西雙版納州AQI指數(shù)與氣象條件的關(guān)系及其預(yù)測(cè)研究

高婷婷

摘要 基于2020年3月—2021年3月西雙版納州景洪市逐日空氣質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，主要分析大氣污染物及AQI指數(shù)與各氣象因子、火源點(diǎn)的相關(guān)性，找出主要影響因子，通過建模得出最佳AQI指數(shù)氣象預(yù)報(bào)模型。得出結(jié)論：（1）西雙版納西邊及南邊的境外火點(diǎn)對(duì)西雙版納AQI指數(shù)影響最大;（2）與日照時(shí)數(shù)、水汽壓、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、降水呈顯著負(fù)相關(guān);與高空500 hPa風(fēng)向風(fēng)速、700 hPa風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，風(fēng)向越偏西，AQI指數(shù)越大;（3）4個(gè)回歸模型中有序回歸模型預(yù)報(bào)方程擬合程度最好，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)83.56%。

關(guān)鍵詞 大氣污染;相關(guān)性分析;境外火點(diǎn);有序回歸模型;AQI預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：X831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）04–0100–03

西雙版納傣族自治州位于云南省最南端，地處北緯21°10' N～22°40' N，99°55' E～101°50' E。全州東西橫跨190 km，南北縱貫160 km，面積約2萬km2。北面與普洱市相連，西南與緬甸接壤，東南與老撾毗鄰，國(guó)境線長(zhǎng)966.3 km。西雙版納有中國(guó)唯一的熱帶雨林自然保護(hù)區(qū)，是國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)、國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)、聯(lián)合國(guó)生物多樣性保護(hù)圈成員，植物種類占全國(guó)的1/6，動(dòng)物種類占全國(guó)的1/4，森林覆蓋率達(dá)80.8%，是全國(guó)生態(tài)環(huán)境最為優(yōu)質(zhì)的地區(qū)之一[1]。

但受中南半島地區(qū)耕作方式及森林火災(zāi)等影響，每年2—4月有大量大氣污染物（以碳氧化物和PM2.5為主）向西雙版納地區(qū)及周邊區(qū)域輸送，加之受局地小氣候特征影響，大氣污染物易于在西雙版納地區(qū)堆積，在缺少降水沉降作用時(shí)，污染物難以擴(kuò)散，導(dǎo)致西雙版納州在此時(shí)段內(nèi)的空氣質(zhì)量出現(xiàn)明顯下降[2-3]。

本文主要研究西雙版納州地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量時(shí)空變化規(guī)律，探究地面氣象要素、大氣環(huán)流特征以及境內(nèi)外衛(wèi)星熱源點(diǎn)（燒荒和森林火災(zāi)）等因素對(duì)西雙版納州空氣質(zhì)量變化的影響[4-5]，研究衛(wèi)星遙感對(duì)西雙版納州及周邊區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，建立西雙版納州環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型。

1 資料選取與方法介紹

1.1 資料選取

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)是2020年3月1日—2021年3月25日逐日連續(xù)數(shù)據(jù)，來源于生態(tài)環(huán)境局，包括AQI、O3、PM2.5、PM10、SO2、CO以及NO2;逐日氣象資料數(shù)據(jù)來源于景洪站，包括氣溫、降水、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度等;高空資料數(shù)據(jù)來源于思茅站，包括500 hPa、700 hPa、850 hPa高度的風(fēng)速風(fēng)向;衛(wèi)星遙感火點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于Satsee-file Npp。

1.2 方法介紹

1.2.1 火源區(qū)域劃分 為探究境外火點(diǎn)對(duì)西雙版納州大氣環(huán)境的影響，選取區(qū)域?yàn)?7°E～104.8°E、19.5°N～22.5°N的火源點(diǎn)數(shù)據(jù)，將火源點(diǎn)劃分為15個(gè)區(qū)域來源，其中100°E～101.8°E，21.5° N～22.5°N為西雙版納州地區(qū)（表1）。

1.2.2 模型選取 采用有多元線性回歸模型、有序回歸模型、加權(quán)回歸模型和最小二乘法回歸模型分別進(jìn)行建模和對(duì)比分析。

2 AI指數(shù)與氣象因子相關(guān)分析

由相關(guān)性分析可知，AQI指數(shù)與火點(diǎn)呈顯著正相關(guān)，且區(qū)域7、8、10相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.7以上，也就是西雙版納西邊和南邊的火點(diǎn)影響最大;與日照時(shí)數(shù)、水汽壓、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、降水呈顯著負(fù)相關(guān);與高空500 hPa風(fēng)向風(fēng)速、700 hPa風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，風(fēng)向越偏西，AQI指數(shù)越大（圖1）。

