荊州市空氣質(zhì)量特征與氣象因子關(guān)系研究

何亭亭，黃河，李方敏

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，空氣質(zhì)量問題變得越來越嚴(yán)重。導(dǎo)致空氣污染的原因有多種，其中各種污染源的排放是最主要的。除此以外，空氣污染還與氣象條件關(guān)系密切。有研究表明：氣象條件與大氣環(huán)境質(zhì)量具有顯著的相關(guān)性[1～7]，基于氣象因子的回歸模型可以預(yù)測PM2.5的濃度[8]。荊州市地處江漢平原腹地，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，從中國地形圖來看，江漢平原西側(cè)自北向南依次有武當(dāng)山、大巴山、巫山、武陵山、雪峰山等，東側(cè)自北向南依次有大別山、幕阜山、羅霄山嶺等，總體上東西兩側(cè)地勢高，南北地勢低。特殊的地形、地貌導(dǎo)致了江漢平原地區(qū)的風(fēng)向以偏南風(fēng)和偏北風(fēng)為主。截止到2016年底，荊州市常住人口569.79萬人，行政區(qū)域土地面積14067km2。自2013年以來，荊州市持續(xù)開展了以“三禁兩治”為主要內(nèi)容的環(huán)保專項行動，著力改善大氣環(huán)境質(zhì)量。但目前對荊州市空氣質(zhì)量的研究沒有從氣象的角度分析其對空氣質(zhì)量的影響。為此，本研究采用2017年荊州市逐日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和氣象因子數(shù)據(jù)，分析了氣象因子與大氣環(huán)境質(zhì)量之間的相關(guān)性，以期為荊州市的大氣污染控制提供參考。

1 資料與方法

2017年荊州市氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)，2017年荊州市空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(https: //www.aqistudy.cn)。運用SPSS 24軟件對荊州市氣象因子與空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性和回歸分析。時間尺度采用太陽直射點的移動來劃分夏半年和冬半年，即3月21日到9月23日為夏半年，其余時間為冬半年。

2 2017年荊州市空氣質(zhì)量概況

2.1 空氣質(zhì)量等級分布

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)，2017年荊州市空氣質(zhì)量等級為優(yōu)的時間有58d，占比16%；為良的時間最多，達(dá)210d，占比58%；輕度污染出現(xiàn)71d，占比19%；中度污染出現(xiàn)14d，占比4%；重度污染出現(xiàn)11d，嚴(yán)重污染出現(xiàn)1d，占比3%。

2.2 AQI月變化

為了研究污染天氣出現(xiàn)的時間，對2017年荊州市日均AQI大于200和大于100的時間分月進(jìn)行統(tǒng)計(圖1)。由圖1可知1月、2月、3月、5月、11月、12月6個月份的污染較重，4月、6月、7月、8月、9月、10月6個月份污染較輕，由此可知污染日主要出現(xiàn)在冬半年，夏半年整體空氣質(zhì)量狀況優(yōu)于冬半年。

圖1 2017年荊州市AQI月變化

2.3 主要污染物質(zhì)量濃度月變化

圖2為6種主要污染物質(zhì)量濃度月均值變化折線圖。比較圖1和圖2可知，其中PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO質(zhì)量濃度和AQI變化趨勢基本一致，都是夏半年數(shù)值小，冬半年數(shù)值大。只有O3質(zhì)量濃度與AQI的變化趨勢相反，夏半年大于冬半年，故單獨研究O3與氣象因子之間的相關(guān)性很有必要。

