何錫禎

摘要：針對日益嚴重的城市大氣污染問題，提出遙感監(jiān)測下的城市主要大氣污染物環(huán)流聚類時空分布特征分析方法。確認區(qū)域監(jiān)測點數(shù)量，形成監(jiān)測網(wǎng)，分析各個區(qū)域城市主要大氣污染物的關(guān)聯(lián)性與相似性，聯(lián)合污染物對應(yīng)的因子荷載與遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)屬性信息，對主要大氣污染物展開環(huán)流聚類分析，獲得大氣污染物的時間分布特征和空間分布特征。實驗結(jié)果表明，以山東省為例，其大氣污染最為嚴重區(qū)域為魯西地區(qū)，空氣質(zhì)量最高區(qū)域為膠東半島；山東省大氣污染物在夏季的濃度值相對較低，在冬季的濃度值最高。

關(guān)鍵詞：遙感監(jiān)測；大氣污染；時間分布特征；空間分布特征

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A

前言

隨著城市化進程的加快，大氣污染成為嚴重制約城市可持續(xù)發(fā)展的問題之一。隨著經(jīng)濟水平的提高，工業(yè)廢氣排放和汽車尾氣等大氣污染物排放量逐漸增加，導(dǎo)致霧霾等大氣污染現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。因此，準確了解城市主要大氣污染物的時空分布特征對于科學(xué)揭示城市大氣環(huán)境質(zhì)量狀況、制定有效的治理措施以及保障居民健康具有重要意義。學(xué)術(shù)界已有大量的學(xué)者針對該問題進行了深入研究探討。

崔愛偉等通過便攜式空氣污染物檢測設(shè)備移動觀測大氣污染物，并分析了大氣污染物在不同時段與天氣狀況下的分布情況，引入Pearson相關(guān)性系數(shù)獲得不同氣象因子與城市主要大氣污染物濃度質(zhì)量之間存在的相關(guān)性。代園園等結(jié)合Spearman秩系數(shù)相關(guān)法與克里金插值法，在空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析污染物在空氣中的時空分布特征，并通過灰色關(guān)聯(lián)分析法分析大氣污染物受社會因素與自然因素的影響。

在以往優(yōu)秀研究成果的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合遙感監(jiān)測和環(huán)流聚類分析方法，提出一種全新的城市大氣污染物時空分布特征分析方法。該方法旨在深入探究城市主要大氣污染物的時空變化規(guī)律，揭示其不同區(qū)域的分布特征，并為制定更具針對性的大氣污染治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 時空分布特征分析方法

1.1 遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

山東省郊區(qū)的空氣質(zhì)量監(jiān)測點數(shù)量相對較少，通常設(shè)在城市。2005年后，地級市陸續(xù)建立監(jiān)測網(wǎng)，獲取污染物質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)。各城市監(jiān)測點數(shù)量分別為：聊城：4個監(jiān)測點；濟南：20個監(jiān)測點；德州：6個監(jiān)測點；淄博：12個監(jiān)測點；棗莊：6個監(jiān)測點；菏澤：8個監(jiān)測點；濱州：5個監(jiān)測點；濰坊：10個監(jiān)測點；臨沂：4個監(jiān)測點；濟寧：6個監(jiān)測點；泰安：6個監(jiān)測點。

表1中，引入遙感技術(shù)，集成各城市監(jiān)測點信息，獲得污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，與其他地區(qū)相比，山東省東部區(qū)域的AOI相對較低，魯西南和魯西北地區(qū)的AQI指數(shù)明顯高于魯中地區(qū)。并在ArcGis軟件中繪制山東省2021年-2022年的平均環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)分布圖，為后續(xù)的大氣污染物環(huán)流聚類時空分布特征分析提供數(shù)據(jù)支持。

山東省2021年-2022年的AQI指數(shù)在區(qū)間[60，130]內(nèi)，濰坊、泰安、日照、青島、煙臺和威海的AQI指數(shù)低于平均值，剩余城市的AQI指數(shù)均超出平均值。

