滁州市空氣質量指數（AQI）與氣象條件的關系分析

張鑫童　徐姍　金華星

摘 要：該文利用2015年滁州市逐日AQI與同期氣象要素的觀測資料，對滁州市空氣質量變化特征及其與氣象條件的關系進行了分析。結果表明：與上年相比，2015年滁州市空氣質量未得到有效改善，還有進一步惡化的趨勢。空氣質量為良的等級出現頻率最高，其次為輕度污染，首要污染物以PM2.5為主。四季AQI存在顯著差異，有明顯的季節變化特征，冬季AQI均值最高，波動幅度最大，夏季AQI均值最低，波動幅度最小。AQI與平均氣壓、平均氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均風速、日降水量以及前一日AQI顯著相關?；跉庀笠亟⒌腁QI回歸方程對全年AQI的總體變化趨勢和平均狀態擬合效果較好，但對極值的擬合能力不足。

關鍵詞：空氣質量指數；氣象條件；相關性；逐步回歸

中圖分類號 X16 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）14-0161-05

Abstract：Based on the observational data of the daily air quality index（AQI）and the meteorological elements in Chuzhou City in 2015，the relationship between the characteristics of air quality change and the meteorological conditions in Chuzhou City was analyzed. The results show that compared with the previous year，the air quality in Chuzhou in 2015 has not been effectively improved，and the trend of further deterioration.Air quality for the highest level of the highest frequency，followed by mild pollution，the main pollutants to PM2.5-based. There were significant differences in seasonal AQI and obvious seasonal variation characteristics. The AQI was the highest in winter and the fluctuation range was the highest. The summer AQI was the lowest and the fluctuation range was the smallest. AQI was significantly correlated with mean pressure，mean temperature，daily minimum temperature，daily range of temperature，mean wind speed，daily precipitation and AQI of the day before. The AQI regression equation based on meteorological elements has a good effect on the overall trend and average state fitting of AQI throughout the year，but the ability to fit the extreme value is insufficient.

Key words：Air quality index（AQI）； Meteorological condition； Correlation； Stepwise regression

城市空氣質量與氣象條件密不可分[1-4]，國內學者對空氣質量時空分布特征[5]、空氣污染指數節氣分布[6]、空氣污染變化特征[7]、首要污染物濃度變化[8-9]與氣象要素的關系進行了研究，不同城市空氣質量特征分析具有一定的共性，但地區差異也很明顯[10]。

作為南京都市圈主要成員和皖江城市帶承接轉移示范區重要一翼，滁州市自2008年開啟“大滁城建設”，隨著城市規模與GDP總量的快速增長，城市空氣的污染問題也日益突出。2016年5月12日，因環境質量未得到有效改善，環境執法力度亟待加強，滁州市被國家環保部點名通報。目前，針對滁州市的空氣質量變化與氣象條件關系的研究尚屬空白，本文主要分析了2015年滁州市空氣質量指數（AQI）[11-12]與主要污染物變化特征，并探討AQI與氣象要素之間的關系，為滁州市AQI預測及大氣污染防治提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源 自2015年1月1日起，滁州市環境監測站（監測點分別位于市老年大學、監測站和市人大賓館）執行新的環境空氣質量標準[11]，監測并發布空氣質量指數（AQI）[12]代替原有的空氣污染指數（API）[13]。2015年滁州市空氣質量日報（逐日AQI、首要污染物、各污染物日均濃度）由滁州市環境保護局提供；2009—2014年滁州市空氣質量月報來源于滁州市環境保護局數據中心；2015年對應時段的氣象資料來源于滁州國家基本氣象站地面觀測數據。

1.2 分析方法 根據《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》（HJ633-2012），依據AQI數值將城市空氣質量劃分為6級（見表1）。AQI是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數，空氣質量分指數IAQI是單項污染物（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3）的空氣質量指數，AQI=max{IAQI1，IAQI2，…，IAQIn}。AQI大于50時，IAQI最大的污染物為首要污染物，若IAQI最大的污染物為兩項或兩項以上時，并列為首要污染物，IAQI大于100的污染物為超標污染物。AQI與各污染物濃度月平均值為全月日值平均，數據分析使用SPSS18.0軟件。

