(河南理工大學 a.應急管理學院;b.測繪與國土信息學院,河南 焦作 454000)

河南省城市空氣質(zhì)量時空格局特征及驅(qū)動機制研究

王素仙a,張永領(lǐng)a,郭靈輝b

(河南理工大學 a.應急管理學院;b.測繪與國土信息學院,河南 焦作 454000)

空氣污染是河南省經(jīng)濟發(fā)展過程中亟待解決的難題?；诤幽鲜〕鞘锌諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)、氣象與社會經(jīng)濟資料,運用ArcGIS和SPSS分析技術(shù),從年、季節(jié)尺度探討了河南省城市空氣質(zhì)量的時空特征及其影響因素。結(jié)果表明:河南省18個城市年均空氣質(zhì)量指數(shù)較高,在季節(jié)尺度上呈現(xiàn)“春降秋升、冬高夏低”的變化軌跡,在空間上表現(xiàn)出明顯的集聚態(tài)勢。河南省城市年均空氣污染天數(shù)占比約為48.23%,且時空異質(zhì)性明顯。PM2.5是河南省城市空氣污染的首要污染物,占空氣污染總天數(shù)的54.40%,但季節(jié)性首要污染物仍需關(guān)注。風速減小、日照時數(shù)變短、溫度降低、降水減少、氣壓升高等天氣條件易于形成空氣污染,而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、車輛數(shù)量和建設施工等也是導致城市空氣質(zhì)量變化的重要因素。

空氣質(zhì)量;變化特征;驅(qū)動機制;河南省

1 前言

隨著我國改革開放的不斷深化和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,大氣污染問題日益受到關(guān)注[1]。近年來,部分學者從全國尺度[2,3]、典型區(qū)域尺度[4,5]、重點省市[6,7]等不同尺度對我國空氣質(zhì)量的時空特征進行了有益探討,并嘗試分析了如氣象條件[8]、沙塵暴天氣[9]、人口密度[10]以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[11]等自然—社會經(jīng)濟要素對空氣質(zhì)量變化的作用機制,取得了豐碩成果。然而,由于地域環(huán)境異質(zhì)性,區(qū)域間空氣質(zhì)量變化特征及形成機制差異較大,區(qū)域研究仍需要深入[3]?？鐓^(qū)傳輸是空氣環(huán)境污染的一個重要特征,單體城市空氣質(zhì)量優(yōu)劣受到相鄰城市污染狀況的影響,城市空氣質(zhì)量與其相鄰城市空氣質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)態(tài)勢研究有助于深化認知區(qū)域關(guān)聯(lián)機制[1,12]。

河南省空氣質(zhì)量不容樂觀,省會鄭州市已連續(xù)兩年在全國74個重點城市中排名靠后,大氣污染成為影響全省經(jīng)濟社會發(fā)展的重大瓶頸制約和潛在風險隱患。大氣污染防治是事關(guān)河南全局和長遠發(fā)展的重大問題,是實現(xiàn)經(jīng)濟建設和生態(tài)文明建設協(xié)調(diào)發(fā)展的重大工程,受到國家的高度關(guān)注。鑒于此,本文基于河南省城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和自然—社會經(jīng)濟資料,借助ArcGIS空間分析和SPSS相關(guān)分析方法探討了河南省空氣質(zhì)量時空格局特征及其形成機制,以期為制定科學合理的大氣污染防控措施提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

河南省地處31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E,東接安徽、山東,北望河北、山西,西連陜西,南臨湖北,呈望北向南、承東啟西之勢，下轄鄭州、開封、洛陽、平頂山、安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、許昌、漯河、三門峽、南陽、商丘、信陽、周口、駐馬店等17個省轄市和濟源市省直管市(圖1)。河南省地處沿海開放地區(qū)與中西部地區(qū)的結(jié)合部,是我國經(jīng)濟由東向西梯次推進發(fā)展的中間地帶，近年來隨著城鎮(zhèn)化進程加速和區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展,河南省空氣質(zhì)量發(fā)生了較大變化。自2015以來,省會鄭州市空氣質(zhì)量連續(xù)多次排名在全國重點城市中倒數(shù),已被環(huán)保部下通牒,空氣污染防治形勢十分嚴峻。

