甘肅省空氣質(zhì)量的時(shí)空變化及其影響因素分析

摘 要：隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，人類賴以生存的空氣污染日趨嚴(yán)重。以甘肅省2019—2023年期間的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、空間差值、皮爾遜相關(guān)分析等方法，研究了甘肅省轄區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量及污染物的時(shí)空變化及空氣質(zhì)量的影響因素。結(jié)果表明：2019—2023年期間，甘肅省的空氣質(zhì)量變化整體比較平穩(wěn)，評(píng)價(jià)為“良”的占比最高，14個(gè)市州各類污染物的變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)連續(xù)的“W”形，存在明顯的季節(jié)性特征；甘肅省的AQI峰值存在向西北方向城市轉(zhuǎn)移的趨勢，整體呈現(xiàn)出由西北向東南方向逐漸減小的變化特征，其他6種污染物高值區(qū)分布具有明顯的空間差異。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量指數(shù)；時(shí)空分布；克里金插值；皮爾遜相關(guān)系數(shù)

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

甘肅省地處我國西北地區(qū)，地形復(fù)雜，氣候多樣，自然環(huán)境脆弱，容易受到人類活動(dòng)和氣候變化的影響，空氣質(zhì)量問題日益突出。隨著工業(yè)化進(jìn)程和城市化發(fā)展，甘肅省的空氣質(zhì)量受到了嚴(yán)重影響[1]。工業(yè)排放、機(jī)動(dòng)車尾氣排放、生物質(zhì)燃燒等因素導(dǎo)致大氣污染物排放增加，造成空氣質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響了居民健康和生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，氣候變化也對(duì)甘肅省的空氣質(zhì)量產(chǎn)生了影響，氣溫升高、降水變化等因素可能改變大氣環(huán)流格局，進(jìn)而影響空氣質(zhì)量的時(shí)空分布[2]。

因此，深入研究甘肅省空氣質(zhì)量的時(shí)空變化及其影響因素，不僅有助于揭示空氣質(zhì)量問題的本質(zhì)和規(guī)律，為環(huán)境保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)，也具有重要的政策和社會(huì)意義。基于2019—2023年甘肅省的14個(gè)市州的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析、克里金差值、斯皮爾曼相關(guān)分析等方法，分析了甘肅省空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，探討了空氣質(zhì)量的時(shí)空變化特征及其影響因素，為提高甘肅省的空氣質(zhì)量提供科學(xué)支持和決策參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域的概況

甘肅省位于我國西北部，東鄰陜西省，南接四川省和青海省，西連新疆維吾爾自治區(qū)，北與內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)接壤，下轄14個(gè)地級(jí)行政區(qū)劃，包括12個(gè)地級(jí)市和2個(gè)自治州。甘肅省地勢西高東低，主要由祁連山、秦嶺、河西走廊和阿爾金山等山脈組成，氣候多樣，包括溫帶大陸性氣候、高原氣候、半干旱氣候等多種類型。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)，選取2019—2023年甘肅省12個(gè)地級(jí)市、2個(gè)自治州的34個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)。

1.3 研究方法

1.3.1 空氣質(zhì)量指數(shù)

空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)。AQI數(shù)值越大、級(jí)別和類別越高、表征顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴(yán)重，對(duì)人體的健康危害也就越大[3]。AQI的計(jì)算方法為：

AQI=max{IAQI1，IAQI2，IAQI3，…，IAQIn}（1）

式（1）中，n為污染物項(xiàng)目，AQI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

由于AQI評(píng)價(jià)的6種污染物濃度限值各有不同，在評(píng)價(jià)時(shí)各污染物都會(huì)根據(jù)不同的目標(biāo)濃度限值折算成空氣質(zhì)量分指數(shù)（Individual Air Quality Index，IAQI）[4]，其計(jì)算方法為：

IAQIp=（CP-BPLO）+IAQILO（2）

式（2）中，IAQIp為污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)；CP為污染物項(xiàng)目P的質(zhì)量濃度；BPHi為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與CP相近的污染物濃度限值的高位值；BPLo為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與CP相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHi為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與BPHi對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQILo為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與BPLo對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

