改进灰狼算法优化GBDT在PM_(2.5)预测中的应用

针对灰狼算法易陷入局部最优解和全局搜索能力不足的问题,通过霍尔顿序列(Halton Sequence)搜索算法初始化狼群位置,避免灰狼算法陷入局部最优解和重复运算;引入莱维飞行和随机游动策略对灰狼算法的寻优过程进行优化,以增加算法的全局搜索能力;利用粒子群算法模拟灰狼种群得出的最佳适应度以用于惩罚项改进灰狼算法中的头狼更新策略。使用改进算法优化的梯度提升树(Gradient Boosting Decision Trees,GBDT)模型对北京市大气污染物监测数据中PM_(2.5)质量浓度进行预测,采用3种评估函数对各模型以及混合模型预测效果得分进行评估。结果显示,本文改进的灰狼算法对梯度提升树的优化效果优于其他算法,均方根误差E RMS为6.65μg/m^(3),平均绝对值误差E MA为3.20μg/m^(3),拟合优度(R^(2))为99%,比传统灰狼算法优化结果的均方根误差减少了19.19μg/m^(3),平均绝对值误差降低了10.03μg/m^(3),拟合优度增加了9百分点;与霍尔顿序列和莱维飞行改进的(Levy Flight-Halton Sequence,LHGWO)相比,改进的灰狼算法预测得分的均方根误差降低了10.39μg/m^(3),平均绝对值误差减小了6.71μg/m^(3),拟合优度提高了5百分点。研究表明了预测模型优化的有效性,为未来城市改善空气质量提供了科学依据和技术支持。

搅拌子吸附-热脱附-气相色谱-质谱法分析北京大气中33种多氯联苯

用包覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)吸附层的搅拌子作被动大气采样器,建立了搅拌子吸附-热脱附-气相色谱-质谱法(SBSE-TD-GC-MS)分析大气中多氯联苯(PCBs)的方法。优化后的热脱附温度为280℃,热脱附时间为6 min,聚焦冷阱的温度为-40℃,33种PCB单体的热脱附残留比例低于7%。验证了方法的线性、精密度和重复性。标准曲线5个点线性关系良好,33种PCB单体的相关系数r>0.998。方法精密度验证的相对标准偏差(RSD)为0.79%~20.2%(n=8),日内重复性实验的RSD为0.43%~29.8%(n=10),日间重复性实验的RSD为3.20%~29.6%(n=20),方法检出限(LOD)为0.01~2.51 pg,回收率为98%±18%。将建立的方法用于北京大气中PCBs的分析。检出8种PCB单体,质量为2.94~129 pg。在32 d的采样周期内PCB-52、PCB-123、PCB-155一直处于线性吸附阶段,而PCB-1和PCB-3经过了线性吸附阶段、曲线吸附阶段和平衡阶段。研究结果表明,SBSE-TD-GC-MS可以用于大气中PCBs的样品采集和快速分析。

南极菲尔德斯半岛(Fildes Peninsula)和阿德利岛(Ardley Island)大气中六溴环十二烷(HBCDs)的分析

在2009—2010年南半球夏季,用大流量采样器(high-volume air sampler,HVAS)和聚胺酯泡沫(polyurethane foam,PUF)被动采样器采集了南极菲尔德斯半岛和阿德利岛6个点的大气样品,分析了HBCDs的浓度水平、异构体组成、气相-颗粒相分配和空间分布趋势.主动和被动采集大气样品中ΣHBCDs浓度(α-HBCD、β-HBCD、γ-HBCD的浓度)范围分别为n.d.(未检出)—2.73 pg·m^(−3)和0.41—3.39 pg·m^(−3),与北极和偏远地区浓度水平一致,远低于城市和工业区的污染水平.HBCDs在主动采集的颗粒相和气相中的平均比例分别为67%和33%,颗粒相以α-HBCD(57%)为主,气相以γ-HBCD(53%)为主;被动采集的PUF样品中γ-HBCD(64%)占优势.经过主动采样和被动采样的对比研究,对采样速率进行校正后,PUF被动采样器可以用于南极大气样品的采集.南极大气中HBCDs的检出,表明HBCDs具有持久性和潜在的长距离大气传输能力;南极长城站附近大气中HBCDs浓度水平略高,反映了有限的人类活动对南极环境产生了影响.