圖1 河南省行政區(qū)劃及氣象站點分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,AQI)是基于2012年我國新頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095—2012)計算產(chǎn)生的,監(jiān)測的污染物為PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO等。河南省從2014年開始逐步實施該標準,本文所采用的數(shù)據(jù)均來源于河南省環(huán)境保護廳(http://www.hnep.gov.cn/)發(fā)布的河南省各城市2015年3月1日—2016年2月29日日尺度的AQI數(shù)據(jù)(其中有3日缺測),主要包括AQI及首要污染物等。其中,首要污染物為AQI分指數(shù)最大的污染物,當AQI值大于50時,發(fā)布首要污染物。

氣象要素數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://data.cma.cn/)發(fā)布的同期逐日平均溫度、平均最高溫度/最低溫度、日相對濕度、平均氣壓、平均風速、最大風速等數(shù)據(jù),監(jiān)測站點共13個(圖1),對轄區(qū)無氣象站點分布的城市采用臨近站點代替。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)源于2015年的《河南省統(tǒng)計年鑒》,包括各城市的民用汽車擁有量、竣工面積、施工面積、地區(qū)生產(chǎn)總值、各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值(包括第二產(chǎn)業(yè)中的工業(yè)和建筑業(yè)生產(chǎn)總值)和人口密度等。

本文參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633—2012)規(guī)定的AQI等級劃分方法,將空氣質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染等六級,分別統(tǒng)計不同時空尺度空氣質(zhì)量等級天數(shù)構(gòu)成及首要污染構(gòu)成特征。

2.3 研究方法

自相關(guān)模型:全局自相關(guān)可用來描述區(qū)域單元空氣質(zhì)量的總體分布狀況,以判斷城市空氣質(zhì)量在空間上的集聚性,而局域自相關(guān)分析可用來度量一個區(qū)域單元的空氣質(zhì)量與鄰近單元空氣質(zhì)量的相關(guān)程度[1,13]。本文分別通過ArcGIS空間分析中的Global Moran′s I和Local Moran′s I指數(shù)來辨識空氣質(zhì)量變化的整體集聚性和局部特征,計算公式為:

(1)

Global Moran′s I取值范圍介于-1—1,若等于零,表示空間不相關(guān),即城市空氣質(zhì)量呈無規(guī)律的隨機分布;若為正值,表示空間正相關(guān),說明城市空氣質(zhì)量呈集聚分布;若為負值,表示空間負相關(guān),即區(qū)域城市空氣質(zhì)量呈均勻分布。顯著性檢驗可使用標準化統(tǒng)計量Z檢驗來實現(xiàn),計算公式為:

(2)

當選用95%(90%)的置信水平時,|Z|gt;1.96(1.65),表示空間自相關(guān)顯著。

(i≠j)

(3)

Local Moran′s I為正值,表示城市空氣質(zhì)量與其相鄰城市空氣質(zhì)量之間存在正的空間自相關(guān),即高水平H—H(或低水平L—L)空氣質(zhì)量城市在空間上集聚;若Local Moran′s I為負值,表示城市與其相鄰城市之間存在負的空間自相關(guān),即高水平空氣質(zhì)量的城市被低水平空氣質(zhì)量的城市包圍(H—L)或相反(L—H)。

相關(guān)分析:本文借助SPSS軟件的相關(guān)分析法來探討空氣質(zhì)量變化的影響因素,公式為:

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣質(zhì)量時空特征

污染程度高，春降秋升、冬高夏低:河南省城市空氣質(zhì)量狀況不容樂觀,年均AQI波動于102.29(信陽市)與129.39(鄭州市)之間,平均為114.41(表1)。從季節(jié)尺度上看,各城市AQI均值基本遵循“春降秋升、冬高夏低”的變化軌跡(表1)。冬季是河南省城市空氣質(zhì)量最差的季節(jié),全省平均AQI為158.75,所有城市的平均AQI均達全年最高。夏季AQI最小,平均為90.95,區(qū)內(nèi)67%的城市AQI達到一年最小值,僅濟源市、洛陽市、焦作市、許昌市、平頂山市、三門峽市等的AQI稍高于秋季。春季大部分城市的AQI均值較秋季大,但鶴壁市、濮陽市、周口市、漯河市4市除外。

