中國城市空氣污染指數的區(qū)域分布特征?

高會旺，陳金玲，陳 靜

（中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東青島266100）

中國城市空氣污染指數的區(qū)域分布特征?

高會旺，陳金玲，陳 靜

（中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東青島266100）

隨著霾天氣的大范圍出現，空氣污染已成為中國最受關注的區(qū)域性環(huán)境問題。本文主要基于中國73個城市近5年（2007年6月5日～2012年6月4日）的空氣污染指數（API），利用聚類分析和趨勢分析等方法，研究了中國城市空氣污染的區(qū)域分布和季節(jié)變化特征，討論了天氣現象對空氣污染指數區(qū)域分布的影響。研究表明：（1）根據空氣污染指數，中國73個城市可分為6個類群，分別是東北城市群、華北城市群、山東城市群、中西部城市群、華中和東南沿海城市群以及華南城市群；（2）與前期研究相比，降雨依然是影響API時空分布的主要因素，頻繁發(fā)生的霾天氣也成為API變化的重要原因；（3）當API≥100時，霾、沙塵和煙幕等天氣現象對API空間分布的影響存在城市群間差異；（4）趨勢分析表明，北方大部分城市的API呈降低趨勢，而南方約50%城市的API呈上升趨勢，PM2.5～10的濃度變化可能是造成這種變化趨勢的主要原因。

城市空氣質量；空氣污染指數；系統(tǒng)聚類；趨勢分析；區(qū)域分布

空氣污染指數（Air Pollution Index，API）是根據常規(guī)監(jiān)測的PM10、SO2、NO23種大氣污染物的濃度，并參照環(huán)境空氣質量標準計算出來的概念性指數，用以分級表征空氣污染程度，并對人們的日常生活提供警示［1-2］。國外早在1970年代就利用污染指數（Pollution Standard Index，PSI）開展空氣污染的相關研究［3-4］。中國對空氣污染指數的研究始于二十世紀末［5-7］，從2013年開始，空氣質量指數（Air Quality Index，AQI）逐步取代了API，以反映我國空氣污染物的種類變化和環(huán)境空氣質量新標準。

迄今為止，中國關于城市空氣污染指數的研究大體可以分為3方面：（1）空氣污染指數預測方法探索［8-9］和數值模擬方法的改進［10-11］，發(fā)展了我國環(huán)境空氣質量的預測模型；（2）空氣污染指數時間序列變化特征及其影響因素分析［12-13］，證實了城市API具有顯著的季節(jié)變化和年際變化特征，影響因素包括地形地勢、天氣條件、人類活動和經濟水平等；（3）某些區(qū)域（個別研究包括了全國主要城市）空氣污染指數的時空變化特征及主要影響因子，例如Chen等［14］研究顯示，天氣系統(tǒng)的轉變對中國北方城市空氣污染指數的變化有顯著影響；Qu等［15］和Gao等［16］研究表明，秦嶺至淮河一線為我國城市空氣污染指數空間分布的南北方分界，反映了降雨在空氣污染區(qū)域分布中的重要作用。

已有研究表明，中國大部分城市空氣污染指數在天氣條件和人為因素的影響下呈現出明顯的時空變化特征，但這些研究的對象多為單一城市或多個分散城市，個別研究也包括了某些局部地區(qū)城市群，但對全國范圍內重點城市空氣污染指數的系統(tǒng)研究則較少，在時間上也沒有包括最近幾年的觀測數據，因此無法反映全國廣大地區(qū)空氣質量的整體變化和時間演變趨勢。

眾所周知，中國目前的空氣污染形勢在不斷發(fā)生變化，因此利用最新數據開展研究就顯得十分必要，它可以更好地認識環(huán)境空氣質量的現狀及治理措施的實際效果，也為區(qū)域乃至全國空氣污染控制政策的制定和實施提供科學參考。