基于高通量监测数据的PMF源解析数据输入量研究

为探究数据输入量的变化对源解析结果的影响,以上海某工业区的大气重金属高通量监测数据为例,按不同数据量将监测数据分别输入至正定矩阵因子分解(Positive Matrix Factorization, PMF)模型中,通过考察模型中Q理论值(Qtheo)与Q计算值(Qtrue)的接近程度、源分类以及源贡献与研究区污染源分布特点的吻合情况,分析数据输入量对源解析结果的影响。结果显示:该区域大气重金属污染受工业生产主导(64.44%),其次是扬尘(19.60%)和交通运输(15.96%)。通过对数据量的考察,发现输入量为60~120时能够得出研究区域的污染源数量与贡献率,但考虑到测试成本、获取数据的时间,认为输入量为60~80时,也能得出合理的源解析结果。短期高通量的分钟级数据集,有益于PMF模型输出高精密度、高时效性的源解析结果,是解决应急污染监控的最佳手段。

机动车限行对西安市空气质量的影响及其模型分析

近年来,空气污染已成为限制西安城市人居环境质量提升的重要因素之一。当地政府采取了一系列的措施进行空气污染治理,其中机动车限行政策以其可实施性强、公共投入较少、简单易行等特点而最受青睐。在分析2016―2020年间西安市空气质量变化趋势的基础上,运用R语言针对相关影响因子(限行政策、平均风速、相对湿度和平均温度)与空气质量之间的关系建立了广义相加模型,并进行了拟合分析和相关性检验,结果表明机动车限行政策与西安市空气质量改善具有较明显的相关性。

基于便携式悬臂梁麦克风光声光谱仪测定温室气体的方法研究

介绍了一套基于便携式悬臂梁麦克风光声光谱监测大气环境温室气体浓度的高灵敏系统,采用脉冲红外光源通过窄带光学滤光片,形成中红外区的多个光谱波段,结合光学悬臂梁麦克风技术,具有超高灵敏度,可去除背景气体干扰,实现同时监测多种气体。通过对温室气体浓度的测量,验证了甲烷(CH_(4))的方法检出限为0.226×10^(-6),二氧化碳(CO_(2))的方法检出限为2.624×10^(-6),其余的温室气体检出限最低为四氟化碳(0.052×10^(-6)),最高为三氟化氮(0.164×10^(-6))。同时验证了长期重复性,CO_(2)的1倍标准偏差为0.405 5,最大漂移量为1.775 6×10^(-6);CH_(4)的1倍标准偏差为9.162 0,最大漂移量为36.261 1×10^(-9);该仪器对CO_(2)的最大示值偏差为-0.04×10^(-6),CH_(4)的最大示值偏差为1.48×10^(-9)。温室气体的相对标准偏差均<2%;CO_(2)和CH_(4)的平均响应时间均为2 min 40 s;CO_(2)和CH_(4)的决定系数(R~2)均>0.999 9,CO_(2)拟合残差在±0.05×10^(-6)以内,CH_(4)拟合残差在±1×10^(-6)以内。