表1 河南省城市空氣質(zhì)量平均狀態(tài)特征

從年、季節(jié)尺度對18個城市AQI進行全局空間自相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)春季Moran′s I指數(shù)為0.2247,且通過0.10水平的顯著性檢驗,表明春季河南省城市空氣質(zhì)量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性,即AQI分布呈現(xiàn)明顯的集聚態(tài)勢;進一步進行空間局域自相關(guān)分析(圖2),得出春季河南省焦作市、鄭州市AQI是高—高(H—H)型“熱點”的集中區(qū)域,被高值區(qū)域所包圍的低值區(qū)(L—H型)主要分布表現(xiàn)在開封市，這意味著河南省部分城市大氣污染區(qū)域聚合態(tài)勢明顯,大氣污染治理需區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

圖2 春季河南省城市空氣質(zhì)量指數(shù)局域自相關(guān)

圖3 河南省城市空氣質(zhì)量等級天數(shù)占比全年特征

空氣污染天數(shù)占比大,時空異質(zhì)性較強:從全年來看,河南省城市空氣質(zhì)量平均達標天數(shù)占比約為51.78%,輕度和中度污染占39.78%,重度及嚴重污染占8.45%。河南省城市間空氣質(zhì)量等級天數(shù)占比差異明顯,安陽市、新鄉(xiāng)市、鄭州市、許昌市、平頂山市和漯河市等6個城市空氣質(zhì)量達標天數(shù)不足半年,而鶴壁市和信陽市空氣質(zhì)量達標天數(shù)占比超過60%。平頂山市全年污染天數(shù)最多(225天),占比約61.98%,而新鄉(xiāng)市重度及以上污染天數(shù)比例最高，為13.22%(圖3)。

河南省冬季空氣污染天數(shù)占比最大,平均污染天數(shù)占比達70.32%,其中商丘市污染天數(shù)比例最高(為82.95%),而濟源市最低(51.14%)。相比而言,河南省春季空氣污染天數(shù)平均占比達54.95%,占比明顯低于冬季,但焦作市、濟源市、鄭州市污染天數(shù)比例卻高于冬季(圖4)。河南省夏秋季節(jié)空氣質(zhì)量較好,空氣質(zhì)量達標天數(shù)分別占67.93%和63.61%。其中,主要表現(xiàn)為良等級水平,分別占60.08%和55.55%;夏季僅平頂山市空氣質(zhì)量良等級天數(shù)小于輕度污染,秋季空氣質(zhì)量等級天數(shù)構(gòu)成與夏季相似,污染天數(shù)有所增加,良等級集中程度有所下降(圖4)。

圖4 河南省城市空氣質(zhì)量等級天數(shù)占比空間特征

新鄉(xiāng)、鄭州和周口全年重度及以上污染天數(shù)較多,南陽最少。冬季依然是重度及以上污染高發(fā)的季節(jié),平均發(fā)生天數(shù)占全年發(fā)生天數(shù)的77%,但個別城市其他季節(jié)的高強度污染也不容忽視,如周口市的秋季和平頂山市的夏季(圖5)。

圖5 河南省城市重度及以上污染天數(shù)季節(jié)特征

顆粒污染嚴重,季節(jié)性首要污染物需關(guān)注:PM2.5是河南省所有城市空氣污染中出現(xiàn)最頻繁的首要污染物,全年平均出現(xiàn)天數(shù)占空氣污染總天數(shù)的54.40%。相比之下,全省大部分城市以PM10為首要污染物的頻次次于PM2.5,但商丘市、信陽市和漯河市的O3污染天數(shù)高于PM10。盡管以CO、NO2和SO2為首要污染物的空氣污染并不常見,但個別城市仍需注意,如濟源市SO2污染天數(shù)多達43天,而焦作市NO2污染天數(shù)為31天(表2)。首要污染物出現(xiàn)頻次隨季節(jié)變化較大,冬季河南省18個城市以PM2.5污染最為嚴重,出現(xiàn)天數(shù)平均約占污染天數(shù)的70.23%。全省除濟源市以SO2為首要污染物出現(xiàn)頻次高于PM10之外,其他城市的PM10污染天數(shù)較大,平均約占25.06%。春季PM2.5依然是河南省多數(shù)城市最常見的首要污染物,但鶴壁市、開封市、南陽市和三門峽市PM10的污染天數(shù)高于PM2.5。夏季全省非顆粒首要污染物出現(xiàn)次數(shù)增多,平均約占34.62%。其中,濟源、商丘、信陽、駐馬店、三門峽和漯河等6個城市以O3為首要污染物天數(shù)最多,而濮陽、開封、南陽和鄭州等4個城市PM10污染頻次最高,其他城市以PM2.5為主。河南省秋季首要污染物狀況與春季相似,仍以顆粒污染為主,但焦作市NO2污染頻次最高,而鶴壁市以PM10為主(圖6)。

