基于GIS的武漢市AQI時空分布規律研究

詹長根，吳 藝，韋淑貞，涂李蕾

（1.武漢大學 資源與環境科學學院, 湖北 武漢 430079）

基于GIS的武漢市AQI時空分布規律研究

詹長根1，吳 藝1，韋淑貞1，涂李蕾1

（1.武漢大學 資源與環境科學學院, 湖北 武漢 430079）

以武漢市2013-01-01～2013-06-30期間的10個環境空氣質量自動監測站的AQI監測數據為基礎，運用GIS空間分析工具，采用反距離加權插值法（IDW）獲得武漢市各月AQI空間分布圖。并將AQI監測數據與監測站其他6項空氣污染物監測指標數據進行相關性分析。結果表明，2013年上半年武漢市AQI具有明顯的時空分布特征，1～6月AQI總體呈逐漸下降趨勢，中心城區AQI高值面積逐漸縮小，北部AQI高于南部地區。各項污染指標對于AQI的相關程度依次是PM2．5、CO、SO2、NO2、PM10、O3。

AQI；反距離加權插值法；時空分布；相關性分析

2013年上半年武漢市城區環境空氣質量優良率為38．1%，其中9 d優，60 d良、55 d輕度污染、25 d中度污染、26 d重度污染，6 d嚴重污染[1]。空氣質量指數（air quality index，AQI）是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數[2]，可以反映某一地區某一時間段的空氣質量水平。AQI的數值越大、級別越高，說明空氣質量環境越差，指數越小，級別越低，空氣質量環境越好。

GIS是一個用于管理、分析和顯示地理信息的系統，包含一整套用于處理和表達地理數據的綜合工具[3]。反距離加權插值法在研究區域性環境污染物質空間分布方面具有很好的應用[4,5]，可應用于對武漢市空氣質量時空分布進行定量研究。本文首先運用GIS9．3軟件IDW空間插值工具，獲得武漢市AQI時空分布圖，然后在此基礎上探討武漢市上半年AQI時空分布規律并分析其原因，最后將AQI與其他6個空氣污染物監測指標進行相關性分析并對武漢市空氣污染防治提出相關建議。文章利用GIS空間插值及可視化手段，直觀反映武漢市AQI時空分布現象，通過對武漢市AQI時空分布規律及其影響因素的研究，為武漢市空氣污染防治與保護提供更詳細的科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區域及數據來源

武漢市位于長江與漢江交匯處，是全國重要的重工業基地、科教基地和綜合交通樞紐，也是湖北省省會。武漢市地處北緯29°58′～31°22′，東經113°41′～115°，現有13個轄區，其中江岸區、江漢區、硚口區、漢陽區、武昌區、洪山區、青山區7個為中心城區，東西湖區、蔡甸區、江夏區、黃陂區、新洲區、漢南區6個為新城區。在中國經濟地理圈內，武漢市處于優越的中心位置，是中國地理上的“心臟”，故被稱為“九省通衢”之地。

AQI數據來源于2013-01-01～2013-06-30武漢市環境保護局網站（網址：http://www．whepb．gov．cn）公布的空氣質量指數監測數據，總共181個樣本數據。對于有數據缺失的日期，用其相鄰日期數據的平均值進行替代。月AQI數據由對應月份各監測站點日監測AQI數據平均值計算得來，見表1。運用GIS軟件對武漢市行政區劃圖進行矢量化，以武漢市行政區化矢量圖作為研究底圖，將各月AQI監測數據平均值作為各監測站點的屬性字段值，建立GIS圖形數據一體化數據庫。

表1 2013年1～6月武漢市AQI均值

1.2 反距離加權插值法

武漢市目前擁有10個空氣質量自動監測站點，其中漢口花橋、武昌紫陽、沌口新區等9個為國控監測點，沉湖七壕站點為“清潔對照點”。根據《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）關于環境空氣監測污染物基本項目的規定，各監測站點共監測有SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2．5等6項基本指標。由于監測站點的設定要考慮點位的代表性和監測方法的科學性，不可能在任何地點都設定監測站點。所以，可以采用空間插值的方法，來對武漢市整個區域的AQI時空分布進行研究。

反距離加權插值法（IDW）是以插值點與樣本點之間的距離為權重的插值方法，插值點越接近樣本點賦予的權重越大，其權重貢獻與距離成反比，其公式如下[6]：

式中，Z為插值點估計值；Zi（i=1,2,…,n）是實測樣本值；n為參與計算的實測樣本數；di為插值點與第i個站點間的距離；p是距離的冪。與空氣質量自動監測站點越近區域，其權重值越大，AQI值與監測站點實際監測值越接近，符合IDW空間插值法基本原理。在本次研究中，n的值為10，p的值為2。

2 武漢市AQI時空分布特征研究

根據1～6月武漢市各監測站點的AQI監測數據，運用EXCEL軟件繪出各月AQI平均值分布圖，見圖1。以各監測站點月平均AQI值為樣本點值，運用GIS空間分析功能，采用IDW空間插值工具對武漢市10個監測站點AQI月均值進行空間插值，得到武漢市1～6月份AQI時空分布圖，見圖2。

