2007—2011年武漢市空氣污染物時空分布特征

裴婷婷，陳小平，周志翔

（1.華中農業大學園藝林學學院／園藝植物生物學教育部重點實驗室，湖北 武漢430070；2.山西農業大學信息學院環境科學與食品工程系，山西 太谷030080）

2007—2011年武漢市空氣污染物時空分布特征

裴婷婷1，2，陳小平1，周志翔1

（1.華中農業大學園藝林學學院／園藝植物生物學教育部重點實驗室，湖北 武漢430070；2.山西農業大學信息學院環境科學與食品工程系，山西 太谷030080）

利用武漢市 2007—2011年的 PM10、SO2、NO2的空氣污染指數 （API）資料，結合各月氣象資料，分析武漢市空氣污染物的時空分布特征，并利用灰色關聯法分析5個氣象因子對空氣污染物濃度的影響。結果表明：2007—2011年，武漢空氣質量越來越好，主要是首要污染物 PM10年均濃度逐漸下降，并于 2011年達到國家二級標準，SO2和 NO2年均濃度一直低于國家二級標準；各氣象因子對 PM10的灰色關聯度排序依次為降雨量 ＞相對濕度 ＞平均風速 ＞平均氣壓 ＞平均溫度，各氣象因子對SO2的灰色關聯度排序依次為降雨量 ＞平均風速 ＞相對濕度 ＞平均溫度 ＞平均氣壓，各氣象因子對 NO2的灰色關聯度排序依次為降雨量 ＞相對濕度 ＞平均風速 ＞平均溫度 ＞平均氣壓，意味著降雨量是影響空氣污染物濃度的最主要的氣象因素，相對濕度和風速次之，氣壓和溫度影響最小。

空氣污染物；時空分布；氣象因子；灰色關聯分析 ；武漢市

20世紀80年代以來，環境壓力開始明顯增大，長期積累的環境風險也逐漸顯現，一些大中城市的空氣質量呈惡化的趨勢［1］。近年來，隨著經濟的快速增長和城市化進程的加快，以顆粒物（PM10）、SO2、NO2為主的空氣污染物對經濟建設和人們的生活環境造成了極大的影響，環境空氣質量日益受到人們的關注。我國雖然采取了一系列措施進行空氣污染防治工作，但目前全國仍有約1／5的城市空氣污染嚴重，重點城市中有1／3以上空氣質量達不到二級標準，大氣污染源的類型和環境污染物的排放量不斷增加，污染范圍也在擴大。空氣污染物與氣象條件關系密切，氣象要素往往制約著空氣污染物的稀釋、擴散、輸送和轉化過程，進而影響著空氣污染物的分布及污染物濃度。前人從不同角度對空氣污染與氣象要素之間的關系進行了研究，研究方法多為相關與回歸分析［2～4］或從理論上描述氣象要素對污染物遷移擴散的影響［5～7］。

灰色關聯分析法是根據因素之間發展態勢的相似和相異程度來衡量因素間關聯程度的方法。關聯度大小反映了影響因子對理想 （標準）對象的接近次序，因此灰色關聯分析，不僅可以作為優勢分析的基礎，而且也是進行科學決策的依據［8］。

本文以武漢市為研究對象，利用武漢市環保局網空氣質量日報提供的 2007—2011年逐日空氣污染物指數（API）和中國氣象科學數據共享服務網提供的對應時間的氣象資料，分析 2007—2011年武漢市空氣污染物濃度的時空分布特征，并結合灰色關聯法分析氣象因子對空氣污染物濃度的影響，為城市空氣環境的管理和綜合防治提供依據，進一步改善武漢的空氣環境，為人們營造一個更加美好的生活環境。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

武漢市是中國中部最大的工業、商業城市，也是湖北省的省會城市，武漢城市圈的中心城市，地理位置東經113°41′～115°05′，北緯 29°58′～31° 22′。武漢市水域面積較大，占武漢市國土面積的25.01%；武漢市于2010年被授予國家森林城市稱號，自然植被以常綠闊葉和落葉闊葉混交林為主。武漢市屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，雨期主要集中在夏季，年降水量1150～1450mm，多集中在6～8月；全年平均氣溫 15.8～17.5℃；夏季以東南風為主，冬季以西北風或北風為主，四季分明，夏季酷熱，冬季寒冷，一年中夏季和冬季持續的時間比較長。