环境空气PM_(2.5)中铵离子含量的两种检测方法比较

目的比较离子色谱法与流动注射分析法测定环境空气PM_(2.5)中铵离子含量。采集环境空气颗粒物PM_(2.5)的石英滤膜,各取1/4剪碎后经超纯水超声提取,离心过滤,分别用流动注射法和离子色谱法测定PM_(2.5)中铵离子的含量。结果离子色谱法测定NH_(4)^(+)在0.5~10.0 mg/L范围内拟合曲线为y=0.0710+0.2214x-0.0058x^(2),r=0.9997,检出限0.017μg/m^(3),定量限0.068μg/m^(3),回收率91.0%~96.6%,RSD 0.05%~0.08%(n=6);流动注射法测定NH_(4)^(+)在0.02~1.00 mg/L范围内线性关系良好,y=22.576x+0.1333,r=0.9999,检出限0.003μg/m^(3),定量限0.012μg/m^(3),加标回收率为105%~114%,RSD在0.54%~2.06%(n=6)之间。利用两种方法同时测定16份滤膜样本,测定结果差异无统计学意义(t=1.080,P>0.05)。结论两种方法均具有良好的线性关系、精密度及准确度,流动注射分析法与离子色谱法相比有检出限低,检测时间短等优势。

基于环境因素法和标准金属法的大气腐蚀性等级评价与分析

本文采用环境因素法和标准金属法对我国南海某地进行大气腐蚀性等级评价与分析,详细阐述了两种评价方法的分析过程,探讨了两种方法的特点,对比分析两种评价方法推测的结果。本文最后基于环境因素法和标准金属法测定结果定量评估了金属材料大气环境腐蚀性严酷程度,对评估某个地点的大气环境腐蚀性严酷程度,采取该地区使用产品采取相应防护措施具有重要意义。

“双碳”目标对温室气体监测技术有哪些新要求?

需要全方位、多层次的监测,现在的技术难以覆盖很大的生态系统和大气环境;高温度、高湿度、干扰气体等复杂情况对监测技术要求更高了中国工程院院士、环境监测技术专家刘文清:温室气体监测仪器在实现“双碳”目标过程中的扮演重要角色,因为没有好的监测数据,很难说明温室气体减排的效果,但实际上我们现在的需求和现状还有一些差距。首先,“双碳”工作要求全方位、多层次的监测,涵盖了从点到区域再到全球温室气体的排放状况。现在的监测技术仍然存在监测范围有限的问题,主要是用于固定源的监测,特别是一些工业的排放点和特定区域的集中式监测,很难覆盖很大的生态系统和大气环境。

基于贝叶斯网络理论的空气质量分析与预测

为科学构建空气质量监测体系,提升空气质量预测精度,基于海量监测数据的不确定性,提出了一种基于贝叶斯网络的方法来预测空气质量指数AQI及相应的等级。以合肥市为研究对象,首先利用朴素贝叶斯分类算法来预测空气质量等级,训练得到待验样本的分类准确率为85%,由于该算法的条件独立性假设过于严格,进一步引入贝叶斯网络模型实证研究,基于后验概率分布训练得到预测结果。仿真实验表明待验样本的AQI预测平均绝对百分比误差为6.89%,空气质量等级分类准确率为90.28%,说明贝叶斯网络具有良好的预测效果,能为空气质量预测预报提供技术支撑,助力城市空气质量改善。

一种基于K-means聚类算法的沙尘天气客观识别方法

鉴于以往基于污染物浓度时间序列进行分析的沙尘天气识别方法在判断标准上存在一定的主观性,本文提出一种基于K-means聚类算法的沙尘天气客观识别方法。本方法利用环境监测总站的PM2.5和PM10小时浓度资料进行聚类,首先选取最优的分类数目K进行聚类,其次对聚类结果中离散程度较高的类别进行再次聚类,直到无需分类。将本方法应用于西安市2018年2~4月沙尘天气的识别中,结果表明,本方法可有效识别主要沙尘天气。此外,利用本方法可得到沙尘天气典型特征:PM2.5占PM10浓度的比例小于43.5%、PM10浓度高于228μg/m^(3,)符合沙尘天气期间PM10浓度较高且以粗颗粒物为主的物理特征。总体上看,本方法物理基础清晰,可操行性强,适用于大规模数据处理,具有较好的实用价值和应用前景。

