甘肅省空氣質量的時空變化及其影響因素分析

摘 要：隨著城市建設的快速發展，人類賴以生存的空氣污染日趨嚴重。以甘肅省2019—2023年期間的空氣質量監測數據為研究對象，利用數理統計、空間差值、皮爾遜相關分析等方法，研究了甘肅省轄區內空氣質量及污染物的時空變化及空氣質量的影響因素。結果表明：2019—2023年期間，甘肅省的空氣質量變化整體比較平穩，評價為“良”的占比最高，14個市州各類污染物的變化趨勢大致相同，呈現連續的“W”形，存在明顯的季節性特征；甘肅省的AQI峰值存在向西北方向城市轉移的趨勢，整體呈現出由西北向東南方向逐漸減小的變化特征，其他6種污染物高值區分布具有明顯的空間差異。

關鍵詞：空氣質量指數；時空分布；克里金插值；皮爾遜相關系數

中圖分類號：X51 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

甘肅省地處我國西北地區，地形復雜，氣候多樣，自然環境脆弱，容易受到人類活動和氣候變化的影響，空氣質量問題日益突出。隨著工業化進程和城市化發展，甘肅省的空氣質量受到了嚴重影響[1]。工業排放、機動車尾氣排放、生物質燃燒等因素導致大氣污染物排放增加，造成空氣質量惡化，嚴重影響了居民健康和生態環境。同時，氣候變化也對甘肅省的空氣質量產生了影響，氣溫升高、降水變化等因素可能改變大氣環流格局，進而影響空氣質量的時空分布[2]。

因此，深入研究甘肅省空氣質量的時空變化及其影響因素，不僅有助于揭示空氣質量問題的本質和規律，為環境保護和治理提供科學依據，也具有重要的政策和社會意義。基于2019—2023年甘肅省的14個市州的空氣質量實時監測點的監測數據，采用統計分析、克里金差值、斯皮爾曼相關分析等方法，分析了甘肅省空氣質量數據，探討了空氣質量的時空變化特征及其影響因素，為提高甘肅省的空氣質量提供科學支持和決策參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域的概況

甘肅省位于我國西北部，東鄰陜西省，南接四川省和青海省，西連新疆維吾爾自治區，北與內蒙古自治區、寧夏回族自治區接壤，下轄14個地級行政區劃，包括12個地級市和2個自治州。甘肅省地勢西高東低，主要由祁連山、秦嶺、河西走廊和阿爾金山等山脈組成，氣候多樣，包括溫帶大陸性氣候、高原氣候、半干旱氣候等多種類型。

1.2 數據來源

研究數據來自中國環境監測總站的全國城市空氣質量實時發布平臺，選取2019—2023年甘肅省12個地級市、2個自治州的34個空氣質量監測點。

1.3 研究方法

1.3.1 空氣質量指數

空氣質量指數（Air Quality Index，AQI）是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數。AQI數值越大、級別和類別越高、表征顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴重，對人體的健康危害也就越大[3]。AQI的計算方法為：

AQI=max{IAQI1，IAQI2，IAQI3，…，IAQIn}（1）

式（1）中，n為污染物項目，AQI分級標準見表1。

由于AQI評價的6種污染物濃度限值各有不同，在評價時各污染物都會根據不同的目標濃度限值折算成空氣質量分指數（Individual Air Quality Index，IAQI）[4]，其計算方法為：

IAQIp=（CP-BPLO）+IAQILO（2）

式（2）中，IAQIp為污染物項目P的空氣質量分指數；CP為污染物項目P的質量濃度；BPHi為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與CP相近的污染物濃度限值的高位值；BPLo為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與CP相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHi為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與BPHi對應的空氣質量分指數；IAQILo為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與BPLo對應的空氣質量分指數。

1.3.2 克里金差值

克里金法（Kriging）是依據協方差函數對隨機過程/隨機場進行空間建模和預測（插值）的回歸算法[5]。克里金法是對已知函數進行加權平均估計未知函數的方法，其預測理論接近于線性回歸。