表2 河南省城市首要污染物出現(xiàn)頻次全年特征

注:a為春季；b為夏季；c為秋季；d為冬季。

3.2 空氣質(zhì)量影響因素

氣象因素:由表3可見,空氣質(zhì)量的好壞與氣候要素關(guān)系密切。河南省多數(shù)城市AQI日變化與平均風速,尤其是極大風速呈顯著負相關(guān)關(guān)系,說明風速對河南省城市空氣質(zhì)量變化具有明顯的正效應,這主要與風對污染物的稀釋擴散、輸送有關(guān)。然而,三門峽市AQI與風速呈正相關(guān),可能是由于風吹起地表沙粒,致使空氣中顆粒物增加。風速對空氣質(zhì)量的影響較為復雜,風速變化既可以加劇區(qū)域性空氣污染[14],也能改變污染物傳輸過程,這取決于風速閾值和區(qū)域環(huán)境狀況[15]。

河南省多數(shù)城市的AQI日變化與平均溫度、日照時數(shù)呈顯著的負相關(guān),而與平均氣壓呈顯著的正相關(guān),這意味著日照、溫度對河南省區(qū)域的空氣質(zhì)量變化具有顯著的負效應,而氣壓具有顯著的正效應。這可能是因為河南省的日照越短、溫度越低時,空氣下沉,氣壓升高,大氣層結(jié)穩(wěn)定,污染物不易抬升擴散所致[16, 17]。河南省的平均水汽壓、降水量與城市AQI均出現(xiàn)較顯著的負相關(guān),說明水汽含量、降雨量的增加具有稀釋、沖刷作用,可降低污染[8,18]。河南省夏季降水量較多,平均水汽壓大,空氣質(zhì)量較好也在一定程度上說明了上述關(guān)系。

圖6 河南省城市首要污染物出現(xiàn)頻次季節(jié)特征

表3 河南省城市AQI與各氣象要素的相關(guān)關(guān)系

注:**表示Plt;0.01；*表示Plt;0.05。

社會經(jīng)濟因素:表4顯示,河南省城市AQI與施工、竣工面積存在顯著正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.40和0.44,可見施工揚塵污染直接影響著河南省的空氣質(zhì)量狀況。另一方面,交通運輸產(chǎn)生的揚塵和汽車尾氣也是區(qū)域空氣質(zhì)量變化的重要因子。分析顯示，民用汽車擁有量與AQI的相關(guān)系數(shù)為0.47(Plt;0.05)。就產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來說,河南省空氣質(zhì)量與第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.45,尤其是第二產(chǎn)業(yè)中的工業(yè),可見工業(yè)生產(chǎn)是河南省大氣污染的重要來源。相比之下,第一產(chǎn)業(yè)比重增加有利于空氣質(zhì)量的提高(Plt;0.05)。人口密度也是影響空氣質(zhì)量的重要因素(Plt;0.05),無論是居民生活排放還是出行需求無疑將對城市空氣質(zhì)量構(gòu)成巨大壓力。然而,單純將人口密度與空氣污染劃等號是不科學的,這與所處時期的生產(chǎn)力水平有關(guān)[10]。

