【摘 要】北京市環(huán)境空氣質(zhì)量近年來受到了社會各界廣泛的關(guān)注。為了監(jiān)測空氣質(zhì)量的時空變化，北京市環(huán)境監(jiān)測中心在全市部署了36個觀測站點對空氣質(zhì)量做24小時全天候觀測，同時在其官網(wǎng)上向公眾公開每日的環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）。本文即是在這樣的背景下，利用北京市36個站點6月份的AQI，運(yùn)用空間分析方法，對環(huán)境空氣質(zhì)量做時空分布和動態(tài)變化分析。結(jié)果表明：北京市6月份環(huán)境空氣質(zhì)量整體不佳，污染發(fā)生頻率高，分布廣，空間自相關(guān)顯著，區(qū)域差異明顯，總體呈現(xiàn)郊區(qū)優(yōu)于城區(qū)，北部優(yōu)于南部的格局。

【關(guān)鍵詞】大氣污染 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù) AQI 空間插值 克里格 空間自相關(guān) Moran’s I

一、引言

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）把大氣污染定義為“大氣污染通常是指由于人類活動或自然過程引起某些物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到足夠的時間，并因此危害了人體的舒適、健康和福利或環(huán)境的現(xiàn)象”。大氣污染物按物理狀態(tài)可分為兩類，即氣溶膠和氣體污染物。我們常說的PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于 2.5 μm 的顆粒物，也稱細(xì)顆粒物，它就是氣溶膠的一種。隨著全球人口的急劇膨脹和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的大量消耗帶來了一系列的大氣污染問題。從二十世紀(jì)三十年代起，在世界上不同地區(qū)和城市中相繼發(fā)生了震驚世界的八大公害事件，其中有五件公害事件就是大氣污染的直接后果。

自2008年8月北京市成功舉辦第29屆夏季奧林匹克運(yùn)動會以來，北京市的環(huán)境質(zhì)量特別是空氣狀況受到了全國人民乃至全世界人民的廣泛關(guān)注。隨著北京城市化的高速發(fā)展，機(jī)動車保有量以大約每年15%的速度增長（王琳琳，2011），能源消耗量迅速增加，灰霾天氣開始頻繁出現(xiàn)（Sun Y等，2006）。北京已經(jīng)成為中國北方地區(qū)空氣污染物的主要排放源之一，為了把握大氣污染狀況分布與變化的規(guī)律性以便制定相關(guān)政策對其針對性地進(jìn)行治理，對北京大氣污染時空變化的監(jiān)測顯得越來越重要。

二、方法和數(shù)據(jù)

（一）環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)

為了加強(qiáng)環(huán)境空氣污染監(jiān)測，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心建立了35個PM2.5細(xì)顆粒物自動監(jiān)測站，站點分布覆蓋整個北京市區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)縣。到2012年9月底，中心開始陸續(xù)對公眾發(fā)布實時的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。大氣污染物組成復(fù)雜，包括硫氧化物、氮氧化物、顆粒物、臭氧等，為了較為全面地對空氣質(zhì)量進(jìn)行評估，環(huán)境保護(hù)部于2012年2月29日發(fā)布《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》，提出用一個無量綱指數(shù)——AQI來指示空氣質(zhì)量。

根據(jù)得到的不同的AQI值，《規(guī)定》對其進(jìn)行了六級劃分。

本文收集了從2013年6月2日到2013年7月2日的35個觀測站點的AQI數(shù)據(jù)，觀測站點分為三類，分別為城市環(huán)境評價點、對照點及區(qū)域點和交通污染控制點，排除缺省數(shù)據(jù)，共覆蓋18天。后續(xù)的時空分布及變化規(guī)律分析均以這18天的AQI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

（二）環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)插值與空間分析

原始的AQI數(shù)據(jù)是基于離散分布的觀測站點得到的，為了探究AQI在北京市的空間分布的差異性和規(guī)律性，需要對離散的點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得到面數(shù)據(jù)再進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

空間插值方法分為兩類：一類是確定性方法，另一類是地統(tǒng)計學(xué)方法。確定性插值方法將根據(jù)周圍測量值和用于確定所生成表面平滑度的指定數(shù)學(xué)公式將值指定給位置，這類方法包括反距離權(quán)重法（inverse distance weighting，IDW）、自然鄰域法、趨勢面法和樣條函數(shù)法；地統(tǒng)計學(xué)方法以包含自相關(guān)（測量點之間的統(tǒng)計關(guān)系）的統(tǒng)計模型為基礎(chǔ)，它不僅具有產(chǎn)生預(yù)測表面的功能，而且能夠?qū)︻A(yù)測的確定性或準(zhǔn)確性提供某種度量，克里格插值法（Kriging）即是一種在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的地統(tǒng)計學(xué)插值方法。克里格方法最初用于礦山勘探，并被廣泛應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域，成為GIS軟件地理統(tǒng)計插值的重要組成部分?？死锔穹椒ǔ浞治樟说乩斫y(tǒng)計的思想，認(rèn)為任何在空間連續(xù)性變化的屬性是非常不規(guī)則的，相比簡單的平滑數(shù)學(xué)函數(shù)模擬方法，它以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，假定采樣點之間的距離或方向可以反映可用于說明表面變化的空間相關(guān)性，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計。

