡化，在此期間河北大部分地區(qū)可能正在遭受霧霾的侵襲.

分別計(jì)算a=“上表全部空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的平均值”，b=“9月12～17日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的平均值”，c=“全部數(shù)據(jù)去掉9月12～17日數(shù)據(jù)后的平均值”.計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 河北各城市AQI平均值

通過對(duì)比上述a，b的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，各城市的b值均高于a值，并且多數(shù)城市的b值高于或接近100，達(dá)到了輕度污染的水平.這表明河北省確實(shí)在9月12～17日期間遭遇了一場(chǎng)霧霾襲擊，并且全省范圍均受到這次霧霾的影響.通過對(duì)比上述a，c的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，除了滄州，衡水兩個(gè)城市外，a值均高于c值.表明除滄州，衡水兩個(gè)城市外，9月12～17日期間的空氣質(zhì)量指數(shù)顯著高于其他時(shí)間的數(shù)值.

由此可見，9月12～17日，河北省各主要城市的空氣質(zhì)量指數(shù)高于平均水平，且大部分地區(qū)的平均指數(shù)數(shù)值達(dá)到了輕度污染以上的程度.由此我們判定在此期間，京津冀地區(qū)遭遇了一次大范圍的霧霾襲擊.

2 該次京津冀地區(qū)霧霾的分析

對(duì)于這次霧霾的產(chǎn)生，變化，影響及消退的進(jìn)一步研究，需要更詳細(xì)的數(shù)據(jù).因此，本文記錄了9月12日0時(shí)～9月18日23時(shí)，共計(jì)168 h的京津冀地區(qū)主要城市每小時(shí)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù).由于部分城市個(gè)別時(shí)刻的數(shù)據(jù)缺失，這里采取了相鄰時(shí)刻的平均值來代替缺失的數(shù)值.主要城市的缺失數(shù)據(jù)不超過1個(gè).

首先看北京，石家莊，保定的數(shù)據(jù)折線圖，見圖1.

圖1 北京，石家莊，保定AQI折線圖

通過觀察這三個(gè)地區(qū)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，可得到如下幾點(diǎn)：1)在一周時(shí)間之中，石家莊市大致有五次峰值數(shù)據(jù)超過150的中度污染水平，并且每次均在夜晚達(dá)到；而北京和保定分別有三次和四次峰值數(shù)據(jù)超中度污染水平，并且峰值不一定在夜晚達(dá)到.2)霧霾形成初期的13～14日，石家莊最早達(dá)到峰值和谷值，保定其次，北京最后.這說明霧霾是自南向北傳播的.3)15日凌晨，北京空氣未達(dá)到污染水平.同期，石家莊，保定的峰值超過重度污染程度.表明北京的空氣受到天氣因素影響，而該因素并未對(duì)北京以南地區(qū)產(chǎn)生影響.4)17日4時(shí)以后，北京和保定基本未達(dá)到輕度污染，石家莊在17日4時(shí)至20時(shí)仍然處于輕度污染甚至重度污染.

接下來觀察石家莊，邢臺(tái)，邯鄲的數(shù)據(jù)折線圖，見圖2.

圖2 石家莊，邢臺(tái)，邯鄲AQI折線圖

通過觀察這三個(gè)地區(qū)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，可得到如下幾點(diǎn)：1)石家莊大致有五次峰值數(shù)據(jù)超過中度污染水平，并且每次均在夜晚達(dá)到；邢臺(tái)與邯鄲分別有兩次與一次達(dá)到該水平；2)邢臺(tái)與邯鄲空氣質(zhì)量指數(shù)的峰值和谷值，比石家莊晚達(dá)到.

3 數(shù)據(jù)分析

為了支持上述觀察結(jié)果，這里采用Matlab編寫的自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)，對(duì)168 h的各城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了聚類.通過200次訓(xùn)練，將京津冀地區(qū)15個(gè)城市分為三類，結(jié)果見圖3.

圖3 Matlab運(yùn)行結(jié)果

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：第一類城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的平均值分別為55和50，平均空氣質(zhì)量接近優(yōu).第二類城市的平均值在80～100之間，平均空氣良好.第三類城市的平均值在100～135之間，平均空氣輕度污染.另外，第一類城市在京津冀地區(qū)西北部，受這次霧霾影響最小.第二類城市在京津冀地區(qū)的邊緣，受到霧霾的影響程度居中.第三類城市分布在石家莊至北京這條自南而北的射線上，大致與太行山平行，受霧霾的影響最嚴(yán)重.因此，這種聚類結(jié)果符合實(shí)際觀察和定性分析.

