湖南城市學院 曠舒俊

一、前言

長沙市在實施城市化和工業(yè)化戰(zhàn)略的過程當中，由于城市建設改造和交通的因素，粉塵以及機動車尾氣污染日漸突出，導致空氣污染問題越發(fā)嚴重。本研究以長沙市2015-2019年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象資料為基礎，針對該市的空氣質(zhì)量指數(shù)進行時空分布特征分析以及研究空氣質(zhì)量指數(shù)與溫度、氣壓等氣象因子的關系，可為全面了解長沙市環(huán)境空氣質(zhì)量、科學有效控制大氣污染提供科學依據(jù)。

專家學者對大氣環(huán)境污染問題投入了足夠多的關注，并且取得了一些重要的進展，例如：黃瓊中對拉薩市的空氣質(zhì)量特征與地理位置等的關系進行了研究，得出拉薩市由于受到高原地區(qū)近地風場的影響，雨季則由于雨水的沖刷以及沙塵不易進入空氣中所以污染較輕，拉薩市月降雨量與月降塵量為負相關關系等結(jié)論[1]。

二、研究區(qū)概況

本文選取位于 28°8′7″N-28°11′30″N 的長沙市城區(qū)為研究區(qū)。芙蓉區(qū)處在城區(qū)的東部地區(qū),蘊含豐富的水資源，擁有較為平緩的地勢。天心區(qū)地勢南北低，中部高，東西稍有傾斜，西部較為平坦，中部為丘陵。岳麓區(qū)多數(shù)地區(qū)的海拔在60m至80m,地形與其他4個地區(qū)相比起伏較大，相對高度為333m。開福區(qū)位于長沙市北部，總面積為188km2，地形由東南向西北逐漸傾斜。雨花區(qū)位于長沙市東南部，總占地面積115.17km2。

三、數(shù)據(jù)來源與研究方法

（一）數(shù)據(jù)來源

空氣質(zhì)量指數(shù)是考慮PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3六種主要空氣污染物后，定量表示空氣質(zhì)量狀態(tài)的無量綱指數(shù)。對空氣質(zhì)量指數(shù)的定義是每種污染物的空氣質(zhì)量評價指數(shù)的最大值。

從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）平臺上下載2015-2019年長沙市氣象數(shù)據(jù)（逐月的平均氣溫、平均氣壓等）資料，2015-2019年長沙市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)（AQI逐日值、六大污染物24小時濃度均值）以及長沙市城區(qū)9個監(jiān)測站點的逐小時AQI值來源于網(wǎng)址(https://quotsoft.net/air/)上的數(shù)據(jù)文件。

（二）研究方法

1.反距離權重插值法

反距離權重空間插值法也稱為距離倒數(shù)乘方法，其核心思想是加權平均目標點與已知采樣點之間距離倒數(shù)的權重值。待研究點區(qū)域的位置越接近于已知的監(jiān)測點，給其賦予的權重就會越大，其空氣質(zhì)量指數(shù)就越接近監(jiān)測點的已知觀測值。

2.皮爾森相關系數(shù)法

皮爾森相關系數(shù)反映了兩變量之間的線性相關的程度。rc說明了兩變量間的線性相關性強弱的程度情況,若rc的絕對值越大則說明了變量間的相關性越強，反之則越弱。

四、長沙市AQI時空變化特征分析

分別從年度、季節(jié)、月度這三個時間尺度對2015-2019年長沙市AQI的空間分布特征進行研究分析。

（一）年度變化特征

2015-2019年長沙市AQI的年度變化特征曲線如圖1所示。由圖可以看出2015-2019年平均AQI值分別為87、83、85、76、83，在這五年當中AQI均值整體波動比較小，在2018年出現(xiàn)了明顯低值。出現(xiàn)這一情況的原因是一些治理措施的出臺和實施，加大了工業(yè)企業(yè)廢氣、揚塵、機動車尾氣的污染治理力度，對全市的空氣質(zhì)量改善起了一定的作用。

2015年長沙市城區(qū)北部空氣質(zhì)量相比其它地區(qū)更好，中部和西南部地區(qū)污染比較嚴重。2018年整體空氣質(zhì)量狀況佳，空氣質(zhì)量稍差的地區(qū)集中分布在長沙市城中部的小部分地區(qū)。2019年長沙市城區(qū)北部和中南部地區(qū)空氣質(zhì)量狀況最好，其余區(qū)域較為良好。

（二）季節(jié)變化特征

通過計算得到這五年四個季節(jié)的AQI平均值分別為72.87、66.87、82.13、109.6，由此可知長沙市春、夏季空氣質(zhì)量較好，秋、冬季空氣質(zhì)量較差。在這五年當中春、秋季AQI均值整體處于波動狀態(tài)，沒有呈現(xiàn)出明顯趨勢。

