滁州市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）與氣象條件的關(guān)系分析

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摘 要：該文利用2015年滁州市逐日AQI與同期氣象要素的觀測(cè)資料，對(duì)滁州市空氣質(zhì)量變化特征及其與氣象條件的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：與上年相比，2015年滁州市空氣質(zhì)量未得到有效改善，還有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)?？諝赓|(zhì)量為良的等級(jí)出現(xiàn)頻率最高，其次為輕度污染，首要污染物以PM2.5為主。四季AQI存在顯著差異，有明顯的季節(jié)變化特征，冬季AQI均值最高，波動(dòng)幅度最大，夏季AQI均值最低，波動(dòng)幅度最小。AQI與平均氣壓、平均氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均風(fēng)速、日降水量以及前一日AQI顯著相關(guān)。基于氣象要素建立的AQI回歸方程對(duì)全年AQI的總體變化趨勢(shì)和平均狀態(tài)擬合效果較好，但對(duì)極值的擬合能力不足。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量指數(shù)；氣象條件；相關(guān)性；逐步回歸

中圖分類號(hào) X16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）14-0161-05

Abstract：Based on the observational data of the daily air quality index（AQI）and the meteorological elements in Chuzhou City in 2015，the relationship between the characteristics of air quality change and the meteorological conditions in Chuzhou City was analyzed. The results show that compared with the previous year，the air quality in Chuzhou in 2015 has not been effectively improved，and the trend of further deterioration.Air quality for the highest level of the highest frequency，followed by mild pollution，the main pollutants to PM2.5-based. There were significant differences in seasonal AQI and obvious seasonal variation characteristics. The AQI was the highest in winter and the fluctuation range was the highest. The summer AQI was the lowest and the fluctuation range was the smallest. AQI was significantly correlated with mean pressure，mean temperature，daily minimum temperature，daily range of temperature，mean wind speed，daily precipitation and AQI of the day before. The AQI regression equation based on meteorological elements has a good effect on the overall trend and average state fitting of AQI throughout the year，but the ability to fit the extreme value is insufficient.

Key words：Air quality index（AQI）； Meteorological condition； Correlation； Stepwise regression

城市空氣質(zhì)量與氣象條件密不可分[1-4]，國內(nèi)學(xué)者對(duì)空氣質(zhì)量時(shí)空分布特征[5]、空氣污染指數(shù)節(jié)氣分布[6]、空氣污染變化特征[7]、首要污染物濃度變化[8-9]與氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了研究，不同城市空氣質(zhì)量特征分析具有一定的共性，但地區(qū)差異也很明顯[10]。

作為南京都市圈主要成員和皖江城市帶承接轉(zhuǎn)移示范區(qū)重要一翼，滁州市自2008年開啟“大滁城建設(shè)”，隨著城市規(guī)模與GDP總量的快速增長，城市空氣的污染問題也日益突出。2016年5月12日，因環(huán)境質(zhì)量未得到有效改善，環(huán)境執(zhí)法力度亟待加強(qiáng)，滁州市被國家環(huán)保部點(diǎn)名通報(bào)。目前，針對(duì)滁州市的空氣質(zhì)量變化與氣象條件關(guān)系的研究尚屬空白，本文主要分析了2015年滁州市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）[11-12]與主要污染物變化特征，并探討AQI與氣象要素之間的關(guān)系，為滁州市AQI預(yù)測(cè)及大氣污染防治提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源 自2015年1月1日起，滁州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站（監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于市老年大學(xué)、監(jiān)測(cè)站和市人大賓館）執(zhí)行新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[11]，監(jiān)測(cè)并發(fā)布空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）[12]代替原有的空氣污染指數(shù)（API）[13]。2015年滁州市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)（逐日AQI、首要污染物、各污染物日均濃度）由滁州市環(huán)境保護(hù)局提供；2009—2014年滁州市空氣質(zhì)量月報(bào)來源于滁州市環(huán)境保護(hù)局?jǐn)?shù)據(jù)中心；2015年對(duì)應(yīng)時(shí)段的氣象資料來源于滁州國家基本氣象站地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法 根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633-2012），依據(jù)AQI數(shù)值將城市空氣質(zhì)量劃分為6級(jí)（見表1）。AQI是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQI是單項(xiàng)污染物（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3）的空氣質(zhì)量指數(shù)，AQI=max{IAQI1，IAQI2，…，IAQIn}。AQI大于50時(shí)，IAQI最大的污染物為首要污染物，若IAQI最大的污染物為兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上時(shí)，并列為首要污染物，IAQI大于100的污染物為超標(biāo)污染物。AQI與各污染物濃度月平均值為全月日值平均，數(shù)據(jù)分析使用SPSS18.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量時(shí)間分布特征

