荊州市空氣質量特征與氣象因子關系研究

何亭亭，黃河，李方敏

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

隨著中國經濟的高速發展，空氣質量問題變得越來越嚴重。導致空氣污染的原因有多種，其中各種污染源的排放是最主要的。除此以外，空氣污染還與氣象條件關系密切。有研究表明：氣象條件與大氣環境質量具有顯著的相關性[1～7]，基于氣象因子的回歸模型可以預測PM2.5的濃度[8]。荊州市地處江漢平原腹地，屬于亞熱帶季風氣候區，從中國地形圖來看，江漢平原西側自北向南依次有武當山、大巴山、巫山、武陵山、雪峰山等，東側自北向南依次有大別山、幕阜山、羅霄山嶺等，總體上東西兩側地勢高，南北地勢低。特殊的地形、地貌導致了江漢平原地區的風向以偏南風和偏北風為主。截止到2016年底，荊州市常住人口569.79萬人，行政區域土地面積14067km2。自2013年以來，荊州市持續開展了以“三禁兩治”為主要內容的環保專項行動，著力改善大氣環境質量。但目前對荊州市空氣質量的研究沒有從氣象的角度分析其對空氣質量的影響。為此，本研究采用2017年荊州市逐日空氣質量指數(AQI)和氣象因子數據，分析了氣象因子與大氣環境質量之間的相關性，以期為荊州市的大氣污染控制提供參考。

1 資料與方法

2017年荊州市氣象數據來源于中國氣象局數據網(http://data.cma.cn)，2017年荊州市空氣質量指數數據來源于中國空氣質量在線監測分析平臺(https: //www.aqistudy.cn)。運用SPSS 24軟件對荊州市氣象因子與空氣質量數據進行相關性和回歸分析。時間尺度采用太陽直射點的移動來劃分夏半年和冬半年，即3月21日到9月23日為夏半年，其余時間為冬半年。

2 2017年荊州市空氣質量概況

2.1 空氣質量等級分布

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633-2012)，2017年荊州市空氣質量等級為優的時間有58d，占比16%；為良的時間最多，達210d，占比58%；輕度污染出現71d，占比19%；中度污染出現14d，占比4%；重度污染出現11d，嚴重污染出現1d，占比3%。

2.2 AQI月變化

為了研究污染天氣出現的時間，對2017年荊州市日均AQI大于200和大于100的時間分月進行統計(圖1)。由圖1可知1月、2月、3月、5月、11月、12月6個月份的污染較重，4月、6月、7月、8月、9月、10月6個月份污染較輕，由此可知污染日主要出現在冬半年，夏半年整體空氣質量狀況優于冬半年。

圖1 2017年荊州市AQI月變化

2.3 主要污染物質量濃度月變化

圖2為6種主要污染物質量濃度月均值變化折線圖。比較圖1和圖2可知，其中PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO質量濃度和AQI變化趨勢基本一致，都是夏半年數值小，冬半年數值大。只有O3質量濃度與AQI的變化趨勢相反，夏半年大于冬半年，故單獨研究O3與氣象因子之間的相關性很有必要。

圖2 2017年荊州市主要污染物濃度月變化

3 空氣質量與氣象因子的相關性和回歸分析

3.1 夏半年

相關性分析常用方法有皮爾遜相關性分析和斯皮爾曼相關性分析，皮爾遜相關性分析對變量要求比較高，必須為服從正態分布的連續性變量，而斯皮爾曼相關性分析適用的范圍更廣泛。在本研究中，2種方法計算結果差異不明顯，因此采用斯皮爾曼相關系數作為參考。由表1可知，在夏半年荊州市AQI與日平均氣溫和日蒸發量無顯著性相關，與日平均風速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負相關，與日平均氣壓和日照時數呈顯著性正相關。O3質量濃度與日平均氣壓無顯著性相關，與日平均氣溫、日照時數和日蒸發量呈顯著性正相關，與日平均風速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負相關。

表1 2017年夏半年荊州市空氣質量與氣象因子的斯皮爾曼相關系數

注：**表示在 0.01水平下相關性顯著。*表示在0.05水平下相關性顯著。表3同。

根據表1的相關性分析，構建AQI和O3質量濃度與氣象因子的多元回歸方程，多次回歸比較得出如下最優方程(表2)。AQI與日平均風速和日平均相對濕度的回歸方程調整后R2為0.481，說明氣象因子對AQI的影響程度為48.1%。O3質量濃度與日平均風速、日照時數、和日平均相對濕度的回歸方程調整后R2為0.536，說明氣象因子對O3質量濃度的影響程度為53.6%。2個回歸方程的t檢驗和F檢驗的P值都小于0.001，回歸系數和回歸方程顯著，具有統計學意義。