严寒地区混合垂直通风猪舍环境质量评价

为探究垂直通风系统(屋顶与粪坑混合排风)在寒区猪舍中的适应性,该研究在秋冬季节对内蒙古某规模化猪舍的热湿与空气质量环境进行了实时连续监测,并根据测试结果对猪舍环境质量进行评价。结果表明:1)测试期间,舍内平均温度、相对湿度以及氨气(NH_(3))、二氧化碳(CO_(2))、总悬浮颗粒物(total suspended particulate, TSP)浓度分别为22.7℃、59.6%、6.5 mg/m^(3)、2 200 mg/m^(3)、2 915μg/m^(3),舍内通风量为0.34~0.39 m^(3)/(h·kg),各环境指标基本满足生产环境阈值要求;保育期间舍内有效环境温度范围为27.1~30.7℃,存在轻度热应激情况,占总监测时间的12.9%;2)舍内温度、相对湿度与NH_(3)、CO_(2)、TSP浓度空间分布不均匀系数分别为0.01、0.15、0.45、0.03、0.15,各环境参数空间分布均较为均匀;3)试验单元(U1、U3)猪的平均日增质量、料重比与死淘率分别842和818 g/d、2.68和2.79、1.68%和1.31%,生产性能良好。综上,不设吊顶的侧墙进风,屋顶与粪坑混合排风的垂直通风系统,总体上能够满足严寒地区猪舍秋冬季热湿环境与空气质量调节需求,保证良好的生产性能。

漏缝地板下粪水贮存周期内猪舍空气环境的监测

[目的]研究漏缝地板下粪水贮存周期内猪舍空气环境,为猪健康生长和生产提供参考。[方法]选取1栋分娩猪舍,测定粪水贮存周期(21 d)内猪舍的空气环境指标。沿猪舍对角线方向均匀选5个测定点,粪水贮存周期内每3 d测1次,每次分别在6:00、11:00、13:00、18:00测定。[结果]猪舍粪水贮存周期内平均温度(26.08±1.45)℃,相对湿度(93.44±3.96)%,氨气质量浓度为(3.58±1.62)mg/m^(3),二氧化碳质量浓度为(1760.63±284.98)mg/m^(3)。第18天的温度、相对湿度、二氧化碳浓度最高,各指标基本与其他测定时间差异显著;第21天氨气浓度最高,与第3天、第6天差异显著;[结论]漏缝地板下粪水贮存周期内,温度略高,相对湿度过高,氨气浓度持续上升但未超过标准,二氧化碳浓度较高,应增加通风设备,改善猪舍空气环境。

祁连山北坡沙尘天气气溶胶特征的飞机观测

了解沙尘天气下气溶胶的垂直分布特征对于进一步认识气溶胶-云相互作用及其天气、气候效应至关重要。基于2023年9月6日沙尘天气下的飞机观测数据,分析祁连山北坡沙尘气溶胶的垂直分布特征。结果表明:此次沙尘天气是在高空锋区及地面冷高压的共同作用下形成。受沙尘天气影响,气溶胶粒径谱宽增宽;气溶胶数浓度较背景可上升约2~3倍,且气溶胶数浓度大值区呈悬垂状态分布,粒子数浓度大值层位于4000~4500 m和3000~4000 m高度;对沙尘气溶胶数浓度贡献最大的细粒子和粗粒子粒径分别为1.2~1.8μm和6.5~16.6μm,且气溶胶数浓度的增大在粗粒子段更为明显。气溶胶来源及输送层、以及气象要素垂直分布演变在气溶胶垂直分布及谱分布中发挥了重要作用。