2.1.1 2015年空氣質(zhì)量概況 圖1為2015年1月1日至12月31日，滁州市不同空氣質(zhì)量類別所占日數(shù)的百分比，由圖1可見，滁州市2015年出現(xiàn)頻率最高的空氣質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)良，占年總?cè)諗?shù)的58.4%；其次為三級(jí)輕度污染，出現(xiàn)頻率為20.8%；再次為一級(jí)優(yōu)，出現(xiàn)頻率為13.7%；中度污染、重度污染出現(xiàn)頻率分別為5.5%、1.6%；2015年未出現(xiàn)嚴(yán)重污染，優(yōu)良空氣質(zhì)量等級(jí)占年總?cè)諗?shù)的比率（也稱為空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率）為72.1%。年平均AQI為85.5，峰值為258，出現(xiàn)在10月16日。首要污染物主要為PM2.5，全年出現(xiàn)272d，其次為PM10、NO2，出現(xiàn)日數(shù)分別為41d、6d，可見造成2015年滁州市大氣污染的主要因素是細(xì)顆粒物PM2.5。

圖2為2009—2015年滁州市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率變化，由圖2可見，2009—2015年平均空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率為90.5%，2009—2012年滁州市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率較為穩(wěn)定，保持在96%以上，2013—2014年達(dá)標(biāo)率降至85%左右。2015年滁州市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率再次出現(xiàn)明顯下降，與2014年相比，降幅為15.0%，其中空氣質(zhì)量類別為優(yōu)的比率下降5.8%；與2009—2014年均值相比，空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率降幅達(dá)到21.5%。由此可見，隨著城市的快速發(fā)展，空氣污染問題逐步顯現(xiàn)，與環(huán)保部通報(bào)相符，2015年滁州市空氣質(zhì)量未能得到有效改善，還有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)。

2.1.2 AQI月變化特征 運(yùn)用SPSS18.0軟件對(duì)2015年滁州市各月AQI進(jìn)行方差分析（見表2），結(jié)果顯示，F(xiàn)分布的觀測(cè)值為9.686，對(duì)應(yīng)的概率ρ值小于0.001，所以認(rèn)為，在顯著性水平為0.01的前提下，2015年滁州市各月AQI存在顯著差異。

圖3為2015年滁州市AQI月平均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化，由圖3可知，2015年各月平均AQI均在50以上，其中1、2、5、10、12月這5個(gè)月份月平均AQI超過年均值，為污染高發(fā)月份，其中5月和12月空氣質(zhì)量類別為優(yōu)的日數(shù)均為0。AQI最大值出現(xiàn)在12月，達(dá)到126.9，空氣質(zhì)量最差，月空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率僅為32.3%，1月次之，AQI為106.9；3月AQI最低，為62.3，空氣質(zhì)量最好，月空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率達(dá)到96.8%，7—9月AQI較低且變化平緩。比較各月平均AQI的標(biāo)準(zhǔn)差可以發(fā)現(xiàn)，12月標(biāo)準(zhǔn)差最大，其次是10月、1月；3月標(biāo)準(zhǔn)差最小，其次是9月、8月，這與AQI的變化趨勢(shì)基本一致，即AQI較大時(shí)，空氣質(zhì)量變化幅度大，AQI較小時(shí)，空氣質(zhì)量相對(duì)比較穩(wěn)定。