3 模型建立

3.1 主成分分析

對(duì)有顯著相關(guān)的地面氣象因子進(jìn)行主成分分析，特征根λ1=2.564，特征根λ2=1.448，前兩個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)80.238%。這表明前兩個(gè)主成分能夠代表地面氣象因子，故提取前兩個(gè)指標(biāo)即可。主成分分別記作F1、F2。計(jì)算出兩個(gè)特征根對(duì)應(yīng)的特征向量，即各主要成分解析表達(dá)式中的標(biāo)準(zhǔn)化變量的系數(shù)向量。故各因子解析表達(dá)式為：

f1=0.363x1+0.198x2+0.371x3+0.061x4-0.279x5

f2=0.014x1+0.226x2+0.101x3+0.651x4+0.454x5

主成分因子得分計(jì)算公式為：

3.2 建模

自變量為F1、F2、境外火點(diǎn)、500 hPa風(fēng)速、500 hPa風(fēng)向、700 hPa風(fēng)速，因變量AQI，建立多個(gè)模型，進(jìn)行誤差分析，選擇最優(yōu)模型。

多元回歸模型：

AQI=36.759-6.013F2-5.555F1 +0.006x1+0.526x2

其中：x1為境外火源，x2為700 hPa風(fēng)速。

有序回歸模型：

V=1.070x1-1.995x2-1.418x3-0.230x4+0.382x5+0.358x6

其中：x1～x6分別是境外火源、F1、F2、500 hPa風(fēng)向、500 hPa風(fēng)速、700 hPa風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，V是閾值，根據(jù)閾值判斷AQI指數(shù)預(yù)測(cè)值。

加權(quán)回歸模型：

AQI=37.428+0.006x1-5.534F1-3.451F2+0.005x2+0.091x3+0.585x4

其中：x1為境外火源，x2為500 hPa風(fēng)向，x3為500 hPa風(fēng)速，x4為700 hPa風(fēng)速。

最小二乘法回歸模型：

AQI=36.833+0.006x1-5.534F1-5.307F2+0.007x2+0.225x3+0.398x4

其中：x1為境外火源，x2為500 hPa風(fēng)向，x3為500 hPa風(fēng)速，x4為700 hPa風(fēng)速。

4個(gè)模型中，R2均大于0.5，其中有序回歸模型R2為0.736，擬合程度最好（表2）。

4 誤差分析

AQI等級(jí)劃分為6個(gè)級(jí)別（表3）。

根據(jù)預(yù)報(bào)的等級(jí)進(jìn)行誤差分析，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，報(bào)準(zhǔn)記為1，報(bào)錯(cuò)記為0。多元回歸模型預(yù)報(bào)誤差為6.01%，有序回歸1.58%，加權(quán)回歸16.66%，最小二乘法回歸5.81%;多元回歸模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確頻率為81.33%，有序回歸83.56%，加權(quán)回歸83.11%，最小二乘法回歸81.33%。經(jīng)對(duì)比分析，有序回歸模型擬合度最好（圖2～圖3）。

5 結(jié)論與討論

（1）境外火點(diǎn)對(duì)西雙版納AQI指數(shù)影響很大，尤其是西雙版納西部和南部的火點(diǎn)燃燒，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7以上。

（2）AQI指數(shù)與日照時(shí)數(shù)、水汽壓、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、降水呈顯著負(fù)相關(guān);與高空500 hPa風(fēng)向風(fēng)速、700 hPa風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，風(fēng)向越偏西，AQI指數(shù)越大。

（3）建立AQI指數(shù)預(yù)報(bào)方程：

V=1.070x1-1.995x2-1.418x3-0.230x4+0.382x5+0.358x6

其中：x1～x6分別是境外火源、F1、F2、500 hPa風(fēng)向、500 hPa風(fēng)速、700 hPa風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，V是閾值，根據(jù)閾值判斷AQI指數(shù)預(yù)測(cè)值，可有效地進(jìn)行AQI的氣象預(yù)報(bào)。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：黃艷飛