2015-2019年長沙市空氣質量特征及其與氣象因子的關系

湖南城市學院 曠舒俊

一、前言

長沙市在實施城市化和工業化戰略的過程當中，由于城市建設改造和交通的因素，粉塵以及機動車尾氣污染日漸突出，導致空氣污染問題越發嚴重。本研究以長沙市2015-2019年空氣質量數據和氣象資料為基礎，針對該市的空氣質量指數進行時空分布特征分析以及研究空氣質量指數與溫度、氣壓等氣象因子的關系，可為全面了解長沙市環境空氣質量、科學有效控制大氣污染提供科學依據。

專家學者對大氣環境污染問題投入了足夠多的關注，并且取得了一些重要的進展，例如：黃瓊中對拉薩市的空氣質量特征與地理位置等的關系進行了研究，得出拉薩市由于受到高原地區近地風場的影響，雨季則由于雨水的沖刷以及沙塵不易進入空氣中所以污染較輕，拉薩市月降雨量與月降塵量為負相關關系等結論[1]。

二、研究區概況

本文選取位于 28°8′7″N-28°11′30″N 的長沙市城區為研究區。芙蓉區處在城區的東部地區,蘊含豐富的水資源，擁有較為平緩的地勢。天心區地勢南北低，中部高，東西稍有傾斜，西部較為平坦，中部為丘陵。岳麓區多數地區的海拔在60m至80m,地形與其他4個地區相比起伏較大，相對高度為333m。開福區位于長沙市北部，總面積為188km2，地形由東南向西北逐漸傾斜。雨花區位于長沙市東南部，總占地面積115.17km2。

三、數據來源與研究方法

（一）數據來源

空氣質量指數是考慮PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3六種主要空氣污染物后，定量表示空氣質量狀態的無量綱指數。對空氣質量指數的定義是每種污染物的空氣質量評價指數的最大值。

從中國氣象數據網（http://data.cma.cn/）平臺上下載2015-2019年長沙市氣象數據（逐月的平均氣溫、平均氣壓等）資料，2015-2019年長沙市的空氣質量數據（AQI逐日值、六大污染物24小時濃度均值）以及長沙市城區9個監測站點的逐小時AQI值來源于網址(https://quotsoft.net/air/)上的數據文件。

（二）研究方法

1.反距離權重插值法

反距離權重空間插值法也稱為距離倒數乘方法，其核心思想是加權平均目標點與已知采樣點之間距離倒數的權重值。待研究點區域的位置越接近于已知的監測點，給其賦予的權重就會越大，其空氣質量指數就越接近監測點的已知觀測值。

2.皮爾森相關系數法

皮爾森相關系數反映了兩變量之間的線性相關的程度。rc說明了兩變量間的線性相關性強弱的程度情況,若rc的絕對值越大則說明了變量間的相關性越強，反之則越弱。

四、長沙市AQI時空變化特征分析

分別從年度、季節、月度這三個時間尺度對2015-2019年長沙市AQI的空間分布特征進行研究分析。

（一）年度變化特征

2015-2019年長沙市AQI的年度變化特征曲線如圖1所示。由圖可以看出2015-2019年平均AQI值分別為87、83、85、76、83，在這五年當中AQI均值整體波動比較小，在2018年出現了明顯低值。出現這一情況的原因是一些治理措施的出臺和實施，加大了工業企業廢氣、揚塵、機動車尾氣的污染治理力度，對全市的空氣質量改善起了一定的作用。

2015年長沙市城區北部空氣質量相比其它地區更好，中部和西南部地區污染比較嚴重。2018年整體空氣質量狀況佳，空氣質量稍差的地區集中分布在長沙市城中部的小部分地區。2019年長沙市城區北部和中南部地區空氣質量狀況最好，其余區域較為良好。

（二）季節變化特征

通過計算得到這五年四個季節的AQI平均值分別為72.87、66.87、82.13、109.6，由此可知長沙市春、夏季空氣質量較好，秋、冬季空氣質量較差。在這五年當中春、秋季AQI均值整體處于波動狀態，沒有呈現出明顯趨勢。