表4 河南省城市AQI與社會經(jīng)濟因素的相關(guān)關(guān)系

注:**表示Plt;0.01；*表示Plt;0.05。

4 結(jié)論與討論

大氣污染是影響河南省可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸制約和潛在風險隱患,受到政府與學術(shù)界的高度關(guān)注。本文基于ArcGIS空間分析和SPSS相關(guān)分析技術(shù)對河南省空氣質(zhì)量的時空格局特征及其氣象—社會經(jīng)濟影響因素進行了研究,得出以下結(jié)論:①河南省城市空氣質(zhì)量狀況不容樂觀,年均AQI為114.41。各城市AQI均值基本遵循“春降秋升、冬高夏低”的變化特征。春季河南省城市空氣質(zhì)量分布呈現(xiàn)明顯的集聚態(tài)勢。焦作市、鄭州市AQI是高—高(H—H)型“熱點”的集中區(qū)域,被高值區(qū)域所包圍的低值區(qū)(L—H型)主要呈現(xiàn)在開封市。②河南省城市空氣質(zhì)量年平均達標天數(shù)占比為51.78%,輕度和中度污染占39.78%,重度及嚴重污染占8.45%,城市空氣質(zhì)量等級天數(shù)占比時空異質(zhì)性明顯。③顆粒污染是河南省所有城市空氣污染中出現(xiàn)最頻繁的首要污染物,但個別城市其他首要污染物仍需關(guān)注,且不同季節(jié)首要污染物出現(xiàn)頻次差異較大。④河南省城市空氣質(zhì)量時空分布與氣象要素密切相關(guān),各氣象要素的影響機制存在差異,其中氣壓對空氣質(zhì)量變化具有一定的正效應,溫度、降水量等其他氣象因子具有一定的負效應。民用汽車擁有量、建設施工以及第二產(chǎn)業(yè)尤其是工業(yè)等與空氣質(zhì)量指數(shù)存在一定的關(guān)聯(lián)性。這意味著在河南省城市空氣污染防治過程中,應綜合考慮氣象條件與社會經(jīng)濟因素,聯(lián)合防控、分類管理。

本文在一定程度上豐富了區(qū)域空氣質(zhì)量變化機理的認識,并為河南省因地制宜地制定大氣污染防控措施提供科學支撐。然而,大氣污染防治是一項系統(tǒng)工程,涉及方方面面,本文雖然指出河南省空氣質(zhì)量狀況存在區(qū)域集聚特征需加強區(qū)域污染聯(lián)防聯(lián)控，空氣質(zhì)量變化受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響需加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等重要舉措,但科學有效的創(chuàng)新機制與體制有待后期做進一步探討。此外,自然—社會經(jīng)濟等環(huán)境因素對空氣質(zhì)量的影響受地區(qū)發(fā)展階段與資源環(huán)境狀況的影響,不同時期環(huán)境要素對空氣質(zhì)量的影響方向和強度存在顯著差異,全面探討河南省城市空氣質(zhì)量時空演化規(guī)律及自然—社會經(jīng)濟驅(qū)動機制需要長期的數(shù)據(jù)積累和不斷的方法創(chuàng)新。

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Spatio-temporalVariationandItsDrivingForcesofAirQualityinHenanProvince

WANG Su-xiana,ZHANG Yong-linga,GUO Ling-huib
(Henan Polytechnic University a.Emergency Management School;
b.School of Surveying and Land Information Engineering,Jiaozuo 454000,China)

Air pollution was a serious problem imposing great challenges and threated to the sustainability of the society in Henan Province.Based on the air quality monitoring data in all 18 cities in Henan Province between March 2015 and February 2016,ground meteorological and social economy data,the spatio-temporal characteristics of air pollution were investigated at both annual and seasonal scales,and its driving factor was further quantified in Henan Province.The result showed that the total 18 cities in Henan Province appeared higher mean AQI values,with an obvious seasonal change characteristic and a significant spatial clustering pattern.There had a great heterogeneity in the number of non attainment day rate among different cities over different period, with the annual mean rate of 48.23% in the whole.PM2.5 was the largest contributor to the air pollution in cities based on the number of non attainment days,but the seasonal primary pollutant was still needed to focus on.With the respect to the driving forces of air quality variations,strong relationships were found between air quality and meteorological conditions or socio-economic factors.Decreasing wind speed,shortening sunshine time,reducing temperature,decreasing precipitation and rising air pressure,could promote the air pollution,while industrial production,number of vehicles,and construction area were found to be statistically significantly associated with air quality at the national scale.The results implied that both regional meteorological conditions and social economic factors should be taken into account in air pollution deductions and sustainable development.

air quality; spatio-temporal variations;driving forces;Henan Province

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.08.013

X823.1

A

1005-8141(2017)08-0963-06

2017-06-17；

2017-07-21

國家自然科學基金項目(編號:41601580);河南省軟科學項目(編號:162400410056);河南理工大學博士基金項目(編號:B2015-17)。

王素仙(1983-),女,河南省濟源人,碩士研究生,主要從事環(huán)境變化與風險管理研究。

張永領(lǐng)(1975-),男,山東省成武人,教授,主要從事災害與應急、資源與環(huán)境方面的研究工作。