馬 杰

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院,山西 晉中 030619)

山西省城市空氣質(zhì)量指數(shù)地理特征及其與氣象要素的關(guān)系

馬 杰

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院,山西 晉中 030619)

以山西省11個地級市2014年空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)和部分氣象站點(diǎn)同期的地面氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于地理信息系統(tǒng)軟件surfer運(yùn)用克里格插值法繪制出2014年山西省空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的時空分布特征，然后將AQI與5個地面氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析，得出它們在不同時內(nèi)的相關(guān)關(guān)系.結(jié)果顯示：2014年1～2月全省AQI值普遍較高，空氣污染較重；3～6月AQI值逐漸降低；7～9月AQI值維持在較低范圍內(nèi)，空氣質(zhì)量優(yōu)良；10～12月AQI值再度升高.在研究時段內(nèi)， AQI值和平均本站氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，和平均氣溫、平均水汽壓呈顯著正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速對于AQI值的影響具有雙重性，平均相對濕度和AQI值相關(guān)性較弱.

山西省;空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI);地理特征;氣象要素

0 引言

山西省是我國重要的能源和重化工基地，全省煤炭、鋁土礦、硫鐵礦等礦產(chǎn)資源儲量豐富，在全國能源供給格局中具有不可替代的作用.同時山西省資源型經(jīng)濟(jì)在全國也具有典型性，高能耗、低產(chǎn)出的資源型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中第二產(chǎn)業(yè)占主導(dǎo)地位,經(jīng)濟(jì)增長對資源過度依賴并產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境破壞[1].采礦區(qū)粉塵、矸石山自燃、化石燃料燃燒、城市交通、居民生活廢氣排放等使山西省的空氣質(zhì)量面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn).

眾所周知，空氣污染防治的根本途徑在于城市的合理規(guī)劃，尤其是工業(yè)區(qū)的合理布局、改變?nèi)剂辖Y(jié)構(gòu)和燃燒方式、節(jié)能減排以及倡導(dǎo)低碳生活等等，但空氣污染一旦形成，污染物在大氣中的停滯、輸送、擴(kuò)散等狀態(tài)直接影響到人們的生活和健康，備受人們關(guān)注.因此，研究氣象要素與AQI時空分布關(guān)系，對于山西省AQI研究思路和空氣污染預(yù)報具有積極的意義.

1 山西省概況

山西省(34°34′～40°44′N，110°14′～114°33′E)位于黃土高原東部，北接內(nèi)蒙古高原，西、南隔黃河與陜西、河南兩省相望，行政區(qū)輪廓略呈東北向西南傾斜的平行四邊形，國土面積15.6萬km2.地勢北高南低，地貌類型以山地和丘陵為主，占全省總面積的80%.境內(nèi)山川縱橫，東部為太行山，西部呂梁山，恒山、管涔山、五臺山、云中山、太岳山、中條山等山脈自北向南分布其間，并孕育了汾河、桑干河、滹沱河、漳河、沁河、涑水河、三川河、昕水河等河流，河流穿過山西省中部的一列串珠狀的盆地沉陷，養(yǎng)育了形成于沉陷盆地中河谷之上的城市.山西省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣溫日較差和年較差較大.氣候冬季漫長，寒冷干燥；夏季南長北短，溫度較高且降水集中；春季氣候多變，風(fēng)沙較多；秋季短暫，天氣溫和[2].

2 影響城市空氣質(zhì)量的主要因素

影響城市空氣質(zhì)量的主要因素有污染源、氣象條件和下墊面狀況等.山西省作為我國重要的能源重化工基地，面狀的工礦業(yè)污染源眾多，煤炭、鋁土礦、硫鐵礦等的采掘、加工過程，會產(chǎn)生大量的可吸入顆粒物、二氧化硫、一氧化碳等污染物，成為空氣污染的主要物質(zhì)來源[3]；同時點(diǎn)狀的工業(yè)污染源較多，煤炭、電力、化工、冶金等行業(yè)的廢氣排放，成為空氣污染物質(zhì)的又一來源[1]；山西省是我國北方城市重要的交通樞紐，近年來私家車數(shù)量迅速增多，汽車尾氣中含有的一氧化碳、氮氧化物以及鉛等空氣污染物，使之成為線狀的交通污染源；很多城市的冬季供暖通過燒煤來實(shí)現(xiàn)，雖然大部分地區(qū)采取集中供暖，但仍有少部分地區(qū)采用自家供暖，且供暖產(chǎn)生的廢氣大都直接排放到空氣中，成為點(diǎn)狀的生活污染源[4].大量的空氣污染物及其在空氣中二次反應(yīng)后形成的污染物混合，形成較重的的煤煙型空氣污染.

