岳陽(yáng)市AQI指數(shù)變化特征及與常規(guī)氣象條件的關(guān)系

陳姣榮，曹向林

(湖南省岳陽(yáng)市氣象局，湖南 岳陽(yáng)　414000)

1　引言

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展與能源消耗的迅速增加，大氣污染給人類生活環(huán)境和社會(huì)發(fā)展帶來巨大的負(fù)面影響，環(huán)境問題已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。有效防治大氣污染，科學(xué)合理地規(guī)劃城市布局，凈化城市環(huán)境空氣質(zhì)量的意識(shí)不斷增強(qiáng)。相關(guān)科學(xué)研究表明:氣象要素和大氣污染之間有著十分密切的相關(guān)關(guān)系[4-6]。氣象要素作為影響空氣質(zhì)量環(huán)境重要因素之一，它對(duì)大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化過程起著一定的制約作用[7-8]。許多研究人員從空氣質(zhì)量的時(shí)空分布特征到空氣質(zhì)量與氣象要素的相關(guān)關(guān)系開展了諸多研究，為本文提供了重要的經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)[9-14]。

岳陽(yáng)市濱江臨湖，屬濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候，全市東高西低，呈現(xiàn)向西北開口的“撮箕口”盆地。岳陽(yáng)是中南地區(qū)重要的石油化工基地，沿長(zhǎng)江30 km地段分布著長(zhǎng)嶺煉化、巴陵石化、岳陽(yáng)紙業(yè)、華能電廠等一批中央大型企業(yè)。特殊的地形、地貌及其溫暖濕潤(rùn)的氣候，使岳陽(yáng)地面上空形成了一個(gè)有利于各種化學(xué)過程發(fā)生的環(huán)境；特別是近年來人民生活水平提高、車輛劇增，導(dǎo)致能源的消耗與污染物的排放不斷加大，岳陽(yáng)市區(qū)空氣質(zhì)量問題成為社會(huì)和公眾的關(guān)注熱點(diǎn)。本文根據(jù)岳陽(yáng)市2015—2016年空氣質(zhì)量(AQI)數(shù)據(jù)和同期的氣象數(shù)據(jù)資料，分析了該市空氣質(zhì)量(AQI)變化的規(guī)律，并結(jié)合常規(guī)氣象要素進(jìn)行了相關(guān)分析，為合理規(guī)劃城市工業(yè)布局、有效改善環(huán)境空氣質(zhì)量、積極應(yīng)對(duì)環(huán)境大氣污染等問題提供科學(xué)的決策依據(jù)。

2　資料選取

岳陽(yáng)市區(qū)空氣監(jiān)測(cè)站包括云溪區(qū)、開發(fā)區(qū)、南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯5個(gè)國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和金鳳水庫(kù)1個(gè)半自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。云溪區(qū)代表工業(yè)區(qū)、開發(fā)區(qū)代表城區(qū)、南湖景區(qū)代表旅游區(qū)、城陵磯代表沿江區(qū)、君山區(qū)和金鳳水庫(kù)分別代表遠(yuǎn)郊區(qū)和近郊區(qū)。這6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)來自于岳陽(yáng)市環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，氣溫、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)來自于岳陽(yáng)國(guó)家氣象觀測(cè)站。資料選取時(shí)間序列為2015年1月1日—2016年12月2年。季節(jié)劃分：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—次年2月為冬季。

3　空氣質(zhì)量AQI的變化特征

3.1　空氣質(zhì)量AQI指數(shù)的時(shí)空變化特征

岳陽(yáng)市區(qū)2015—2016年空氣質(zhì)量指數(shù)AQI為79。冬季AQI最大，為96；夏季AQI最小，為69；春秋季AQI相當(dāng)，分別為78和73。

圖1　岳陽(yáng)市區(qū)AQI年空間分布Fig.1　Annual spatial distribution of Yueyang city`s AQI

空間分布中，云溪區(qū)AQI最大，為82；開發(fā)區(qū)次之，為81；南湖景區(qū)、城陵磯、金鳳水庫(kù)基本相當(dāng)，分別為76、77、78；君山區(qū)最小，為74。主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)空分布和主要污染源時(shí)空分布基本一致，所以岳陽(yáng)市區(qū)冬季空氣質(zhì)量最差，夏季空氣質(zhì)量最好，春、秋季次之。