（3）

式（3）中，是點（x0，y0）處的估計值；λi是權重系數。

同樣是采用空間上所有已知點的數據加權求和來估計未知點的值。但是權重系數并非距離的倒數，而是能夠滿足點（x0，y0）處的估值與真實值的差最小的一套最優系數，同時滿足無偏估計的條件[6]，即同時滿足式（4）、式（5）：

（-z0）（4）

∑（-z0）=0（5）

1.3.3 皮爾遜相關系數

皮爾遜相關系數用于度量2個變量之間的相關程度，其值介于-1～1之間。具體來說，皮爾遜相關系數的計算公式為：

（6）

其中，，；

式（6）中，xi、yi分別表示第i個樣本點對應的2個變量的取值，x、y分別表示2個變量的均值，n表示樣本數量。當r=1時，表示2個變量之間存在完全的正線性相關關系，即一個變量增加時，另一個變量也增加；當r=-1時，表示2個變量之間存在完全的負線性相關關系，即一個變量增加時，另一個變量減少；當r=0時，表示2個變量之間不存在線性相關關系。

2 結果與分析

2.1 空氣質量的時間變化特征

2019—2023年，甘肅省AQI的年均值別為60.53、57.65、63.24、63.22、69.36。從2019—2023年甘肅省AQI

指數年評價結果（表2）可知，甘肅省整體空氣質量變化較平穩，評價為“良”的占比較高，其次是“優”，輕度污染和重度污染的占比均比較低，其中，2020、2022、2023年均未出現中度污染。

在2019—2023年期間，甘肅省14個市州的細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等主要污染物的逐月變化趨勢大致相同，呈現連續的“W”形，存在明顯的季節性特征。CO、NO2、SO2每年的濃度峰值均出現在冬季以及春季，冬季的整體濃度最高，主要受交通、取暖排放、工業排放等的影響；而O3每年的濃度峰值呈現出與CO、NO2、SO2相反的趨勢變化，其冬季的濃度在全年中最低，濃度峰值出現在夏季，這與光化學反應和高溫天氣有關；PM2.5和PM10這兩種顆粒物在冬季和春季達到高峰，冬季由于取暖需求增加和大氣穩定，顆粒物濃度較高，春季則受到沙塵暴等氣象條件的影響，顆粒物濃度也會較高。

在14個市州中，具有明顯特征的城市有蘭州市和白銀市，其中蘭州市的CO、NO2濃度整體較高，連續5年的CO平均濃度為0.94 mg/m3、NO2平均濃度為44.80 μg/m3；白銀市的SO2年平均濃度明顯高于其他城市，達到了32.94 μg/m3。在2019—2023年期間，O3濃度在2022年7月附近出現了急速下降，這可能與7月中旬隴東南地區出現特大暴雨、慶陽遭遇罕見洪澇災害等有關。PM2.5和PM10這兩種顆粒物在2021年3月左右出現了很高的峰值，是由于在2021年3月15日，甘肅省發生了嚴重的戈壁沙塵暴天氣，內蒙古、甘肅和寧夏部分地區的濃度超過了7 000 μg/m3，在鄂爾多斯、金昌、武威和中衛等城市出現了沙塵暴，根據衛星數據顯示，沙塵覆蓋了約45萬km2的區域。

2.2 空氣質量空間變化特征

對甘肅省2019—2023年期間34個空氣質量監測點的AQI監測數據進行克里金空間差值分析，反映了甘肅省2019—2023年AQI的空間演變過程，結果表示，2019—2023年期間，甘肅省AQI峰值存在向西北方向的酒泉市、嘉峪關市、張掖市等城市轉移的趨勢，整體呈現出由西北向東南方向逐漸減小的變化特征。2019年，甘肅省的AQI分布存在較明顯的空間異質性，高值區主要集中在蘭州市，低值區集中在甘南藏族自治州、隴南市；2020—2023年，蘭州市AQI的下降趨勢明顯，甘南藏族自治州、隴南市低值區進一步擴大。

