基于地統計的長株潭大氣質量分析

周宇氚 張羿祺

（武漢大學 湖北 武漢 430072）

引言

自改革開放以來，中國的經濟建設取得了一系列令人矚目的成就。但是，經濟發展的成功背后，隱藏了嚴重的環境污染問題。其中，空氣污染問題最為突出，每一次呼吸，每一次的空氣質量是好還是壞，密切關系到人們的生命和健康。傳統的監測站監測方法主要思想是以站點所測的值代表一定區域范圍內的值，這種方法在區域較大或者站點位置不合理的情況下誤差較大，所以需要在某一地點的到更為精確的值，需要通過內插的方法將離散數據變為連續，這樣可以直觀的到地圖上每一點所對應的空氣質量值。

1 長株潭現狀分析

1.1 總體概況

近些年來，雖然政府及相關部門在努力治理一些大氣污染問題，并得到一些成效，但是，通過橫向對比，2019年湖南省空氣質量排名中，長株潭空氣指數則排在最后三名，可以發現仍然還存在許多問題和不足。通過與武漢城市圈對比，長株潭空氣質量亦排名倒數[1]。

1.2 污染成分構成

長沙、株洲、湘潭三市人口稠密，經濟活動高度密集，耗油量大，產生大量的空氣可溶性膠體污染物（如粉塵、煙塵、懸浮粉塵）和有害氣體（如硫磺氣化、氫氧化物、光化學煙霧等），改變原有的區域大氣成分[2]。對目前長株潭地區的主要大氣污染物進行重點分析和總結，發現氮氧化物、PM2.5等屬于大氣污染的主要污染源。

1.3 污染物變化趨勢

通過分析長株潭三個地區五年空氣質量變化數據，三市的大氣質量呈鮮明的季節性變化，即冬春季高，夏秋季低。而污染物與季節也有著明確的相關性，冬季是大氣污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的典型污染季節，夏季是大氣污染物O3的典型污染季節[3]。

2 GIS方法分析監測站配置

2.1 克里金插值

克里金法是一種基于變異函數理論的無偏插值，也是一種地統計方法，該方法基于包含自相關的統計函數模型，在描述空間自相關現象時往往會用到，比如大氣質量的描述。克里金插值包含找到依存規則和進行預測，對此需要經歷兩步過程，即協方差函數和創建變異函數，估算取決于自相關模型的統計相關性值，再通過第一步的結果預測未知值。

Z(si)為第i個位置處的測量值，λi為第i個位置處的測量值的未知權重，S0為預測位置，N為測量值數，應用克里金方法時，權重不僅取決于點要素之間的距離、位置，還取決于要素點的整體空間排列。而考慮到空間排列，需要空間自相關量化。因此，在普通克里金法中，權重λi需要用點要素距離、預測位置距離和預測位置周圍的測量值共同組成的擬合模型綜合計算[4]。

2.2 變異函數

變異函數的目的是擬合空間自相關模型，包含圓、球面、指數、高斯、線性等，而且模型會影響未知值的預測。原點處或接近原點處的曲線越陡，越接近原點的元素對預測的影響越大。因此，輸出曲面將更不平滑。所以每個模型都應用于不同的現象。

2.3 結果分析

在ArcGIS中，有集成的克里金插值工具箱，預測輸入點是數據集二維分布點的Z值，默認方法是普通克里金法，即一種預測平均值的方法[5]。從圖1可以發現，長沙的10個站點，株洲的7個站點，湘潭的7個站點密集分布在三市接壤處，這樣密集布設站點不能把握長株潭三市空氣質量全貌，應分散布點，便于把握全貌。圖2表示克里金插值后的空氣質量，對站點間的區域描述更為精準，可以表達空氣質量的連續性。

3 結論

長株潭地處湘匯谷地，靜風頻率高，污染擴散弱，大氣質量問題成為限制長株潭地區發展的重大因素。通過分析，長株潭地區空氣質量站點的布置過于密集，對每個區縣的大氣質量不能較好反映，而對于一些旅游業密集區，如果空氣質量指數不能反映景區真實值，會對旅游業的發展造成負面影響。克里金插值則是對空氣質量進行空間連續的表達，更好地反映了測站之間的空氣質量。