在空氣質(zhì)量指數(shù)AQI季節(jié)分布中，云溪區(qū)4個(gè)季節(jié)的空氣質(zhì)量指數(shù)都是最大的，在78～92范圍內(nèi)。而君山區(qū)春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的空氣質(zhì)量指數(shù)都是最小，在68～72范圍內(nèi)。6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，南湖景區(qū)的冬季空氣質(zhì)量指數(shù)最小，為88。因此，岳陽(yáng)市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI總體呈現(xiàn)北方空氣質(zhì)量差于南方、工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量差于水庫(kù)景區(qū)的特征。

圖2　岳陽(yáng)市區(qū)2015—2016年AQI逐月變化Fig.2　The Monthly Changes of Yueyang City`s AQI during 2015—2016

根據(jù)2015—2016年各月空氣質(zhì)量指數(shù)統(tǒng)計(jì)，時(shí)間分布上大體為6—8月最小，為62～70；12月、1月、2月最大，分別為88、91、88，即：12—2月的空氣質(zhì)量差于其他月份，6—8月的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于其他月份。空間分布上看，除了6月、7月、8月外，其他月份云溪區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)最大，空氣質(zhì)量最差，而12月、1月、2月南湖景區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)最小，其余月份君山區(qū)、金鳳水庫(kù)比較小，即：岳陽(yáng)市北部空氣質(zhì)量差于南部，工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量差于水庫(kù)景區(qū)。

3.2　重度污染及嚴(yán)重污染

2015年岳陽(yáng)市區(qū)6個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)中發(fā)生重度污染及嚴(yán)重污染的天數(shù)總共有6 d，5 d為重度污染，出現(xiàn)在3月10日、12月12日、12月23日、2月8日、2月24日，1 d為嚴(yán)重污染，出現(xiàn)在12月16日。1 d中至少有1個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)出現(xiàn)重度污染及嚴(yán)重污染的天數(shù)總共有2 d：出現(xiàn)在2月8日(金鳳水庫(kù)、開發(fā)區(qū)、城陵磯、君山區(qū))和2月24日(金鳳水庫(kù)、開發(fā)區(qū))。

云溪區(qū)出現(xiàn)4 d重度污染和1 d嚴(yán)重污染，4 d重度污染發(fā)生在12月12日、12月23日、12月08日、2月08日、2月24日，1 d嚴(yán)重污染發(fā)生在12月16日；開發(fā)區(qū)出現(xiàn)2 d重度污染，發(fā)生在2月8日、2月24日；城陵磯、金鳳水庫(kù)、君山區(qū)出現(xiàn)1 d重度污染，均發(fā)生在2月8日；南湖風(fēng)景區(qū)出現(xiàn)1 d重度污染，發(fā)生在3月8日。

因此，重度污染及嚴(yán)重污染日基本出現(xiàn)在空氣質(zhì)量較差的冬季，云溪區(qū)等工業(yè)區(qū)發(fā)生頻率比較高，南湖景區(qū)、水庫(kù)發(fā)生頻率比較低。重度污染及嚴(yán)重污染日時(shí)空分布與空氣質(zhì)量時(shí)空分布基本一致。

4　影響空氣質(zhì)量AQI指數(shù)變化的因素

4.1　氣溫

在日平均氣溫與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的關(guān)系中，≤10 ℃代表冬季，≥10.1 ℃且<20 ℃代表春秋季，20.1～30.0 ℃代表夏季，>30 ℃代表酷暑，春夏秋冬4個(gè)季節(jié)岳陽(yáng)市區(qū)AQI指數(shù)分別為63、58、74、95，因此，夏季空氣質(zhì)量最好，春秋季次之，冬季空氣質(zhì)量最差。君山區(qū)、南湖景區(qū)、城陵磯、金鳳水庫(kù)這四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日平均氣溫與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的關(guān)系和開發(fā)區(qū)所代表的岳陽(yáng)市區(qū)基本一致。而云溪區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溫越高，空氣質(zhì)量越差，日平均氣溫超過30 ℃，氣溫升高，空氣質(zhì)量變差。當(dāng)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象時(shí)，大氣結(jié)層穩(wěn)定，空氣流動(dòng)性弱，污染物不易擴(kuò)散，空氣質(zhì)量差。