2 結果與分析

2.1 空氣質量時間分布特征

2.1.1 2015年空氣質量概況 圖1為2015年1月1日至12月31日，滁州市不同空氣質量類別所占日數的百分比，由圖1可見，滁州市2015年出現頻率最高的空氣質量等級為二級良，占年總日數的58.4%；其次為三級輕度污染，出現頻率為20.8%；再次為一級優，出現頻率為13.7%；中度污染、重度污染出現頻率分別為5.5%、1.6%；2015年未出現嚴重污染，優良空氣質量等級占年總日數的比率（也稱為空氣質量達標率）為72.1%。年平均AQI為85.5，峰值為258，出現在10月16日。首要污染物主要為PM2.5，全年出現272d，其次為PM10、NO2，出現日數分別為41d、6d，可見造成2015年滁州市大氣污染的主要因素是細顆粒物PM2.5。

圖2為2009—2015年滁州市空氣質量達標率變化，由圖2可見，2009—2015年平均空氣質量達標率為90.5%，2009—2012年滁州市空氣質量達標率較為穩定，保持在96%以上，2013—2014年達標率降至85%左右。2015年滁州市空氣質量達標率再次出現明顯下降，與2014年相比，降幅為15.0%，其中空氣質量類別為優的比率下降5.8%；與2009—2014年均值相比，空氣質量達標率降幅達到21.5%。由此可見，隨著城市的快速發展，空氣污染問題逐步顯現，與環保部通報相符，2015年滁州市空氣質量未能得到有效改善，還有進一步惡化的趨勢。

2.1.2 AQI月變化特征 運用SPSS18.0軟件對2015年滁州市各月AQI進行方差分析（見表2），結果顯示，F分布的觀測值為9.686，對應的概率ρ值小于0.001，所以認為，在顯著性水平為0.01的前提下，2015年滁州市各月AQI存在顯著差異。

圖3為2015年滁州市AQI月平均值和標準差變化，由圖3可知，2015年各月平均AQI均在50以上，其中1、2、5、10、12月這5個月份月平均AQI超過年均值，為污染高發月份，其中5月和12月空氣質量類別為優的日數均為0。AQI最大值出現在12月，達到126.9，空氣質量最差，月空氣質量達標率僅為32.3%，1月次之，AQI為106.9；3月AQI最低，為62.3，空氣質量最好，月空氣質量達標率達到96.8%，7—9月AQI較低且變化平緩。比較各月平均AQI的標準差可以發現，12月標準差最大，其次是10月、1月；3月標準差最小，其次是9月、8月，這與AQI的變化趨勢基本一致，即AQI較大時，空氣質量變化幅度大，AQI較小時，空氣質量相對比較穩定。

2.1.3 AQI季節變化特征 對2015年滁州市四季AQI進行方差分析（見表3），結果顯示，F分布的觀測值為18.530，對應的概率ρ值小于0.001，所以認為，在顯著性水平為0.01的前提下，2015年滁州市四季AQI存在顯著差異。

圖4為2015年滁州市四季AQI平均值和標準差變化，從圖4可以看出，滁州市AQI有明顯的季節變化特征，春、夏、秋、冬四季AQI平均值分別為77.3、72、83.9、109.3，冬季AQI平均值最高，夏季AQI平均值最低，這說明2015年滁州市冬季空氣質量最差，其次是秋季和春季，夏季空氣質量最好。從AQI的標準差變化也可以看出，AQI在夏季變化波動最小，春季、秋季次之，冬季波動最大，與四季AQI的變化趨勢一致。滁州市冬季并無集中供暖，AQI卻呈現出冬季最高，夏季最低的態勢，其原因可能是冬季大氣層結較穩定，靜穩天氣多，大氣污染物不易擴散[14]，而夏季對流旺盛，降水增加，利于污染物的擴散和沉降。