1.3.2 克里金差值

克里金法（Kriging）是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對(duì)隨機(jī)過程/隨機(jī)場進(jìn)行空間建模和預(yù)測（插值）的回歸算法[5]。克里金法是對(duì)已知函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均估計(jì)未知函數(shù)的方法，其預(yù)測理論接近于線性回歸。

（3）

式（3）中，是點(diǎn)（x0，y0）處的估計(jì)值；λi是權(quán)重系數(shù)。

同樣是采用空間上所有已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)加權(quán)求和來估計(jì)未知點(diǎn)的值。但是權(quán)重系數(shù)并非距離的倒數(shù)，而是能夠滿足點(diǎn)（x0，y0）處的估值與真實(shí)值的差最小的一套最優(yōu)系數(shù)，同時(shí)滿足無偏估計(jì)的條件[6]，即同時(shí)滿足式（4）、式（5）：

（-z0）（4）

∑（-z0）=0（5）

1.3.3 皮爾遜相關(guān)系數(shù)

皮爾遜相關(guān)系數(shù)用于度量2個(gè)變量之間的相關(guān)程度，其值介于-1～1之間。具體來說，皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

（6）

其中，，；

式（6）中，xi、yi分別表示第i個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的2個(gè)變量的取值，x、y分別表示2個(gè)變量的均值，n表示樣本數(shù)量。當(dāng)r=1時(shí)，表示2個(gè)變量之間存在完全的正線性相關(guān)關(guān)系，即一個(gè)變量增加時(shí)，另一個(gè)變量也增加；當(dāng)r=-1時(shí)，表示2個(gè)變量之間存在完全的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，即一個(gè)變量增加時(shí)，另一個(gè)變量減少；當(dāng)r=0時(shí)，表示2個(gè)變量之間不存在線性相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量的時(shí)間變化特征

2019—2023年，甘肅省AQI的年均值別為60.53、57.65、63.24、63.22、69.36。從2019—2023年甘肅省AQI

指數(shù)年評(píng)價(jià)結(jié)果（表2）可知，甘肅省整體空氣質(zhì)量變化較平穩(wěn)，評(píng)價(jià)為“良”的占比較高，其次是“優(yōu)”，輕度污染和重度污染的占比均比較低，其中，2020、2022、2023年均未出現(xiàn)中度污染。

在2019—2023年期間，甘肅省14個(gè)市州的細(xì)顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等主要污染物的逐月變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)連續(xù)的“W”形，存在明顯的季節(jié)性特征。CO、NO2、SO2每年的濃度峰值均出現(xiàn)在冬季以及春季，冬季的整體濃度最高，主要受交通、取暖排放、工業(yè)排放等的影響；而O3每年的濃度峰值呈現(xiàn)出與CO、NO2、SO2相反的趨勢變化，其冬季的濃度在全年中最低，濃度峰值出現(xiàn)在夏季，這與光化學(xué)反應(yīng)和高溫天氣有關(guān)；PM2.5和PM10這兩種顆粒物在冬季和春季達(dá)到高峰，冬季由于取暖需求增加和大氣穩(wěn)定，顆粒物濃度較高，春季則受到沙塵暴等氣象條件的影響，顆粒物濃度也會(huì)較高。

在14個(gè)市州中，具有明顯特征的城市有蘭州市和白銀市，其中蘭州市的CO、NO2濃度整體較高，連續(xù)5年的CO平均濃度為0.94 mg/m3、NO2平均濃度為44.80 μg/m3；白銀市的SO2年平均濃度明顯高于其他城市，達(dá)到了32.94 μg/m3。在2019—2023年期間，O3濃度在2022年7月附近出現(xiàn)了急速下降，這可能與7月中旬隴東南地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨、慶陽遭遇罕見洪澇災(zāi)害等有關(guān)。PM2.5和PM10這兩種顆粒物在2021年3月左右出現(xiàn)了很高的峰值，是由于在2021年3月15日，甘肅省發(fā)生了嚴(yán)重的戈壁沙塵暴天氣，內(nèi)蒙古、甘肅和寧夏部分地區(qū)的濃度超過了7 000 μg/m3，在鄂爾多斯、金昌、武威和中衛(wèi)等城市出現(xiàn)了沙塵暴，根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，沙塵覆蓋了約45萬km2的區(qū)域。

