Die mit einem kontinuierlichen Streulichtsensor (AV) erfassten Messungen wurden mit den Messungen verglichen, die mit den von der US-Botschaft und der chinesischen Regierung berechneten BAM-Referenzdaten zwischen dem 1. Juni und dem 30. Juni 2015 durchgeführt wurden. Ziel dieser Untersuchung war es, die Genauigkeit und Präzision des AV-Sensors bei der Messung der Massenkonzentration von luftgetragenen Partikeln mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometer (µm) zu analysieren. Die PM2,5-Messungen des AV-Sensors und des BAM-Sensors korrelierten gut, mit einer täglichen und stündlichen Korrelationseffizienz von 0,96 bzw. 0,83. Daher sind AV und BAM für den Einsatz bei der kontinuierlichen Echtzeitüberwachung von PM 2,5 geeignet.

Alle Geräte wurden im Bezirk ChaoYang in Peking betrieben. Die Daten der BAM wurden in der Botschaft der Vereinigten Staaten gemessen, die sich in der 55 Anjialou Road befindet. Die Entfernung zwischen dem AV und dem Sensor der US-Botschaft beträgt etwa 0,5 km. Der AV-Detektor befand sich auf einem 20 m hohen Balkon in einem Wohngebiet, um sicherzustellen, dass die vom Sensor erfassten Daten nicht durch den Autoverkehr beeinträchtigt wurden.

Die Überwachung wurde vom 1. Juni (18:00 Uhr) bis zum 30. Juni 2015 (15:00 Uhr) durchgeführt, also insgesamt 30 Tage lang. Die PM2,5-Konzentration wurde im Juni überwacht, da die PM2,5-Konzentration stark schwankt und die Luftfeuchtigkeit sehr unterschiedlich ist.

Eine quantitative Methode zum Vergleich der Daten wurde verwendet, um ein visuelles Gefühl für die Genauigkeit der Daten zu bekommen, indem ein Zeitreihen-Diagramm verwendet wurde, wie in Abbildung 1 und 2 dargestellt. Die durchschnittliche PM2,5-Konzentration wurde anhand der stündlich aufgezeichneten Daten berechnet. Die PM2,5-Konzentration, die von den beiden Geräten gemessen wurde, war leicht unterschiedlich. Dies ist auf die unterschiedlichen Nachweismethoden der beiden Instrumente zurückzuführen, da AV die Lichtstreuung und die BAM die Betastrahlenstreuung verwendet. Außerdem ist die Reaktionszeit von AV und BAM unterschiedlich, wobei AV so eingestellt wurde, dass die Konzentration alle eine Sekunde aufgezeichnet wird, während BAM die Daten stündlich aufzeichnet.

Insgesamt wurden 694 Datenpunkte aufgezeichnet. Während die durchschnittliche PM2,5-Massenkonzentration zwischen 0 und 250 µg/m3 verteilt war, zeigt sich für AV und BAM ein ähnlicher Konzentrationstrend.

Abbildung 1: Zeitreihen des stündlichen PM2,5-Durchschnitts unter Verwendung von AV und BAM (US-Botschaft)
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Abbildung 2: Zeitreihen des stündlichen PM2,5-Durchschnitts unter Verwendung von AV und BAM (chinesische Regierung, landwirtschaftliches Ausstellungszentrum)

Zum Vergleich der Konzentrationen von AV und BAM wurden zwei statistische Analysen durchgeführt. Zum einen wurde die stündliche Differenz zwischen den beiden Instrumenten sowohl als absolute Konzentration als auch als Prozentsatz verglichen, zum anderen wurde AV mit BAM anhand einer linearen Regressionsanalyse verglichen.