2.2 AQI與氣象條件的關系

2.2.1 AQI與氣象要素相關性分析 利用滁州國家基本氣象站觀測數據分析2015年逐日AQI（2015年1月2日至2015年12月31日）與氣象要素的相關特征，選取的氣象要素包括平均氣壓、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均相對濕度、平均風速、日降水量以及前一日AQI，分析結果如表4所示。由表4可知，AQI與平均氣壓、平均氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均風速、日降水量以及前一日AQI在0.01水平上均顯著相關。其中，AQI與前一日AQI相關系數達到0.651，呈顯著的正相關關系，說明空氣質量變化存在累積和稀釋的過程，具有一定的延續性[15]。AQI與平均氣壓顯著正相關，說明氣壓對AQI有顯著的負效應，即氣壓越高，AQI越高，空氣質量越差。這是由于高壓系統控制下大氣層結相對穩定，污染物不易擴散；當低壓系統控制時，近地面污染物隨空氣輻合上升，易于擴散，降低污染物濃度[16]。AQI與平均氣溫顯著負相關，說明氣溫對AQI有顯著的正效應，即氣溫越高，AQI越低，空氣質量越好。這是因為氣溫越高，近地面對流活動越強，大氣層結越不穩定，污染物易于擴散[16]。這與2015年滁州市空氣質量的季節變化特征相符，夏季空氣質量最好，冬季空氣質量最差。AQI與平均風速顯著負相關，說明風速對AQI有顯著的正效應，即風速越高，AQI越低，空氣質量越好。這是由于大風天氣有利于污染物擴散，降低污染物濃度，提高空氣質量；當風速較小時，污染物因擴散條件差易累積，影響空氣質量[16]。AQI與日降水量顯著負相關，說明降水對AQI有顯著的正效應，即降水量越高，AQI越低，空氣質量越好。這是因為降水對空氣中的污染物有沖洗、溶解等作用，有利于污染物濕沉降，可在一定程度上減少近地面污染物濃度[16]。

2.2.2 基于氣象要素的AQI回歸方程建立與擬合效果檢驗 選取與AQI顯著相關的氣象要素（平均氣壓、平均氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均風速、日降水量）以及前一日AQI共7個因子作為自變量，以AQI為因變量Y，進行多元線性逐步回歸分析[17-18]，建立基于氣象要素的AQI回歸方程，擬合效果最好的回歸方程（1）如下：

為檢驗回歸方程的擬合效果，利用方程（1）對2015年（1月2日至12月31日）滁州市AQI進行擬合，并與AQI觀測數據進行對比，如圖5所示，回歸方程的擬合值與AQI實測值變化基本一致，擬合效果較好。對兩組數據的統計量進行分析，觀測數據的平均值為85.53，最大值258，最小值24，標準差為39.097；擬合數據的平均值為85.20，最大值198，最小值-11，標準差為28.920。由此可見，觀測數據的波動幅度明顯大于擬合數據，回歸方程對全年AQI的總體變化趨勢和平均值擬合效果較好，但對極值的擬合能力較差，擬合結果更趨于平均。

3 結論與討論

（1）2015年滁州市空氣質量達標率為72.1%，與上年相比，下降15%；與2009—2014年均值相比，降幅達到21.5%，空氣質量未得到有效改善。空氣質量為良的等級出現頻率最高，占年總日數的58.4%，其次為輕度污染，出現頻率為20.8%。首要污染物主要為PM2.5，全年出現272d，是造成2015年滁州市大氣污染的主要因素。

（2）2015年滁州市年平均AQI為85.5，最大值為258，出現在10月16日。各月AQI存在顯著差異，12月平均AQI最高，均值為126.9；3月平均AQI最低，為62.3，AQI均值越高，該月空氣質量變化幅度越大，空氣質量越不穩定。四季AQI也存在顯著差異，有明顯的季節變化特征，冬季AQI均值最高，波動幅度最大，夏季AQI均值最低，波動幅度最小。

（3）相關性分析表明，AQI與平均氣壓、氣溫日較差、前一日AQI顯著正相關；與平均氣溫、日最低氣溫、平均風速、日降水量顯著負相關。其中，AQI與前一日AQI相關系數達到0.651，說明空氣質量的變化存在累積和稀釋的過程，具有一定的延續性，空氣質量指數預報需考慮這一因素。基于氣象要素建立的AQI回歸方程對全年AQI的總體變化趨勢和平均狀態擬合效果較好，但對極值的擬合能力不足，甚至出現不符合邏輯的負值，回歸方程需進一步優化，選取更多的氣象要素，并結合近地面與高空天氣形勢進行分析，提高擬合效果。

（4）受資料限制，滁州市環境監測站自2015年1月1日起，才開始監測并發布AQI數據，本研究僅對2015年一年的AQI進行分析討論，樣本數量有限，建立的回歸方程存在局限性。本研究未對PM2.5、PM10、NO2等主要污染物濃度的時空分布規律及其與氣象條件的關系展開深入研究，未來可結合新增數據樣本，進一步開展分析探討，為滁州市大氣污染防治工作提供有力參考。

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（責編：張宏民）