楊麗麗，楊燕萍，王莉娜，閉建榮，王 靜，李曉云

(1.蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院/半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730020；3.無錫中科光電技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214135)

1 引言

甘肅省東西長達(dá)1655 km，南北寬僅為530 km，海拔自西向東由3000 m逐漸降為800 m，河西地區(qū)以沙漠、戈壁為主，中部以黃土高原為主，甘南處于青藏高原東部，隴南屬于秦嶺西延部分。全省大部分地區(qū)干燥，年降水量自西北向東南逐漸增多[1]，且人口分布不均[2]，主要集聚于中東部。省內(nèi)各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展參差不齊[3]，蘭州、嘉峪關(guān)、酒泉、金昌經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對較好，定西、隴南、臨夏經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平落后。特殊的地理地貌、氣候以及經(jīng)濟(jì)分布特征，導(dǎo)致全省各地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量截然不同。

隨著我國近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣污染問題日益嚴(yán)峻，以可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)為典型污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出[4]，為此，2013年國家提出環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警工作。雖然空氣質(zhì)量預(yù)報取得了一定的成效，尤其對于京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)以及珠三角地區(qū)效果顯著，但對于我國西北地區(qū)，尤其甘肅省，由于開展工作較晚，而且最初的預(yù)報區(qū)域劃分屬人為劃分，缺少具體的科學(xué)理論依據(jù)。另外，很多實(shí)際應(yīng)用中的劃分區(qū)域均采用國家已有區(qū)域劃分，這些區(qū)域大都通過各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及地理分布特征進(jìn)行劃分，空氣質(zhì)量預(yù)報如果依此進(jìn)行區(qū)域預(yù)報，那么存在明顯的不合理性。所以根據(jù)污染特征對甘肅省空氣質(zhì)量預(yù)報進(jìn)行區(qū)域劃分，以提高空氣質(zhì)量預(yù)報準(zhǔn)確率勢在必行。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時發(fā)布平臺(http://106.37.208.233:20035/)，其數(shù)據(jù)來源于國控站點(diǎn)，包括甘肅省14個市州日均AQI值和首要污染物。

2.2 方法介紹

聚類是將一個數(shù)據(jù)集通過合理依據(jù)進(jìn)行類別劃分，使得同一類內(nèi)相似，不同類之間差異盡可能大[5]，其重要性在各個領(lǐng)域都得到了廣泛認(rèn)可。如通過聚類分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘[6]。為了發(fā)現(xiàn)深圳市交通規(guī)律，李強(qiáng)[7]利用深圳市交通系統(tǒng)，對交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析；為了提供重金屬污染治理決策依據(jù)，梁啟斌[8]以陽宗海不同湖岸湖濱濕地沉積物為研究對象, 運(yùn)用聚類分析和因子分析法對重金屬污染來源進(jìn)行識別；Dong D Y等[9]利用大氣污染指數(shù)，基于聚類分析方法，預(yù)測某地區(qū)未來幾年的空氣質(zhì)量。

本文利用甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值，通過聚類分析方法，將甘肅省14個市州進(jìn)行區(qū)域劃分；并通過分析各區(qū)域不同季節(jié)AQI值、首要污染物特征等多種數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說明劃分區(qū)域間的差異性。

3 結(jié)果與分析

3.1 聚類分析

通過系統(tǒng)聚類分析，對甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值進(jìn)行聚類分析，具體的聚類方法是平均聯(lián)接(組間)法，度量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間選擇平方Euclidean距離，聚類樹狀關(guān)系如圖1。從圖中可以看出甘肅省14個市州可分為四大區(qū)域，結(jié)合各市州行政分布圖(圖2)，分別命名為南部、中部、西部、東部。其中，南部區(qū)域包含甘南、隴南；中部區(qū)域包含蘭州、臨夏；西部區(qū)域包含嘉峪關(guān)、酒泉、張掖、金昌、武威、白銀；東部區(qū)域包含定西、天水、平?jīng)?、慶陽。且從圖2可以看出，同一區(qū)域內(nèi)城市均為相鄰城市，未出現(xiàn)間隔城市被劃分為同一區(qū)域的現(xiàn)象，從實(shí)際情況出發(fā)，這種劃分也是比較合理，便于空氣質(zhì)量預(yù)報。