由于上述克里格方法的優(yōu)點，它被廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測中。

三、結(jié)果與討論

（一）環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)時空變化分析

分析35個環(huán)境空氣質(zhì)量觀測站點從6月2日到7月1日一個月的AQI值變化情況可知，AQI指數(shù)在不同區(qū)域和不同時間的差異都很大。分析全部36個站點的AQI觀測值，得到的最高AQI值為404，數(shù)據(jù)來自6月28日前門東大街站點，屬交通污染控制點，最低AQI值為33，數(shù)據(jù)來自于6月10日京東東高村站點，屬對照點及區(qū)域點。全部36個觀測站點月平均AQI值最高位184，最低為114，依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》，從6月2日到7月1日，36個站點的月平均AQI值均達(dá)到污染級別。

分析三類不同觀測站點的AQI觀測值，23個城市環(huán)境評價點的AQI月平均值為154，7個對照點及區(qū)域點的AQI月平均值為145，5個交通污染控制點的AQI月平均值為174。依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》，三類觀測站點的月平均觀測結(jié)果均達(dá)到了空氣污染級別，其中，對照點及區(qū)域點的月平均AQI指示環(huán)境空氣質(zhì)量級別為三級，污染級別為輕度，城市環(huán)境評價點和交通污染控制點的月平均AQI指示環(huán)境空氣質(zhì)量級別為四級，污染級別為中度。

分析三類不同觀測站點的AQI觀測值在一個月的周期內(nèi)隨時間的變化情況，發(fā)現(xiàn)存在AQI均值交通污染控制點>城市環(huán)境評價點>對照點及區(qū)域點的整體趨勢。三類不同的觀測點分布位置各異，城市環(huán)境評價點和交通污染控制點多分布于城六區(qū)，對照點及區(qū)域點多分布于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的遠(yuǎn)郊區(qū)縣，結(jié)合它們觀測到的AQI值大小的不同，可以發(fā)現(xiàn)離中心城區(qū)或密集城鎮(zhèn)越近，AQI值有增大的趨勢，推測它與建筑物密度、交通、人口存在一定程度的相關(guān)關(guān)系。

（二）環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)克里格插值結(jié)果分析

根據(jù)36個觀測站點18天的AQI數(shù)據(jù)經(jīng)克里格插值得到北京市六月份月平均AQI分布圖，發(fā)現(xiàn)整體上存在從西北向東南方向增高的趨勢。東南部的AQI高值集中在兩個位置，一是東城區(qū)、朝陽區(qū)和豐臺區(qū)交界處，二是海淀區(qū)東部，另一處AQI相對高值出現(xiàn)在房山區(qū)西南部，北京市全境的AQI月平均值基本以城六區(qū)的高值區(qū)和房山區(qū)的高值區(qū)向四周降低，整個區(qū)域AQI值較低處出現(xiàn)在延慶縣的西北部。對應(yīng)于AQI數(shù)值的空間分布，全市的環(huán)境空氣質(zhì)量均處于污染級別，東南部高值區(qū)達(dá)到中度污染以上，西北部環(huán)境空氣質(zhì)量相對較優(yōu)，大部分區(qū)域處于輕度污染。

月平均AQI值揭示的是AQI值在空間上的的整體分布情況，而AQI在6月2日到7月1日一個月的研究周期內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的波動情況，為了探究它隨時間的變化情況及每日的空間分布，本文還對日平均AQI數(shù)據(jù)做了克里格插值，得到數(shù)據(jù)覆蓋的18天內(nèi)的時空變化。分析日平均AQI值的變化可以發(fā)現(xiàn)，AQI高值多出現(xiàn)在北京市南部地區(qū)，北部地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量多優(yōu)于南部。鑒于空氣污染與城鎮(zhèn)建設(shè)、人口密度存在的顯著相關(guān)關(guān)系，推測這種現(xiàn)象的存在可能于門頭溝、昌平、順義及其以南區(qū)縣城鎮(zhèn)建設(shè)相對密集、人口分布較為集中有著密切的關(guān)系。

此外，從18天的AQI波動情況來看，整個6月份，北京的環(huán)境空氣質(zhì)量在絕大多數(shù)天數(shù)里均存在不同程度的污染，空氣污染發(fā)生頻率較高。其中，6月28日的環(huán)境空氣質(zhì)量最差，位于東城區(qū)的前門東大街觀測站點得到的AQI日均值為整個6月最高，空氣質(zhì)量為5級，達(dá)到嚴(yán)重污染級別，AQI日均值最低的京東北密云水庫也達(dá)到了中度污染。

