湖南省14個市級城市空氣質量指數的分布特征及其與氣象因素的關系研究

龍曉琴 曹珮

摘要 利用中國氣象局氣象數據統一接口端（天擎）提供的2019—2021年地面日值資料和湖南省環境氣象一體化業務平臺提供的空氣質量數據，利用相關分析方法對湖南省14個地市的空氣質量指數（AQI）進行了分析。結果表明：2019—2021年湖南省東部地市的AQI值普遍高于湖南省西部和南部地市。湘西州和張家界的AQI值基本最低，AQI高值區分布在長株潭一帶。春季和夏季AQI值最低，冬季升到最高值，冬季過后AQI值又逐漸降低。湖南省14個地市的空氣質量污染天數最多的是長沙，其空氣質量在湖南省最差；空氣質量污染天數最低的是湘西州，空氣質量整體最好。與2019年相比，2020年和2021年的年均污染天數減少。相對濕度、降水量、平均水汽壓、本站氣壓和風速與長沙市AQI密切相關，并通過99%顯著性檢驗，除了氣壓呈正相關外，其他均呈負相關關系。

關鍵詞 空氣質量指數；相關分析；長沙市

中圖分類號：X51 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）04–0073-03

隨著我國工業化和城市建設的高速發展，大氣污染已經成為較為嚴重的城市環境問題。大氣污染物在流動時具有不可見性、傳播速度快、影響范圍廣、擴散能力強的特點，會對環境氣候和人體健康產生重要影響[1]。湖南省內地形條件較復雜，不同城市地形條件差異明顯，氣象條件（尤其是中小尺度氣象條件）區域差異大，各城市社會經濟水平和環境氣候差異也客觀存在。因此對湖南省空氣質量進行研究十分迫切。

1 資料和方法

1.1 資料

為了評價整個湖南省的空氣質量狀況，從湖南省環境氣象一體化業務平臺下載了湖南省14個地市的逐日空氣質量指數數據，時段為2019年1月1—2021年12月31日，共3年。

1.2 空氣質量指數

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，其數值越大，級別和類別越高，表征顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴峻，對人體的身體健康危害也就越大。針對單項污染物，還規定了空氣質量分指數。參與空氣質量評判的主要污染物為細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和一氧化碳6項。

空氣質量級別是根據空氣質量指數（AQI）進行劃定的，共分為六級，AQI值0～50為一級優，AQI值51～100為二級良，AQI值101～150為三級輕度污染，AQI值151～200為四級中度污染，AQI值201～300為五級重度污染，AQI值>300為六級嚴重污染（表1）。

空氣污染天數及污染天數比例是根據空氣質量級別得到的，空氣質量污染天數包括出現輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染的天數[2]。空氣質量污染天數比例=空氣質量污染天數/全年監測總天數×100%。

1.3 數據處理和統計分析

利用EXCEL分類處理了2019年1月1—2021年12月31日的逐日AQI數據和逐日的氣象數據，湖南省總共14個地級市，每個城市3年一共有1 096 d的AQI數據，14個城市3年一共有15 344 d的AQI數據，繪制圖表描述湖南省14個地級城市AQI的時空分布特征，運用專業制作地圖的軟件Arcgis繪制統計地圖，采用相關分析法研究AQI與各氣象因素的相關性，P<0.05為相關性顯著，相關系數>0為正相關，相關系數<0為負相關。

2 湖南省空氣質量指數（AQI）的時空分布

2.1 空氣質量指數（）=AQI）的空間分布

從圖1、圖2和圖3空間分布看出，2019—2021年湖南省東部地市的AQI值普遍高于湖南省西部和南部地市。湘西州和張家界的AQI值基本最低，AQI高值區分布在長株潭一帶。

2.2 AQI的季節變化

湖南省屬于亞熱帶，其處于東亞季風氣候區的西側，加之地形特點和離海洋較遠，導致湖南省的氣候為具有大陸性特點的亞熱帶季風濕潤氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤，四季分明。本研究統一定義3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。將湖南省14個地市2019年1月1—2021年12月31日的日均AQI值按照春季、夏季、秋季、冬季繪制出季平均值柱狀圖（圖4）。從圖4可以看出，湖南省14個地市的空氣質量指數（AQI）的四季變化特征。每個地市在夏季的AQI值最低，夏季是一個轉折點，夏季后AQI值逐漸升高，直到冬季升到最高值，冬季過后AQI值又逐漸降低，呈現出季節性變化特征。但岳陽市和郴州市除外，其AQI值在春季最低，夏、秋、冬季的AQI值變化與其他地市相比，并不明顯。

2.3 污染物天數與污染天數的比例

從表2可以看出，2019—2021年湖南省14個地市的空氣質量污染天數最多的是長沙，總共是207 d，污染天數比例是18.89%，空氣質量在湖南省最差；空氣質量污染天數最低的是湘西州，污染天數是25 d，污染天數比例是2.28%，空氣質量整體最好。與2019年相比，2020年和2021年的年均污染天數減少，湖南省整體空氣質量有所改善。總體上看，湖南省東部和北部城市的污染天數比例大于湖南省西部和南部地市，湖南省東部和北部城市的空氣質量優于湖南省西部和南部地市。

