Le misure raccolte con un sensore a diffusione di luce continua, AV, sono state confrontate con le misure effettuate con i dati BAM di riferimento, calcolati dall'ambasciata statunitense e dal governo cinese, tra il 1° giugno e il 30 giugno 2015. Lo scopo di questa indagine è stato quello di analizzare l'accuratezza e la precisione del sensore AV nel misurare la concentrazione di massa di particelle sospese nell'aria con un diametro aerodinamico inferiore a 2,5 micrometri (µm). Le misurazioni del PM2,5 effettuate dal sensore AV e dal sensore BAM sono risultate ben correlate, con un'efficienza di correlazione giornaliera e oraria di 0,96 e 0,83 rispettivamente. Per questo motivo, AV e BAM sono corretti per l'impiego nel monitoraggio continuo in tempo reale del PM 2,5.

Tutti gli strumenti sono stati utilizzati nel distretto di ChaoYang, a Pechino. I dati della BAM sono stati misurati presso l'ambasciata degli Stati Uniti, che si trova al 55 di Anjialou Road. La distanza tra l'AV e il sensore dell'ambasciata statunitense è di circa 0,5 km. Il rilevatore AV è stato posizionato su un balcone a 20 metri di altezza, di fronte a una zona residenziale, per garantire che i dati raccolti dal sensore non fossero influenzati dall'inquinamento del traffico automobilistico.

Il monitoraggio è stato condotto dal 1° giugno (ore 18:00) al 30 giugno 2015 (ore 15:00), per un periodo di misurazione totale di 30 giorni. La concentrazione di PM2,5 è stata monitorata nel mese di giugno a causa dell'elevata variazione della concentrazione di PM2,5 e della varietà dei livelli di umidità.

Un metodo quantitativo per confrontare i dati è stato utilizzato per ottenere un senso visivo della precisione dei dati utilizzando un diagramma delle serie temporali, come mostrato nelle Figure 1 e 2. La concentrazione media di PM2,5 è stata calcolata dai dati registrati ogni ora. La concentrazione di PM2,5 registrata da entrambi gli strumenti era leggermente diversa. Ciò è dovuto ai diversi metodi di rilevamento dei due strumenti, in quanto AV utilizza la diffusione della luce e BAM la diffusione dei raggi beta. Inoltre, il tempo di risposta di AV e BAM è diverso: AV è stato impostato per registrare la concentrazione ogni secondo, mentre BAM registra i dati ogni ora.

In totale sono stati acquisiti 694 punti dati. Mentre la concentrazione media di massa di PM2,5 è stata distribuita tra 0 e 250 µg/m3, si evidenzia un andamento simile della concentrazione per AV e BAM.

Figura 1: Serie temporale della media oraria del PM2,5 utilizzando AV e BAM (Ambasciata USA)
​

Figura 2: Serie temporale della media oraria del PM2,5 utilizzando AV e BAM (governo cinese, centro espositivo agricolo)

Sono state utilizzate due analisi statistiche per confrontare le concentrazioni di AV e BAM. Il primo è stato quello di confrontare la differenza oraria tra i due strumenti sia come concentrazione assoluta che come percentuale e il secondo è stato quello di confrontare AV e BAM utilizzando un'analisi di regressione lineare.

La differenza relativa può essere calcolata dividendo la differenza assoluta per il valore di concentrazione dell'ambasciata statunitense. Confrontando le misurazioni medie giornaliere dell'ambasciata statunitense e del sensore AV, la differenza percentuale è risultata del 13,9%, il che indica un'ottima correlazione, dato che l'errore medio del dispositivo di diffusione della luce è stimato tra il 30% e il 40% circa (Molenar, n.d.). Le differenze relative sono dovute alla variabilità naturale dei parametri dell'aerosol PM2,5 e all'efficienza di diffusione del sensore AV. La differenza spaziale è un contributo aggiuntivo alla differenza tra le misure. (Fare riferimento ai fattori che influenzano le misurazioni del PM2,5)

Mentre la differenza oraria relativa tra AV e BAM è del 16,1%. È possibile ottenere una maggiore accuratezza se si trascurano i valori anomali, in particolare nei livelli di concentrazione molto bassi (<8 µg/m3). Più basso è il livello di concentrazione, maggiore è l'incertezza.

Lo scopo dell'analisi di regressione lineare è quello di esplorare la relazione tra le misure corrispondenti di AV e BAM in un intervallo di concentrazioni. La procedura di regressione determina la "migliore" retta disponibile per descrivere la relazione e il coefficiente di regressione spiega la correlazione dei dati. La Figura X mostra un confronto del diagramma di regressione.

Il coefficiente medio di correlazione al quadrato (r2) delle misurazioni medie giornaliere tra AV e BAM è risultato pari a 0,959. La pendenza è stata di 0,9067 e l'intercettazione media di 4,6644. L'accordo tra le misurazioni giornaliere è molto buono, poiché la pendenza è prossima a 1 e l'r2 è superiore a 0,9.

Tuttavia, sulla base delle misurazioni orarie, la pendenza è di circa 0,822 e l'r2 è di 0,83, secondo la figura 4. Sebbene i dati orari si discostino maggiormente dal rapporto uno a uno rispetto alle misurazioni giornaliere, l'r2 di 0,83 indica una forte correlazione tra le concentrazioni di AV e BAM.

Mentre la correlazione tra i dati del governo cinese e AV mostra un elevato r2, con un valore di 0,93, i dati si discostano maggiormente da una linea di rapporto uno a uno, con una pendenza inferiore (0,83) e un'intercetta superiore (9,54).

Figura 3. Linee di regressione lineare dei dati BAM medi giornalieri delle ambasciate USA rispetto ai dati AV

Figura 4. Linee di regressione lineare della media oraria dei dati BAM dell'ambasciata USA rispetto ai dati AV

Figura 5. Linee di regressione lineare dei dati medi giornalieri del governo cinese rispetto ai dati AV

Tabella 1. Confronto tra la diffusione della luce delle particelle e la diffusione dei raggi beta

Questa ricerca e le figure illustrano che il dispositivo di rilevamento calibrato a diffusione della luce, il sensore Air Visual, è utile come strumento alternativo per il monitoraggio dei livelli di concentrazione di PM2,5. Nonostante il costo relativamente basso del sensore Air Visual, i risultati del presente studio suggeriscono che le misurazioni Air Visual sono ragionevolmente precise, con (R2=0,959) rispetto alla BAM, anche se il sensore Air Visual può ancora essere influenzato da fattori quali le variazioni delle caratteristiche delle particelle.

Riferimento:

John V. Molenar. Analisi teorica delle misure di massa di PM2.5 di. Nefelometria. Air Resource Specialists, Inc.