Η ατμοσφαιρική ρύπανση αποτελεί σοβαρή απειλή για τη δημόσια υγεία, προκαλώντας πάνω από 4 εκατομμύρια πρόωρων θανάτων παγκοσμίως. Συγχρόνως, οι περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις της αέριας ρύπανσης εκτείνονται από την υποβάθμιση της βλάστησης έως τη διάβρωση των μνημείων. Λόγω των συνεπειών αυτών, η ποσοτική διερεύνηση της μεταβλητότητας της αέριας ρύπανσης αποκτά σημαντικό ενδιαφέρον.
Η ποσοτικοποίηση της αέριας ρύπανσης στο πλαίσιο της εργασίας αυτής διερευνήθηκε μέσω της ανάλυσης Fourier, μιας από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους προσέγγισης χρονικά μεταβαλλόμενων σημάτων. Η ανάλυση Fourier βασίζεται στο θεώρημα ότι κάθε περιοδική συνάρτηση μπορεί να γραφεί ως άπειρο άθροισμα ημιτονοειδών συναρτήσεων, κάτι που την καθιστά κατάλληλη για την προσέγγιση χρονοσειρών με περιοδικότητες.
Η μεταβλητότητα της αέριας ρύπανσης ενσωματώνει πράγματι περιοδικότητες ποικίλων συχνοτήτων, από εβδομαδιαία έως εποχική και ετήσια, αναμεμιγμένες ωστόσο με ακανόνιστες μεταβολές. Έτσι, αποτελεί ενδιαφέρον ερώτημα εάν η μεταβλητότητα στις χρονοσειρές των μετρήσεων αέριων ρύπων μπορεί να προσεγγιστεί με ανάλυση Fourier.
Για τη διερεύνηση του ερωτήματος αυτού, επελέγησαν δέκα αντιπροσωπευτικοί σταθμοί παρακολούθησης της αέριας ρύπανσης και οι χρονοσειρές των μετρήσεών τους για τους τρεις κυριότερους ρύπους στον καθένα από αυτούς χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των τιμών της ανάλυσης Fourier. Ο υπολογισμός αυτός βασίστηκε στις ημερήσιες μέσες τιμές, για την προσέγγιση της μεταβλητότητας των οποίων υπολογίστηκαν οι τιμές της ανάλυσης Fourier πρώτων αρμονικών με ετήσια συχνότητα. Στη συνέχεια υπολογίστηκαν οι διαφορές εκτιμήσεων – μετρήσεων, τα ετήσια αθροίσματά τους καθώς και ένας δείκτης που ισούται με το ετήσιο άθροισμα του τετραγώνου των ημερήσιων διαφορών.
Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η ετήσια μέση τιμή των μετρήσεων συγκέντρωσης όλων των ρύπων παρακολουθείται καλά από την αντίστοιχη τιμή της ανάλυσης Fourier. Διαπιστώθηκε επίσης ότι οι διαφορές μεταξύ ημερήσιων τιμών μέτρησης και προσέγγισης Fourier, όταν αθροιστούν κατά πρόσημο, δίνουν περίπου συμμετρικές τιμές, κάτι που σημαίνει ότι οι υποεκτιμήσεις είναι αθροιστικά παρόμοιες με τις υπερεκτιμήσεις ανά έτος. Οι διαπιστώσεις αυτές ισχύουν για τα έτη με πληρότητα καταγραφών. Για τα έτη εκείνα που οι μετρήσεις παρουσιάζουν χάσματα, οι εκτιμήσεις απομακρύνονται από τις μετρήσεις και όσο μεγαλύτερες είναι οι ελλείψεις καταγραφών, τόσο μεγαλώνει η απόσταση μεταξύ μετρήσεων και εκτιμήσεων κατά Fourier.
Ο δείκτης ετήσιου αθροίσματος των τετραγώνων των διαφορών ημερήσιων τιμών μέτρησης και εκτίμησης κατά Fourier, διαπιστώθηκε ότι μεταβάλλεται κατά ακανόνιστο τρόπο, ο οποίος δεν βοηθά στην εξαγωγή συμπερασμάτων.