為了準確分析大氣污染物在山東省各城市中的分布情況，將山東省劃分為以下五個區(qū)域：

（1）魯西區(qū)域：菏澤、聊城、德州；

（2）魯中區(qū)域：濟南、濰坊、萊蕪、淄博、泰安；

（3）魯北區(qū)域：東營、濱州；

（4）魯南區(qū)域：日照、臨沂、棗莊、濟南；

（5）膠東半島：威海、煙臺、青島。

據(jù)此確定山東省五個區(qū)域?qū)?yīng)的AOI指數(shù)，魯西區(qū)域為128、魯中區(qū)域為110、魯北區(qū)域為107、魯南區(qū)域為106及膠東半島為70。其中，山東省膠東半島地區(qū)的AQI指數(shù)最低，表明該地區(qū)的空氣質(zhì)量較高，魯西區(qū)域的AQI指數(shù)最高，表明該地區(qū)的空氣質(zhì)量最差。

1.2 環(huán)流聚類時空分布特征輸出

環(huán)流通常指某個區(qū)域內(nèi)空氣或水在不同高度或深度上的流動模式，其主要目的是對這些流動模式進行分類和分析，以便更好地理解環(huán)流結(jié)構(gòu)的時空變化特征。通過對環(huán)流場數(shù)據(jù)進行空間和時間上的聚類分析，找到不同區(qū)域內(nèi)環(huán)流特征的相似性和差異性，揭示環(huán)流系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，幫助更好地理解大氣或水體運動的特點，為氣候變化、天氣預(yù)測、環(huán)境保護等領(lǐng)域提供重要的研究依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

通過K-mean聚類方法，可以獲取污染物在各區(qū)域內(nèi)的特征，進而分析各個區(qū)域污染的關(guān)聯(lián)性與相似性，設(shè)置集合F=[x1，x2，…，xk]，該集合由n個數(shù)據(jù)對象構(gòu)成，劃分集合F，獲得K類的類簇集合H=[H1，H2，…，Hk]，設(shè)置誤差平方和SSE目標函數(shù)，衡量K-mean算法的聚類質(zhì)量，如式（1）：

式（2）中，|Hk|表示SSE（H）對應(yīng)的模。

雖然K-mean算法具有高效聚類的優(yōu)勢，但在污染物環(huán)流聚類時空分析過程中無法準確地確定k值，為此，通過改進赤池信息準則AIC確定k值，其分類結(jié)果與AIC之間存在一定的聯(lián)系，分類結(jié)果的準確率隨著AIC的減小而增大，如式（3）：

AIC=SSE（k）+2vkmk 式（3）

式（3）中，m表示數(shù)據(jù)對應(yīng)的維度，通過求解上式即可獲得最優(yōu)k值。

在研究大氣污染物時空分布特征時，涉及到2021年-2022年的污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，為了提高樣本的收斂性，提高數(shù)據(jù)分析效率，采用主成分分析方法回歸處理污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，環(huán)流聚類時空分布特征輸出結(jié)果為式（4）：

Gn=bn1A'1+bn2A'2+…+bnqA'q 式（4）

式（4）中，Gn表示降維處理后的污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)；bni表示污染物對應(yīng)的因子荷載；q表示分類結(jié)果與AIC對應(yīng)的數(shù)量；A'i表示污染物質(zhì)量濃度列向量。

2 分析結(jié)果與規(guī)律

山東空氣質(zhì)量隨著《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的實施得到了一定的改善，但目前存在部分城市空氣質(zhì)量下降現(xiàn)象，為了治理城市大氣污染問題，需要對大氣污染物的時空分布特征展開分析。

2.1 空間分布特征分析

PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3是城市主要大氣污染物，采用K-mean算法展開環(huán)流聚類分析，獲得主要大氣污染物的分布圖見圖1。

根據(jù)圖1可知，PM2.5和PM10在山東省的分布情況與AQI分布特征基本相符，通過分析大氣污染物空間分布發(fā)現(xiàn)，山東省大氣污染物濃度最高和最低區(qū)域分別為魯西地區(qū)與膠東半島。山東省大部分城市的SO2濃度分布較為均勻，魯中東部地區(qū)的SO2濃度最高。山東省內(nèi)只存在魯中地區(qū)這一個NO2高值區(qū)，其他地區(qū)的NO2濃度分布相差較小。魯北區(qū)域與魯中區(qū)域東北部的CO濃度要高于其他地區(qū)。分析O3的濃度分布情況可知，魯中東北部、魯北東部以及魯西北部的濃度相對較高，魯北西部和魯中中部地區(qū)的O3濃度較低。