本研究基于中國73個重點城市近5年（2007年6月5日～2012年6月4日）的API日值資料，著重分析近年來中國城市API的時空分布特征和天氣現象（雨、雪、霾、沙塵和煙幕）對API區(qū)域分布和季節(jié)變化的影響，并與Gao等［16］的研究結果（2004年6月5日～2007年6月4日，后文稱前3年）做比較，以揭示近年來空氣污染指數趨勢的變化。

1 數據來源和分析方法

空氣污染指數的資料來源于國家環(huán)境保護部官方網站（http：／／datacenter.mep.gov.cn／report／air_daily／air_dairy.jsp），從2007年6月5日～2012年6月4日，共5年的時間序列資料，該資料為API日值。Gao等［16］曾利用3年的API資料（2004年6月5日～2007年6月4日）研究了中國空氣污染的分區(qū)。在其研究中，考慮到所選城市的代表性及能夠提供API數值的西部城市較少等原因，最終選擇了73個城市進行分析，為便于比較，本文也選取這73個城市進行研究。國家環(huán)境保護部網站提供的73個城市5年的API數據共有133 118個，缺失率為0.19%。對缺失的API數據采取鄰近時間點平均的方法填補，即選取缺失值前后各2天的4個數據做幾何平均后對缺失值進行填補，填補后的完整數據共有133 371個。地面氣象數據，包括天氣現象和降水量等由中國氣象局提供（China Meteorological Administration，CMA）。其中天氣現象包括降雨、降雪、沙塵、霾和煙幕，需從中國氣象局提供的地面氣象記錄代碼中識別。在73個城市中，有10個城市沒有對應的氣象數據或數據不完整，本研究中選取與其相近城市氣象站的數據作為替代，被替代城市和相近城市氣象站的伙伴關系分別是：撫順-大伙房、平頂山-郟縣、湖州-溧陽市、濟寧-兗州市、棗莊-市中區(qū)、張家界-桑植縣、連云港-贛榆縣、揚州-高郵市、紹興-嵊州市和珠海-澳門北區(qū)，其中珠海的替代城市澳門北區(qū)氣象站沒有日降水量數據。此外，仍有泉州、德陽和鎮(zhèn)江等3個城市氣象站無數據，其周邊也無替代氣象站數據可用，在天氣因素對API的影響分析中，剔除了這3個城市。

運用系統(tǒng)聚類分析法對城市API進行空間分布研究，以皮爾遜系數作為判斷各城市間API差異程度的度量標準［16］，進而將73個城市分為不同的城市群。在研究天氣現象對API空間分布影響時，本文采用空間分布相似度法。以A和B表示2個不同的API數據集，定義空間分布相似度，用以反映A和B 2個API數據集空間分布（聚類結果）一致性水平：

其中：Ac為數據集A相對于數據集B空間分布發(fā)生變化（不在同一類群）的城市個數；Bt為城市總數。

采用XLSTAT（http：／／www.xlstat.com／en／）工具中的Mann-kendall檢驗方法［17-18］對各城市API上升或下降的趨勢進行顯著性檢驗，零假設是API無上升或下降趨勢。

2 結果與討論

2.1城市API的空間分布和天氣現象的影響

基于聚類分析結果，73個城市被分為6個城市群，分別是東北城市群、華北城市群、山東城市群、中西部城市群、華中和東南沿海城市群以及華南城市群（見圖1）。Gao等［16］根據2004年6月5日～2007年6月4日的API資料，將73個重點城市分為7個城市群，分別為東北城市群、華北和中部城市群、山東城市群、華中和長江三角洲城市群、東南沿海和南方內陸城市群、西南城市群和華南沿海城市群，且廣西柳州與湖南常德2個城市因分別單獨歸類，在空間分布分析中沒有被考慮。與此相比，本研究中城市群的數量減少了1個，且柳州和常德分別歸屬于華南城市群以及華中和東南沿海城市群。東北和山東城市群幾乎沒有變化（僅牡丹江由東北城市群被歸到中西部城市群中），但其他城市群均發(fā)生了較為明顯的變化。華南城市群增加了3個內陸城市（柳州、桂林和韶關），華中多數城市、長江三角洲區(qū)域和東南沿海城市連城一片，被歸并為1個城市群，使得南方的成群個數由4減少到3，西南城市與中部的陜西和河南的城市被歸到一個城市群中，構成了中西部城市群，華北城市群被單獨列為1個群（見表1）。