Die relative Differenz kann berechnet werden, indem die absolute Differenz und der Konzentrationswert aus der US-Botschaft geteilt werden. Beim Vergleich der durchschnittlichen täglichen Messungen der US-Botschaft und des AV-Sensors wurde eine prozentuale Differenz von 13,9 % festgestellt, was auf eine ausgezeichnete Korrelation hindeutet, da der durchschnittliche Fehler des Lichtstreuungsgeräts laut (Molenar, n.d.) auf etwa 30 bis 40 % geschätzt wird. Die relativen Unterschiede sind auf die natürliche Variabilität der PM2.5-Aerosolparameter und die Streuungseffizienz des AV-Sensors zurückzuführen. Der räumliche Unterschied ist ein zusätzlicher Beitrag zum Unterschied zwischen den Messungen. (Siehe Faktoren, die PM2.5-Messungen beeinflussen)

Die stündliche relative Differenz zwischen AV und BAM liegt bei 16,1 %. Eine höhere Genauigkeit kann erreicht werden, wenn man Ausreißer vernachlässigt, insbesondere bei sehr niedrigen Konzentrationen (<8 µg/m3). Je niedriger die Konzentration ist, desto größer ist die Unsicherheit.

Der Zweck der linearen Regressionsanalyse besteht darin, die Beziehung zwischen den entsprechenden Messungen von AV und BAM über einen Bereich von Konzentrationen zu untersuchen. Das Regressionsverfahren ermittelt die "beste" verfügbare Gerade zur Beschreibung der Beziehung, und der Regressionskoeffizient erklärt die Korrelation der Daten. Abbildung X zeigt einen Vergleich des Regressionsdiagramms.

Der durchschnittliche quadratische Korrelationskoeffizient (r2) der durchschnittlichen täglichen Messungen zwischen AV und BAM wurde mit 0,959 ermittelt. Die Steigung betrug 0,9067 und die durchschnittliche Abfangrate 4,6644. Die Übereinstimmung zwischen den täglichen Messungen ist sehr gut, da die Steigung nahe bei 1 liegt und r2 mehr als 0,9 beträgt.

Auf der Grundlage der stündlichen Messungen liegt die Steigung jedoch bei etwa 0,822 und r2 bei 0,83, wie aus Abbildung 4 hervorgeht. Obwohl die stündlichen Daten im Vergleich zu den täglichen Messungen stärker vom Eins-zu-eins-Verhältnis abweichen, zeigt r2 von 0,83 eine starke Korrelation zwischen den Konzentrationen von AV und BAM.

Während die Korrelation zwischen den Daten der chinesischen Regierung und AV mit einem Wert von 0,93 einen hohen r2-Wert aufweist, weichen die Daten mit einer geringeren Steigung (0,83) und einem höheren Achsenabschnitt (9,54) stärker von einer Eins-zu-eins-Verhältnislinie ab.

Abbildung 3. Lineare Regressionslinien der durchschnittlichen täglichen BAM-Daten der US-Botschaft gegenüber den AV-Daten

Abbildung 4. Lineare Regressionslinien der durchschnittlichen stündlichen BAM-Daten der US-Botschaft im Vergleich zu den AV-Daten

Abbildung 5. Lineare Regressionslinien der durchschnittlichen täglichen chinesischen Regierungsdaten gegenüber den AV-Daten

Tabelle 1. Vergleich der Teilchenlichtstreuung und der Betastrahlenstreuung

Diese Untersuchung und die Abbildungen zeigen, dass das kalibrierte Lichtstreuungsdetektionsgerät, der Air Visual Sensor, als alternatives Instrument zur Überwachung der PM2,5-Konzentration nützlich ist. Trotz der relativ geringen Kosten des Air-Visual-Sensors deuten die Ergebnisse der vorliegenden Studie darauf hin, dass die Air-Visual-Messungen im Vergleich zur BAM relativ genau sind (R2=0,959), auch wenn der Air-Visual-Sensor noch durch Faktoren wie Veränderungen der Partikeleigenschaften beeinflusst werden kann.

Referenz:

John V. Molenar. Theoretische Analyse von PM2.5-Massenmessungen durch. Nephelometrie. Air Resource Specialists, Inc.