2.1.3 AQI季節(jié)變化特征 對(duì)2015年滁州市四季AQI進(jìn)行方差分析（見表3），結(jié)果顯示，F(xiàn)分布的觀測(cè)值為18.530，對(duì)應(yīng)的概率ρ值小于0.001，所以認(rèn)為，在顯著性水平為0.01的前提下，2015年滁州市四季AQI存在顯著差異。

圖4為2015年滁州市四季AQI平均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化，從圖4可以看出，滁州市AQI有明顯的季節(jié)變化特征，春、夏、秋、冬四季AQI平均值分別為77.3、72、83.9、109.3，冬季AQI平均值最高，夏季AQI平均值最低，這說明2015年滁州市冬季空氣質(zhì)量最差，其次是秋季和春季，夏季空氣質(zhì)量最好。從AQI的標(biāo)準(zhǔn)差變化也可以看出，AQI在夏季變化波動(dòng)最小，春季、秋季次之，冬季波動(dòng)最大，與四季AQI的變化趨勢(shì)一致。滁州市冬季并無集中供暖，AQI卻呈現(xiàn)出冬季最高，夏季最低的態(tài)勢(shì)，其原因可能是冬季大氣層結(jié)較穩(wěn)定，靜穩(wěn)天氣多，大氣污染物不易擴(kuò)散[14]，而夏季對(duì)流旺盛，降水增加，利于污染物的擴(kuò)散和沉降。

2.2 AQI與氣象條件的關(guān)系

2.2.1 AQI與氣象要素相關(guān)性分析 利用滁州國家基本氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)分析2015年逐日AQI（2015年1月2日至2015年12月31日）與氣象要素的相關(guān)特征，選取的氣象要素包括平均氣壓、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日降水量以及前一日AQI，分析結(jié)果如表4所示。由表4可知，AQI與平均氣壓、平均氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均風(fēng)速、日降水量以及前一日AQI在0.01水平上均顯著相關(guān)。其中，AQI與前一日AQI相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.651，呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明空氣質(zhì)量變化存在累積和稀釋的過程，具有一定的延續(xù)性[15]。AQI與平均氣壓顯著正相關(guān)，說明氣壓對(duì)AQI有顯著的負(fù)效應(yīng)，即氣壓越高，AQI越高，空氣質(zhì)量越差。這是由于高壓系統(tǒng)控制下大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散；當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)控制時(shí)，近地面污染物隨空氣輻合上升，易于擴(kuò)散，降低污染物濃度[16]。AQI與平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)，說明氣溫對(duì)AQI有顯著的正效應(yīng)，即氣溫越高，AQI越低，空氣質(zhì)量越好。這是因?yàn)闅鉁卦礁撸孛鎸?duì)流活動(dòng)越強(qiáng)，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，污染物易于擴(kuò)散[16]。這與2015年滁州市空氣質(zhì)量的季節(jié)變化特征相符，夏季空氣質(zhì)量最好，冬季空氣質(zhì)量最差。AQI與平均風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān)，說明風(fēng)速對(duì)AQI有顯著的正效應(yīng)，即風(fēng)速越高，AQI越低，空氣質(zhì)量越好。這是由于大風(fēng)天氣有利于污染物擴(kuò)散，降低污染物濃度，提高空氣質(zhì)量；當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，污染物因擴(kuò)散條件差易累積，影響空氣質(zhì)量[16]。AQI與日降水量顯著負(fù)相關(guān)，說明降水對(duì)AQI有顯著的正效應(yīng)，即降水量越高，AQI越低，空氣質(zhì)量越好。這是因?yàn)榻邓畬?duì)空氣中的污染物有沖洗、溶解等作用，有利于污染物濕沉降，可在一定程度上減少近地面污染物濃度[16]。

