【摘要】：交叉口已成為城市空氣污染的重災(zāi)區(qū),通勤人群因頻繁穿行或逗留于交叉口而面臨著高污染暴露風(fēng)險。與交通緊密相關(guān)的細(xì)顆粒物(PM_(2.5))和黑碳(BC)對人體健康的危害尤為嚴(yán)重,然而其在交叉口微環(huán)境的分布特征卻不清楚且國內(nèi)鮮有報道。本文以上海近郊繁忙交叉口為對象,通過定點(diǎn)和移動相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗,對交叉口及周邊區(qū)域PM_(2.5)和BC濃度的時空分布及其與局部交通、氣象、土地利用、典型道路等因素的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并提出了交叉口空氣污染短時變化的統(tǒng)計預(yù)測模型,旨在為城市交叉口空氣污染暴露評估、交通減排和路邊規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。本文的創(chuàng)新性工作和主要研究成果如下:首先,系統(tǒng)評估了幾款流行的便攜式污染物檢測儀的測量準(zhǔn)確性和可靠性,為城市空氣污染觀測提供新手段。上海市5個戶外監(jiān)測站40天的設(shè)備比對實(shí)驗表明,便攜設(shè)備具有較高的測量精度和穩(wěn)定性,與標(biāo)準(zhǔn)參照設(shè)備呈現(xiàn)強(qiáng)的測量相關(guān)性。變化的測量環(huán)境和設(shè)備配置一定程度上造成了便攜設(shè)備相對于標(biāo)準(zhǔn)參照設(shè)備的測量偏差,為此研究提出了基于影響因素修正的便攜設(shè)備相對于標(biāo)準(zhǔn)參照設(shè)備的經(jīng)驗校準(zhǔn)方法,并對其進(jìn)行了有效性驗證。其次,建立了研究交叉口PM_(2.5)和BC濃度的多時間尺度變化的三點(diǎn)同步觀測方法,并采用雙變量極坐標(biāo)圖法解析了局部交通對路邊PM_(2.5)和BC濃度的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明,三個采樣點(diǎn)代表了路邊、擴(kuò)散和背景位置,各采樣點(diǎn)的PM_(2.5)或BC濃度與交叉口車流量趨于正向同步變化,路邊BC更明顯。冬春兩季路邊PM_(2.5)的平均濃度分別高出背景9.7μg/m~3(8.9%)、4.5μg/m~3(8.6%),BC則為4.1μg/m~3(69.5%)、2.9μg/m~3(96.7%)。與季節(jié)平均相比,外部高污染主導(dǎo)時路邊較背景的PM_(2.5)和BC濃度增幅顯著下降,局部交通影響突出時路邊較背景的PM_(2.5)濃度增幅變化不大而BC略有增長。通過構(gòu)建交叉口PM_(2.5)或BC濃度與氣象、交通因素之間的廣義可加模型發(fā)現(xiàn),背景是決定PM_(2.5)和BC濃度變化的首要因素,其次是氣壓和太陽輻射。氣壓影響大氣穩(wěn)定度而決定顆粒物擴(kuò)散,太陽輻射影響光化學(xué)反應(yīng)而決定顆粒物生消。氣溫、相對濕度和露點(diǎn)溫度對PM_(2.5)和BC濃度的變化存在一定的促進(jìn)或抑制作用但會受季節(jié)變化的影響。BC始終對測量位置上風(fēng)向的交通變化敏感,而PM_(2.5)受西向來風(fēng)驅(qū)動的外部污染影響大。機(jī)動車車輛數(shù)對交叉口PM_(2.5)和BC濃度變化的影響趨弱,僅柴油車車輛數(shù)對春季路邊BC濃度變化的貢獻(xiàn)略微顯著。再者,建立了交通污染移動觀測方法,以此揭示交叉口區(qū)域PM_(2.5)和BC濃度的空間分布對不同微環(huán)境的響應(yīng)特征。結(jié)果表明:(1)一天中PM_(2.5)和BC的空間平均濃度由高到低為清晨、上午、下午和中午,濕度大且風(fēng)速小造成清晨主干路附近高濃度集聚,交通狀態(tài)和路邊環(huán)境共同決定其它時段PM_(2.5)和BC的空間變化。無主導(dǎo)風(fēng)向時PM_(2.5)和BC平均濃度高出有主導(dǎo)風(fēng)向時的50~70%,BC分布受風(fēng)向的影響弱于PM_(2.5),PM_(2.5)對路段下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散條件更敏感而BC對交通變化較敏感。超細(xì)顆粒物(PM_(1.0))具有與PM_(2.5)相似的時空特征,但對交通的敏感性更強(qiáng)。(2)繁忙交叉口或主干路PM_(2.5)、PM_(1.0)和BC的中位數(shù)濃度明顯高于其它微環(huán)境,可高出濃度最低的校園2.8、2.5和16倍,生產(chǎn)生活區(qū)域的PM_(2.5)和PM_(1.0)水平異常突出。交通繁忙和路邊擴(kuò)散條件差決定了通勤空間的高污染特征,自行車道與機(jī)動車道的不合理間距增加了路邊暴露的風(fēng)險。(3)高速路交通排放的最大影響范圍為350 m,高速路兩側(cè)的顆粒物濃度梯度表現(xiàn)為空曠側(cè)強(qiáng)于建筑密集和局部交通繁忙側(cè)、下風(fēng)向側(cè)強(qiáng)于上風(fēng)向側(cè),低風(fēng)速抬升高速路兩側(cè)的顆粒物濃度并造成顯著且相似的梯度特征。與PM_(2.5)和PM_(1.0)相比,高速路兩側(cè)BC濃度的空間梯度更穩(wěn)定且300 m后降幅達(dá)70%以上。典型主干路下風(fēng)向相鄰街道的BC濃度梯度受街道的路邊結(jié)構(gòu)及局部交通的影響弱于PM_(2.5)。最后,提出了遺傳算法優(yōu)化的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成模型(GAWNN),克服了經(jīng)典的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)訓(xùn)練效率低、泛化能力弱等問題,為城市交叉口空氣污染的短時變化預(yù)測提供了新方法。基于交叉口PM_(2.5)和一氧化碳(CO)的5-min濃度樣本進(jìn)行模型評估得知,無論從模型訓(xùn)練或?qū)Σ煌蓸狱c(diǎn)、交通時段和變化的仿真區(qū)的預(yù)測,GAWNN均呈現(xiàn)優(yōu)于BPNN的表現(xiàn),大大增強(qiáng)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測空氣污染的效率和實(shí)用性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X513
【圖文】：

