GIS監(jiān)控技術(shù)下城市持續(xù)性空氣污染時(shí)空分布特征研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0139-05

中圖分類號：X511文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Analysis on Spatiotemporal Distribution Characteristics of Urban Persistent Air Pollution under GIS Monitoring Technology

Cao Shuai，Peng Ge，XinSixing

（Municipal Ecologyand Environment Bureau of Beijing，Beijing1O15OO，China）

Abstract：Thecomplexterrainandbuildingswithinthecityaectairfow，esultinginunevendistributionandspatiotemporalra bilityofpoltants，hichincreasstedificultyffeatureaalysisereforemetdforalyngtespatiotemporalstion characteristicsofurbanpersistentairpolutionasedonGSmoitoringtchnologispropoedBysetingupmoitoringpointstocollect airpolltantconcentrationdatathissudconstructedannvironmentalqualityindexodelbasedonthenviromentalqualityading standardsItproosdgioalairalitysessmntidcatorstouantiftoncentratioofoltantsdtquantityfaiulate materintheairasedoevaluationindcators，tespatialandtmporaldistrbutioncaracteisicsofurbnairutioneained Throughexperiments，itisowntattheairpolltionconcentrationintesudyareaiselativelylowfromJunetoAugustndigh fromNovembertoDecember.Intermsofspace，theairpolutionconcentrationinthecentralareaofthecityishigherthanthatinthe surrounding areas.

Keywords：geographicinformationsystem；urbanairpolution；timedistribution；spatialdistribution；airqualityevaluatior

前言

城市空氣污染問題日益嚴(yán)重，對居民健康和生態(tài)環(huán)境造成了影響[1]?？諝馕廴具€會(huì)對植被造成損害，影響城市綠化和生態(tài)平衡[2]。然而，城市內(nèi)部的地形包括山丘、河流、湖泊等自然特征，以及高樓大廈、橋梁、隧道等人工建筑。這些地形和建筑物會(huì)改變空氣流動(dòng)的模式，形成局部風(fēng)場、渦流和死角，影響污染物的擴(kuò)散和分布，并呈現(xiàn)出非均勻性和時(shí)空變異性，導(dǎo)致不同的時(shí)間和地點(diǎn)，污染物的濃度會(huì)有顯著差異[3]。因此，對城市持續(xù)性空氣污染分布特征的相關(guān)分析尤為重要。

文獻(xiàn)[4]通過監(jiān)測TVOC及其組成，揭示了不同地理位置和環(huán)境條件下VOCs的分布特征和差異性，但監(jiān)測站點(diǎn)分布不均影響代表性。文獻(xiàn)[5]利用城市多源遙感數(shù)據(jù)分析污染物時(shí)空變化，通過相關(guān)系數(shù)法研究氣溶膠光學(xué)厚度與 PM_2.5 的關(guān)系，但未考慮天氣和地形導(dǎo)致模型不確定性。文獻(xiàn)[6]使用全域和局域莫蘭指數(shù)分析大氣污染指數(shù)及時(shí)空分布，局部最小二乘法解析影響因子，但對數(shù)據(jù)噪聲和異常值敏感。文獻(xiàn)[7]結(jié)合R語言和ArcGIS技術(shù)，研究空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)空分布及影響因子，探索大氣顆粒物與臭氧的協(xié)同關(guān)系。

為明確空氣污染的時(shí)空分布特征，提出了GIS監(jiān)控技術(shù)下城市持續(xù)性空氣污染時(shí)空分布特征分析。

1 GIS監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)

城市內(nèi)部的地形和建筑物會(huì)顯著影響空氣流動(dòng)，包括風(fēng)速、風(fēng)向和湍流等。這些因素會(huì)影響污染物的擴(kuò)散路徑和速度，導(dǎo)致污染物在城市內(nèi)部的分布不均勻。GIS監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)可以捕捉這些復(fù)雜的空間變化，通過在不同地形和建筑物環(huán)境中設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，可以更準(zhǔn)確地測量和記錄污染物的分布情況。