影響空氣質(zhì)量的氣象條件主要有動力因子和熱力因子兩方面.動力因子主要是指風(fēng)和湍流，氣象熱力因子主要是指大氣的溫度層結(jié)，是否存在逆溫層、空氣的干濕狀況、大氣穩(wěn)定度等.山西省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季多大風(fēng)且干燥，加之位于黃土高原東部，可吸入顆粒物對于山西省春季空氣質(zhì)量影響較大；夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，雨水對于空氣污染物質(zhì)的淋濾作用使得這一時期空氣質(zhì)量相對較好；冬季寒冷干燥，來自高緯度的西北風(fēng)成為驅(qū)散全省采暖期空氣污染的主要力量.

下墊面主要通過影響氣象條件、氣流活動等方式對空氣污染產(chǎn)生影響.山西省東西兩側(cè)為山地和丘陵的隆起,中部為大同、忻州、太原、臨汾、運(yùn)城、長治等一列串珠狀的盆地沉陷，東部還有陽泉、黎城、澤州等小盆地，多山的地形很大程度上影響到山西省城市空氣質(zhì)量狀況[5].此外，城市中人口和產(chǎn)業(yè)活動密集，大量廢熱、廢氣排放形成的城市“熱島效應(yīng)”會使空氣污染物集聚，加之城市內(nèi)部高樓林立，下墊面狀況復(fù)雜，城市中空氣流通不暢，很容易成為空氣污染的高值中心，而城市和郊區(qū)之間的“熱島環(huán)流”有可能會加劇城市的空氣污染.

3 空氣質(zhì)量指數(shù)

空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index，簡稱AQI)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù). 2013年1月1日起，山西省空氣質(zhì)量評價進(jìn)入了新的階段，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)取代了原先的空氣污染指數(shù)(API)發(fā)布系統(tǒng)，污染物監(jiān)測項在原標(biāo)準(zhǔn)SO2、NO2、可吸入顆粒物(PM10)的基礎(chǔ)上，增加了細(xì)顆粒物(PM2.5)、一氧化碳和臭氧，空氣質(zhì)量級別也由原來的五級分為六級.根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)的規(guī)定：空氣質(zhì)量指數(shù)劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六檔，分別對應(yīng)一到六級的空氣質(zhì)量指數(shù)和從優(yōu)到嚴(yán)重污染的空氣質(zhì)量類別，表1是它們之間的對應(yīng)表：

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)范圍及相應(yīng)的空氣質(zhì)量類別

4 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

4.1 數(shù)據(jù)選取

山西省11個地級市城市空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)來源于山西省環(huán)境保護(hù)廳(http://www.sxhb.gov.cn)和山西省環(huán)境監(jiān)測中心站(http://www.sxhjjcz.com.cn)，地面氣象資料獲取自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cncdc.nmic.cn)， 結(jié)合大同市、太原市、忻州市、運(yùn)城市地面氣象資料和下墊面狀況，將這些城市逐日AQI值與同期平均本站氣壓、平均風(fēng)速、平均氣溫、平均相對濕度等5個氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析.

城市是一個地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，又是空氣污染的高發(fā)區(qū)域，本文選取空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的監(jiān)測站點(diǎn)位于山西省地級市市區(qū)，分析時段為2014年1月1日至2014年12月31日.

4.2 數(shù)據(jù)分析

將山西省11個地級市2014年空氣質(zhì)量指數(shù)在100以上(AQI類別良以上)的天數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計匯總，匯總結(jié)果見圖1.

