Vis | 雾霾中的国

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  • 提起雾霾,你会想到什么?是污染、北京、PM2.5?还是经济、柴静?或者也可能是,万幼川?

 

在数据的世界里,有标准才能有参考。所以,在进行可视化之前,我们有必要,明确以下概念和标准:

首先,雾霾是一种是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述,尤其是PM2.5;

它通常由环境因素、机动车尾气、气候三种原因造成,同时也带来了以下六种危害。在评价雾霾严重程度时,我们不仅可以通过各项污染物的浓度、也可以通过AQI(即空气质量指数)来判定,需要区分的是,空气质量指数和空气质量分指数,他们一个综合六项污染物、一个针对单项污染物。这是一张数据标准表。

从内容上,空气质量数据有如下一些属性;从数据的空间尺度上,可以划分为全国所有监测点、主要城市监测点、个别城市监测点;从时间尺度上,可以划分为每小时、每天、每月。当然,这些数据中也存在着缺失值和异常值。

从整体到局部,从静态到动态,从前因到后果,从原始数据探索、全国雾霾分布、武汉雾霾分布三个方面一一讲解。

——2017年武汉市雾霾监测点数据相关性分析 

这是一张空气成分相关系数矩阵图,数据来源于武汉3.6-3.13逐小时空气质量数据,坐标轴为AQI及各项空气成分,上三角散点图,下三角相关系数,颜色越蓝或越红代表相关系数越大,蓝色代表正相关,红色代表负相关。

在蓝色最深的最大点处,可以看出AQI与PM2.5和PM10相关性最强,实际上,PM2.5也的确是造成雾霾天气的“元凶”。在红色最深的最大点处,我们明显看到,O3与No2负相关性最大,这是因为二氧化氮是造成臭氧层破坏的主要污染物。还可以发现的是,图中仅有臭氧与其他空气成分均成负相关,这是因为臭氧与雾霾是不同的污染现象。

——2014年全国监测点pm2.5月均值分布情况

这是一张2014年12月PM2.5的月均值三维可视化地图,按照统一标准,我将PM2.5的值划分为六级,由蓝到红分别对应空气质量从优到严重污染,可以明显看出,除去东南沿海的整个东部以及新疆盆地,在这个月内都处于中度到严重污染的状态,并且以北京为最严重的区域。

一个月还不够,2014年3月到2015年2月十二个月的三维可视化雾霾图,这张动态图显示了12个月份的变化。我们看到,除了海南长期处于空气质量优良的状态之外,在西藏南部、黑龙江也出现了短时间的天气优良情况,反之,全国东部以及新疆盆地自2014年10月后就开始出现大范围的重度污染天气。

制作三维图还带来了一个好处,那就是便于从剖面去观察整体情况,这张图从东西方向反映12个月大陆整体雾霾的变化情况,同时标注出了最高点、最低点。

上图从空间角度反映全国情况,接下来我们就从时间角度来反映。图为2014年全国省会城市AQI达标天数散点气泡图与柱状图结合形成的交互式图表。这里的达标指的是天气状况达到“良”,图中红、灰、蓝将省会城市分为达标天数小于1/3,1/3~2/3,大于2/3三类,同时以正方形的大小表示每个城市达标天数情况,在2014年,达标天数不及1/3的省会城市竟然只有“武汉”、“石家庄”、“济南”,上图给了我们一个概括的感受。而下图通过柱状图可以较为准确地了解到每个省会的年度达标天数。

那么,这张图的“交互”是体现在哪儿呢?我们来看下视频。

上面我们讲了省会城市达标天数的情况,接下来,我们扩大范围,利用达标天数数据,以Bubble Chart形式制作了2014年全国主要城市空气质量排行榜。很明显可以看出武汉衡水保定等一些雾霾最严重的城市,污染严重前十的城市均为工业集中区域。污染最轻的十个城市主要处于西部地区与东南沿海地区,主要为第一产业或第三产业,可见雾霾分布与当地产业组成及海陆分布、气候影响关系密切。

从2016年 武汉市雾霾情况和2017年3月武汉市状况两个时间段展示。

首先,这张2016年武汉空气质量情况日历热图为我们展示了2016年 12个月每一天的空气污染情况,日历热图在日历表中显示时间序列数据的变化情况,既能直观地反映一天的空气质量情况,也能整体反映一个月、一年的空气质量情况。用颜色来表现空气质量等级,由绿到红,颜色越深代表污染程度越严重。

由图中可明显地看出,武汉空气污染有季节性,春冬两季(具体地说是1、2、3、12月)污染天数多于夏秋两季。

查找相关资料其主要原因有两点:

1)污染源排放

一是冬季,本地污染物排放浓度高、强度大;二是相对于夏季,在冬季汽车发动机工作循环能力下降,引起不完全燃烧,机动车尾气排放增加。

2)气象条件

逆温现象和夏季频繁活动的气旋,较频繁的降雨及大风天气,有利于PM2.5的扩散和清除。而冬季较少。

将武汉的情况从2016的时间维度过渡到2017年3月,从空间维度上对武汉监测点数据进行了可视化。现在为大家展示的是2017年3月15日24小时内武汉市逐小时雾霾分布情况及实时风向,按每个小时的监测点实时数据以监测点为圆心作圆,根据雾霾的严重情况赋上深浅不同的颜色。

从空间分布上看,武汉市空气污染在沌口新区、东湖新区及青山区最为严重。据了解,沌口新区属于武汉经济技术开发区;东湖新区为国家光电子产业基地。

由资料得知,雾霾的扩散主要与外力因素有关,但是实际上由于监测点数据太少,我们仅能获取到武汉市整体风向,因此无法有效地表现出风向对雾霾扩散的影响,但我们认为这是一个可研究的方向。

随后,利用武汉市2017.03.08 – 2017.03.15每小时的雾霾检测值,形成这8天内的雾霾浓度变化雷达图,在此图中,X轴为时刻,Y轴为AQI值。由图中也可以明显看出,在12:00之后数值明显向中心靠近,代表着AQI数值相对于上午变小;凌晨4 – 9点空气质量最差,而在12点之后空气质量明显变好。

由此我们可以从空气污染情况考虑最佳室外运动时间,上午10点与下午3点左右为空气最佳期,原因是当太阳出来后,植物进行光合作用吸收二氧化碳释放大量氧气。17 – 19点次之。

author:张月瑶 刘珮玥 石凤 傅键斌

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