以市作為研究對象，該市西北高，東南低，西、北、東北三面環(huán)山，東南平原地帶，地勢平緩，朝向渤海方向傾斜。境內(nèi)有永定河、潮白河、北運(yùn)河、拒馬河等水系，大多發(fā)源于西北山區(qū)，穿山而過，向東南方向遷回，穿過平原，最終流入渤海。市行政區(qū)域面積16410平方公里，轄16個(gè)縣，常住人口多，屬暖溫性、半濕半干性季風(fēng)氣候，夏多雨熱，冬寒干爽，春秋短促，是一種典型的季節(jié)性氣候。這種氣候條件使得的四季分明，各有特色。

為了解市空氣主要污染物的時(shí)空分布特征，采用GIS在線監(jiān)測平臺(tái)為基礎(chǔ)，獲取連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該市進(jìn)行多點(diǎn)、全時(shí)間序列的監(jiān)測。系統(tǒng)包含29個(gè)自動(dòng)空氣污染物監(jiān)測站，能夠?qū)Υ髿庵械拇髿忸w粒物 PM_2.5 、氣體污染物 50₂、0₃ 和 NO₃ 四種主要污染物進(jìn)行監(jiān)測。每個(gè)監(jiān)測站中的GIS可以每日在0－23時(shí)連續(xù)采集空氣數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)以1小時(shí)的平均值作為監(jiān)測時(shí)間節(jié)點(diǎn)?；贕IS的監(jiān)測點(diǎn)位分布圖見圖1。

2空氣污染評估指標(biāo)設(shè)置

評估指標(biāo)是城市空氣污染環(huán)境評估工作的核心[8]，直接影響到評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，大氣環(huán)境質(zhì)量評估模型主要有三種：空氣環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)模型、空氣環(huán)境分類聚類模型和空氣環(huán)境影響解析模型。在這三種模式中，指標(biāo)模型以簡單的形式，易于與地理信息系統(tǒng)相融合而成。采用加權(quán)平均方法[9]，設(shè)置空氣環(huán)境質(zhì)量綜合指標(biāo) I

式（1）中， ω_i 是第 i 個(gè)大氣污染物濃度因子的權(quán)重值； C_i 是第 i 個(gè)大氣污染物濃度的實(shí)際測量值； C_0i 是第 i 個(gè)大氣污染物濃度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值一般參考市環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)見表1。

權(quán)重是大氣污染物中某一因子在全部因子中所占的比例，是對大氣污染物評估因子的關(guān)注程度。采用加權(quán)唯一法，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測到的大氣污染物評價(jià)因子濃度含量低于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，則說明它的重要性不大;反之，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)超出某一標(biāo)準(zhǔn)，則該數(shù)據(jù)在評估中的重要性也相應(yīng)提高。權(quán)重計(jì)算具體公式為式（2）：

式（2）中， ω_i^k 是第 i 個(gè)大氣污染物濃度評價(jià)因子在 k 區(qū)域內(nèi)的原始權(quán)重值； C_i^k 是第 i 個(gè)大氣污染物濃度在 k 區(qū)域內(nèi)的實(shí)際測量值； 是第 i 個(gè)大氣污染物濃度的平均數(shù)值； C_ij 是第 i 個(gè)大氣污染物濃度在j級上的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

3市空氣污染時(shí)空分布特征

3.1污染物時(shí)間分布特征

由29個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位中隨機(jī)抽取一監(jiān)測點(diǎn)位，通過對該點(diǎn)位2019年－2023年五年期間 PM_2.5?SO₂?O₃ 和 NO₃ 四種污染物濃度的變化量進(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計(jì)。并以2020年季節(jié)和月份為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，根據(jù)表1環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)展開分析，得到空氣污染物的時(shí)間分布特征見圖2。

通過圖2（a）能看出，在2019年，可以看出監(jiān)測點(diǎn) SO₂、 "NO₃ 污染物濃度含量達(dá)到三級污染， 0₃ 和PM_2.5 的污染物濃度含量達(dá)到四級污染，總體空氣質(zhì)量較差;2020年時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，監(jiān)測點(diǎn) 0₃ 和 PM_2.5 濃度降低至三級污染；2021年期間，監(jiān)測點(diǎn)SO₂ 和 PM_2.5 污染物濃度含量降低到二級污染， 0₃ 和 NO₃ 污染物濃度含量依然維持三級污染；2022年，監(jiān)測點(diǎn) 0₃ 和 NO₃ 污染物濃度含量降至二級污染， PM_2.5 污染物濃度含量降到一級污染；2023年，監(jiān)測點(diǎn)空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)秀狀態(tài)，除 S0₂ 污染物濃度含量依舊在二級污染，但其余三種污染物濃度都降低到了一級輕度污染。綜上說明，監(jiān)測點(diǎn)的空氣污染質(zhì)量在一點(diǎn)點(diǎn)好轉(zhuǎn)。