2.2 空氣質(zhì)量空間變化特征

對(duì)甘肅省2019—2023年期間34個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的AQI監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金空間差值分析，反映了甘肅省2019—2023年AQI的空間演變過程，結(jié)果表示，2019—2023年期間，甘肅省AQI峰值存在向西北方向的酒泉市、嘉峪關(guān)市、張掖市等城市轉(zhuǎn)移的趨勢，整體呈現(xiàn)出由西北向東南方向逐漸減小的變化特征。2019年，甘肅省的AQI分布存在較明顯的空間異質(zhì)性，高值區(qū)主要集中在蘭州市，低值區(qū)集中在甘南藏族自治州、隴南市；2020—2023年，蘭州市AQI的下降趨勢明顯，甘南藏族自治州、隴南市低值區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。

甘肅省2019—2023年的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO濃度空間分布顯示（圖略），CO濃度高值區(qū)分布在蘭州市周圍，低值區(qū)分布在酒泉市；NO2的高值區(qū)分布在白銀市，低值區(qū)分布在酒泉市、嘉峪關(guān)市；PM10濃度的高值區(qū)分布在甘肅西北方向的酒泉市、嘉峪關(guān)市、張掖市，低值區(qū)主要集中在甘南以及隴南；PM2.5、SO2的分布具有一定的空間異質(zhì)性，前者高值區(qū)出現(xiàn)在嘉峪關(guān)市以及慶陽市，后者的高值區(qū)則出現(xiàn)在金昌、武威，低值區(qū)出現(xiàn)在隴南以及酒泉市；O3濃度受到光照的影響明顯，西部幾個(gè)城市的整體濃度偏高于東部的城市，但是慶陽市的O3濃度卻呈現(xiàn)出較高的數(shù)值。

2.3 空氣質(zhì)量影響因素分析

依次將3—5月、6—8月、9—11月、12月至翌年2月，按照氣象標(biāo)準(zhǔn)劃分為一年中的春季、夏季、秋季以及冬季，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析甘肅省2019—2023年期間AQI與各類污染物相關(guān)性的季節(jié)特征（表3）。結(jié)果表明，從全年角度出發(fā)，6類污染物均與AQI呈現(xiàn)正相關(guān)，其中PM2.5、PM10呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.742、0.980。春季，AQI與PM2.5（P＜0.01）、PM10（P＜0.01）、O3（P＜0.05）呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；夏季，AQI與PM2.5（P＜0.01）、PM10（P＜0.01）、O3（P＜0.01）呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；秋季，AQI與PM2.5（P＜0.01）、PM10（P＜0.01）呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；冬季，AQI與PM2.5、PM10、NO2、CO均存在0.01水平上顯著正相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）2019—2023年期間，甘肅省的空氣質(zhì)量變化整體比較平穩(wěn)，評(píng)價(jià)為“良”的占比最高，其次是“優(yōu)”，有少量評(píng)價(jià)“中度污染”，不存在“重度污染”“嚴(yán)重污染”，14個(gè)市州各類污染物的變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)連續(xù)的“W”形，存在明顯的季節(jié)性特征。

（2）2019—2023年期間，甘肅省AQI峰值呈向西北方向的酒泉市、嘉峪關(guān)市、張掖市等城市轉(zhuǎn)移的趨勢，整體呈現(xiàn)出由西北向東南方向逐漸減小的變化特征。這期間，AQI最高值出現(xiàn)在2023年嘉峪關(guān)市，AQI低值區(qū)從甘南藏族自治州、隴南市進(jìn)一步向周圍擴(kuò)大，省會(huì)蘭州市的AQI呈現(xiàn)明顯下降趨勢，說明區(qū)域大氣污染現(xiàn)象在整體減弱。其他6類污染物高值區(qū)分布均不相同，與其本身轄區(qū)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、地理位置、氣候等有很大的關(guān)系。

AQI與6類污染物整體呈現(xiàn)正相關(guān)，其中PM2.5、PM10呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，并且有明顯的季節(jié)特征：春秋季，AQI與PM2.5、PM10呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；冬季，AQI除了與PM2.5、PM10呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，還與NO2、CO也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；夏季，AQI與AQI與PM2.5、PM10、O3呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。

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作者簡介：楊田（1990—），女，甘肅靜寧人，講師，研究方向?yàn)閿z影測量與遙感。