石家莊，辛集地區(qū)在上述城市中平均值最高，分別為127，134，而且最早達(dá)到污染水平.可以認(rèn)定，上述地區(qū)為該次霧霾的源頭.在一定條件下，污染物會(huì)隨著空氣的流動(dòng)對(duì)周邊城市產(chǎn)生影響，這與城市間的距離，以及空氣流動(dòng)的大致方向及速度有關(guān).

4 結(jié) 語(yǔ)

上述的分析表明：2016年9月12日～9月18日，京津冀地區(qū)經(jīng)歷了一次霧霾過程.這次霧霾的源頭在石家莊，辛集地區(qū)，并向周圍擴(kuò)散.霧霾擴(kuò)散的主要方向?yàn)闁|北方向，故此，北京，保定，定州等地區(qū)相繼自南而北進(jìn)入霧霾范圍.13～14日天氣條件不利于霧霾的消散，石家莊周邊的邢臺(tái)，衡水等地區(qū)也受到了波及.15日上半日，霧霾受天氣因素影響而南移，北京暫時(shí)脫離霧霾范圍，這也導(dǎo)致了后期南部的邢臺(tái)，邯鄲陷入了霧霾范圍.15～16日，整個(gè)京津冀地區(qū)除張家口，承德外，空氣質(zhì)量全面惡化，全部被霧霾籠罩.17日，霧霾開始消散.18日，霧霾徹底離開京津冀地區(qū).

該次霧霾源于石家莊，辛集地區(qū).霧霾先是北移，覆蓋了北京，保定等地區(qū)，而后又略作南移，覆蓋了邢臺(tái)，邯鄲地區(qū)，接著爆發(fā)覆蓋了京津冀大部分地區(qū)，最后在京津冀地區(qū)消散.這表明在一定條件下，污染物會(huì)隨著空氣的流動(dòng)而移動(dòng)，即使某一城市沒有污染源，也可能受到周邊城市的影響，而長(zhǎng)期處于霧霾之中.

上述分析中發(fā)現(xiàn)，天氣條件對(duì)于霧霾的影響很大，因此，下一步將對(duì)天氣條件下的霧霾變化規(guī)律進(jìn)行研究，建立數(shù)學(xué)模型，模擬及預(yù)測(cè)霧霾的影響范圍.

[1] 李 翔.基于GAB和模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, S1:63-65.

[2] 陳宮燕, 德吉白瑪, 紅 梅, 等. 宋燕.基于氣象資料的林芝地區(qū)空氣質(zhì)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法研究[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2013(6): 58-61.

[3] 張 濤, 羅 毅. 石家莊市大氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)研究[J]. 價(jià)值工程, 2014(28): 328-329.

[4] 李北一. 闡述環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)的天氣分型多元性回歸模型的運(yùn)用[J]. 河南科技, 2015(21): 71.

[5] 尹文君, 張大偉, 嚴(yán)京海, 等. 基于深度學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)空氣污染預(yù)報(bào)[J]. 中國(guó)環(huán)境管理, 2015(6): 46-52.

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[7] 陸成偉, 周來東, 鄧 也, 等. 基于Models-3的自修正空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其效果檢驗(yàn)[J]. 中國(guó)環(huán)境管理， 2016(2): 102-109.

DeterminationanddataanalysisofhazeinBeijing-Tianjin-Hebeiregion

LI Hong-liang, PEI Hui-li

(Key Laboratory of Machine Learning and Computational Intelligence, School of Mathematics and Information Science, Hebei University, Baoding 071002, China)

By analyzing data of the Hebei area daily air quality, this paper found that the average daily air quality in Hebei is significantly higher than the average level of observation period from September 12, 2016 to September 17, 2016, and the value is up to the level of the light pollution. By recording air quality index data during 168 hours of Beijing-Tianjin-Hebei region from 0 September 12, 2016 to 23 September 18, 2016, the cause of the haze and the influence between regional air quality indexes were analyzed,.

Beijing-Tianjin-Hebei region; AQI; haze; PM2.5;PM10

2006-10-10.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61572011)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F2016201161)；河北省教育廳青年基金(QN2014039)；河北大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(2010-186)

李洪亮(1981-)，男，博士，講師，研究方向：模糊分析理論.

X51

A

1672-0946(2017)05-0637-04