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；张晓晞ZHANG Xiao-xi

（北京联合大学师范学院，北京 100011）

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

0 引言

PM2.5 的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。根据北京市的地形，又根据主要污染源的位置，按功能区进行划分为商业区、居民区、交通区、文化区，因为商业区与居民区在一起，所以把这两个区联系在一起考虑；交通区为交通要道、汽车站、火车站、道路交汇处；文化区为旅游地点，比如自然风景区。

主要是对朝阳奥体中心、西直门北大街和密云镇附近的PM2.5 进行检测分析。考虑人群活动密度，车辆密集度以及工业区排放等等因素，最终选中三个地点作为检测点：朝阳奥体中心、西直门北大街和密云镇。其中朝阳奥体中心来往的人比较多，属于人群密集地区。西直门北大街车辆流量比较大，属于交通重点地区。密云镇有山有水，属于自然风景区。本着在朝阳附近不同区均匀设立监测站的原则，东西南北各个方向都应有一个监测站，各类污染源附近也应有监测站，远离污染源的地方建立监测站，靠近居民的地方建立监测站，各功能区应有代表建立监测站，共建立6 个监测站，在每个监测点不同方位各做两个监测站。

1 数据分析

1.1 大气化学反应

除自然源和人为源之外，大气中的气态前体污染物会通过大气化学反应生成二次颗粒物，实现由气体到粒子的相态转换。如：

其中气态硫酸来自OH 自由基氧化二氧化硫SO2的气态反应。[2]盐的水合物：如xCl·yH2O、xNO3·yH2O、xSO4·yH2O，随着湿度的变化，水合物对PM2.5 的影响较大，水不仅与盐化合物生成水合物，由于湿度的改变还形成了盐的微小溶液液滴。

1.2 数据采集

北京市虽然有对PM2.5 浓度的监测，但是只有当天的数据，没有历史的监测的数据，数据量很少；而且市级市只显示平均浓度，对朝阳区、西直门和密云的的浓度，监测数据如图1，2，3 所示。

站点：朝阳奥体中心。（图1）

站点：西直门北大街。（图2）

站点：密云镇。（图3）

图1 朝阳奥体中心PM2.5 浓度的监测

图2 西直门北大街PM2.5 浓度的监测图

图3 密云镇PM2.5 浓度的监测图

1.3 数据分析

将数据作归一化处理：

xmax为朝阳奥体中心、西直门北大街和密云镇PM2.5浓度的最大值，xmin为朝阳奥体中心、西直门北大街和密云镇PM2.5 浓度的最小值。

故xmax=453，xmin=48。

表1 朝阳奥体中心PM2.5 浓度归一化处理数据

设x1，x2，…，xn∈[0，1]为各天的PM2.5 浓度，1 表示很强，0 表示很弱，其余类推。用下面公式计算各地区PM2.5浓度的模糊熵：

其中S（x）=-xlnx-（1-x）ln（1-x）亦即申农（C.E.Shanon）函数。模糊熵是度量空气质量的工具，模糊熵愈小，说明该地区的空气质量愈好，以此来确定各地区的优劣次序。

由（1）式可得表2 和表3。

表2 西直门北大街PM2.5 浓度归一化处理数据

表3 密云镇PM2.5 浓度归一化处理数据

由（2）式可得H2（x1，x2，…，xn）=0.720

同理，由（2）式可得H3（x1，x2，…，xn）=0.566

综上可见：

2 结果讨论

从以上分析结果可见，西直门北大街PM2.5 的浓度最高，其次是朝阳奥体中心，再次是密云镇。现实生活中PM2.5 的浓度和很多因素有关，人为来源包括：道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气。自然来源包括：风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、真菌孢子、细菌等。而这次主要研究的方向是人为来源与之的关系，因此主要考虑的因素有：交通密集度和人员密集度。其中朝阳奥体中心来往的人比较多，属于人群密集地区。西直门北大街车辆流量比较大，属于交通重点地区。密云镇有山有水，属于自然风景区。在选择测量地点的时候考虑了人群活动密度，车辆密集度以及工业区排放等方面，经过比较之后选中了以上三个地点，由此可知郊区、人群活动少的地点PM2.5 较小，反之车辆密集处，人群流量较高的地点PM2.5 也相对更高。

3 结论

根据已有数据可以看出：北京大气PM2.5 污染严重，已对人体健康和经济社会发展造成严重威胁，同时对大气能见度和气候也产生了重要影响。细颗粒物不仅会对居民健康和城市能见度带来负面影响，同时也会对湖泊、森林等生态系统造成危害，导致水体富营养化，影响水体质量，甚至还会造成全球大气污染，为平流层臭氧损耗提供反应表面并催化，影响地球辐射平衡，我们应该尽量绿色出行，减少车辆尾气的污染。

[1]杨新兴，冯丽华，尉鹏.大气颗粒物PM2.5 及其危害[J].前沿科学，2012（03）.

[2]王波，袁涛.霾天气的危害和防御[J].今日科苑，2008（17）.

[3]向阳.大气环境健康[J].百度知识，2005（23）.

[4]王冰，张承中.大气可吸入颗粒物PM2.5 研究进展[J].中国科技信息，2009（08）.

[5]贺仲雄.模糊数学及其应用[M].天津：天津科学技术出版社，1983.