圖1 2014年山西省空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)逐月空間分布圖

從圖1中可以看出，污染天數(shù)最多的是陽泉市，共有189天，占全年的51%，其中重度污染以上天數(shù)達(dá)28天，占到全年的7%；其次是晉城市和太原市，空氣污染天數(shù)155天；空氣污染天數(shù)最少的是大同市，共有56天，其中有7天空氣污染比較嚴(yán)重.山西省2013年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報數(shù)據(jù)顯示，2013年有10個地市環(huán)境空氣污染天數(shù)在30～167天之間，2014年山西省大部分地市空氣污染天數(shù)在100～150天之間，整體空氣污染天數(shù)有所增長；按照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ633-2012)》評價標(biāo)準(zhǔn)，2013年太原市環(huán)境空氣污染天數(shù)為203天，2014年太原市空氣污染天數(shù)比2013年減少了48天.

通過對2014年山西省各個地級市空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到各地市AQI月平均值，繪制出各地市2014年AQI月均值變化曲線圖，圖2；運(yùn)用地理信息系統(tǒng)軟件surfer，采用克里格插值法繪制出2014年AQI值逐月空間分布圖見圖2.

圖2 2014年山西省各地市AQI月均值變化圖

從圖2和圖3中可以看出，全省AQI值在2014年經(jīng)歷了一個持續(xù)高值-逐漸降低-穩(wěn)定低值-再度升高的變化過程，部分地市AQI值變化略有不同.如：陽泉市是一個穩(wěn)定的高值區(qū)域，大同市、呂梁市在大部分時間是一個低值區(qū)域，臨汾市、晉城市在3～6月AQI值異常增加.本文擬將2014年全省AQI時空變化分為四個階段進(jìn)行討論：第一階段為1～2月，這一時期AQI值最高，全省空氣污染最嚴(yán)重；第二階段為3～6月，是一個全省AQI值普遍下降，空氣污染狀況由差轉(zhuǎn)好的過渡時期；第三階段是7～9月，空氣質(zhì)量狀況穩(wěn)定，達(dá)到全年最優(yōu)水平；第四階段是10～12月，全省AQI值迅速升高，空氣污染開始發(fā)展，并持續(xù)發(fā)酵.

1)第一階段，AQI值順延2013年冬季走勢，居高不下，2月出現(xiàn)一年中的極值.

圖3 2014年山西省空氣質(zhì)量指數(shù)空間分布圖

2014年1月，全省大部分地區(qū)AQI值介于100～150之間，屬于輕度污染，首要污染物為細(xì)顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)，2月，全省AQI值普遍增長，空氣污染狀況加重.這一時期，陽泉市一直是一個高值中心，2月的AQI值達(dá)到200以上，屬于重度污染；呂梁市空氣質(zhì)量指數(shù)一直維持在100以內(nèi)，空氣質(zhì)量狀況良好；大同市1月份AQI值在100以內(nèi)，空氣質(zhì)量良好，2月AQI值突破100，屬于輕度污染；這一階段內(nèi)臨汾市空氣質(zhì)量狀況好轉(zhuǎn)，由輕度污染變?yōu)榱?

2)第二階段，全省空氣質(zhì)量指數(shù)普遍下降，部分地區(qū)出現(xiàn)反復(fù).

2014年3月，全省AQI值普遍降低，空氣污染狀況好轉(zhuǎn)；4月，全省AQI值總體下降，空氣質(zhì)量狀況進(jìn)一步好轉(zhuǎn)的同時，形成了臨汾市、晉城市為主的AQI高值區(qū)域；5月，全省大部分地區(qū)AQI值繼續(xù)降低，形成于臨汾市、晉城市的AQI高值區(qū)域面積也在不斷縮減，大同市形成了一個特殊的AQI較高值區(qū)域，并很快消退；6月，伴隨臨汾市、晉城市一帶AQI高值區(qū)域面積的不斷縮小，全省進(jìn)入一年中AQI值最低的時期，空氣質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài).

3)第三階段，全省AQI值較低，空氣質(zhì)量狀況持續(xù)優(yōu)良.

2014年7、8、9這三個月中，全省AQI值在100以下且比較穩(wěn)定，是2014年中全省空氣質(zhì)量最好的一段時間.

4)第四階段，全省AQI值普遍上升，空氣污染開始發(fā)酵.

