基于空間數據的空氣質量指數分析

王凌鋒 汪怡成 張瓊

摘要：近年來，空氣質量已成為中國社會日益關注的話題。筆者選用2018年全國省會城市空氣質量指數（AQI）及其主要考核指標：地面臭氧（O3）、PM10（粒徑小于等于10μm）、PM2.5（粒徑小于等于2.5μm）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2），結合Nich指數、泰爾指數做空間統計分析，探究不同區域空氣質量指數之間的關聯程度及影響因素。

關鍵詞：空間數據;質量指數（AQI）;Nich指數;泰爾指數

中圖分類號：X830.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.095

Air quality index analysis based on spatial data

Wang Lingfeng，Wang Yicheng，Zhang Qiong

（Yunnan University （College of Mathematics and Statistics），Kunming Yunnan 650504，China）

Abstract：In recent years， air quality has become an increasingly concerned topic in Chinese society. The author chooses 2018 national provincial city air quality index （AQI） and the main evaluation indexes： the ground-level ozone （O3）， PM10 （less than or equal to 10 microns）， PM2.5 （less than or equal to 2.5 microns）， carbon monoxide （CO）， sulfur dioxide （SO2），nitrogen dioxide （NO2），combining with clustering analysis， Nich index， the index of Theil do spatial statistical analysis， to explore the correlation degree between different regional air quality index and influencing factors.

Key words：Spatial data;Quality index （AQI）;Nich index;Theil index

1 問題的提出

霧霾形成及空氣質量下降是多方面、多因素造成的，而單一從相同污染源歸類不同省市是不科學的。因此從結果角度出發，通過已經監測到的2018年全年各省會城市的空氣質量指數，探尋在現有現象背景下各省市之間空氣質量的聯系。

2 材料與研究方法

2.1 研究范圍

本文以中國大陸為研究范圍，選取合計31個直轄市及省會城市作為樣本點建立數據集。

2.2 數據來源與處理

文中數據來自中國空氣質量在線監測分析平臺（https：//www.aqistudy.cn/historydata/）。季節劃分標準為3—5月春季，6—8月夏季，9—11月秋季，12月到次年2月冬季，各季每天的均值為季均值，全年各天的均值為全年均值。

2.3 研究方法

本文采用建立熱力圖、直方圖對各地區數據進行描述分析，再運用Nich指數、泰爾指數進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 全國空氣質量空間分布

中國全年空氣質量指數東西部較高，中部較低。華東、華北地區AQI指數較高，全年均值為輕度污染;西部地區及黑龍江省空氣質量良好;華中、華南、內蒙古、青海、甘肅空氣質量保持較好。

各季度AQI指數區域分布同全年分布相似，但季節性差異明顯。夏秋兩季空氣質量優良，冬季空氣受染嚴重。河北、黑龍江、江西、安徽等省份AQI指數較高，其中部分地區達到中度污染水平。空氣質量指數呈現冬季>春季>夏季>秋季的分布特征。

3.2 基于Nich指數的AQI指數分析

全年指數變化可劃分為4個階段。

第一階段：11月到次年4月為空氣質量波動最劇烈的時期。冬季我國燃煤供暖、天然氣量能增加，空氣質量大幅下降。同時燃放煙花爆竹亦是空氣污染的重要原因。

第二階段：5—6月春末夏初氣溫回暖，供暖壓力減小，空氣污染源頭少，能源需求弱，春季AQI指數趨于平穩波動。

第三階段：8—9月夏季全國氣溫激升，空調使用率提高、工業增產對空氣質量造成負面影響，不同省市之間AQI波動差異明顯。

第四階段：10—11月完全進入秋季，氣候趨于穩定，氣溫涼爽適宜。同春季平穩期相似，是不同省市AQI變化較小的時期。

綜上所述，我國空氣質量存在明顯的季節性：春、秋季AQI波動幅度小，趨于平穩;夏、冬季AQI指數波動明顯且幅度大、變化快，尤以冬季AQI波動最為顯著。

3.3 基于泰爾指數的AQI指數分析

3.3.1 兩種權重下AQI總泰爾指數分析

（1）以GDP為權重的總泰爾指數T（G）呈現為小幅波動的“W”型曲線。1—3月快速上漲，GDP增幅同全國平均AQI增幅相似性降低。4—10月T（G）除7月上漲外皆保持下降態勢;春秋AQI指數與GDP增長相似性上升。7月AQI指數與GDP增長趨勢不相符，泰爾指數上漲。11—12月T（G）顯示為增長狀態。

