Les mesures recueillies à l'aide d'un capteur de diffusion de lumière continue, AV, ont été comparées aux mesures effectuées à l'aide des données BAM de référence, calculées par l'ambassade des États-Unis et le gouvernement chinois, entre le 1er juin et le 30 juin 2015. L'objectif de cette étude était d'analyser l'exactitude et la précision du capteur AV dans la mesure de la concentration de masse des particules en suspension dans l'air dont le diamètre aérodynamique est inférieur à 2,5 micromètres (µm). Les mesures de PM2.5 effectuées par le capteur AV et le capteur BAM se sont avérées bien corrélées, avec une efficacité de corrélation journalière et horaire de 0,96 et 0,83 respectivement. En tant que tels, AV et BAM sont corrects pour un déploiement dans le cadre de la surveillance continue en temps réel des PM 2,5.

Tous les instruments ont été utilisés dans le district de ChaoYang, à Pékin. Les données de BAM ont été mesurées à l'ambassade des États-Unis, située au 55 Anjialou Road. La distance entre l'AV et le capteur de l'ambassade américaine est d'environ 0,5 km. Le détecteur AV a été placé sur un balcon à 20 mètres de hauteur, face à une zone résidentielle, afin que les données recueillies par le capteur ne soient pas affectées par la pollution due au trafic automobile.

La surveillance a été effectuée du 1er juin (18h00) au 30 juin 2015 (15h00), soit une période de mesure totale de 30 jours. La concentration de PM2.5 a été surveillée au cours du mois de juin en raison de la forte variation de la concentration de PM2.5 et de la variation des niveaux d'humidité.

Une méthode quantitative de comparaison des données a été utilisée pour obtenir un sens visuel de la précision des données en utilisant un graphique de séries temporelles, comme le montrent les figures 1 et 2. La concentration moyenne de PM2.5 a été calculée à partir des données enregistrées toutes les heures. La concentration de PM2.5 enregistrée par les deux instruments était légèrement différente. Cela est dû à des méthodes de détection différentes entre les deux instruments, AV utilisant la diffusion de la lumière et BAM la diffusion des rayons bêta. En outre, le temps de réponse de l'AV et du BAM est différent : l'AV a été réglé pour enregistrer la concentration toutes les secondes, tandis que le BAM enregistre les données toutes les heures.

Au total, 694 points de données ont été saisis. Alors que la concentration moyenne en masse de PM2,5 était répartie entre 0 et 250µg/m3, une tendance similaire de concentration pour AV et BAM est montrée.

Figure 1 : Série temporelle de la moyenne horaire des PM2.5 en utilisant AV et BAM (Ambassade des Etats-Unis)
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Figure 2 : Série temporelle de la moyenne horaire des PM2,5 à l'aide d'AV et de BAM (gouvernement chinois, centre d'exposition agricole)

Deux analyses statistiques ont été utilisées pour comparer les concentrations d'AV et de BAM. La première consistait à comparer la différence horaire entre les deux instruments, à la fois en concentration absolue et en pourcentage, et la seconde à comparer l'AV au BAM à l'aide d'une analyse de régression linéaire.

La différence relative peut être calculée en divisant la différence absolue et la valeur de concentration de l'ambassade des États-Unis. En comparant la mesure quotidienne moyenne de l'ambassade américaine et le capteur AV, la différence en pourcentage s'est avérée être de 13,9 %, ce qui indique une excellente corrélation puisque l'erreur moyenne du dispositif de diffusion de la lumière est estimée à environ 30 % à 40 % selon (Molenar, n.d.). Les différences relatives sont dues à la variabilité naturelle des paramètres des aérosols PM2.5 et à l'efficacité de diffusion du capteur AV. La différence spatiale est une contribution supplémentaire à la différence entre les mesures. (Voir les facteurs qui influencent les mesures de PM2.5)

La différence relative horaire entre AV et BAM est de 16,1 %. Une plus grande précision peut être obtenue si l'on néglige les valeurs aberrantes, en particulier dans les niveaux de concentration très faibles (<8 µg/m3). Plus le niveau de concentration est faible, plus l'incertitude est élevée.

Le but de l'analyse de régression linéaire est d'explorer la relation entre les mesures correspondantes d'AV et de BAM dans une gamme de concentrations. La procédure de régression détermine la "meilleure" ligne droite disponible pour décrire la relation et le coefficient de régression explique la corrélation des données. La figure X montre une comparaison du diagramme de régression.

Le coefficient moyen de corrélation au carré (r2) des mesures quotidiennes moyennes entre AV et BAM est de 0,959. La pente était de 0,9067 et l'interception moyenne de 4,6644. La concordance entre les mesures quotidiennes est très bonne puisque la pente est proche de 1 et que r2 dépasse 0,9.

Cependant, sur la base des mesures horaires, la pente est d'environ 0,822 et r2 est de 0,83, selon la figure 4. Bien que les données horaires s'écartent davantage du ratio un sur un par rapport aux mesures quotidiennes, r2 de 0,83 indique une forte corrélation entre les concentrations d'AV et de BAM.

Si la corrélation entre les données du gouvernement chinois et celles d'AV présente un r2 élevé, avec une valeur de 0,93, les données s'écartent davantage d'une ligne de rapport univoque, avec une pente plus faible (0,83) et une ordonnée à l'origine plus élevée (9,54).

Figure 3. Lignes de régression linéaire de la moyenne quotidienne des données BAM des ambassades américaines par rapport aux données AV

Figure 4. Lignes de régression linéaire de la moyenne horaire des données BAM de l'ambassade des États-Unis par rapport aux données AV

Figure 5. Lignes de régression linéaire de la moyenne quotidienne des données du gouvernement chinois par rapport aux données AV

Tableau 1. Comparaison de la diffusion de la lumière des particules et de la diffusion des rayons bêta

Cette recherche et ces chiffres montrent que le dispositif de détection calibré par diffusion de la lumière, le capteur Air Visual, est utile en tant qu'instrument alternatif pour surveiller les niveaux de concentration de PM2,5. Malgré le coût relativement faible du capteur Air Visual, les résultats de la présente étude suggèrent que les mesures Air Visual sont raisonnablement précises, avec (R2=0,959) par rapport au BAM, bien que le capteur Air Visual puisse encore être influencé par des facteurs tels que les changements dans les caractéristiques des particules.

Référence :

John V. Molenar. Analyse théorique des mesures de masse des PM2.5 par. Néphélométrie. Air Resource Specialists, Inc.