2015-2019年長沙市AQI季節(jié)均值的空間分布情況如圖2所示。由圖可知，夏季長沙市城區(qū)中心和西南部小部分地區(qū)相比于其它地區(qū)空氣質(zhì)量稍差，整體空氣質(zhì)量較好。冬季長沙市城區(qū)整體空氣質(zhì)量差，東部地區(qū)空氣污染最嚴重，北部、西北部以及中部的雨花區(qū)環(huán)保局地區(qū)空氣污染最小。

圖2 2015-2019年長沙市AQI均值季節(jié)變化

（三）月度變化特征

2015-2019年長沙市AQI月均值變化趨勢如圖3所示。從此圖可以看出長沙市3、4月份AQI均值在這五年中一直處于波動狀態(tài)。入秋9月份從2015年到2018年AQI均值基本在逐漸降低，在2019年出現(xiàn)嚴重的空氣污染。整體來說6月空氣質(zhì)量為全年最好，1月為全年空氣質(zhì)量最差的月份。

圖3 2015-2019年長沙市AQI月均值變化

長沙市城區(qū)AQI的空間分布月變化特征如圖1所示，從圖中可以看出長沙市城區(qū)全年7月份空氣質(zhì)量最佳，1月份空氣質(zhì)量最差。北部沙坪地區(qū)維持在一個穩(wěn)定的良好狀態(tài)，中部火車新站附近地區(qū)的空氣質(zhì)量均處在最差水平。

五、氣象條件對空氣質(zhì)量的影響

（一）AQI與氣象因子的關系

氣象因素對空氣質(zhì)量起著至關重要的影響，故選取2015-2019年長沙市逐月的平均氣溫、平均氣壓等資料與同期的AQI數(shù)據(jù)按年進行皮爾森相關性分析后得到的結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出AQI與平均氣壓呈顯著正相關關系。由于底層空氣輻合上升，即近地面的污染物隨空氣垂直上升至高空，可加速地面污染物向高空擴散，從而降低大氣污染程度[2]。與平均氣溫呈顯著負相關關系，造成這一現(xiàn)象的原因可能為：近地層空氣溫度越高，大氣對流活動越強，空氣層結(jié)越不穩(wěn)定、污染物濃度越低越有利于擴散稀釋，空氣質(zhì)量越好。AQI與其它四個因子某一年呈現(xiàn)出顯著相關性的這一情況可能是偶然因素所導致。

表1 AQI與氣象因子的皮爾森相關系數(shù)

（二）污染物與氣象因子（除風向）的關系

為了更深入探究空氣質(zhì)量與氣象因子的關系，故選取2015-2019年長沙市逐月的平均氣溫、平均氣壓等資料與同期的污染物濃度數(shù)據(jù)在季節(jié)尺度上進行皮爾森相關性分析后得到的結(jié)果如表2所示。

表2 污染物濃度與氣象因子的皮爾森相關系數(shù)

以O3為例，由表可知，O3濃度在夏季與降水量呈現(xiàn)出顯著正相關關系，與平均氣壓在春、秋、冬季有顯著負相關。O3濃度在四個季節(jié)中均與平均氣溫顯著正相關，這可能是因為氣溫升高促進了光化學反應的進行，使O3濃度升高。在四個季節(jié)都與平均相對濕度呈現(xiàn)出明顯負相關關系。

六、污染物與風向的關系

計算出2015-2019年四季各風向下的污染物濃度均值并統(tǒng)計各污染物最高濃度值所對應的風向，關于PM2.5結(jié)果如表3所示。由表可以看出，2015年四個季節(jié)PM2.5濃度均值最高的風向分別是東北風、南風、東南風、西風。各污染物濃度均值最高時的風向偶爾呈現(xiàn)某一個季節(jié)在兩年或三年一致的情況，但從總體來看并沒有呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的特性，故得到長沙市的風向偶然性比較大，所以沒有對空氣質(zhì)量構(gòu)成明顯的影響的結(jié)論。

表3 對污染物濃度影響最大的風向

七、結(jié)論

（1）2015-2019年長沙市AQI年度變化波動小，有明顯的季節(jié)變化特征，各季節(jié)AQI排名為：冬季>秋季>春季>夏季。月度變化特征表現(xiàn)為6月在全年中空氣質(zhì)量最好，1月空氣質(zhì)量最差。在空間上，長沙市城區(qū)2015-2019年AQI值整體上呈現(xiàn)“北低中高”的特點。

（2）AQI與平均氣壓和平均氣溫有較強的相關性。

（3）污染物濃度與氣象因子（除風向）的相關性受季節(jié)因素影響較大，長沙市的風向偶然性比較大，所以沒有對空氣質(zhì)量構(gòu)成明顯的影響。