（2）以人口為權重的總泰爾指數T（P）呈現為與T（G）相似的“W”型增長，但在3—7月間泰爾指數波動趨于平穩。主要原因為3—7月沒有大規模人員遷移，AQI波動同人口數量變化相似度保持不變，人口數量對空氣質量的影響力很弱，因此人口數量不作為影響空氣質量的主要因素。雖然T（P）與T（G）曲線保持相似的增長態勢，但在7—8月、10—12月的T（P）曲線斜率大于T（G）曲線，說明人口數量變化對全國AQI指數變化的影響力度大于GDP增長對AQI指數變化的影響。

（3）人口數量為權重的泰爾指數T（P）小于同階段GDP為權重的泰爾指數T（G）。主要因為地區GDP占全國比例（人口數量占全國比例）與各地區AQI指數占全國比例數值越接近，其泰爾指數就越小。說明我國AQI指數波動與經濟增長存在相關性但有限;對全國AQI指數波動的影響更強的是人口數量，被認為是造成空氣污染的重要因素。

3.3.2 兩種權重下七大地區AQI泰爾指數分析

根據兩種權重下七大地區AQI泰爾指數及變化趨勢，可將七大區域劃分為四類。

（1）第一類為東北、華中和西北地區。全年泰爾指數呈平穩趨勢且集中在0.02左右，GDP與人口總數同AQI指數相關程度高度相似，泰爾指數維穩。該類地區具有高AQI、GDP緩增長、人口相對集中的特點，形成了該類地區泰爾指數趨于平穩的特征且GDP與人口數量同AQI指數相似程度較高。

（2）第二類為華北地區。全年泰爾指數在0.03～0.06間有小幅波動;1—4月GDP與人口數量泰爾指數呈現不同的變化趨勢：人口數量泰爾指數小幅上漲，GDP泰爾指數基本維持在0.035左右。該類地區具有高AQI、多工業、高經濟增長、人口變化迅速的特點。

（3）第三類為華南、華東地區。全年泰爾指數有較大幅度波動，呈現不規律的變化形勢，形成低AQI、高經濟增長、人口流動頻繁的特點。

（4）第四類為西南地區。泰爾指數在0.02～0.09之間波動，人口在8—9月有明顯波動，形成低AQI、工業少、經濟增長低、人口流動顯著的特點。

4 結論

現階段我國經濟呈上升發展態勢，地域之間發展不平衡不充分日益明顯。由于產業相關，生產周期結構不同導致空氣質量在地域間顯示出較強差異性與關聯性。結合現階段各地區空氣質量分布狀況、區域產業結構和經濟發展狀況，本文給出如下建議：

（1）注重關聯產業經濟協調發展。區域發展存在強關聯性，從產業結構上協調各城市間生產關系是實現生態環境同經濟可持續發展的關鍵。因此在進行空氣質量治理時應當把握產業相關特性，從產業鏈產業結構方向進行優化，在同區域內做到經濟協調發展、共同進步。同時產業結構接近的地區要以發展較優地區作范本，改良當地產業結構，生態建設上共同受益。

（2）協調經濟發展與環境之間的矛盾。經濟發展與生態環境保護間的矛盾日益凸顯，空氣質量往往隨經濟增長反向變化。在華北等老工業區及供暖集中地，空氣質量明顯劣于其他地區。在經濟建設中，可持續的發展戰略重要性越發明顯，既要保持經濟發展也要滿足“人民日益增長的美好生活需要”。

（3）由空氣質量指數季節性變化做生產調整。AQI季節性變化受生產生活季節性變化的影響，因此把握居民生活習慣的季節性變化對工業生產做宏觀調控是控制AQI指數的有效途徑。夏秋兩季空氣質量較好，綠植生長旺盛，在凈化空氣的同時阻礙污染物擴散。居民無供暖需求，可適當放寬工業生產;冬季氣候寒冷，農村焚燒秸稈、城鎮供暖及寒流等因素導致全國空氣質量指數高居不下，因此工業生產應做適當讓步，通過錯峰生產降低工業污染物排放以減少空氣污染。

參考文獻

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收稿日期：2019-12-24

作者簡介：王凌鋒（1998-），男，漢族，本科在讀，研究方向為應用統計學。