2014年10月份，進(jìn)入北方的采暖期，全省AQI值普遍上升，忻州市、太原市、陽泉市、長治市、晉城市AQI值突破100，空氣質(zhì)量類別由良變?yōu)檩p度污染；11月，全省除大同市以外的地市空氣質(zhì)量狀況都出現(xiàn)惡化，其中，長治市、晉城市AQI值變化最為明顯；12月，全省AQI值增長略有停滯，大同市、晉中市、臨汾市等部分地區(qū)空氣質(zhì)量狀況出現(xiàn)小范圍好轉(zhuǎn)，但全省大部分地區(qū)AQI值在100以上，空氣質(zhì)量狀況一直處于輕度污染.

4.3 AQI值與氣象要素相關(guān)分析與結(jié)果討論

表2為2014年1～2月山西省各地市AQI值和氣象要素相關(guān)分析的結(jié)果，這一時期為北方采暖期，全省AQI值達(dá)到一年內(nèi)極值，空氣污染最為嚴(yán)重.結(jié)果顯示，這一時期內(nèi)大同市、太原市、忻州市、運(yùn)城市四個地市AQI值均與地面氣象要素中的平均本站氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)；除運(yùn)城市以外，三個地市的AQI值均和平均氣溫和平均水汽壓呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明在這一段時期內(nèi)，平均本站氣壓上升，平均氣溫和平均水汽壓的降低有利于這些城市空氣污染的緩解.較為合理的解釋是：冬季，當(dāng)冷空氣過境時帶來大風(fēng)降溫，對積聚在此地的空氣污染物有稀釋和動力擴(kuò)散作用.朱玉周等在對鄭州市空氣質(zhì)量狀況及冬季持續(xù)污染過程的氣象機(jī)理分析過程中也得出類似結(jié)論：冬季持續(xù)多日平均風(fēng)速小、出現(xiàn)逆溫是鄭州市出現(xiàn)持續(xù)污染的主要原因，冷空氣過境帶來的較大風(fēng)速、逆溫層的破壞,有利于污染物的動力擴(kuò)散[5].楊永剛，秦作棟，劉勇等在河谷型城鎮(zhèn)大氣污染時空變化規(guī)律及影響因子研究中也得出類似結(jié)論：冷空氣過境帶來的較大風(fēng)速、逆溫層的破壞,有利于污染物的動力擴(kuò)散[6].同時，大同市AQI值和風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，說明在這一時段內(nèi)，大同市的大風(fēng)天氣有助于該地區(qū)空氣質(zhì)量狀況的好轉(zhuǎn)，說明風(fēng)速較大時,污染物容易被擴(kuò)散出城區(qū),無風(fēng)時污染物容易滯留在城區(qū).

表2 1～2月AQI值和氣象因素相關(guān)性分析

表3 3～6月AQI和氣象條件相關(guān)性分析

表3為3～6月山西省各地市AQI值和氣象要素相關(guān)分析結(jié)果，這一時段全省空氣質(zhì)量狀況逐步好轉(zhuǎn)，運(yùn)城市、大同市AQI值和風(fēng)速大小呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明在這段時間內(nèi)，風(fēng)速是影響這兩個地區(qū)空氣質(zhì)量狀況的首要地面氣象因素，且風(fēng)速越大，空氣質(zhì)量狀況越差.同時，大同市空氣質(zhì)量狀況還和其他地面氣象因素有關(guān)，AQI值與平均本站氣壓、平均相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，和平均氣溫呈顯著正相關(guān)，說明平均本站氣壓和平均相對濕度越高，平均氣溫越低，越有利于大同市空氣質(zhì)量狀況的好轉(zhuǎn).較為合理的解釋是，春季，氣溫開始回升，天氣較干燥，由于冷暖氣團(tuán)的頻繁活動，來自外部的空氣污染物質(zhì)(如沙塵)隨風(fēng)進(jìn)入省內(nèi)，給部分地區(qū)的大氣環(huán)境造成污染.謝超等對華北西部區(qū)域城市時空分布特征及其與氣象要素關(guān)系分析時也得出類似的結(jié)論：太原與大風(fēng)天氣呈負(fù)相關(guān)，而大同、呼和浩特與大風(fēng)天氣呈顯著正相關(guān)，反映風(fēng)速對大氣污染影響的雙重性.風(fēng)速越大，越有利于污染物擴(kuò)散，改善空氣質(zhì)量，但在風(fēng)速增大的同時，煙羽抬升高度降低或引起沙塵等，也增加了地面污染物濃度[7].而且對于大同市來說，當(dāng)?shù)貧鉁卦礁撸骄菊練鈮汉推骄鄬穸仍降?，空氣污染越?yán)重.可能原因是春季冷氣團(tuán)過境會對該地的空氣產(chǎn)生擾動，加快污染物的稀釋和擴(kuò)散速度，并產(chǎn)生一定量的降水，淋洗空氣中的污染物從而減輕空氣污染.

