近5年滁州市空氣質(zhì)量指數(shù)變化及其與氣象要素的關(guān)系

張鑫童 金華星 龔年祖 王剛 杜少棟

摘 要：根據(jù)2015—2019年滁州市逐日空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）與對應(yīng)的氣象要素資料，運(yùn)用統(tǒng)計方法和廣義加性模型（GAM）分析AQI的時間變化特征及氣象要素的影響效應(yīng)。結(jié)果表明：近5年滁州市空氣質(zhì)量整體變化幅度較小，夏、秋季空氣質(zhì)量明顯好于冬、春季，同時存在一定程度的周末效應(yīng);AQI整體上與日照時數(shù)顯著正相關(guān)，與平均氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、平均水汽壓及降水量顯著負(fù)相關(guān)，AQI在不同季節(jié)、不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別下與氣象要素的相關(guān)性存在較大的差別;各氣象要素均在0.01水平下對AQI變化影響顯著，氣象要素對AQI變化的影響均表現(xiàn)為非線性關(guān)系，只有平均風(fēng)速接近線性關(guān)系：在不同閾值范圍內(nèi)，氣象要素對AQI變化的影響趨勢和顯著程度也存在明顯的差異。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）;氣象要素;相關(guān)分析;GAM模型

中圖分類號 X51文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）18-0157-05

Variation of Air Quality Index and Its Relationship With Meteorological Elements in Chuzhou in Recent Five Years

ZHANG Xintong1 et al.

（1Chuzhou Meteorological Bureau，Chuzhou 239000，China）

Abstract：According to the daily air quality index（AQI） and the corresponding meteorological elements data of Chuzhou from 2015 to 2019，the statistical method and generalized additive model（GAM） are used to analyze the time variation characteristics of AQI and the effect of meteorological elements. The results show that the overall change range of air quality in Chuzhou in the past five years is relatively small，and the air quality in summer and autumn is significantly better than that in winter and spring，and there is a certain range at the same time AQI has a significant positive correlation with sunshine hours，a significant negative correlation with average temperature，average relative humidity，average wind speed，average water vapor pressure and precipitation，and a significant difference between AQI and meteorological elements in different seasons and different air quality index categories. All meteorological elements are at 0.01 level The influence of meteorological factors on AQI changes is nonlinear，only the average wind speed is close to linear. In different threshold range，the influence trend and significance of meteorological factors on AQI changes are also significantly different.

Key words：Air quality index（AQI）;Meteorological elements;Correlation analysis;GAM model

滁州市位于皖東江淮之間，是皖江城市帶承接轉(zhuǎn)移示范區(qū)的重要一翼，也是南京都市圈、合肥都市圈的核心圈層城市。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，滁州市空氣質(zhì)量問題日益突顯。為此，自2015年1月1日起，滁州市環(huán)境監(jiān)測站執(zhí)行新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1]，監(jiān)測并發(fā)布空氣質(zhì)量指數(shù)[2]（Air Quality Index，以下簡稱 AQI）代替原有的空氣污染指數(shù)[3]（API）。

近年來，關(guān)于氣象要素對空氣質(zhì)量的影響，相關(guān)學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究，氣溫、濕度、風(fēng)速、降水等氣象要素均直接或間接影響大氣污染物的擴(kuò)散[4-6]，同時氣象要素與空氣質(zhì)量間的相關(guān)性也具有較大的時空差異[7]?，F(xiàn)有關(guān)于滁州市空氣質(zhì)量的研究都在相對較短的周期內(nèi)進(jìn)行，例如，熊世為等[8]分析了滁州市2015—2016年氣象要素與空氣質(zhì)量的關(guān)系并建立基于氣象因子的污染物濃度預(yù)報模型;張鑫童[9]運(yùn)用主成分分析法研究了2017年上半年滁州市大氣污染物之間的關(guān)系及其對空氣質(zhì)量的影響。本研究以現(xiàn)有資料最長時段（2015—2019年）為周期，分析探討AQI變化特征及氣象要素的影響效應(yīng)，為滁州市大氣污染防治及空氣質(zhì)量預(yù)報提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

2015—2019年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于滁州市環(huán)境監(jiān)測站空氣質(zhì)量日報，其中2016年12月30日、2018年1月4日、2018年4月23日、2019年4月23日空氣質(zhì)量指數(shù)缺測，實際樣本總量為1822d。同時期的氣象要素數(shù)據(jù)為滁州市國家氣象觀測站地面氣象觀測日值，主要包括平均氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)、平均水汽壓、降水量等指標(biāo)，數(shù)據(jù)來源于全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）。