3 長沙的空氣污染指數與氣象要素之間的關系

3.1 資料與方法

從表2可以看出近3年長沙市的污染天數最多，故選取長沙市2019年1月1—2020年11月1日每日的AQI數據同各氣象要素，包括平均氣溫、本站氣壓、相對濕度、風速、平均水汽壓和降水量等氣象因子為研究對象，對逐日的氣象要素與逐日AQI數據進行統計相關分析，得到對應的相關系數，分析其對長沙市空氣污染的影響程度，分析采用線性傾向估計、t檢驗等方法[3]。

3.2 長沙市空氣質量的主要影響因子

由于2022年數據缺失，對2019年1月1—2020年11月1日的每日API數據與其氣象因子進行相關分析，得到各因子的相關系數（表3）與長沙市空氣質量AQI密切相關，并通過99%顯著性檢驗的因子依次是相對濕度、降水量、平均水汽壓、本站氣壓和風速，下面分別分析其對長沙市空氣質量的影響。

3.2.1 相對濕度 AQI值與相對濕度的相關系數值為-0.37，通過了99.9%的信度檢驗。如此高的反相關關系表明相對濕度的變化對空氣質量增減的影響十分顯著，RH越大，空氣中水汽含量增大，顆粒的親水性越強，顆粒物周圍被水粉包裹。由于水分增加導致顆粒物密度變小，濃度變低，空氣中的顆粒物減少，空氣質量就越高，AQI的值越低。

3.2.2 降水量 日降水量和日AQI的相關系數呈現出很好的負相關關系，相關系數為-0.23，通過了99.9%的信度檢驗。降水沖刷了大氣中的污染物，可以起到凈化空氣的作用，同時雨水的凈化作用也取決于降水強度，雨強較大時，清潔作用越明顯，AQI值越低[4]。

3.2.3 平均水汽壓 日平均水汽壓和日AQI值的相關系數是-0.22，通過了99.9%的信度檢驗，水汽壓越大，易發生降水，降水對空氣中的顆粒物質具有沖刷作用，能夠改善空氣質量，達到降低污染的效果。反之，水汽壓小時，降水量較少，不利于污染物的擴散。

3.2.4 本站氣壓 日平均氣壓和日AQI值的相關系數為正相關，相關系數為0.18，通過了99.9%的信度檢驗。即氣壓越高，越不利于空氣質量的提高。當高壓系統控制時，大氣穩定，不利于污染物向高空擴散；在低壓系統控制下，底層空氣輻合上升，近地面的污染物隨空氣上升到高空，有利于近地面污染物的稀釋和擴散[5]。

3.2.5 風速 日平均風速和日AQI值的相關系數為負相關，相關系數為-0.11，通過了99%的信度檢驗。通常風速越大，大氣污染物稀釋擴散越強，空氣質量AQI越小。

4 結論

（1）2019—2021年湖南省東部地市的AQI值普遍高于湖南省西部和南部地市。湘西州和張家界的AQI值基本最低，AQI高值區分布在長株潭一帶。

（2）湖南省14個地市的春季和夏季AQI值最低，冬季升到最高值，冬季過后AQI值又逐漸降低，呈現出由于季節的影響帶來AQI值的季節性變化特征。

（3）2019—2021年，湖南省14個地市的空氣質量污染天數最多的是長沙，總共是207 d，污染天數比例是18.89%，空氣質量在湖南省最差；空氣質量污染天數最低的是湘西州，污染天數是25 d，污染天數比例是2.28%，空氣質量整體最好。與2019年相比，2020年和2021年的年均污染天數減少，湖南省整體空氣質量有所改善。

（4）與長沙市空氣質量指數密切相關，并通過99%顯著性檢驗的因子依次是相對濕度、降水量、平均水汽壓、本站氣壓和風速，除了氣壓呈正相關外，其他均呈負相關關系。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

AbstractUsing the 2019-20212021 data provided by the unified interface for China Meteorological Administration Meteorological Data （Tianqing） and the air quality data provided by the Hunan environment-meteorology integration business platform， the air quality index （AQI） of 14 cities in Hunan province was analyzed by correlation analysis method. The results showed that the AQI values in the eastern 2021 of Hunan Province were generally higher than those in the western and southern parts of the province from 2019 to 2019. The AQI values in Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture and Zhangjiajie were the lowest， and the highest AQI values were found in the chang-zhu-tan area. The AQI value in spring and summer was the lowest， and it rose to the highest in winter， and then decreased gradually after winter. Changsha had the highest number of days of air pollution in the province， while Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture had the lowest number of days of air pollution and had the best overall air quality. Compared with 2019， the average number of pollution days in 2020 and 2021 decreased. Relative humidity， precipitation， average water vapor pressure， air pressure and wind speed of the station are closely related to the AQI of air quality in Changsha， and through the 99% significance test， except for the positive correlation of air pressure， others are negatively correlated.

Key words Air quality index; Correlation analysis; Changsha

作者簡介 龍曉琴（1989—），女，湖南懷化人，工程師，主要從事氣象服務和科研工作。