甘肅省2019—2023年的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO濃度空間分布顯示（圖略），CO濃度高值區分布在蘭州市周圍，低值區分布在酒泉市；NO2的高值區分布在白銀市，低值區分布在酒泉市、嘉峪關市；PM10濃度的高值區分布在甘肅西北方向的酒泉市、嘉峪關市、張掖市，低值區主要集中在甘南以及隴南；PM2.5、SO2的分布具有一定的空間異質性，前者高值區出現在嘉峪關市以及慶陽市，后者的高值區則出現在金昌、武威，低值區出現在隴南以及酒泉市；O3濃度受到光照的影響明顯，西部幾個城市的整體濃度偏高于東部的城市，但是慶陽市的O3濃度卻呈現出較高的數值。

2.3 空氣質量影響因素分析

依次將3—5月、6—8月、9—11月、12月至翌年2月，按照氣象標準劃分為一年中的春季、夏季、秋季以及冬季，利用皮爾遜相關系數分析甘肅省2019—2023年期間AQI與各類污染物相關性的季節特征（表3）。結果表明，從全年角度出發，6類污染物均與AQI呈現正相關，其中PM2.5、PM10呈現顯著正相關，相關系數分別為0.742、0.980。春季，AQI與PM2.5（P＜0.01）、PM10（P＜0.01）、O3（P＜0.05）呈現顯著正相關；夏季，AQI與PM2.5（P＜0.01）、PM10（P＜0.01）、O3（P＜0.01）呈現顯著正相關；秋季，AQI與PM2.5（P＜0.01）、PM10（P＜0.01）呈現顯著正相關；冬季，AQI與PM2.5、PM10、NO2、CO均存在0.01水平上顯著正相關性。

3 結論

（1）2019—2023年期間，甘肅省的空氣質量變化整體比較平穩，評價為“良”的占比最高，其次是“優”，有少量評價“中度污染”，不存在“重度污染”“嚴重污染”，14個市州各類污染物的變化趨勢大致相同，呈現連續的“W”形，存在明顯的季節性特征。

（2）2019—2023年期間，甘肅省AQI峰值呈向西北方向的酒泉市、嘉峪關市、張掖市等城市轉移的趨勢，整體呈現出由西北向東南方向逐漸減小的變化特征。這期間，AQI最高值出現在2023年嘉峪關市，AQI低值區從甘南藏族自治州、隴南市進一步向周圍擴大，省會蘭州市的AQI呈現明顯下降趨勢，說明區域大氣污染現象在整體減弱。其他6類污染物高值區分布均不相同，與其本身轄區內的產業結構、地理位置、氣候等有很大的關系。

AQI與6類污染物整體呈現正相關，其中PM2.5、PM10呈現顯著正相關，并且有明顯的季節特征：春秋季，AQI與PM2.5、PM10呈現顯著正相關；冬季，AQI除了與PM2.5、PM10呈現顯著正相關，還與NO2、CO也呈現顯著正相關；夏季，AQI與AQI與PM2.5、PM10、O3呈現顯著正相關。

參考文獻

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基金項目：2022年甘肅省大學生創新創業訓練計劃項目“‘雙碳’目標下基于遙感監測技術在溫室氣體濃度監測中的研究”（S202216209026）；甘肅省教育廳2023年高校教師創新基金項目“多信源、多尺度結構健康監測系統集成及應用研究”（2023B-280）；甘肅省教育廳2023年高校教師創新基金項目“‘雙碳’背景下基于多維信息技術在既有建筑的綠色改造中的應用研究”（2023B-276）。

作者簡介：楊田（1990—），女，甘肅靜寧人，講師，研究方向為攝影測量與遙感。