1.2 數據來源

本文所利用的 2007—2011年逐日空氣污染指數（API）數據來源于武漢市環保局網上空氣質量日報9個監測點的實測數據，氣象資料為中國氣象科學數據共享服務網提供，武漢市9個空氣污染物監測點地理位置見圖1。

1.3 灰色關聯分析法

灰色關聯分析是我國學者鄧聚龍教授所建立的灰色系統理論的重要內容，其實質是通過對序列曲線幾何形狀的分析比較，來衡量它們之間關聯性大小。發展變化狀態越接近，則關聯度越大。它最早是在時間序列分析中被提出來的，后經改進能夠用于非時間性的指標序列的分析；在本研究中，空氣污染物的濃度作為母數列，氣象因子作為子數列，其算法簡述如下［9～10］：

設應變量數目為 p，自變量數目為 m，樣本數目為n，則參考數列（也稱母數列）記為：

第一步：對原始數據進行無量綱化變換

根據原始數列的特點，可選用不同的變換方法，較為常用的有：初值化變換、均值化變換、極差變換以及效果測度變換。本文采用的是初值化變化，其計算公式如下：

初值化變換后生成的數列為：

并計算母系列與子系列在各點的絕對差，求出兩級的最小差與最大差。

第二步：計算Xj′（k）與Yj′（k）的關聯系數

其中i＝1，2，∧，m；其中j＝1，2，∧，p。

這樣就得到了灰色關聯度矩陣，根據矩陣中各個行和列關聯度的大小就可以判斷子因素和母因素的相互依賴和相互影響作用。灰色關聯度越大，意味著影響越大。

2 研究結果及分析

2.1 2007—2011年武漢市空氣污染物濃度變化

從圖2中我們可以看出，2007—2011年，顆粒物 （PM10）濃度、SO2濃度都呈下降趨勢，NO2濃度基本上持平，PM10濃度于 2011年達到國家二級標準 （0.10g／m3），SO2和NO2濃度一直低于國家二級標準 （SO2國家二級標準為0.06g／m3；NO2國家二級標準為0.08g／m3）。說明政府在此期間的環境保護政策得當，人們的環保意識越來越強，空氣質量越來越好；同時我們也能夠看出，PM10仍然是武漢市的首要空氣污染物，還需要引起高度重視。

其中△i（k）＝｜Yj′－Xi′｜；ρ為分辨系數，一般取0.5。

第三步：計算 Yj與Xi的灰色關聯度

2.2 空氣污染物分布的年變化規律

從圖3、圖 4、圖5中我們可以看出，PM10、SO2和NO2濃度的月變化總體趨勢是冬季濃度高，夏季和秋季濃度較低，總體上呈現一個 V字型，和西安市污染物濃度時空變化類似［11］。最低值一般出現在7月或者 8月，都能達到國家二級標準，主要原因是武漢的雨季主要集中在夏季，能夠有效地減少空氣中污染物的含量；另一個原因是武漢市的綠地覆蓋率高，夏季植物正處于生長期，枝繁葉茂，能夠有效地削減空氣中污染物 （PM10、SO2和NO2）的濃度；三是武漢市夏季受亞熱帶副高壓控制，上升氣流較強，對流比較旺盛，氣壓較低，擴散條件比較好。冬季正好相反，降雨量偏少，植被覆蓋率降低，冬季處于冷氣壓控制，氣壓高，下沉氣流比較強，大氣比較穩定，不易于空氣污染物的擴散，導致空氣中顆粒物的濃度較高；另外冬天很多居民或者工廠由于采暖，過節放煙花和鞭炮，污染物的排放量增加。