4.2 降水量

在降水量與空氣質(zhì)量AQI的關(guān)系(表1)中，岳陽(yáng)市區(qū)24 h內(nèi)大雨(>25.0 mm)、中雨(10.1～25.0 mm)、小雨(0.1～10.0 mm)、無雨空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為71、81、83、92，可看出岳陽(yáng)市區(qū)大雨日空氣質(zhì)量最好，無雨日空氣質(zhì)量最差。降水會(huì)通過重力沉降和雨量沖刷將空氣中的污染物，如灰塵、顆粒污染物等降到地面，一定程度上改善空氣質(zhì)量。降水少，空氣污染物逐步堆積，空氣質(zhì)量變差。南湖景區(qū)、君山區(qū)、云溪區(qū)、金鳳水庫(kù)小雨日空氣質(zhì)量指數(shù)AQI小于中雨日空氣質(zhì)量指數(shù)AQI，小雨日空氣質(zhì)量好于中雨日；城陵磯小雨日空氣質(zhì)量指數(shù)AQI大于中雨日空氣質(zhì)量指數(shù)，小雨日空氣質(zhì)量比中雨日差。

表1　降水量(mm)與AQI的關(guān)系Tab.1　The Relationship Between the Precipitation(mm) and the AQI

4.3　低云量

在天空狀況(低云量)與AQI的關(guān)系(表2)中，岳陽(yáng)市區(qū)陰天(9～10成)、多云(5～8成)、少云(3～4成)、晴天(0～4成)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為83、80、87、93，可得知岳陽(yáng)市區(qū)多云日空氣質(zhì)量最好，晴天天氣質(zhì)量最差；云溪區(qū)、南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯、金鳳水庫(kù)晴天空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為103、82、97、94、79，均為4種天氣狀況最大，可見各監(jiān)測(cè)點(diǎn)晴天空氣質(zhì)量最差；云溪區(qū)、南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯、金鳳水庫(kù)多云空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為83、68、74、78、63，均為4種天氣狀況的最低值，可見各監(jiān)測(cè)點(diǎn)多云天空氣質(zhì)量最好。

表2　低云量(成)與AQI的關(guān)系Tab.2　The relationship between the low cloud cover (Deci) and the AQI

4.4　相對(duì)濕度

相對(duì)濕度是指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比。在平均相對(duì)濕度與AQI的關(guān)系中，相對(duì)濕度91%～100%、81%～90%、66%～80%、≤65%空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為73、85、94、93，因此當(dāng)相對(duì)濕度超過90%時(shí)空氣質(zhì)量最好，當(dāng)相對(duì)濕度低于65%時(shí)，岳陽(yáng)市區(qū)空氣質(zhì)量最差。

表3　相對(duì)濕度(%)與AQI的關(guān)系Tab.3　The relationship between the relative humidity (%) and the AQI

從表3可看出，南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯、金鳳水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度越高，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI越小，空氣質(zhì)量越好，即相對(duì)濕度<65%時(shí)，空氣質(zhì)量最差，相對(duì)濕度>90%時(shí)，空氣質(zhì)量最好；云溪區(qū)相對(duì)濕度為66%～80%時(shí)，空氣質(zhì)量最差。所有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)相對(duì)濕度>90%時(shí)，空氣質(zhì)量最好。

4.5　風(fēng)速風(fēng)向

4.5.1風(fēng)速近地層風(fēng)速對(duì)污染物擴(kuò)散的濃度和速率產(chǎn)生影響，污染物會(huì)隨著風(fēng)移動(dòng)并得到風(fēng)的攪動(dòng)，不斷與相對(duì)干凈的空氣混合而最終稀釋。在平均風(fēng)速(m/s)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的關(guān)系(表4)中，岳陽(yáng)市區(qū)風(fēng)力等級(jí)為1級(jí)(平均風(fēng)速為<1.6 m/s)、風(fēng)力等級(jí)為2級(jí)(平均風(fēng)速為1.6～3.3 m/s)、風(fēng)力等級(jí)為3級(jí)(平均風(fēng)速>3.3 m/s)出現(xiàn)的概率分別為14%、66%、20%，風(fēng)力1、2、3級(jí)對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為98、90、88，因此岳陽(yáng)市區(qū)風(fēng)力為1級(jí)時(shí)，AQI最大，空氣質(zhì)量最差；城陵磯、南湖景區(qū)、金鳳水庫(kù)、云溪區(qū)、君山區(qū)，風(fēng)力等級(jí)為1級(jí)時(shí)AQI最大，分別為96、84、83、104、95，空氣質(zhì)量最差，與岳陽(yáng)市區(qū)一致。風(fēng)速小時(shí)，空氣污染物擴(kuò)散條件不利，污染物不斷累積，空氣質(zhì)量差。