2015-2019年長沙市AQI季節均值的空間分布情況如圖2所示。由圖可知，夏季長沙市城區中心和西南部小部分地區相比于其它地區空氣質量稍差，整體空氣質量較好。冬季長沙市城區整體空氣質量差，東部地區空氣污染最嚴重，北部、西北部以及中部的雨花區環保局地區空氣污染最小。

圖2 2015-2019年長沙市AQI均值季節變化

（三）月度變化特征

2015-2019年長沙市AQI月均值變化趨勢如圖3所示。從此圖可以看出長沙市3、4月份AQI均值在這五年中一直處于波動狀態。入秋9月份從2015年到2018年AQI均值基本在逐漸降低，在2019年出現嚴重的空氣污染。整體來說6月空氣質量為全年最好，1月為全年空氣質量最差的月份。

圖3 2015-2019年長沙市AQI月均值變化

長沙市城區AQI的空間分布月變化特征如圖1所示，從圖中可以看出長沙市城區全年7月份空氣質量最佳，1月份空氣質量最差。北部沙坪地區維持在一個穩定的良好狀態，中部火車新站附近地區的空氣質量均處在最差水平。

五、氣象條件對空氣質量的影響

（一）AQI與氣象因子的關系

氣象因素對空氣質量起著至關重要的影響，故選取2015-2019年長沙市逐月的平均氣溫、平均氣壓等資料與同期的AQI數據按年進行皮爾森相關性分析后得到的結果如表1所示。

由表1可以看出AQI與平均氣壓呈顯著正相關關系。由于底層空氣輻合上升，即近地面的污染物隨空氣垂直上升至高空，可加速地面污染物向高空擴散，從而降低大氣污染程度[2]。與平均氣溫呈顯著負相關關系，造成這一現象的原因可能為：近地層空氣溫度越高，大氣對流活動越強，空氣層結越不穩定、污染物濃度越低越有利于擴散稀釋，空氣質量越好。AQI與其它四個因子某一年呈現出顯著相關性的這一情況可能是偶然因素所導致。

表1 AQI與氣象因子的皮爾森相關系數

（二）污染物與氣象因子（除風向）的關系

為了更深入探究空氣質量與氣象因子的關系，故選取2015-2019年長沙市逐月的平均氣溫、平均氣壓等資料與同期的污染物濃度數據在季節尺度上進行皮爾森相關性分析后得到的結果如表2所示。

表2 污染物濃度與氣象因子的皮爾森相關系數

以O3為例，由表可知，O3濃度在夏季與降水量呈現出顯著正相關關系，與平均氣壓在春、秋、冬季有顯著負相關。O3濃度在四個季節中均與平均氣溫顯著正相關，這可能是因為氣溫升高促進了光化學反應的進行，使O3濃度升高。在四個季節都與平均相對濕度呈現出明顯負相關關系。

六、污染物與風向的關系

計算出2015-2019年四季各風向下的污染物濃度均值并統計各污染物最高濃度值所對應的風向，關于PM2.5結果如表3所示。由表可以看出，2015年四個季節PM2.5濃度均值最高的風向分別是東北風、南風、東南風、西風。各污染物濃度均值最高時的風向偶爾呈現某一個季節在兩年或三年一致的情況，但從總體來看并沒有呈現出較為穩定的特性，故得到長沙市的風向偶然性比較大，所以沒有對空氣質量構成明顯的影響的結論。

表3 對污染物濃度影響最大的風向

七、結論

（1）2015-2019年長沙市AQI年度變化波動小，有明顯的季節變化特征，各季節AQI排名為：冬季>秋季>春季>夏季。月度變化特征表現為6月在全年中空氣質量最好，1月空氣質量最差。在空間上，長沙市城區2015-2019年AQI值整體上呈現“北低中高”的特點。

（2）AQI與平均氣壓和平均氣溫有較強的相關性。

（3）污染物濃度與氣象因子（除風向）的相關性受季節因素影響較大，長沙市的風向偶然性比較大，所以沒有對空氣質量構成明顯的影響。