圖2（a）顯示了前3年城市群API及天氣現象信息。天氣現象在不同城市群的分布明顯不同。東北城市單獨組成一個城市群，其沙塵天數低于北方其他城市群，煙幕天和降雪天數都高于全國其他城市群。華北和中部城市群的API均值明顯高于其他城市群，且API標準差系數（變異系數，反映API的波動強弱）最大，這主要與沙塵天數多和降水量少有關。相對于北方的其他2個城市群，山東城市群因其降雨量較多而被歸為1個城市群。西南地區(qū)降雨天數最多，但降雨量是南方城市群中最少的，除了污染物排放因素之外，這也可能是導致該城市群API高于南方其他城市群的原因。東南沿海和華南內陸城市群的降雨量最高，華南沿海城市群降雨量次之，因此這些城市被分成2個城市群。相對于南方其他3個城市群，華中和長江三角洲降雨量較低、降雨天數少，因此被歸為1個城市群。

圖1 2007年6月5日～2012年6月4日全國73個城市聚類圖Fig.1 Distributions of city clusters in China from June 5，2007 to June 4，2012

表1 2004～2007年與2007～2012年城市類群比較Table 1 Comparison within the city clusters between 2004～2007 and 2007～2012

圖2（b）顯示了近5年城市群API及天氣現象信息。城市群API的均值總體上呈現北方高于南方、內陸高于沿海的分布，這與全國污染天數的分布一致（見2.2節(jié)），且與降水量有明顯的負相關［16］。除降水量外，其他天氣現象也呈現出空間差異的分布特征。東北和華北煙幕天數最多，主要是由于每年幾個月到半年的供暖季，北方燃煤排放大量的煙塵對環(huán)境空氣造成了污染。華北城市群的沙塵天數明顯高于其他城市群，沙塵天氣的事件性暴發(fā)特征導致了華北城市群API的標準差系數最高。華北、長江三角洲（屬于華中和東南沿海城市群）和珠江三角洲（屬于華南城市群）是霾污染頻發(fā)的地區(qū)［19］。嚴重的霾污染可能是導致華北城市群由華北和中部城市群中獨立出來的原因之一。南方霾天數比例明顯高于北方，但API明顯低于北方，這意味著南方API的高低并不能準確反映霾污染的發(fā)生與否（詳見2.2節(jié)），這也正是中國發(fā)布和即將實施新的環(huán)境空氣質量標準的原因。降雪主要集中在北方，東北城市群降雪天數最多，其次是山東城市群，華北城市群和中西部城市群降雪天數相近。

上述分析表明，天氣現象呈現出空間分布特征，并對全國城市群空間歸類產生影響。本文假設如果超過10%的城市在同一天發(fā)生了同一種天氣現象，就認為這一天氣現象可能會影響城市API的空間分布。將發(fā)生該天氣現象時所有城市的API作為新數據集并進行聚類分析，獲得新的城市群分類結果。研究發(fā)現，利用新數據集得到的城市群數量與利用整體API數據集的分類結果基本一致，僅降雨天API聚類結果得到的城市群數量比整體多1個，東南沿海城市群從華中和東南沿海城市群中分離出來。為了便于比較，在降雨天的城市API聚類中，將華中和東南沿海城市群合并，使城市群數量為6，與整體數據集的聚類數量一致。根據不同天氣現象建立的新的API數據集為A，比較新數據集的聚類結果與整體數據集（B）的聚類結果，得到發(fā)生變化的城市數，進一步計算得到降雨天、霾天、降雪天、沙塵天和煙幕天數據集與整體數據集的空間分布相似度分別為97.1%、95.7%、81.4%、80.0%和81.4%（見表2）。