表4 7～9月AQI和氣象條件相關(guān)性分析

表4為7～9月山西省各地市AQI值與氣象要素相關(guān)分析的結(jié)果，這一時期全省空氣質(zhì)量狀況優(yōu)良而穩(wěn)定，空氣質(zhì)量達(dá)到全年的最佳水平.通過分析可以看出，這個時期內(nèi)空氣質(zhì)量雖然較好，但是地面氣象要素的變化也會引起AQI值走勢的變化，隨著平均本站氣壓的升高而降低，隨著平均氣溫和平均水汽壓升高而升高.

表5 10～12月AQI和氣象條件相關(guān)性分析

表5為10～12月各地市AQI值和氣象要素相關(guān)分析結(jié)果，這一時段進(jìn)入到北方的采暖期，全省空氣質(zhì)量指數(shù)普遍升高，空氣質(zhì)量狀況變差.太原市AQI值和平均氣溫、平均水汽壓呈正相關(guān)關(guān)系，和平均本站氣壓呈負(fù)相關(guān)，說明這一時期內(nèi)太原市平均本站氣壓升高、平均氣溫和平均水汽壓越低，越有利于減輕空氣污染，有可能的情況是冷空氣過境帶來大風(fēng)降溫，對積聚在此地的空氣污染物有稀釋和動力擴(kuò)散作用.從表5中還可以看出，大同市空氣質(zhì)量指數(shù)平均相對濕度呈正相關(guān)關(guān)系，李靖等對北京市空氣質(zhì)量狀況與冬季氣象條件相關(guān)性分析時，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，也得出了相似結(jié)論：日平均相對濕度和污染物呈一種伴生狀態(tài)，濕度大，不利于污染物的擴(kuò)散，污染物濃度增大；濕度小，則易形成較好的空氣質(zhì)量[8].這一時段內(nèi)運(yùn)城市AQI值和地面氣象要素之間的相關(guān)性較弱.

5 結(jié)論

本文通過分析山西省2014年AQI值時空分布特征，得出2014年全省空氣質(zhì)量狀況1～2月最差，3～6月逐漸變好，7～9月達(dá)到最佳，10～12月再度變差的變化過程，通過與常規(guī)氣象要素的相關(guān)分析，得出了山西省氣象要素對空氣污染物影響的一般性規(guī)律.本文可以對山西省的空氣質(zhì)量狀況宏觀監(jiān)測以及AQI的研究思路、預(yù)報提供理論支撐.

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The Geographical Characteristics of Air Quality Index (AQI) in Shanxi Province and the Relationship with Meteorological Elements

Ma Jie

(Department of College of Geographical Science,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619, China)

According to the air quality daily data and some ground meteorological data of 2014 in the 11 cities ,Shanxi Province, using kriging interpolation method based on the geographic information system software surfer , This paper draws the space-time distribution characteristics of air quality index (AQI) of Shanxi Province in 2014.By analyzing the correlation of the AQI and five conventional ground meteorological elements, it shows that in January and February , the AQI value generally higher,March to June gradually reduce,July to September the AQI value maintains in low range, October to December rises again. During the study period, For the AQI value,the average station pressure has significant negative correlation, and the average temperature, average vapor pressure has significant positive correlation. The influence of wind speed to the AQI value is duality, and the average relative humidity have weak relevance with the AQI value.

Shanxi Province; air quality index (AQI); geographical features; meteorological elements

2015-02-25

馬 杰(1991-)，男，山西陽泉人，在讀碩士,主要從事資源評價與開發(fā)研究.

1672-2027(2015)02-0046-07

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