表4　平均風(fēng)速(m/s)與AQI的關(guān)系Tab.4　The relationship between the average wind velocity (m/s) and the AQI

4.5.2風(fēng)向風(fēng)向會(huì)對(duì)空氣污染物的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，當(dāng)污染物的時(shí)空分布與主導(dǎo)風(fēng)一致時(shí)，會(huì)加劇空氣污染程度。2015年N、NNE、風(fēng)向頻率分別為24.2%、15.8%和8.6%，3個(gè)方向風(fēng)向頻率合計(jì)為48.6%，其他方向?yàn)?%～8%；因此，岳陽(yáng)市區(qū)以北偏東為主導(dǎo)風(fēng)。

圖3　岳陽(yáng)市區(qū)年風(fēng)向頻率玫瑰圖Fig.3　Yueyang city`s wind frequency rose plot

岳陽(yáng)石油化工總廠、長(zhǎng)嶺煉油化工總廠、華能岳陽(yáng)電廠、岳紙集團(tuán)等污染物排放量大的場(chǎng)地主要分布在岳陽(yáng)市區(qū)偏北方向；煤、石油等燃料的燃燒，煤炭、石油等含硫燃料的燃燒、煉焦廠、煉油廠工業(yè)廢氣的排放，大量的空氣污染進(jìn)入空氣中；冬季岳陽(yáng)進(jìn)入取暖季，煤的大量燃燒增加了空氣中SO2的排放；主要污染物的時(shí)空分布與年主導(dǎo)風(fēng)向一致，使得岳陽(yáng)大部分區(qū)域位于污染源的下游，偏北風(fēng)的盛行帶來了空氣污染物，加劇了空氣污染。

4.6　霧

霧對(duì)大氣污染物的遷移擴(kuò)散產(chǎn)生影響，霧的吸收、揮發(fā)、霧滴沉降等過程會(huì)使地面污染物濃度增加，造成空氣污染。在天氣現(xiàn)象與AQI的關(guān)系(表5)中，有霧日，城陵磯、南湖景區(qū)、金鳳水庫(kù)、開發(fā)區(qū)、云溪區(qū)、君山區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為117、105、125、117、118、123，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無霧天氣時(shí)的空氣質(zhì)量指數(shù)，可得知有霧日空氣質(zhì)量明顯比無霧日差，金鳳水庫(kù)有霧日與無霧日差異最明顯。

表5　有霧、無霧與AQI的關(guān)系Tab.5　The relationship between the mist and the AQI

5　空氣質(zhì)量AQI指數(shù)的預(yù)報(bào)預(yù)警

5.1　綜合指標(biāo)法模型的建立

綜合指標(biāo)法是指通過大量的觀察并進(jìn)行分組，綜合運(yùn)用各種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，剔除個(gè)別偶然因素對(duì)整體的影響，能夠反映出普遍的、決定性條件的作用結(jié)果[9]。綜合指標(biāo)法需要先選擇待評(píng)價(jià)的指標(biāo)，并對(duì)逐項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，接著進(jìn)行計(jì)分算出綜合分?jǐn)?shù)，最終得出指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。在表6中，按照影響程度對(duì)氣象因子進(jìn)行權(quán)重分配，通過求加權(quán)和算出影響岳陽(yáng)市空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的氣溫、降水量、低云量、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象因子的綜合分?jǐn)?shù)。當(dāng)加權(quán)和>1，代表空氣質(zhì)量差；若加權(quán)和≤1，代表空氣質(zhì)量好。

表6　氣象因子的權(quán)重分配Tab.6　The distribution of the weight of meteorological factors

綜合指標(biāo)法建立的模型的模擬結(jié)果與AQI指數(shù)級(jí)別進(jìn)行比較，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI級(jí)別中的一級(jí)和二級(jí)可以認(rèn)定為空氣質(zhì)量好，三級(jí)到六級(jí)認(rèn)定為空氣質(zhì)量差，則擬合程度超過8成,達(dá)到81%。由此可以認(rèn)為這種綜合指標(biāo)法模型可以較好的模擬岳陽(yáng)城區(qū)空氣質(zhì)量的優(yōu)良程度。