热羽流与置换通风作用下油雾颗粒预测模型

高大空间机械厂房采用置换通风系统时,存在竖直方向油雾颗粒浓度分布不均匀的现象。这种现象会影响以降低室内颗粒浓度为目的的需求通风量。为了快速预测竖向油雾颗粒浓度分布,采用区域模型建模方法,考虑壁面流区、热羽流区和主流区等主要区域,基于质量平衡与能量平衡方程,建立了竖向油雾颗粒浓度分布预测模型;同时在实验舱内进行了实验验证,模型计算结果与实验结果趋势相符,最大相对误差不大于20%,表明该模型能够基本满足工程要求;以5种颗粒散发率工况为例进行节能分析,发现引入预测模型后计算得到的置换通风系统需求通风量可比传统变风量系统通风设计方法计算的减少18.83%~44.41%。该预测模型能较为准确地预测高大厂房中置换通风时竖向不同高度的油雾颗粒浓度,可应用于需要快速预测竖向颗粒平均浓度的场景。

基于MAX-DOAS观测的鹤山地区对流层甲醛廓线反演研究

甲醛(HCHO)是大气中一种十分重要的痕量气体,它不仅与人类健康和环境密切相关,还在对流层光化学反应中扮演着极其重要的角色。近年来,我国珠三角地区的秋季对流层臭氧及甲醛污染问题较为严重,而对流层甲醛也是分析边界层臭氧形成机理的关键性指标之一,因此,在珠三角地区开展甲醛观测实验具有十分重要的意义。利用多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演了鹤山超级站2019年9月20日至10月3日期间的氧气二聚体(O_(4))与HCHO的差分斜柱浓度(DSCD),使用几何近似法得到了甲醛的大气质量因子(AMF),进而获得了对流层甲醛的垂直柱浓度(VCD)。结果显示,观测期间的对流层甲醛VCD在4.99×10^(13)~6.48×10^(16)molec·cm^(-2)之间波动,平均值为2.18×10^(16)molec·cm^(-2)。将MAX-DOAS反演的对流层甲醛VCD与TROPOMI结果进行了对比,结果表明,MAX-DOAS与TROPOMI结果近乎一致,相关性系数R为0.80,但9月25日与28日的TROPOMI结果偏低了约25%,这可能是由于观测方式不同所导致的。此外,该研究还基于反演的O_(4)与甲醛DSCD,使用基于最优估计算法的海德堡大学廓线反演算法(HEIPRO)反演了观测期间的对流层气溶胶及甲醛廓线,结果表明,甲醛污染主要集中在近地面0~800 m内,观测期间的甲醛污染主要来源于当地的工业及机动车尾气排放。将MAX-DOAS技术反演的近地面甲醛结果与2,4-二硝基苯肼色谱技术测量结果进行了对比,结果表明,两种技术的近地面甲醛结果的一致性较高,均观测到了9月27至29日的近地面甲醛高值(峰值达到了14.31μg·m^(-3)),且相关性系数R为0.88,斜率为0.98,验证了MAX-DOAS技术反演的近地面甲醛结果的可靠性。MAX-DOAS技术可实现对流层甲醛VCD的实时监测,可作为验证星载观测结果的一种重要手段,结合最优估计算法,MAX-DOAS技术还可以实现对流层甲醛廓线的反演。

利用藓袋法监测广州市大气重金属沉降研究

工业生产和交通排放的增加导致了城市大气重金属污染,并威胁城市居民的健康。苔藓是常用的大气重金属污染指示植物之一,具有分布广、成本低、效果直观等优点。该研究利用藓袋法(泥炭藓)监测广州市大气重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的污染水平并评价其污染风险。结果表明:与暴露前泥炭藓的重金属含量相比,暴露后的Cd、Cu、Pb、Zn的几何平均值分别是其暴露前的1.2、2.3、1.4和2.3倍,而Cr元素在暴露期间稍微下降(0.9倍)。工业区的泥炭藓中Cd、Cu、Pb、Zn几何平均含量普遍较高;与风景区和居民区相比,商业区的Cu、Pb、Zn含量较高。聚类分析和主成分分析结果显示,工业活动和交通污染源是广州大气重金属污染的主要来源。利用污染因子法对4个功能区的泥炭藓样品的重金属污染情况进行评估,其中重金属污染程度为极高和高的监测点主要受工业生产及其重金属废弃物排放的影响(Cu、Pb、Zn);中度污染的监测点主要受到交通污染源影响(Cu、Zn);低污染的监测点都是远离工业排放源和交通源。该研究结果证明藓袋法(泥炭藓)在城市大气重金属污染监测中具有较高的适用性。