圖2 各城市群API均值及天氣現象天數Fig.2 API values and days with different weathers in city clusters

降雨天的API與整體API空間分布的相似度最高，這與已有研究結果相一致，證實了降雨對城市API空間分布的重要作用［15-16］。霾天的API與整體API空間分布相似度超過了95%，持續(xù)性、大面積的霾污染可能是決定城市API空間分布的主要原因之一，因此霾污染的影響不容忽視［19-21］。降雪、煙幕和沙塵天的API與整體API空間分布相似度相近，約為80%。與整體API的城市聚類相比，華北城市群的城市在降雨、霾和降雪天API的聚類中基本沒有發(fā)生變化，主要在沙塵天API的聚類中發(fā)生了變化，表明沙塵對華北城市群空間分布變化的影響較強，這與華北城市群沙塵天最多的現象是一致的。中西部城市群以及華中和東南沿海城市群的變化主要集中在降雪天、沙塵天和煙幕天，在降雨和霾天基本沒有發(fā)生變化，表明降雨和霾天對該城市群空間分布變化的影響相對較弱。

降雨、降雪、沙塵和煙幕等不僅有空間分布差異，同時也是季節(jié)性天氣現象，因此，城市群空間分布可能受到季節(jié)性天氣的影響。春季是沙塵頻發(fā)的季節(jié)，夏季降雨最多，冬季降雪和煙幕天相對較多，秋季沒有明顯的季節(jié)性天氣變化（見圖3）。分別以5年不同季節(jié)的API數據集為B，以不同季節(jié)中不同天氣現象下的API數據集為A，計算得到近5年春季沙塵、夏季降雨、冬季降雪和煙幕天API數據集相對于各季節(jié)API數據集的空間相似度，分別為85.7%、94.3%、67.1%和84.3%。這意味著夏季城市空間分布主要受到降雨的影響，沙塵對春季城市空間分布的影響較重，冬季城市空間分布主要受到煙幕的影響，降雪的影響相對較輕。霾天在全年的發(fā)生頻率都較高，其中在秋末到次年冬末（從10月到次年2月）相對最高，可能對四季尤其是秋季和冬季的城市API空間分布變化會有明顯影響。

2.2各城市群污染類型及API變化趨勢

根據API的分級標準，API值≥100時為污染天，表示環(huán)境空氣受到了不同程度的污染，可能會在某種程度上影響人體健康［16］。圖4顯示，近5年全國污染天經常出現在冬季和春季，且內陸城市污染天數比沿海城市多，低緯度沿海城市污染天數比高緯度多，與Gao等［16］對前3年城市污染天數分布的研究結果相一致，說明近年來北方城市與南方城市、內陸城市與沿海城市的空氣質量仍有明顯的差別。全國城市群中，東北城市群中煙幕為主要污染天氣類型，煙幕天占污染天的比例為32.9%。華中和東南沿海城市群以及華南城市群中霾為主要污染天氣類型，霾天占污染天的比例最高，分別為32.3%和41%。在2010年3月1日以前，山東城市群中煙幕天是主要污染天氣類型，煙幕天占污染天的比例是19.4%，遠高于霾天的比例；但在2010年3月以后，煙幕污染減輕，霾污染加重，霾成為主要的污染天氣類型。華北城市群的污染天氣類型較為復雜，煙幕和霾對城市群污染有重要影響，污染天中煙幕和霾天的比例都超過20%。中西部城市群霾污染比例相對較高，是主要污染天氣類型，但煙幕天占污染天的比例也達到6%左右，表明煙幕對城市群空氣污染也會產生影響。沙塵天在華北城市群和山東城市群出現次數較多，其次是東北城市群、中西部城市群以及華中和東南沿海城市群，且出現時間多為春季。2008年5月，沙塵天氣暴發(fā)造成了東北、山東、華北以及華中和東南沿海4個城市群API的顯著升高；2009年4月的沙塵天氣也對山東、華北以及華中和東南沿海3個城市群的API產生了影響；2010年3月和2011年4月的沙塵天氣對除華南城市群以外的全國5個城市群的API造成了不同程度的影響，是近5年最嚴重且影響范圍最廣的兩次［22-23］。相比霾和煙幕污染，沙塵天氣的出現常造成更高的API值。

