Mobilny system monitorowania samochodów jako narzędzie uzupełniające monitorowanie jakości powietrza w środowisku miejskim i wiejskim: studium przypadku z Polski

Obszar studiów

Jakość otaczającego powietrza (PM₁₀ stężenie) badano podczas sześciu mobilnych akcji poboru próbek przeprowadzonych w miesiącach zimowych od grudnia 2021 r. do marca 2022 r. w miejscowościach wiejskich wokół Krakowa, tj. Węgrzcach, Przybysławicach, Niepołomicach i Libertowie. Każda trasa próbkowania rozpoczynała się i kończyła w tym samym miejscu w pobliżu Wydziału Fizyki AGH w Krakowie. Wszystkie mobilne trasy pomiarowe (tzw. transekty) zaplanowano w pobliżu państwowych stacji monitoringu środowiska (PEM), które są stacjonarnymi, stałymi stacjami referencyjnymi będącymi własnością Głównego Inspektora Ochrony Środowiska. Łączny dystans przebyty wszystkimi kampaniami pomiarowymi wyniósł obszar 653 km. Na rycinie 1 przedstawiono obszar badań wraz z granicami administracyjnymi Krakowa oraz stacjami Państwowej Sieci Monitoringu Środowiska (PMŚ).

Obszar badań obejmujący stacje referencyjne Państwowej Sieci Monitoringu Środowiska (PŚM), oznaczony czerwonymi kropkami.

Metody

Wykorzystaną w badaniach mobilną jednostką monitoringu powietrza był DustTrak II Aerosol Monitor 8530, który został wyposażony w następujące moduły: moduł transmisji i rejestracji danych, antenę GPS z mocowaniem magnetycznym, moduł klimatyzacji przedpomiarowej oraz moduł zasilania. moduł umożliwiający zasilanie urządzenie zasilane napięciem 12 V lub 220 V. Moduł klimatyzacyjny składał się z rurki ze stali nierdzewnej, która podgrzewała powietrze pomiarowe do temperatury powyżej 100°C, aby zapobiec tworzeniu się kropel wody. Szczegóły schematu mobilnej stacji monitorującej przedstawiono na rys. 2.

Schemat mobilnej stacji monitorowania powietrza (A) Lokalizacja wlotu powietrza i modułu GPS (na zewnątrz pojazdu, przez szybę pasażera) (B) płyta (C) pokazuje rozmieszczenie instrumentów.

Wykorzystana w badaniach mobilna stacja monitoringu jest własnością Krakowskiego Stowarzyszenia Alarmu Smogowego (akronim KAS) i została wypożyczona na potrzeby niniejszego badania in situ.

Zawieszone cząstki pyłu PM₁₀ rejestrowane były przez urządzenia pomiarowe z częstotliwością 3 Hz, odpowiadającą częstotliwości opisanej przez Bartyzela i in. proponowana metodologia pomiaru.²⁶. Stacja znajdowała się na siedzeniu pasażera, moduł GPS oraz wejście umieszczono na zewnątrz samochodu przez szybę pasażera. Zasilanie dostarczane było poprzez odpowiednią przetwornicę umieszczoną na gnieździe zapalniczki.

Pomiary prowadzono w nocy pomiędzy godziną 20:00 a 2:00 w nocy, kiedy warstwa przyścienna jest najcieńsza ze względu na inwersję i panują w związku z tym stabilne warunki meteorologiczne. Brak intensywnego ruchu samochodowego o tej porze dnia umożliwia powiązanie poszczególnych hotspotów z lokalnymi źródłami zanieczyszczeń pyłowych (tzw. „niską emisją”, emitowanych z emiterów o wysokości do 40 m, głównie z kotłów domowych). Prędkość samochodu nie przekraczała 40 km/h.

W tabeli 1 przedstawiono protokół ruchomych tras pomiarowych (transektów) z uwzględnieniem parametrów meteorologicznych podczas 6 kampanii poboru próbek. Długość pojedynczej mobilnej trasy pomiarowej wynosiła ok. 50-170 km, pomiary trwały ok. 2-5 h, średnia prędkość samochodu ok. 35 km/h. Parametry meteorologiczne podane w tabeli 1 zostały wyznaczone ze stacji lotniska Kraków-Balice, położonej w północno-wschodniej części Krakowa.

