基于地統(tǒng)計的長株潭大氣質(zhì)量分析

周宇氚 張羿祺

（武漢大學(xué) 湖北 武漢 430072）

引言

自改革開放以來，中國的經(jīng)濟建設(shè)取得了一系列令人矚目的成就。但是，經(jīng)濟發(fā)展的成功背后，隱藏了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。其中，空氣污染問題最為突出，每一次呼吸，每一次的空氣質(zhì)量是好還是壞，密切關(guān)系到人們的生命和健康。傳統(tǒng)的監(jiān)測站監(jiān)測方法主要思想是以站點所測的值代表一定區(qū)域范圍內(nèi)的值，這種方法在區(qū)域較大或者站點位置不合理的情況下誤差較大，所以需要在某一地點的到更為精確的值，需要通過內(nèi)插的方法將離散數(shù)據(jù)變?yōu)檫B續(xù)，這樣可以直觀的到地圖上每一點所對應(yīng)的空氣質(zhì)量值。

1 長株潭現(xiàn)狀分析

1.1 總體概況

近些年來，雖然政府及相關(guān)部門在努力治理一些大氣污染問題，并得到一些成效，但是，通過橫向?qū)Ρ龋?019年湖南省空氣質(zhì)量排名中，長株潭空氣指數(shù)則排在最后三名，可以發(fā)現(xiàn)仍然還存在許多問題和不足。通過與武漢城市圈對比，長株潭空氣質(zhì)量亦排名倒數(shù)[1]。

1.2 污染成分構(gòu)成

長沙、株洲、湘潭三市人口稠密，經(jīng)濟活動高度密集，耗油量大，產(chǎn)生大量的空氣可溶性膠體污染物（如粉塵、煙塵、懸浮粉塵）和有害氣體（如硫磺氣化、氫氧化物、光化學(xué)煙霧等），改變原有的區(qū)域大氣成分[2]。對目前長株潭地區(qū)的主要大氣污染物進行重點分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)氮氧化物、PM2.5等屬于大氣污染的主要污染源。

1.3 污染物變化趨勢

通過分析長株潭三個地區(qū)五年空氣質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，三市的大氣質(zhì)量呈鮮明的季節(jié)性變化，即冬春季高，夏秋季低。而污染物與季節(jié)也有著明確的相關(guān)性，冬季是大氣污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的典型污染季節(jié)，夏季是大氣污染物O3的典型污染季節(jié)[3]。

2 GIS方法分析監(jiān)測站配置

2.1 克里金插值

克里金法是一種基于變異函數(shù)理論的無偏插值，也是一種地統(tǒng)計方法，該方法基于包含自相關(guān)的統(tǒng)計函數(shù)模型，在描述空間自相關(guān)現(xiàn)象時往往會用到，比如大氣質(zhì)量的描述?？死锝鸩逯蛋业揭来嬉?guī)則和進行預(yù)測，對此需要經(jīng)歷兩步過程，即協(xié)方差函數(shù)和創(chuàng)建變異函數(shù)，估算取決于自相關(guān)模型的統(tǒng)計相關(guān)性值，再通過第一步的結(jié)果預(yù)測未知值。

Z(si)為第i個位置處的測量值，λi為第i個位置處的測量值的未知權(quán)重，S0為預(yù)測位置，N為測量值數(shù)，應(yīng)用克里金方法時，權(quán)重不僅取決于點要素之間的距離、位置，還取決于要素點的整體空間排列。而考慮到空間排列，需要空間自相關(guān)量化。因此，在普通克里金法中，權(quán)重λi需要用點要素距離、預(yù)測位置距離和預(yù)測位置周圍的測量值共同組成的擬合模型綜合計算[4]。

2.2 變異函數(shù)

變異函數(shù)的目的是擬合空間自相關(guān)模型，包含圓、球面、指數(shù)、高斯、線性等，而且模型會影響未知值的預(yù)測。原點處或接近原點處的曲線越陡，越接近原點的元素對預(yù)測的影響越大。因此，輸出曲面將更不平滑。所以每個模型都應(yīng)用于不同的現(xiàn)象。

2.3 結(jié)果分析

在ArcGIS中，有集成的克里金插值工具箱，預(yù)測輸入點是數(shù)據(jù)集二維分布點的Z值，默認(rèn)方法是普通克里金法，即一種預(yù)測平均值的方法[5]。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，長沙的10個站點，株洲的7個站點，湘潭的7個站點密集分布在三市接壤處，這樣密集布設(shè)站點不能把握長株潭三市空氣質(zhì)量全貌，應(yīng)分散布點，便于把握全貌。圖2表示克里金插值后的空氣質(zhì)量，對站點間的區(qū)域描述更為精準(zhǔn)，可以表達(dá)空氣質(zhì)量的連續(xù)性。

3 結(jié)論

長株潭地處湘匯谷地，靜風(fēng)頻率高，污染擴散弱，大氣質(zhì)量問題成為限制長株潭地區(qū)發(fā)展的重大因素。通過分析，長株潭地區(qū)空氣質(zhì)量站點的布置過于密集，對每個區(qū)縣的大氣質(zhì)量不能較好反映，而對于一些旅游業(yè)密集區(qū)，如果空氣質(zhì)量指數(shù)不能反映景區(qū)真實值，會對旅游業(yè)的發(fā)展造成負(fù)面影響?？死锝鸩逯祫t是對空氣質(zhì)量進行空間連續(xù)的表達(dá)，更好地反映了測站之間的空氣質(zhì)量。