圖1 聚類樹狀關(guān)系

圖2 聚類分析四大區(qū)域分布

3.2 綜合分析不同區(qū)域間的差異

為了進(jìn)一步說明不同區(qū)域間的差異性，分別從地理分布特征、AQI、首要污染物、重污染天數(shù)等方面進(jìn)行綜合分析(圖3)。

圖3是甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值。從時間尺度分析，各區(qū)域空氣質(zhì)量明顯隨季節(jié)變化。主要表現(xiàn)為冬、春季空氣質(zhì)量較差，優(yōu)良天數(shù)很少，這與北方城市冬季采暖以及春季易發(fā)生沙塵天氣相關(guān)；而夏、秋季空氣質(zhì)量明顯以優(yōu)良為主，一方面由于停止采暖，另一方面由于正值雨季，所以空氣質(zhì)量較好。從區(qū)域尺度分析，為了突出各區(qū)域空氣質(zhì)量差別，從下至上依次按照西部、中部、南部、東部區(qū)域分布，與系統(tǒng)聚類分析結(jié)果相對應(yīng)，同一區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量相似，但不同區(qū)域間空氣質(zhì)量差別較大。

圖3 各市州日均AQI值

圖4(a)是各區(qū)域不同季節(jié)AQI均值，與圖3日均AQI分布相對應(yīng)，對于西部區(qū)域而言，春季空氣質(zhì)量最差；中部區(qū)域空氣質(zhì)量最差，尤其冬季；東部區(qū)域冬季空氣質(zhì)量較差；南部區(qū)域空氣質(zhì)量最好，尤其秋季。為了提高空氣質(zhì)量預(yù)報效果，不僅需要了解各區(qū)域空氣質(zhì)量變化，還需要了解各區(qū)域空氣質(zhì)量變化是否穩(wěn)定。圖4(b)是各區(qū)域不同季節(jié)AQI方差，AQI方差值越大，說明空氣質(zhì)量變化越不穩(wěn)定，AQI方差值越小，說明空氣質(zhì)量變化越穩(wěn)定。從圖中可以看出，西部冬季空氣質(zhì)量較差，但空氣質(zhì)量變化較穩(wěn)定；中部秋季和冬季空氣質(zhì)量極不穩(wěn)定，空氣質(zhì)量預(yù)報具有一定難度；南部區(qū)域不僅空氣質(zhì)量最好，而且空氣質(zhì)量變化也最穩(wěn)定，所以空氣質(zhì)量預(yù)報相對較容易；東部區(qū)域秋季空氣質(zhì)量較好，但空氣質(zhì)量變化極不穩(wěn)定，而冬季與之相反，空氣質(zhì)量較差，但空氣質(zhì)量變化較穩(wěn)定，有利于空氣質(zhì)量預(yù)報。

圖4 (a)各區(qū)域不同季節(jié)AQI均值；(b)各區(qū)域不同季節(jié)AQI方差

空氣質(zhì)量預(yù)報不僅關(guān)注空氣質(zhì)量變化，還需關(guān)注首要污染物和重污染，研究各區(qū)域首要污染物特征，有利于提高各區(qū)域首要污染物的預(yù)報。圖5(a)是各區(qū)域2016年7月1日～2018年6月30日期間不同首要污染物出現(xiàn)天數(shù)的比例?？梢钥闯?，全省首要污染物主要為PM10、O3_8h、PM2.5、NO2，其中NO2主要出現(xiàn)在中部區(qū)域；另外，西部區(qū)域、中部區(qū)域首要污染物以PM10為主，其次為O3_8h，再次為PM2.5，尤其西部區(qū)域PM10為首要污染物出現(xiàn)的比例達(dá)到56%；南部區(qū)域首要污染物以O(shè)3_8h為主，其次為PM10，再次為PM2.5；東部區(qū)域PM10和O3_8h為主要首要污染物，比例分別為35%和38%，其次為PM2.5。

圖5 (a)各區(qū)域不同首要污染物出現(xiàn)天數(shù)比例；(b)各區(qū)域不同季節(jié)重污染天數(shù)