環(huán)境空氣觀測站點提供的數(shù)據(jù)除每日平均AQI值和級別評價之外，還提供首要污染物的種類說明，即換算得到的控制質(zhì)量分指數(shù)最大的污染物類型。從首要污染物的角度分析，發(fā)現(xiàn)污染物成分與環(huán)境空氣質(zhì)量存在一定的對應(yīng)關(guān)系。污染較嚴(yán)重的6月16日、6月28日和7月1日，全部36個觀測站點測得的首要污染物均為細(xì)顆粒物，即PM2.5，而空氣質(zhì)量相對較好的6月10日和6月11日，首要污染物較多測得的是二氧化氮和臭氧。據(jù)此推測，PM2.5對空氣質(zhì)量的損害大于其它污染物，對北京市環(huán)境空氣質(zhì)量造成了顯著的影響。

四、結(jié)論與展望

北京作為我國的首都，近年來社會經(jīng)濟(jì)得到了飛速的發(fā)展，人口總量增大，城市區(qū)域?qū)ν鈹U(kuò)張，植被覆蓋度降低，人均機(jī)動車保有量明顯增多，固態(tài)氣態(tài)液態(tài)污染物大量排放，這些因素?zé)o不對北京市環(huán)境質(zhì)量特別是空氣質(zhì)量造成了顯著的影響。2013年1月底爆發(fā)的PM2.5濃度連續(xù)幾天爆表事件，凸顯了北京市環(huán)境空氣質(zhì)量問題已經(jīng)越來越嚴(yán)重，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。在這樣的背景下，對北京市環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行密切監(jiān)測的需要已經(jīng)迫在眉睫。

（一）本文所做的研究工作，即是在北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心提供的官方數(shù)據(jù)的支持下，對環(huán)境空氣質(zhì)量時空分布及動態(tài)變化趨勢做了一個月的短周期分析。在利用克里格插值方法和空間自相關(guān)分析對AQI數(shù)據(jù)進(jìn)行研究之后，本文得到如下結(jié)論：

1.北京市6月份環(huán)境空氣質(zhì)量整體不佳，污染發(fā)生頻率高，分布廣，區(qū)域之間差異較大，隨時間波動變化明顯，6月28日空氣質(zhì)量最差，6月10日空氣質(zhì)量最優(yōu)；

2.分布位置不同的觀測站點之間AQI值有著顯著的差異，具體表現(xiàn)為交通污染控制點>城市環(huán)境評價點>對照點及區(qū)域點，污染級別呈現(xiàn)同樣的排列分布；

3.觀測站點得到的AQI數(shù)據(jù)較為離散，而克里格插值方法的應(yīng)用，能滿足對北京市環(huán)境空氣質(zhì)量連續(xù)分布狀況的模擬。插值結(jié)果顯示，AQI高值多出現(xiàn)在北京市南部地區(qū)，北部地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量多優(yōu)于南部，PM2.5對空氣質(zhì)量的損害大于其它污染物；

4.全局Moran’s I和局部Moran’s I計算結(jié)果顯示，北京市環(huán)境空氣質(zhì)量呈現(xiàn)出顯著的空間自相關(guān)，城區(qū)及南部幾個區(qū)縣的空間聚集強(qiáng)度大于北部的遠(yuǎn)郊區(qū)縣。

（二）綜上，本文雖然得到了北京市環(huán)境空氣質(zhì)量時空規(guī)律的初步結(jié)論，仍存在需要進(jìn)一步深入研究的必要，以后開展的工作主要基于以下幾個方面：

1.全市36個觀測站點雖然覆蓋了北京市每個行政區(qū)縣，但對整個區(qū)域來說采樣點仍然較為稀疏，在數(shù)據(jù)這方面，以后的工作可以考慮適當(dāng)增加數(shù)據(jù)點的密度；

2.AQI是一個綜合評價環(huán)境空氣質(zhì)量好壞的指標(biāo)，但是單一的AQI數(shù)值無法對具體某一類污染物的濃度水平做定量分析和評價，深入的工作可以考慮在區(qū)分污染物種類的基礎(chǔ)上分別分析它們的時空變化規(guī)律；

3.本文現(xiàn)有的工作沒有考慮到地形起伏、氣象條件等自然因素對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，也沒有對AQI時空變化規(guī)律做因果分析，這是需要進(jìn)一步研究的方向。

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作者簡介：

胡曉光，天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，有十多年教學(xué)經(jīng)驗，曾擔(dān)任移動通信專業(yè)教研室主任，帶領(lǐng)或指導(dǎo)多名教師成為專業(yè)骨干教師。