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第二章 便攜式污染物檢測儀評估與校準(zhǔn)2.1 便攜式污染物檢測儀簡介針對顆粒物，采用 TSISidePak AM510 檢測儀記錄其質(zhì)量濃度(圖 2-1(a))。如表2-1 所示，該便攜設(shè)備是基于光散射原理的激光光度計，內(nèi)置主動采樣泵及流量器(流率為 1.7 L/min)由微型電池供電操作。SidePak 檢測儀自帶三種粒徑的顆粒物采樣器，分別測量 PM10、PM2.5和 PM1.0，測量范圍為 0.001~20mg/m3(最小分辨率為 0.001mg/m以 1s~1hr 的可調(diào)間隔進(jìn)行連續(xù)測量，最終按預(yù)設(shè)的測量間隔自動求算并存儲測量樣本的質(zhì)量濃度均值。為保證 SidePak 檢測儀測量的準(zhǔn)確性，每次實(shí)驗開始時，對設(shè)備進(jìn)行零氣校準(zhǔn)，以確保設(shè)備低濃度下的測量精度。另外，定期采用 TSI Model 4146 流量計(圖 2-1(b))對 SidePak 檢測儀進(jìn)行流量校準(zhǔn)，該流量計具有±2%的流率校準(zhǔn)精度，完全滿足對 SidePak 檢測儀工作所需 1.7 L/min 的流率要求進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定。

microAethModelAE51黑碳檢測儀Fig.2-2microAethModelAE51BCdetector

本文編號：2740333