圖1 2013年1～6月武漢市AQI空間分布圖

圖2 1～6月武漢市AQI空間分布圖

2.1 AQI時間分布特征及原因分析

分析圖1中1～6月的武漢市AQI時間分布圖可知，1月份武漢市AQI在200～250之間，為武漢市上半年空氣質量環境最差月份，空氣質量等級為五級，屬于重度污染月；6月份AQI在50～100之間，屬于二級標準，空氣環境質量較好；從1月份至6月份，武漢市AQI呈不斷下降趨勢。在武漢市上半年AQI統計中，AQI主要集中在100～150區間段，空氣質量屬于三級標準，整體空氣環境質量為輕度污染。其原因主要是1月份為冬季，降水少、氣候干燥且容易出現逆溫現象，空氣對流不顯著，抑制污染物的擴散，易出現霧霾天氣。從1月至6月，處于冬季向夏季過渡階段，氣溫逐漸升高，降雨量增多，空氣濕度增大且對流越來越顯著，空氣擴散條件逐漸好轉，空氣環境質量也逐漸提高。

表2 AQI分級標準[2]

2.2 AQI空間分布特征及原因分析

分析圖2中1～6月武漢市AQI空間分布圖可知，武漢市中心城區AQI最高，空氣質量最差，AQI由中心城區向外圍呈同心圓式遞減；從1～6月，武漢市主城區空氣重污染范圍逐漸縮小；在各個月中，武漢市北部地區AQI普遍高于南部地區；武漢市西南部沉湖七壕監測站點附近AQI明顯低于其他地區，總體空氣質量條件較好。主要原因是中心城區為人口集中區域，交通尾氣排放量大，且中心城區建筑物密集，阻礙市區內空氣流通。武漢市南部湖泊分布眾多，生態環境較好。北部水域面積較少且青山區、武漢化學工業園區等工業匯聚，污染物排放量大，空氣環境質量低于南部地區。

3 AQI與污染物指標相關性分析

根據1～6月武漢市監測站點測得的各項空氣污染物基本指標數據，以6個監測站點各月各監測指標值平均值為基礎，得到1～6月武漢市環境空氣污染物基本指標值表，見表3。將1～6月武漢市各監測站點AQI平均值與各項空氣污染物基本指標作相關性分析，分析結果見表4。

表3 1～6月武漢市環境空氣污染物基本指標值表

表4 AQI與環境空氣污染物基本指標相關分析

結果顯示，除臭氧指標以外，其他5項污染指標均與AQI成正相關。6項污染指標均與AQI呈高度相關關系。各項污染指標對于AQI的相關程度依次是PM2．5（0．996 5）、CO（0．980 1）、SO2（0．953 6）、NO2（0．874 5）、PM10（0．873 8）、臭氧（-0．831 0）。

4 結 語

本文基于武漢市10個空氣質量自動監測站點各項空氣質量污染指標監測數據，利用GIS的IDW空間插值工具對2013年上半年武漢市AQI時空分布特征進行研究，并進一步分析AQI與監測站點其他污染物監測項目之間的相關性。結果表明，武漢市AQI分布具有一定的時空分布規律，AQI與6項空氣污染物監測指標呈高度相關關系，空氣質量整體水平較低。

武漢市應加強空氣質量保護與防治力度，減少大氣污染物排放，堅持貫徹國務院《大氣污染防治行動計劃》的基本要求，依照“政府統領、企業施治、市場驅動、公眾參與”的基本理念，可采取以下具體措施：①減少機動車污染物排放，加強移動源污染防治。②強化城鄉精細化管理，優化城市空間布局，構建綠色生態屏障，減少面源污染排放。③嚴格節能環保準入，優化能源結構和產業發展結構，提高清潔能源使用率，壯大環保產業。④完善監測預警應急體系，強化科技支撐。⑤完善環保法規政策體系，創新環境管理機制。⑥加強信息公開和輿論引導，擴大公眾參與。

[1] 武漢市環保局．2013年上半年武漢市環境質量狀況[EB/OL]．http://www．whepb．gov．cn/hbHjzkgb/103495．jhtml，2013-11-08/2013-12-03

[2] GB 3095-2012．中華人民共和國環境空氣質量標準[S] ．

[3] 吳秀芹，張洪巖．ArcGIS9地理信息系統應用與實踐[M]．北京：清華大學出版社，2007

[4] 汪旸，陳曉東，王彩聲．運用反距離加權插值法研究江蘇省地方性氟中毒空間分布態勢[J]．中國地方病學雜志，2009，28(1):97-100

[5] 陽文銳，王如松．反距離加權插值法在污染場地評價中的應用[J]．應用生態學報，2007,18(9)：2 013-2 018

[6] 朱求安，張萬昌，余鈞輝．基于GIS的空間插值方法研究[J]．江西師范大學學報：自然科學版，2004,28(2)：183-188

P208

B

1672-4623（2014）05-0062-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.022

詹長根，博士，副教授，主要研究方向為土地信息技術、現代地籍理論與方法。

2014-04-08。