移动监测技术在大气环境研究中的应用

移动监测是把用于环境监测的设备安装在移动载体(汽车、自行车、无人机和船等)上,开展环境质量监测的技术。移动监测技术以其灵活、机动、及时等优势,近年来被广泛应用于大气环境监测中,但针对移动监测技术在大气环境研究中的应用场景及其存在的优缺点等缺少系统性研究。通过文献调研的方式对国内外移动监测技术在大气环境研究中的应用进行综述,重点讨论了监测设备及其搭载平台。将移动监测设备划分为传感器和大型设备2类,其中传感器以体积小、成本低等优势被大量应用在无人机、汽车等平台中。大型设备则包括监测仪和分析仪,但由于受到体积和成本的限制多被应用在飞机和船等面积较大的平台中。根据大气环境移动监测设备搭载的平台将其划分为车载移动监测、机载移动监测和船载移动监测三大类,其中车载移动监测主要用于环境质量监测、溯源分析和热点监测、汽车尾气排放监测及空气污染暴露监测等,机载移动监测主要用于环境空气质量监测、溯源分析和热点监测及大气污染物传输监测,船载移动监测主要用于海表大气组分、溯源分析和船舶尾气排放等研究。最后讨论了移动监测平台现有应用中存在的问题(例如覆盖率、续航、数据质量等),并对未来研究进行了展望。

“罐采样-实验室分析”测定环境空气中117种挥发性有机物要点分析

“罐采样-实验室分析”是当前测定环境空气中挥发性有机物的主流方法。结合已有资料,针对方法涉及的采样、样品运输与保存、分析测试等环节,考察了环境空气中挥发性有机物监测的主要影响因素。罐选择、清洁度、气密性、惰性化是样品保存的先决条件;采样流量控制器的气密性、流量校准等是保证监测准确的基本要素;温度变化对样品保存产生影响;标准气体的湿度、配置平衡时间、保存时间、配制准确性和内标气体的保存时间等会导致校准和溯源产生偏差。样品中的水分及二氧化碳是分析过程中影响监测结果准确性的干扰因素,实验室有机溶剂也会干扰分析的准确性。

川东地区天然气开采场站废气污染物的赋存特征和健康风险评估

针对天然气开采过程中的有/无组织废气排放,调研和分析川东地区16个天然气开采场站废气污染物的赋存特征,评估各场站检出的废气污染物对作业人员和周边群众的健康风险。结果表明:2020年13个单井井站气田水池无运转状态时检出的硫化氢、二氧化硫和氮氧化物的浓度范围分别为0.001~0.016、0.007~0.023、0.012~0.047 mg/m^(3),与2017—2019年连续3 a对JZZ井和TD71井检出的浓度相当,反映了川东气田近年来固定源排放废气浓度水平。硫化氢、二硫化碳和氨是无组织排放的主要恶臭气体,但排放浓度较低,均达到了《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)中限定的二级标准要求。健康风险评价结果显示,气田水池运转时,硫化氢和氮氧化物在气田水池和转水池处的非瘤症危害商(HQ)值均大于0.1,可能会对作业人员的健康产生风险;气田水池未运转时,硫化氢、二氧化硫和氮氧化物在除TD62外的其他井站气田水池处和居民处的HQ均低于0.1,基本不会对作业人员和居民的健康产生风险。