通過整體分析發(fā)現(xiàn)，在膠東半島區(qū)域PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO的濃度均為全省較低值，CO、NO2和SO2濃度在魯中地區(qū)的東部偏高，綜上所述，O3、PM10和PM2.5是山東省大部分城市的主要大氣污染物。PM10是上述污染物中的濃度最高的，CO屬于濃度最低的污染物。對比各個城市的污染物濃度發(fā)現(xiàn)，威海的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO的濃度均是最低的，表明威海是山東省大氣污染程度最低的城市。

2.2 時間分布特征分析

2.2.1 污染物年際變化

山東省主要大氣污染物在2017年-2022年的平均濃度變化情況見圖2。

由圖2可知，NO2、SO2、O3和CO的年均濃度低于輕污染標準，SO2和CO濃度在整體年際變化中逐漸降低，由此可知，政府的大氣污染治理有所成效。NO2的年均濃度較為平穩(wěn)。O3是在一定氣象條件下由氮氧化物轉(zhuǎn)化形成的，該污染物也呈逐年下降趨勢，但下降幅度相對較小。2017年和2021年山東省的PM10濃度高于輕污染標準；與2021年相比，山東省2022年的PM2.5濃度相對較低，但兩年內(nèi)的濃度均高于輕污染標準。

2.2.2 污染物周變化

以山東省的濟南市為例，分析污染物在城市大氣中的周變化情況，分析結(jié)果見圖3。

由圖3可知，O3濃度峰值出現(xiàn)在周六，之后開始下降，SO2濃度、NO2濃度、CO濃度、PM10濃度和PM2.5濃度的周變化趨勢相同。通過上述分析可知，周六至周一濟南的大氣主要污染物濃度相對較高，污染濃度最輕的為周四。

2.2.3 污染物日變化

通過上述分析可知，山東省大氣污染物以PM2.5為主，分析PM2.5濃度在春、夏、秋、冬四個季節(jié)的日變化特征，見圖4。

分析圖4（a）可知，春季山東省大氣中的PM2.5濃度變化幅度較小，濃度最低的時段出現(xiàn)在下午的16時-18時，1時-12時的濃度相對較高。

由圖4（b）可知，夏季是山東省PM2.5濃度最低的季節(jié)，其中PM2.5濃度最高值出現(xiàn)在上午9點-10點，最低值出現(xiàn)在下午17點-18點，從上午9點開始，PM2.5濃度呈下降趨勢，一直到下午18點為止，PM2.5濃度從19點開始逐漸上升。

根據(jù)圖4（c）可知，秋季山東省PM2.5的濃度是全年第二高的，PM2.5濃度日均值在秋季的變化情況與夏季相似，存在兩個峰值，首個峰值出現(xiàn)在上午10點，持續(xù)時間相對較短，最后一個峰值出現(xiàn)在下午21點-22點，持續(xù)時間相對高于第一個峰值。

冬季是山東省大氣污染程度最高的季節(jié)，上午七點出現(xiàn)第一個濃度低值，下午17點-18點出現(xiàn)第二個濃度低值，兩個低值較為接近且持續(xù)時間短。

3 結(jié)束語

城市大氣污染問題隨著工業(yè)化水平的提高逐漸加劇，對此提出了遙感監(jiān)測下的城市主要大氣污染物環(huán)流聚類時空分布特征分析方法。通過結(jié)合遙感監(jiān)測技術(shù)和環(huán)流聚類分析方法，針對城市大氣污染物展開時空分布特征分析，能夠從更宏觀、全局的視角捕捉大氣污染物的時空分布情況，對傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法覆蓋的大范圍、精細化的大氣污染監(jiān)測問題提供了解決思路，并且更全面地揭示不同區(qū)域內(nèi)大氣污染物的濃度分布情況，為制定針對性的治理措施提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合污染物對應(yīng)的因子荷載與遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)屬性信息，能夠更準確地刻畫城市主要大氣污染物在時空上的變化特征，為深入了解大氣污染物的來源、傳輸和演化提供重要參考。