圖2 2017年荊州市主要污染物濃度月變化

3 空氣質(zhì)量與氣象因子的相關(guān)性和回歸分析

3.1 夏半年

相關(guān)性分析常用方法有皮爾遜相關(guān)性分析和斯皮爾曼相關(guān)性分析，皮爾遜相關(guān)性分析對變量要求比較高，必須為服從正態(tài)分布的連續(xù)性變量，而斯皮爾曼相關(guān)性分析適用的范圍更廣泛。在本研究中，2種方法計算結(jié)果差異不明顯，因此采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)作為參考。由表1可知，在夏半年荊州市AQI與日平均氣溫和日蒸發(fā)量無顯著性相關(guān)，與日平均風(fēng)速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)，與日平均氣壓和日照時數(shù)呈顯著性正相關(guān)。O3質(zhì)量濃度與日平均氣壓無顯著性相關(guān)，與日平均氣溫、日照時數(shù)和日蒸發(fā)量呈顯著性正相關(guān)，與日平均風(fēng)速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)。

表1 2017年夏半年荊州市空氣質(zhì)量與氣象因子的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)

注：**表示在 0.01水平下相關(guān)性顯著。*表示在0.05水平下相關(guān)性顯著。表3同。

根據(jù)表1的相關(guān)性分析，構(gòu)建AQI和O3質(zhì)量濃度與氣象因子的多元回歸方程，多次回歸比較得出如下最優(yōu)方程(表2)。AQI與日平均風(fēng)速和日平均相對濕度的回歸方程調(diào)整后R2為0.481，說明氣象因子對AQI的影響程度為48.1%。O3質(zhì)量濃度與日平均風(fēng)速、日照時數(shù)、和日平均相對濕度的回歸方程調(diào)整后R2為0.536，說明氣象因子對O3質(zhì)量濃度的影響程度為53.6%。2個回歸方程的t檢驗和F檢驗的P值都小于0.001，回歸系數(shù)和回歸方程顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表2 2017年夏半年荊州市空氣質(zhì)量與氣象因子的回歸方程

注：X2為日平均風(fēng)速，m/s；X5為日照時數(shù)，h；X6為日平均相對濕度，%。

將回歸方程進(jìn)行計算，擬合實測值，觀察回歸方程的擬合程度，由圖3和圖4可知，回歸方程的擬合值與實測值的變化趨勢大致一致，除去極值點外，能大致擬合。

圖3 夏半年AQI回歸擬合曲線

圖4 夏半年O3質(zhì)量濃度濃度回歸擬合曲線

3.2 冬半年

由表3可知，2017年荊州市冬半年AQI與日照時數(shù)和日蒸發(fā)量無顯著性相關(guān)，與日平均氣溫、日平均風(fēng)速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)，與日平均氣壓呈顯著性正相關(guān)。O3質(zhì)量濃度與日平均氣壓無顯著性相關(guān)，與日平均氣溫、日照時數(shù)和日蒸發(fā)量呈顯著性正相關(guān)，與日平均風(fēng)速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)。

表3 2017年冬半年荊州市空氣質(zhì)量與氣象因子的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)

由表4可知，AQI與日平均風(fēng)速和日平均相對濕度的回歸方程調(diào)整后R2為0.127，說明氣象因子對AQI的影響程度為12.7%。O3質(zhì)量濃度濃度與日平均氣溫和日照時數(shù)的回歸方程調(diào)整后R2為0.518，說明氣象因子對O3質(zhì)量濃度的影響程度為51.8%。2個回歸方程的t檢驗和F檢驗的P值都小于0.01，回歸系數(shù)和回歸方程顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表4 2017年冬半年荊州市空氣質(zhì)量與氣象因子的回歸方程

注：X1為日平均氣溫，℃；X2為日平均風(fēng)速，m/s；X5為日照時數(shù)，h；X6為日平均相對濕度，%。

比較圖5和圖6可知，O3質(zhì)量濃度比AQI的回歸擬合程度更好，夏半年的AQI回歸方程比冬半年的回歸擬合程度更好，夏半年AQI回歸方程調(diào)整后的R2遠(yuǎn)大于冬季，這說明冬半年空氣質(zhì)量狀況的惡化，還需從多個角度考慮。