Kalibracja systemu i walidacja uzyskanych wyników

Mobilna stacja monitorująca została skalibrowana ze stacjonarnymi stacjami referencyjnymi (SEM) przed przeprowadzeniem naszych badań in situ w celu uzyskania wysokiej jakości wyników. Dodatkowo wykonano dodatkową kalibrację in situ zgodnie z zaleceniami producenta w celu dostosowania współczynników kalibracji do warunków lokalnych.

Kalibrację in-situ stacji mobilnej przeprowadzono w miejscowości Skala, około 20 km na północ od Krakowa. Proces kalibracji trwał około 23 dni w listopadzie 2021 r. i zarejestrowano ponad 500 próbek jako wartości danych godzinowych w szerokim zakresie wartości – od 20 µg/m³ nawet do 800 µg/m³. Współczynnik korelacji Pearsona wyniósł R = 0,89 (wartość p).≪0,05). Dodatkowo w trakcie kampanii przeprowadzono kilka testów zerowych.

Ponadto dodatkowe internetowe bazy danych stałych referencyjnych stacji kontroli jakości powietrza (SEM)²⁷ posłużyły do ​​analizy i interpretacji uzyskanych wyników.

Istotność statystyczna uzyskanych zmierzonych wartości

PO POŁUDNIU₁₀ Odczyty mobilnej stacji DustTrak uśredniano w promieniu 50 m od stałych stacji referencyjnych (SEM). Następnie pomiary porównano z pomiarami ze stacji SEM. Co jednak szczególnie istotne, odczyty Dustraka są uśredniane w ciągu 1 minuty, gdy stała stacja referencyjna dostarcza dane w postaci odczytów godzinowych. Dlatego założyliśmy, że pomiary (odczyty) uzyskane zarówno ze stacji mobilnej, jak i stacjonarnej można porównywać tylko wtedy, gdy stan atmosfery jest prawie stabilny według skali Pasquilla. W tym przypadku średnie godzinne stężenie pyłu zmienia się tylko na małych obszarach. Stosunek średniej godzinnej PM₁₀ Stężenie uzyskane ze stałej stacji referencyjnej zostało obliczone przy użyciu naszej średniej minutowej Dutrack. Co więcej, średnia (\(\overline{{\text{x}}}\)) i następnie wyznaczono odchylenie standardowe (σ) racji. Tylko wyniki stacji w okolicy \(\overline{{\text{x}}}\)Do dalszej analizy wzięto pod uwagę ± σ. Odrzucenie ekstremalnych warunków – poza tym \(\overline{{\text{x}}}\)± σ – przemawia za tym fakt, że pyłomierz podczas pomiaru w pobliżu stacji mógł zmierzyć chwilową, ale znaczącą zmianę stężenia pyłu, która będzie widoczna w skali kilku minut, a nie w skali godzinowej (co sprawia, że ​​np. niemożliwe). do np. B. Wykryj epizody gorących punktów spowodowane szybko palącymi się śmieciami w kominku).

Aby określić istotność statystyczną pomiarów mobilnych, obliczono także współczynniki regresji Pearsona i Spearmana dla stacji DustTrak i SEM (tab. 2). Zakłada się, że pomiar można uznać za reprezentatywny statystycznie o wysokich korelacjach (R > 0,5).

Pomiary poza \(\overline{{\text{x}}}\)Przedział ± σ nie był brany pod uwagę w dalszej analizie i został zaznaczony kolorem szarym i gwiazdką w tabeli 2.

Mobilny monitoring pojazdów dostarcza danych tymczasowych, które są reprezentatywne jedynie dla krótkiego okresu czasu w porównaniu ze stacjonarnym pomiarem średniej godzinnej. Pomimo tej rozbieżności wyniki stacji przedstawione w tabeli 2 wykazały dobrą zgodność statystyczną. Współczynnik korelacji Pearsona i Spearmana (R) wyniósł powyżej 0,5, co świadczy o istotnej korelacji, a tym samym istotności statystycznej danych uzyskanych w 5 z 6 dni pomiarowych.