5.2　回歸模型的建立

通過統(tǒng)計(jì)分析部分氣象因子之間的相關(guān)性與獨(dú)立性，岳陽(yáng)市區(qū)的降水量因子與露點(diǎn)溫度、水汽壓、霧之間的獨(dú)立性較差，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.95、0.95、-0.9，所以進(jìn)行回歸分析時(shí)剔除掉這3個(gè)氣象因子，精簡(jiǎn)回歸模型。在氣溫、降水量、低云量、相對(duì)濕度、風(fēng)速這些因子相關(guān)系數(shù)中(表7)，氣溫、風(fēng)速氣象因子之間相關(guān)性基本小于0.3，降水量、低云量、相對(duì)濕度相關(guān)性相對(duì)大些，超過0.5。因此，這5個(gè)氣象因子之間的獨(dú)立性比較好。

表7　各因子之間相關(guān)系數(shù)Tab.7　Correlation coefficient among factors

將氣溫、降水量、低云量、相對(duì)濕度、風(fēng)速這5個(gè)氣象因子與岳陽(yáng)市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI進(jìn)行逐步回歸分析，剔除掉不顯著的低云量、相對(duì)濕度這2個(gè)氣象因子，最后建立最優(yōu)回歸方程：

Y=1 119.8-1.14x1-1.72x2-3.78x3

(1)

其中，x1：日平均氣溫(℃)，x2：降水量(mm)，x3：日平均風(fēng)速(m/s)。

式(1)中的方程選取2015年的樣本數(shù)共359個(gè)，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.34，統(tǒng)計(jì)量F 為14.78，F(xiàn)0.05為2.70，因?yàn)镕0.05小于統(tǒng)計(jì)量F，故而該回歸方程顯著。對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)，回歸系數(shù)均通過t檢驗(yàn)(|ti(i=1,2,3)|=5.17，4.12，2.03，t0.05=1.97，|ti(i=1,2,3)|> t0.05)。因而對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI具有明顯影響的氣象因子是氣溫、風(fēng)速、降水量。

將空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別與空氣質(zhì)量指數(shù)模擬值進(jìn)行對(duì)比，可以看出模擬級(jí)別與AQI級(jí)別相差2個(gè)級(jí)別和3個(gè)級(jí)別的概率為3%和2%，相差1個(gè)級(jí)別的概率為33%，AQI級(jí)別與模擬級(jí)別一致的概率為62%。可得出該回歸模型模擬效果比較好。可用于空氣質(zhì)量指數(shù)的預(yù)報(bào)預(yù)警。

6　結(jié)論與討論

①岳陽(yáng)市區(qū)冬季空氣質(zhì)量最差，夏季空氣質(zhì)量最好，北方空氣質(zhì)量差于南方、工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量差于水庫(kù)景區(qū)。

②重度污染及嚴(yán)重污染日基本出現(xiàn)空氣質(zhì)量較差的冬季，云溪區(qū)等工業(yè)區(qū)發(fā)生頻率比較高，南湖景區(qū)、水庫(kù)發(fā)生頻率比較低。重度污染及嚴(yán)重污染日時(shí)空分布與空氣質(zhì)量時(shí)空分布基本一致。

③日平均氣溫、日降水量、日平均風(fēng)速對(duì)岳陽(yáng)城區(qū)空氣質(zhì)量影響較大，低云量和相對(duì)濕度對(duì)空氣質(zhì)量有一定影響。岳陽(yáng)市城市工業(yè)布局方向與年主導(dǎo)風(fēng)向一致，使得城區(qū)廣大區(qū)域處于工業(yè)氣流的下游，導(dǎo)致空氣污染加劇。在大氣層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)下空氣污染加重。

④用綜合指標(biāo)法建立的預(yù)報(bào)模型可以較好地模擬岳陽(yáng)城區(qū)空氣質(zhì)量的好壞程度，擬合率達(dá)81%；用回歸模型建立的預(yù)報(bào)模型可以預(yù)報(bào)岳陽(yáng)城區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)，擬合率達(dá)62%。

⑤從檢驗(yàn)結(jié)果看，回歸模型擬合率不如綜合指標(biāo)法高，但適合制作空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)，而綜合指標(biāo)法綜合考慮了各種氣象因子對(duì)空氣質(zhì)量的影響，擬合率高，但只能制作空氣質(zhì)量好、差的預(yù)報(bào)，而回歸模型則彌補(bǔ)了這一缺陷，兩種方法可同時(shí)使用，互為補(bǔ)充。由于兩種方法中的預(yù)報(bào)因子均基于準(zhǔn)確的氣象要素預(yù)報(bào)，因此，只有不斷提高氣象要素預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，才能不斷提高空氣質(zhì)量氣象條件預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。