此外，個別特殊事件或者特殊天氣，也會造成空氣質量的變化。例如2007年5月出現了嚴重污染天氣 （圖6），同期沒有出現類似情況，分析原因是由于北方沙塵天氣引起的高空含塵氣流下沉到本區和本地揚塵共同影響的結果；又如 2012年 6月中旬，由于周邊省份燃燒秸稈，導致武漢市遭遇10年一遇的灰霾天氣，空氣中顆粒物的含量超標，但是SO2濃度和 NO2濃度沒有出現明顯變化 （圖7）。

2.3 空氣污染物分布的地域性規律

武漢市9個監測點空氣污染物年平均 API值如表1所示。

表1 武漢市9個監測點污染物年均 API值

從表1可以看出，青山鋼花和吳家山兩個監測點的PM10污染指數 （API）最高，主要原因是青山鋼花區有武漢鋼鐵廠，吳家山經濟開發區也有很多工業區，顆粒物排放量相對其他地方高；SO2主要源于化石燃料的燃燒，即煤、石油、天然氣的燃燒，空氣中存在一定量的SO2，這也是城市化和經濟發展帶來的必然結果，從表 1中可以看出 9個監測點 SO2污染指數差異很小，都小于國家二級標準；NO2主要來自于城市燃料燃燒、汽車尾氣，從表 1中我們可以看出漢陽月湖、漢口江灘和武昌紫陽三地的NO2污染指數最高，主要原因就是位于長江一橋兩頭，很多車輛必須經過此區域，導致車流量較其他地方大，向空氣排放的 NO2多。

2.4 空氣污染物與氣象因子的灰色關聯分析

利用2007—2011年空氣污染物的 API值序列作為母序列，以 5個氣象因子 （平均氣壓、平均溫度、平均濕度、平均降雨量、平均風速）時間序列作為子序列。通過計算，得到各子序列與母系列灰色關聯度以及排序，結果如圖8～10。

如圖8所示，PM10濃度與 5個氣象因子的灰色關聯度排序是降雨量 ＞相對濕度 ＞平均風速＞氣壓＞平均溫度，即降雨量對PM10濃度影響最大，溫度對 PM10濃度影響最小。圖 9中，SO2濃度與 5個氣象因子的關聯度排序為降雨量 ＞平均風速＞相對濕度 ＞平均溫度＞平均氣壓，降雨量對 SO2濃度的影響最明顯，其他4個氣象因子對 SO2濃度影響相差不大。圖 10中，NO2濃度與 5個氣象因子的關聯度排序為降雨量 ＞相對濕度＞平均風速 ＞平均溫度＞平均氣壓。降雨量對NO2濃度的影響最明顯，氣壓對 NO2濃度影響最小。可以看出對空氣中PM10、SO2、NO2濃度影響最大的氣象因素都是降雨量，相對濕度和風速次之，氣壓和溫度影響最小。

降雨量對空氣中 PM10、SO2、NO2濃度的影響主要是降水的沖刷作用，能夠有效降低空氣中PM10、SO2、NO2的含量，由此可見，在污染超標時，我們可以適當地通過人工降雨凈化空氣質量；相對濕度越大，空氣中的顆粒物容易凝結，尤其是那些粒徑較大的顆粒物容易凝結在一起，導致空氣中顆粒物濃度增大，這也是霧霾天氣顆粒物濃度較大的原因；風速能夠加速空氣污染物的擴散；溫度和大氣壓對空氣污染物的影響最小，主要是影響空氣中分子的運動速度，從而對空氣污染物濃度造成影響。

3 結論及建議

3.1 結論

（1）武漢市近年來空氣質量好轉，PM10呈顯著下降趨勢，已經從2007年平均濃度0.123mg／m3降到0.1mg／m3，達到國家二級標準；SO2、NO2下降趨勢不是很明顯，能夠達到空氣質量國家二級標準。

（2）武漢市空氣污染濃度最高的時間段出現在冬季，11月底到1月份之間，濃度最低的時間段主要是出現在 7—8月，這和降雨量、綠地覆蓋率、社會經濟等原因有密切關系。武漢市9個監測點之間，主要污染物也有所差異，吳家山和青山鋼花PM10濃度較高，9個點之間 SO2差異很小，漢陽月湖、漢口江灘和武昌紫陽 NO2濃度較高，主要是和車流量大密切相關。