Ως προς τα χαρακτηριστικά της μεταβλητότητας των αέριων ρύπων που εξετάσθηκαν, αξίζει να σημειωθεί η επικράτηση της εποχικής περιοδικότητας στη διακύμανση του O3 σε όλους τους σταθμούς, η οποία οφείλεται στο δευτερογενή χαρακτήρα του. Αξιοσημείωτη επίσης είναι η μεγάλη μείωση των συγκεντρώσεων SO2, η οποία οφείλεται στη βελτίωση των καυσίμων. Το NO2 εμφάνισε σαφείς τάσεις μείωσης, οι οποίες ωστόσο σε κάποιους σταθμούς διακόπτονται από απότομες ανόδους. Τα PM10 μειώθηκαν επίσης στη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών αλλά με ρυθμό μικρότερο απ’ ότι οι προηγούμενοι ρύποι.
Μετά από όλα αυτά, το κεντρικό ερώτημα της εργασίας, το εάν δηλαδή η ανάλυση Fourier μπορεί να χρησιμεύσει στην ποσοτικοποίηση της μεταβλητότητας της αέριας ρύπανσης, απαντάται εν μέρει καταφατικά: πράγματι η ανάλυση Fourier είναι χρήσιμη για την προσέγγιση ετήσιων μέσων τιμών, αλλά όχι ιδιαίτερα αξιόπιστη στην παρακολούθηση της διακύμανσης των ημερήσιων μέσων τιμών.
Air pollution is a severe threat to public health, causing over 4 million premature deaths worldwide. The environmental burden of air pollution incudes effects ranging from the degradation of vegetation to the erosion of monuments. Due to these impacts, the quantitative investigation of the variability of air pollution is of considerable interest.
The quantification of air pollution in the context of this work was investigated through Fourier analysis, a widespread method of approaching time-varying signals. Fourier analysis is based on the theorem that any periodic function can be written as an infinite sum of sinusoidal functions, which makes it suitable for approximating time series with periodicities.
The variability of air pollution indeed incorporates periodicities of various frequencies, from weekly to seasonal and annual, mixed with random changes due to the variance of emissions and dispersion conditions. Thus, it is interesting to examine whether the variability in time series of air pollutant measurements can be approximated by Fourier analysis.
To investigate this question, ten representative air pollution monitoring stations were selected and the measurements for three main pollutants at each of them were used to calculate the Fourier analysis values. The calculation was based on the daily average values. The variability of these values in a time period of more than three decades was approached by using a Fourier analysis of first harmonics with an annual frequency. Then the differences between estimates and measurements were calculated, followed by the calculation of the annual sums of these differences and of an index equal to the annual sum of the square of the daily differences.
The analysis of the results showed that the annual mean value of the concentration measurements of all pollutants is well tracked by the corresponding value of the Fourier analysis. It is also found that the differences between daily measurements and Fourier approximations, when summed by sign, give roughly symmetric values, meaning that underestimations are cumulatively similar to overestimations per year. These findings apply to years with complete records. For years with data gaps, the estimates deviate from the measurements, and the larger the missing records, the larger the distance between measurements and Fourier estimates.
The annual sum-of-squares index of the differences of daily measured and Fourier-estimated values was found to vary in an irregular manner, that renders it useless as a metric of convergence.
Regarding the characteristics of the variability of the examined air pollutants, it is worth noting the prevalence of seasonal periodicity in the variation of O3 at all stations, attributed to its secondary character (i.e. its production through photochemistry instead of direct emission). Also notable is the large reduction in SO2 levels, mainly due to fuel improvement. NO2 showed clear decreasing trends, which, however, at some stations are interrupted by sharp increases. PM10 has also decreased over the past decades but at a slower rate than previous pollutants.
Concluding, the central question of this work, namely whether Fourier analysis can serve to quantify the variability of air pollution, is partially answered in the affirmative: indeed Fourier analysis is useful for approximating annual average values, but not particularly reliable in monitoring the variation of daily average prices.
Ποσοτικοποίηση της μεταβλητότητας της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με χρήση μετασχηματισμού Fourier Description: ΖΕΡΒΑΣ_ΚΟΥΛΙΔΗΣ_ΠΟΣΟΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗ_ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΤΗΤΑΣ_ΑΕΡΙΑΣ_ΡΥΠΑΝΣΗΣ_ΔΕ.pdf (pdf)
Book Reader Licence: Αναφορά Δημιουργού 4.0 Διεθνές Size: 22.1 MB
Ποσοτικοποίηση της μεταβλητότητας της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με χρήση μετασχηματισμού Fourier - Identifier: 169404
Internal display of the 169404 entity interconnections (Node labels correspond to identifiers)