廣義加性模型[10]（GAM）是由數(shù)據(jù)驅(qū)動的非參數(shù)回歸模型，能夠?qū)Σ糠钟绊懸蜃舆M(jìn)行線性擬合，對其他解釋變量進(jìn)行平滑函數(shù)擬合。GAM模型通過建立影響因子的平滑函數(shù)，在不提前設(shè)定參數(shù)模型的條件下，可以自動選擇適合的多項式進(jìn)行模擬。GAM模型分析使用R軟件完成，Pearson相關(guān)分析使用SPSS 18.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 AQI時間變化趨勢

2.1.1 年變化 2015—2019年滁州市AQI年際變化特征如表1所示。由表1可知，滁州市空氣質(zhì)量指數(shù)年平均值自2015年以來呈先上升再下降的變化趨勢，但變化幅度較小，整體都處于良等級。從AQI數(shù)值上看，2015年空氣質(zhì)量相對最好，AQI年平均值為85.5;2017年空氣質(zhì)量相對最差，AQI年平均值為92.7。就空氣質(zhì)量指數(shù)的波動情況來看，總體呈下降趨勢，2019年AQI波動相對較小，2016年相對較大。2018年空氣質(zhì)量較2017年改善明顯，這可能是由于滁州市自2018年起創(chuàng)建全國文明城市，并在當(dāng)年圍繞“控塵、控車、控?zé)煛?大重點，在城區(qū)范圍內(nèi)開展了百日攻堅集中整治行動，在控制建筑揚(yáng)塵、渣土車、餐飲油煙等污染源頭的同時，加大了城區(qū)主要道路灑水和大霧炮車噴灑水作業(yè)頻次，全年空氣質(zhì)量得到有效提升;而2019年空氣質(zhì)量又出現(xiàn)回落，可能是受極端天氣影響，市區(qū)降水量較常年同期偏少50%，不利于大氣污染物的沉降。

2.1.2 季節(jié)變化 2015—2019年滁州市AQI季節(jié)變化特征如表2所示。由表2可知，滁州市冬季AQI平均值為輕度污染等級，其他3個季節(jié)均為良等級。從數(shù)值上看夏、秋季空氣質(zhì)量好于春季，冬季空氣質(zhì)量最差，AQI平均值達(dá)到107.1。由四季AQI平均值的標(biāo)準(zhǔn)差可知，春季AQI波動相對較小，冬季AQI波動相對較大，總體呈逐漸增大的變化趨勢。這與現(xiàn)有研究結(jié)果[11]較為一致，即冬季大氣層結(jié)較穩(wěn)定，靜穩(wěn)天氣多，不利于污染物的擴(kuò)散，而夏季對流相對較強(qiáng)，對大氣污染物的擴(kuò)散較為有利。

2.1.3 周內(nèi)變化 2015—2019年滁州市AQI周內(nèi)變化特征如表3所示。由表3可知，滁州市周一到周日AQI平均值均為良等級，周六AQI平均值最高，存在一定程度的周末效應(yīng)。這與北京、太原[12，13]等城市的研究結(jié)果相似，也在一定程度上說明人類活動對空氣質(zhì)量變化的影響。從AQI數(shù)值上看，周六數(shù)值最高，為91.4，其次是周日，為90.7;周三數(shù)值最低，為85.0。從數(shù)據(jù)的波動性來看，周四AQI最為穩(wěn)定，周五的波動性最大。

2.2 AQI與氣象要素相關(guān)性分析

2.2.1 整體相關(guān)性 對2015—2019年AQI日數(shù)據(jù)與對應(yīng)的氣象要素數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，AQI與平均氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、平均水汽壓、降水量顯著負(fù)相關(guān)，這可能是由于低層氣溫的升高，下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)更易形成，有利于大氣污染物的縱向擴(kuò)散;相對濕度與水汽壓影響一致，即當(dāng)相對濕度較高時，空氣中水汽含量增加，顆粒物周圍被水分包裹，導(dǎo)致其密度變小，濃度降低，同時由于顆粒物周圍被水分包裹，質(zhì)量增加產(chǎn)生一定程度的沉降;風(fēng)速較高時，有利于污染物水平方向的擴(kuò)散;降水通過沖刷、溶解等方式對污染物存在明顯的濕沉降作用。AQI與日照時數(shù)顯著正相關(guān)，這是由于相對濕度與AQI負(fù)相關(guān)，而日照時數(shù)的增加通常會導(dǎo)致相對濕度的降低。

2.2.2 季節(jié)相關(guān)性 不同季節(jié)AQI與氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果如表5所示。由表5可知，春季AQI與平均氣溫、日照時數(shù)、平均水汽壓顯著正相關(guān)，與平均相對濕度、平均風(fēng)速、降水量呈顯著相關(guān);夏季AQI與平均氣溫、日照時數(shù)顯著正相關(guān)，與平均相對濕度、平均風(fēng)速、平均水汽壓、降水量顯著負(fù)相關(guān);秋季AQI與日照時數(shù)顯著正相關(guān)，與平均相對濕度、平均風(fēng)速、平均水汽壓、降水量顯著負(fù)相關(guān);冬季AQI與平均氣溫、平均水汽壓顯著正相關(guān)，與平均風(fēng)速、降水量顯著負(fù)相關(guān)。從氣象要素上看，平均氣溫在秋季與AQI不存在顯著相關(guān)性，在春季相關(guān)性最強(qiáng);平均相對濕度和日照時數(shù)在冬季與AQI不存在顯著相關(guān)性，在夏季相關(guān)性最強(qiáng);平均水汽壓在春、冬2季與AQI顯著正相關(guān)，在夏、秋2季相反;平均風(fēng)速和降水量在4季與AQI均顯著負(fù)相關(guān)，且冬季相關(guān)性最強(qiáng)。