從圖5(b)各區(qū)域不同季節(jié)重污染(AQI≥200 d)出現(xiàn)的天數(shù)可以看出，各區(qū)域不同季節(jié)發(fā)生重污染的天數(shù)呈現(xiàn)顯著差異。結(jié)合圖4(a)，雖然中部區(qū)域空氣質(zhì)量最差，但重污染天數(shù)最多的區(qū)域是西部區(qū)域，且明顯多于其他區(qū)域，研究的730 d中有149 d為重污染，結(jié)合上述分析，主要是由于毗鄰沙漠地區(qū)，易發(fā)生沙塵天氣，從而引起重污染，尤其春季，受季風(fēng)影響，加之土壤解凍以及草木還未生長旺盛，更易發(fā)生沙塵天氣，出現(xiàn)重污染，所以西部春季最易發(fā)生重污染。其次出現(xiàn)重污染較多的是中部區(qū)域，重污染天數(shù)為55 d，主要出現(xiàn)在冬季，其次為春季。趙敬國[10]在蘭州大氣重污染成因分析中提出，蘭州市重污染主要為靜穩(wěn)型重污染，占重污染發(fā)生總天數(shù)的77%，且主要發(fā)生在冬季，究其原因，主要是蘭州市冬季風(fēng)速很小，以靜穩(wěn)為主，湍流擴(kuò)散很弱，不利于污染物擴(kuò)散；另外，沙塵型重污染也是造成蘭州市重污染天氣的原因之一，由于春季氣候干燥，相對濕度較低，所以主要發(fā)生在春季，但其持續(xù)時間較短。東部區(qū)域重污染天數(shù)較中部區(qū)域稍少一些，共有38 d發(fā)生重污染，主要發(fā)生在冬季和春季；南部區(qū)域不僅整體空氣質(zhì)量最好，重污染出現(xiàn)的天數(shù)亦最少，僅在冬季出現(xiàn)了3 d。

4 討論

分析甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值發(fā)現(xiàn)，從時間域尺度分析，各區(qū)域空氣質(zhì)量明顯隨季節(jié)變化，主要表現(xiàn)為冬、春季空氣質(zhì)量較差，優(yōu)良天數(shù)很少；而夏、秋季空氣質(zhì)量明顯以優(yōu)良為主。從區(qū)域尺度分析，同一區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量相似，不同區(qū)域間空氣質(zhì)量差別較大，南部區(qū)域不僅空氣質(zhì)量最好，而且空氣質(zhì)量變化也最穩(wěn)定，空氣質(zhì)量預(yù)報相對較容易；中部區(qū)域空氣質(zhì)量較差，秋季和冬季空氣質(zhì)量極不穩(wěn)定，空氣質(zhì)量預(yù)報具有一定難度；東部、西部區(qū)域空氣質(zhì)量介于中部、南部之間，西部冬季空氣質(zhì)量較差，但空氣質(zhì)量變化較穩(wěn)定；東部區(qū)域秋季空氣質(zhì)量較好，但空氣質(zhì)量變化極不穩(wěn)定，而冬季與之相反，空氣質(zhì)量較差，但空氣質(zhì)量變化較穩(wěn)定，有利于空氣質(zhì)量預(yù)報。

全省首要污染物主要為PM10、O3_8h、PM2.5、NO2。其中，西部區(qū)域、中部區(qū)域首要污染物以PM10為主，其次為O3_8h，再次為PM2.5；另外，在中部區(qū)域偶有NO2出現(xiàn)；南部區(qū)域首要污染物以O(shè)3_8h為主，其次為PM10，再次為PM2.5；東部區(qū)域PM10和O3_8h為主要首要污染物。

西部區(qū)域重污染天數(shù)明顯多于其他區(qū)域，且主要發(fā)生在春季；其次出現(xiàn)重污染較多的是中部區(qū)域，主要出現(xiàn)在冬季；東部區(qū)域重污染天數(shù)較中部區(qū)域稍少一些，主要發(fā)生在冬季和春季；南部區(qū)域重污染僅在冬季出現(xiàn)了3 d。

5 結(jié)論

本文利用甘肅省14個市州2016年7月1日～2018年6月30日的日均AQI值，通過聚類分析方法，將甘肅省14個市州進(jìn)行區(qū)域劃分；為了進(jìn)一步說明劃分區(qū)域間的差異，分別對各區(qū)域不同季節(jié)AQI值、首要污染物特征和重污染天氣等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

通過系統(tǒng)聚類分析法將甘肅省14個市州可分為四大區(qū)域，南部區(qū)域包含甘南、隴南；中部區(qū)域包含蘭州、臨夏；西部區(qū)域包含嘉峪關(guān)、酒泉、張掖、金昌、武威、白銀；東部區(qū)域包含定西、天水、平?jīng)?、慶陽。