2.2.2 基于氣象要素的AQI回歸方程建立與擬合效果檢驗(yàn) 選取與AQI顯著相關(guān)的氣象要素（平均氣壓、平均氣溫、日最低氣溫、氣溫日較差、平均風(fēng)速、日降水量）以及前一日AQI共7個(gè)因子作為自變量，以AQI為因變量Y，進(jìn)行多元線性逐步回歸分析[17-18]，建立基于氣象要素的AQI回歸方程，擬合效果最好的回歸方程（1）如下：

為檢驗(yàn)回歸方程的擬合效果，利用方程（1）對(duì)2015年（1月2日至12月31日）滁州市AQI進(jìn)行擬合，并與AQI觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，回歸方程的擬合值與AQI實(shí)測(cè)值變化基本一致，擬合效果較好。對(duì)兩組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析，觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值為85.53，最大值258，最小值24，標(biāo)準(zhǔn)差為39.097；擬合數(shù)據(jù)的平均值為85.20，最大值198，最小值-11，標(biāo)準(zhǔn)差為28.920。由此可見，觀測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)幅度明顯大于擬合數(shù)據(jù)，回歸方程對(duì)全年AQI的總體變化趨勢(shì)和平均值擬合效果較好，但對(duì)極值的擬合能力較差，擬合結(jié)果更趨于平均。

3 結(jié)論與討論

（1）2015年滁州市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率為72.1%，與上年相比，下降15%；與2009—2014年均值相比，降幅達(dá)到21.5%，空氣質(zhì)量未得到有效改善?？諝赓|(zhì)量為良的等級(jí)出現(xiàn)頻率最高，占年總?cè)諗?shù)的58.4%，其次為輕度污染，出現(xiàn)頻率為20.8%。首要污染物主要為PM2.5，全年出現(xiàn)272d，是造成2015年滁州市大氣污染的主要因素。

（2）2015年滁州市年平均AQI為85.5，最大值為258，出現(xiàn)在10月16日。各月AQI存在顯著差異，12月平均AQI最高，均值為126.9；3月平均AQI最低，為62.3，AQI均值越高，該月空氣質(zhì)量變化幅度越大，空氣質(zhì)量越不穩(wěn)定。四季AQI也存在顯著差異，有明顯的季節(jié)變化特征，冬季AQI均值最高，波動(dòng)幅度最大，夏季AQI均值最低，波動(dòng)幅度最小。

（3）相關(guān)性分析表明，AQI與平均氣壓、氣溫日較差、前一日AQI顯著正相關(guān)；與平均氣溫、日最低氣溫、平均風(fēng)速、日降水量顯著負(fù)相關(guān)。其中，AQI與前一日AQI相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.651，說明空氣質(zhì)量的變化存在累積和稀釋的過程，具有一定的延續(xù)性，空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報(bào)需考慮這一因素。基于氣象要素建立的AQI回歸方程對(duì)全年AQI的總體變化趨勢(shì)和平均狀態(tài)擬合效果較好，但對(duì)極值的擬合能力不足，甚至出現(xiàn)不符合邏輯的負(fù)值，回歸方程需進(jìn)一步優(yōu)化，選取更多的氣象要素，并結(jié)合近地面與高空天氣形勢(shì)進(jìn)行分析，提高擬合效果。

（4）受資料限制，滁州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站自2015年1月1日起，才開始監(jiān)測(cè)并發(fā)布AQI數(shù)據(jù)，本研究僅對(duì)2015年一年的AQI進(jìn)行分析討論，樣本數(shù)量有限，建立的回歸方程存在局限性。本研究未對(duì)PM2.5、PM10、NO2等主要污染物濃度的時(shí)空分布規(guī)律及其與氣象條件的關(guān)系展開深入研究，未來可結(jié)合新增數(shù)據(jù)樣本，進(jìn)一步開展分析探討，為滁州市大氣污染防治工作提供有力參考。

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（責(zé)編：張宏民）