表2 2007年6月5日～2012年6月4日不同天氣現象下的城市群分布Table2 DistributionsofcityclustersunderdifferentweathersduringJune5，2007andJune4，2012

圖3 2007年6月5日～2012年6月4日73個城市每月天氣現象天數Fig.3 The weather days in different month from June 5，2007 to June 4，2012 for 73 cities in China

Mann-kendall檢驗結果顯示，73個城市中，約15%城市的API無上升或下降趨勢，而85%城市的API呈現出了上升或下降趨勢，約68%的城市通過了趨勢顯著性檢驗，趨勢變化明顯（見表3）。東北城市群的API呈現出下降趨勢；山東、華北和中西部城市群多數城市API也呈現出下降趨勢，僅有約26%的城市API有上升趨勢；在華中和東南沿海以及華南城市群，有50%的城市API表現出上升趨勢，僅有約35%的城市API呈現下降趨勢。

圖5顯示了近5年6個城市群春、夏、秋、冬4個季節(jié)API均值的年變化情況。東北城市群，春季API在2008～2010年呈明顯下降趨勢，但2011年又出現明顯升高，這主要與2011年4月爆發(fā)的大范圍的強沙塵天氣有關（見圖4），而2009和2010年沙塵天氣對東北城市群影響較小；夏季和冬季API均呈現明顯下降趨勢，秋季變化不大，因此近5年東北城市群API總體呈下降趨勢。山東城市群，夏、秋和冬三季API都是先升高后下降，這可能與2010年以后煙幕污染的減輕有關。華北城市群API以2008年夏季為分界點，總體上呈現下降趨勢。中西部城市群，春季API受到春季沙塵的影響在2010年出現高峰，夏季API呈現下降趨勢。華中和東南沿海城市群，春季受沙塵的影響導致了2010和2011年API的升高，其他3個季節(jié)API沒有明顯的趨勢變化。華南城市群除冬季以外，其他3個季節(jié)API都有明顯升高趨勢。從全國來看，春季API呈現先升高后降低的變化，沙塵起到了至關重要的作用，夏季API從2008年開始降低，與東北、華北和中西部的夏季API變化趨勢有關，秋季和冬季API沒有明顯的趨勢變化。

圖4 污染天（API≥100）各城市群API值Fig.4 Daily API in polluted days（API≥100）in each city cluster

表3 2007～2012年API變化趨勢Mann-kendall顯著性檢驗結果Table 3 The Mann-kendall test results for the API trends during 2007～2012

圖5 2007—2012年各城市群API季節(jié)均值的變化趨勢Fig.5 Trends of seasonal average（SAVG）of API in each city cluster from 2007 to 2012

前文分析表明，近年來我國城市霾污染加重，也成為影響城市API空間分布的重要因素，但趨勢檢驗顯示，部分城市API在時間變化上出現了下降趨勢（如北京等），這可能與PM2.5～10（粗顆粒物）濃度的降低有關。在90%以上的情況下，PM10是首要污染物［15］，它包含了PM2.5（細顆粒物）和PM2.5～10。已有研究表明，霾污染天氣下，細顆粒物濃度明顯增加，此時PM2.5與PM10的質量濃度比就會增高［22］，但近年來的治理措施使粗顆粒污染不斷減輕［23］，雖然PM2.5濃度有所升高，但PM2.5～10降低的幅度可能更大，從而造成了PM10濃度的下降，也表現為API的下降趨勢。因此這也可解釋雖然北京霾天氣有明顯的增加，但其API卻呈下降趨勢。在中國空氣污染轉型的背景下，以PM10為首要污染物計算得到的API將無法準確表征空氣污染的實際情況。因此，中國國家環(huán)境保護部已于2013年1月發(fā)布了新的指數——空氣質量指數（AQI），用來指示空氣質量情況，并將對大氣能見度和人體健康有明顯影響的細顆粒物PM2.5納入常規(guī)污染物監(jiān)測中。