通過圖2（b）可以看出，監(jiān)測點(diǎn)在春季時(shí)的空氣污染物濃度最高，是因?yàn)榇杭撅L(fēng)沙天氣較多，對城市空氣質(zhì)量有不利影響；夏季空氣污染物濃度最低，是由于夏季降雨量多，污染物比較容易沉淀，空氣質(zhì)量相對較好。

從圖2（c）-（d）可以看出，1-2月份空氣污染濃度較高，此階段的空氣質(zhì)量較低;3－4月份的空氣污染濃度有小幅度升高，濃度升高一直持續(xù)到5月份；6-8月份的空氣污染濃度呈下降趨勢，且是一年之中濃度最低的三個(gè)月，該階段的城市空氣質(zhì)量明顯提高;9-12月份的空氣污染濃度又呈現(xiàn)了上升趨勢，空氣質(zhì)量下降。

3.2污染物空間分布特征

基于GIS系統(tǒng)結(jié)合29個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的空氣污染物數(shù)據(jù)，根據(jù)空氣污染濃度綜合指標(biāo)計(jì)算式（1）得到市持續(xù)空氣污染的空間分布特征，見圖3。

圖3（a）空氣污染物濃度較高的區(qū)域，集中于城區(qū)中心，呈現(xiàn)重度污染狀態(tài)，占全域的 70% 左右；城區(qū)北部處于較重污染；由城區(qū)中心向南方向，空氣污染物濃度降低，空氣質(zhì)量提高，西南部為輕度污染，東南部顯示為中度污染。

圖3（b）結(jié)果中，相比2019年的空間分布特征，2020年的重度污染區(qū)域面積縮小，占全域的 50% 左右，依然集中于城中心區(qū)域；南部和北部區(qū)域空氣質(zhì)量提高，表現(xiàn)為輕度污染。整體市區(qū)環(huán)境污染情況有所好轉(zhuǎn)。

圖3（c）中城中心區(qū)域的空氣污染濃度仍然較高，維持重度污染狀態(tài)，但重度污染區(qū)域面積明顯變小;北部和東南部空氣質(zhì)量提高至一級輕度污染；其余區(qū)域基本保持在中度和較重污染。

通過圖3（d）可以看出，除城區(qū)東部有一小部分區(qū)域呈現(xiàn)四級重度污染狀態(tài)，城區(qū)西部區(qū)域呈現(xiàn)三級較重污染，其余區(qū)域的污染物濃度都有所下降，空氣質(zhì)量相應(yīng)提高。

圖3（e）相對于2019年-2022年，僅剩余東部較小面積區(qū)域呈現(xiàn)三級較重污染，城區(qū)超過 80% 的面積都呈現(xiàn)一級輕度污染和二級中度污染，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。

4結(jié)束語

文章提出了一種基于GIS監(jiān)控技術(shù)的城市空氣污染時(shí)空分布特征分析方法，通過GIS監(jiān)控技術(shù)，對城市持續(xù)性空氣污染的時(shí)空分布特征進(jìn)行了深入分析。該方法通過布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位采集空氣污染物濃度數(shù)據(jù)，構(gòu)建環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)模型，輸出空氣質(zhì)量評估指標(biāo)，量化污染物濃度和顆粒物數(shù)量，揭示了城市空氣污染的時(shí)空變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，6月－8月空氣污染濃度較低，11月-12月濃度較高；空間上，城市中心區(qū)域污染濃度高于周邊區(qū)域。這些發(fā)現(xiàn)有助于預(yù)測和評估空氣污染對人類健康的影響，為采取有效的防護(hù)措施提供了科學(xué)依據(jù)。此外，研究還揭示了城區(qū)空氣污染物濃度在時(shí)間上的季節(jié)變化，對理解城市空氣污染問題、提升空氣質(zhì)量監(jiān)測與預(yù)警能力具有重要意義。

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