圖5 冬半年AQI回歸擬合曲線

圖6 冬半年O3質(zhì)量濃度回歸擬合曲線

4 風(fēng)向?qū)諝赓|(zhì)量的影響

4.1 夏半年

根據(jù)風(fēng)向玫瑰圖(圖7)可知，夏半年的盛行風(fēng)向為東北偏北風(fēng)和南風(fēng)。為研究風(fēng)向與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系制作了圖8，圖8所示為各個方位風(fēng)向的AQI數(shù)值大于79出現(xiàn)的日數(shù)(d)，79是夏半年日均

圖7 夏半年風(fēng)向玫瑰圖圖8 各方位AQI>79的日數(shù)

AQI數(shù)值。大于平均AQI數(shù)值出現(xiàn)日數(shù)最多的風(fēng)向是東北偏北風(fēng)，其次是東南偏南風(fēng)，再是南風(fēng)。表明在盛行風(fēng)方向上，更容易出現(xiàn)AQI數(shù)值高于平均水平的現(xiàn)象，這說明荊州市的空氣質(zhì)量問題受周圍大氣環(huán)境質(zhì)量的影響程度大。

4.2 冬半年

由圖9可知，2017年冬半年荊州市的盛行風(fēng)向是東北偏東風(fēng)。冬半年AQI日均值是104，AQI數(shù)值大于均值出現(xiàn)日數(shù)最多的風(fēng)向方位是東北偏東風(fēng)(圖10)。再比較冬半年和夏半年盛行風(fēng)向的差異，表明冬半年荊州市空氣質(zhì)量差于夏半年，很大一部分程度是受來自東北偏北方向附近的風(fēng)的影響，冬半年來自北方的風(fēng)帶來了大量的大氣污染物，再加上近地面溫度低、氣壓高、空氣對流運動弱，污染物不易擴(kuò)散，造成了荊州市AQI數(shù)值大。

圖9 冬半年風(fēng)向玫瑰圖圖10 各方位AQI>104的日數(shù)

5 小結(jié)

1)2017年荊州市空氣質(zhì)量夏半年比冬半年好，污染天氣主要集中在冬半年，尤其是在冬季，要加強(qiáng)該季節(jié)的空氣質(zhì)量防治措施。

2)2017年荊州市空氣質(zhì)量指數(shù)與O3質(zhì)量濃度變化趨勢相反，AQI與日平均氣溫、日平均風(fēng)速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)，與日平均氣壓和日照時數(shù)呈顯著性正相關(guān)，與日蒸發(fā)量無顯著性相關(guān)。O3質(zhì)量濃度與日平均氣溫、日照時數(shù)和日蒸發(fā)量呈顯著性正相關(guān)，與日平均風(fēng)速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)，與日平均氣壓無顯著性相關(guān)。

3)2017年荊州市的盛行風(fēng)向是東北偏北風(fēng)和南風(fēng)，夏半年東北偏北風(fēng)和南風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)大致一致，冬半年主要受東北偏北風(fēng)方向的影響，冬半年空氣質(zhì)量比夏半年差，極有可能是受來自東北偏北方向的風(fēng)的影響，風(fēng)帶來的大氣污染物質(zhì)滯留在荊州上空，導(dǎo)致冬半年AQI數(shù)值大，易出現(xiàn)污染天氣。

4)分析各個方位所對應(yīng)的AQI大于均值日數(shù)，發(fā)現(xiàn)在盛行風(fēng)方位出現(xiàn)的日數(shù)最多，這說明荊州市的空氣質(zhì)量受風(fēng)向的影響大，受周邊城市的空氣質(zhì)量影響大，大氣環(huán)境的治理需要靠合作，荊州市的空氣質(zhì)量治理應(yīng)該聯(lián)合位于東北偏北方向和南方的城市，加強(qiáng)交流與溝通，分享治理大氣的技術(shù)與經(jīng)驗。