3 結語

2007～2012 年與2004～2007年相比，全國城市API空間分布具有一致性，但也呈現出明顯變化，城市群數量從7個合并為6個。除東北城市群和山東城市群沒有變化外，華北城市單獨成為1個群，中部陜西與河南城市從北方城市群中分離出來，與西南城市歸并為中西部城市群，華中多數城市、長江三角洲和東南沿海城市合并為華中和東南沿海城市群，華南內陸城市與華南沿海城市共同組成華南城市群。

降雨、降雪、霾、沙塵和煙幕等天氣現象的空間分布呈現出城市群間差異性，能夠在一定程度上解釋城市群聚類的變化。降雨和霾對城市API空間分布的影響最顯著，降雪、沙塵和煙幕的影響次之。煙幕污染是東北城市群的主要污染天氣類型；華中和東南沿海城市群、華南城市群、中西部城市群均以霾為主要污染天氣類型；2007～2012年山東城市群主要污染天氣類型為煙幕，其后轉為霾。煙幕和霾均對華北城市群API有較大影響。沙塵天氣影響范圍較廣，且能產生顯著高于霾和煙幕天的API高值。

近5年，北方大部分城市API呈現下降趨勢，而南方50%的城市API有上升趨勢。從季節(jié)分布看，全國范圍內夏季API呈現下降趨勢。天氣現象也可導致城市群API的季節(jié)性增加，如2010年春季暴發(fā)的強沙塵天氣，導致了東北、中西部以及華中和東南沿海城市群春季API的明顯升高。

需要指出的是，除了受天氣現象影響外，排放源也是決定城市群空間分布的主要因素，這在上述沙塵、霾、煙幕等能夠反應排放特征的天氣現象的分析中也反應了這一點，但因缺少具有一定空間分辨率和時間分辨率的排放數據，目前尚無法討論排放源對空氣污染區(qū)域分布的影響。另外，城市API的空間分布除了受天氣現象影響外，大氣環(huán)流、溫度、氣壓系統(tǒng)等過程和要素顯然也是重要的影響因素，將在今后的工作中予以考慮。

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Regional Distributions of Air Pollution lndex in Major Cities of China

GAO Hui-Wang，CHEN Jin-Ling，CHEN Jing
（The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

With the frequent occurrence of haze in wide areas，air pollution becomes one of the most notable environmental problems in China.Based on the data of Air Pollution Index（API）from 73 cities of China in recent 5 years（from 5 June 2007 to 4 June 2012），a regional distribution of APIand its seasonal variations are studied by using cluster analysis and trend analysis.The impacts of different weather phenomena（i.e.haze，dust，rain，snow and smoke）on API clusters are also discussed.It is shown that：（1）73 cities are divided into 6 clusters，and they are northeast city cluster，North China city cluster，Shandong city cluster，Middle and west city cluster，Central China and southeast coast city cluster and south China city cluster.（2）Compared with the previous studies（2004～2007），rainfall seemed to be the major factor to control the spatial and temporal distribution of API，and haze seemed to play a significant role.In addition，dust and smoke also have obvious impacts.（3）While API≥100，the effects of haze，dust and smoke on the spatial distribution of API are different in city clusters.（4）Based on trend analysis，API is descending in most of the northern cities，but ascending in 50%of the southern cities in China.This research may provide scientific reference for the study of Air Quality Index in the future，which had become the index to indicate statues of air pollution instead of API since 2013 in China.

urban air quality；air pollution index；cluster analysis；trend analysis；regional distribution

X131.1

A

1672-5174（2014）10-025-10

責任編輯 龐 旻

國家自然科學基金項目（41176099；41305087）資助

2014-09-10；

2014-09-24

高會旺（1960-），男，教授，博導。E-mail：hwgao＠ouc.edu.cn