Измерения, полученные с помощью датчика непрерывного светорассеяния AV, сравнивались с данными эталонного BAM, рассчитанными посольством США и правительством Китая в период с 1 июня по 30 июня 2015 года. Целью данного исследования было проанализировать точность и прецизионность датчика AV при измерении массовой концентрации взвешенных в воздухе частиц с аэродинамическим диаметром менее 2,5 микрометра (мкм). Измерения PM2.5, выполненные датчиком AV и датчиком BAM, оказались хорошо коррелирующими, с ежедневной и ежечасной эффективностью корреляции 0,96 и 0,83 соответственно. Таким образом, AV и BAM подходят для использования в непрерывном мониторинге PM 2.5 в режиме реального времени.

Все приборы работали в районе Чаоян, Пекин. Данные с BAM были измерены в посольстве Соединенных Штатов, которое находится по адресу 55 Anjialou Road. Расстояние от АВ до датчика посольства США составляет примерно 0,5 км. Детектор AV был расположен на балконе высотой 20 м, выходящем на жилой район, чтобы на данные, собираемые датчиком, не влияло автомобильное загрязнение.

Мониторинг проводился с 1 июня (18:00) по 30 июня 2015 года (15:00), общий период измерений составил 30 дней. Мониторинг концентрации PM2.5 проводился в течение июня из-за высокой вариативности концентрации PM2.5 и разницы в уровнях влажности.

Количественный метод сравнения данных был использован для получения визуального представления о точности данных с помощью графика временного ряда, как показано на рисунках 1 и 2. Средняя концентрация PM2.5 была рассчитана на основе данных, зарегистрированных каждый час. Концентрация PM2.5, зарегистрированная обоими приборами, немного отличалась. Это объясняется различием методов обнаружения в обоих приборах, так как в AV используется рассеяние света, а в BAM - рассеяние бета-лучей. Кроме того, время отклика AV и BAM отличается: AV был настроен на регистрацию концентрации каждые одну секунду, в то время как BAM записывает данные ежечасно.

Всего было получено 694 точки данных. Хотя средняя массовая концентрация PM2.5 распределялась в диапазоне от 0 до 250 мкг/м3, для АВ и БАМ наблюдается схожая тенденция изменения концентрации.

Рисунок 1: Временной ряд среднечасовых значений PM2.5 с использованием AV и BAM (посольство США)
.

Рисунок 2: Временной ряд среднечасовых значений PM2.5 с использованием AV и BAM (правительство Китая, центр сельскохозяйственной выставки)

Для сравнения концентраций из АВ и БАМ использовались два статистических анализа. Первое - сравнить часовую разницу между двумя приборами как в абсолютной концентрации, так и в процентах, и второе - сравнить AV с BAM с помощью линейного регрессионного анализа.

Относительную разницу можно рассчитать, разделив абсолютную разницу и значение концентрации, полученное в посольстве США. При сравнении среднесуточных измерений из посольства США и датчика AV разница в процентах составила 13,9%, что указывает на отличную корреляцию, поскольку средняя погрешность светорассеивающего устройства оценивается примерно в 30-40%, согласно (Molenar, n.d.). Относительные различия обусловлены естественной изменчивостью параметров аэрозоля PM2.5 и эффективностью рассеяния датчика AV. Пространственная разница - это дополнительный вклад в разницу между измерениями. (См. факторы, влияющие на измерения PM2.5)

В то время как часовая относительная разница между AV и BAM составляет 16,1%. Более высокая точность может быть достигнута, если пренебречь выбросами, особенно при очень низких уровнях концентрации (<8 мкг/м3). Чем ниже уровень концентрации, тем выше неопределенность.

Цель линейного регрессионного анализа - изучить взаимосвязь между соответствующими измерениями AV и BAM в диапазоне концентраций. Процедура регрессии определяет "лучшую" прямую линию для описания взаимосвязи, а коэффициент регрессии объясняет корреляцию данных. На рисунке X показано сравнение диаграммы регрессии.

Средний коэффициент квадрата корреляции (r2) среднесуточных измерений между AV и BAM составил 0,959. Наклон составил 0,9067, а средний перехват - 4,6644. Согласие между ежедневными измерениями очень хорошее, так как наклон близок к 1, а r2 превышает 0,9.

Однако по результатам почасовых измерений наклон составляет примерно 0,822, а r2 - 0,83, согласно рисунку 4. Несмотря на то, что почасовые данные больше отклоняются от соотношения один к одному по сравнению с ежедневными измерениями, r2 0,83 указывает на сильную корреляцию между концентрациями AV и BAM.

Хотя корреляция между данными китайского правительства и AV показывает высокий уровень r2 со значением 0,93, данные больше отклоняются от линии соотношения "один к одному" с более низким наклоном (0,83) и более высоким интерсептом (9,54).

Рисунок 3. Линии линейной регрессии среднесуточных данных BAM посольства США в сравнении с данными AV

Рисунок 4. Линии линейной регрессии среднечасовых данных BAM посольства США против данных AV

Рисунок 5. Линии линейной регрессии среднесуточных данных китайского правительства против данных AV

Таблица 1. Сравнение рассеяния света частицами и рассеяния бета-лучей

Данное исследование и рисунки показывают, что калиброванное устройство для обнаружения светорассеяния, датчик Air Visual, полезно в качестве альтернативного инструмента для мониторинга уровня концентрации PM2.5. Несмотря на относительно низкую стоимость датчика Air Visual, результаты настоящего исследования свидетельствуют о том, что измерения Air Visual достаточно точны (R2=0,959) по сравнению с BAM, хотя на датчик Air Visual все еще могут влиять такие факторы, как изменения характеристик частиц.

Ссылка:

Джон В. Моленар. Теоретический анализ измерений массы PM2.5. Нефелометрия. Компания Air Resource Specialists, Inc.