表2 2017年夏半年荊州市空氣質量與氣象因子的回歸方程

注：X2為日平均風速，m/s；X5為日照時數，h；X6為日平均相對濕度，%。

將回歸方程進行計算，擬合實測值，觀察回歸方程的擬合程度，由圖3和圖4可知，回歸方程的擬合值與實測值的變化趨勢大致一致，除去極值點外，能大致擬合。

圖3 夏半年AQI回歸擬合曲線

圖4 夏半年O3質量濃度濃度回歸擬合曲線

3.2 冬半年

由表3可知，2017年荊州市冬半年AQI與日照時數和日蒸發量無顯著性相關，與日平均氣溫、日平均風速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負相關，與日平均氣壓呈顯著性正相關。O3質量濃度與日平均氣壓無顯著性相關，與日平均氣溫、日照時數和日蒸發量呈顯著性正相關，與日平均風速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負相關。

表3 2017年冬半年荊州市空氣質量與氣象因子的斯皮爾曼相關系數

由表4可知，AQI與日平均風速和日平均相對濕度的回歸方程調整后R2為0.127，說明氣象因子對AQI的影響程度為12.7%。O3質量濃度濃度與日平均氣溫和日照時數的回歸方程調整后R2為0.518，說明氣象因子對O3質量濃度的影響程度為51.8%。2個回歸方程的t檢驗和F檢驗的P值都小于0.01，回歸系數和回歸方程顯著，具有統計學意義。

表4 2017年冬半年荊州市空氣質量與氣象因子的回歸方程

注：X1為日平均氣溫，℃；X2為日平均風速，m/s；X5為日照時數，h；X6為日平均相對濕度，%。

比較圖5和圖6可知，O3質量濃度比AQI的回歸擬合程度更好，夏半年的AQI回歸方程比冬半年的回歸擬合程度更好，夏半年AQI回歸方程調整后的R2遠大于冬季，這說明冬半年空氣質量狀況的惡化，還需從多個角度考慮。

圖5 冬半年AQI回歸擬合曲線

圖6 冬半年O3質量濃度回歸擬合曲線

4 風向對空氣質量的影響

4.1 夏半年

根據風向玫瑰圖(圖7)可知，夏半年的盛行風向為東北偏北風和南風。為研究風向與空氣質量之間的關系制作了圖8，圖8所示為各個方位風向的AQI數值大于79出現的日數(d)，79是夏半年日均

圖7 夏半年風向玫瑰圖圖8 各方位AQI>79的日數

AQI數值。大于平均AQI數值出現日數最多的風向是東北偏北風，其次是東南偏南風，再是南風。表明在盛行風方向上，更容易出現AQI數值高于平均水平的現象，這說明荊州市的空氣質量問題受周圍大氣環境質量的影響程度大。

4.2 冬半年

由圖9可知，2017年冬半年荊州市的盛行風向是東北偏東風。冬半年AQI日均值是104，AQI數值大于均值出現日數最多的風向方位是東北偏東風(圖10)。再比較冬半年和夏半年盛行風向的差異，表明冬半年荊州市空氣質量差于夏半年，很大一部分程度是受來自東北偏北方向附近的風的影響，冬半年來自北方的風帶來了大量的大氣污染物，再加上近地面溫度低、氣壓高、空氣對流運動弱，污染物不易擴散，造成了荊州市AQI數值大。

圖9 冬半年風向玫瑰圖圖10 各方位AQI>104的日數

5 小結

1)2017年荊州市空氣質量夏半年比冬半年好，污染天氣主要集中在冬半年，尤其是在冬季，要加強該季節的空氣質量防治措施。

2)2017年荊州市空氣質量指數與O3質量濃度變化趨勢相反，AQI與日平均氣溫、日平均風速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負相關，與日平均氣壓和日照時數呈顯著性正相關，與日蒸發量無顯著性相關。O3質量濃度與日平均氣溫、日照時數和日蒸發量呈顯著性正相關，與日平均風速、日降水量和日平均相對濕度呈顯著性負相關，與日平均氣壓無顯著性相關。

3)2017年荊州市的盛行風向是東北偏北風和南風，夏半年東北偏北風和南風出現次數大致一致，冬半年主要受東北偏北風方向的影響，冬半年空氣質量比夏半年差，極有可能是受來自東北偏北方向的風的影響，風帶來的大氣污染物質滯留在荊州上空，導致冬半年AQI數值大，易出現污染天氣。

4)分析各個方位所對應的AQI大于均值日數，發現在盛行風方位出現的日數最多，這說明荊州市的空氣質量受風向的影響大，受周邊城市的空氣質量影響大，大氣環境的治理需要靠合作，荊州市的空氣質量治理應該聯合位于東北偏北方向和南方的城市，加強交流與溝通，分享治理大氣的技術與經驗。