（3）通過灰色關聯分析，發現各氣象因子對PM10、SO2、NO2濃度的影響不一樣，降雨量影響最大，相對濕度和風速影響次之，氣壓和溫度影響最小。

3.2 建議

（1）針對污染物的分布規律制定對應的策略，冬季空氣污染物濃度高的時候，更需要加強控制污染物的排放以及削減措施，針對空氣污染嚴重的地方，我們需要進一步加強管理和控制，也可以適當利用人工降雨降低空氣污染物的含量。

（2）空氣污染物濃度的升高和社會經濟的發展，城市化進程的加快是分不開的，例如工廠企業的增加、車輛持有量的驟增，都會導致空氣污染物含量的升高。人們需要從意識上出發，保護環境，節能減排，這才是解決環境問題的根源。

（3）植物對空氣污染物有一定的吸收和吸附作用，潘琳［12］研究表示城市綠地率與 PM10濃度相關系數高達0.979。所以可以通過配置植物進一步改善城市環境，尤其是漢陽月湖、漢口江灘和武昌紫陽這一帶，車流量較大，NO2濃度較高，需要重點注意。

［1］劉沙沙.哈爾濱市大氣環境質量現狀研究與預測 ［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

［2］Gupta AK，Patl RS，Gupta SK.A statistical analysis of particulate data sets for Jawaharlal Nehru Port and surrounding harbor region in India［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2004，95 （1－3）：295－309.

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［4］宋艷玲，鄭水紅，柳艷菊，等.2000—2002年北京市城市大氣污染特征分析 ［J］.應用氣象學報，2005，16（增刊）：116－122.

［5］Mok KM，Hol KI.Effects of meteorological conditions on PM10concentrations：study in Macau［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2005，102（1－3）：201－223.

［6］湯惠君，田亞平.廣州市大氣污染的氣象因素分析 ［J］.城市問題，2004，（5）：51－55.

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［9］王學蔭，羅建軍.灰色系統方法簡明教程 ［M］.成都：成都科技大學出版社，1993.

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［12］潘琳.基于灰色系統的空氣質量變化及影響因子分析 ［D］.天津：天津大學，2011.

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Air Pollution in Wuhan from 2007 to 2011

PEI Ting－ting1，2，CHEN Xiao－ping1，ZHOU Zhi－xiang1
（1.College of Horticultural＆Forestry Sciences，Key Laboratory of Horticultural Plant Biology，Ministry of Education，Huazhong Agricultural University，Wuhan Hubei 430070 China）

The spatial and temporal characteristics of Wuhan from 2007 to 2011 were examined based on the air pollutant index involving PM10，SO2，and NO2combining with the monthly meteorological indicators.Grey correlation method is applied to explore the impacts of five meteorological indicators on air pollution as well.The results showed that the air quality of Wuhan was getting better and better from 2007 to 2011 since the annual average concentration of PM10was becoming lower and lower.The PM10could achieve the second grade of national air standard in 2011.However，the annual average concentrations of SO2and NO2stayed higher than the second grade of national air standard.The grey correlation order of meteorological factors on PM10concentration is rainfall＞relative humanity＞average wind velocity＞average atmospheric pressure＞average temperature，with rainfall＞average wind velocity＞relative humanity＞average temperature＞average atmospheric pressure on SO2，and rainfall ＞relative humanity＞average wind velocity＞average temperature＞average atmospheric pressure on NO2，which means that rainfall is the primary meteorological factor on air pollutants concentration，following the relative humanity wind velocity，atmospheric pressure，and temperature at the last.

air pollutant；spatial and temporal distribution；meteorological factors；grey correlation；Wuhan

X82

A

1673－9655（2014）02－0043－05

2014－01－10

國家科技支撐計劃項目 （2013BAJ02B01），中央高校基本科研業務費專項 （2013PY133）。

裴婷婷 （1987－），女，漢族，碩士。研究方向為園林植物應用與園林生態。

周志翔 （1963－），男，漢族，教授，博士生導師。研究方向為景觀生態學與森林生態學。