2.2.3 不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別相關(guān)性 不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別AQI與氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，空氣質(zhì)量指數(shù)類別為優(yōu)、良時，AQI與平均相對濕度、平均風(fēng)速、平均水汽壓、降水量顯著負(fù)相關(guān)，與日照時數(shù)顯著正相關(guān);空氣質(zhì)量指數(shù)類別為輕度污染時，AQI與平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)，與其他氣象要素均不存在顯著相關(guān)性;空氣質(zhì)量指數(shù)類別為中度污染及以上時，AQI與平均氣溫、日照時數(shù)、平均水汽壓顯著負(fù)相關(guān)，與平均相對濕度、平均風(fēng)速、降水量不存在顯著相關(guān)性。總體上看，當(dāng)空氣質(zhì)量較好時，AQI與氣象要素的相關(guān)性也較為顯著，這可能是由于樣本數(shù)量存在差異，近5年滁州市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)占樣本總量的68.9%，輕度污染占比24.2%，而中度污染及以上只占樣本總量的6.9%。

2.3 基于廣義加性模型的AQI影響因素分析 由上述AQI與氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果可知，氣象要素對AQI的影響較為復(fù)雜，不同季節(jié)、不同空氣質(zhì)量類別下，AQI與氣象要素的相關(guān)性存在明顯差異。當(dāng)解釋變量與響應(yīng)變量間關(guān)系不明確時，可以使用廣義加性模型（GAM）模擬變量間的非線性關(guān)系[14，15]。表7為AQI與氣象要素的GAM模型假設(shè)檢驗結(jié)果。由表7可知，降水量和平均相對濕度對AQI變化影響的模型解釋率相對較高，分別為16.9%和13.6%，平均氣溫對AQI變化的解釋率相對較低，僅為3.3%;各氣象要素在0.01水平下對AQI變化均影響顯著，表明各影響因素作為AQI變化的解釋變量是具有統(tǒng)計學(xué)意義的。

圖1為基于GAM分析的平均水汽壓（P）、降水量（RE）、平均氣溫（T）、平均相對濕度（RH）、日照時數(shù)（S）及平均風(fēng)速（W）對AQI變化的影響效應(yīng)，實線表示AQI的平滑擬合曲線，虛線表示擬合加性函數(shù)的逐點標(biāo)準(zhǔn)差，即置信區(qū)間的上、下限;橫坐標(biāo)表示各氣象要素的實測值，縱坐標(biāo)表示各氣象要素對AQI的擬合值（取對數(shù)）;縱坐標(biāo)括號內(nèi)的數(shù)值為估計自由度，當(dāng)解釋變量與響應(yīng)變量線性相關(guān)時，估計自由度等于1。

由圖1（a）可知，平均水汽壓與AQI變化呈復(fù)雜非線性關(guān)系，當(dāng)平均水汽壓小于約6hPa或大于約32hPa時，AQI隨平均水汽壓的上升顯著增加;在約6～32hPa的區(qū)間內(nèi)，隨著平均水汽壓的上升，AQI呈波動下降趨勢。由圖1（c）可知，平均氣溫對AQI影響效應(yīng)的變化趨勢與平均水汽壓類似，當(dāng)平均氣溫小于約5℃或大于約28℃時，AQI隨平均氣溫的上升顯著增加;在5～28℃的區(qū)間內(nèi)，隨著平均氣溫的上升，AQI呈波動下降趨勢。

由圖1（d）可知，平均相對濕度與AQI變化表現(xiàn)為非線性關(guān)系，但存在明顯的閾值。當(dāng)平均相對濕度小于約72%時，AQI隨平均風(fēng)速的增大而上升;超過這一閾值，隨著平均風(fēng)速的增大，AQI顯著下降。由圖1（e）可知，日照時數(shù)對AQI影響效應(yīng)的變化趨勢與平均相對濕度較為類似，當(dāng)日照時數(shù)小于約7h時，隨著日照時數(shù)的增加，AQI顯著上升;超過這一閾值，AQI隨日照時數(shù)的增加呈下降趨勢，但變幅較小。

由圖1（b）可知，降水量與AQI變化呈非線性關(guān)系，但整體表現(xiàn)是隨著降水量的增加，AQI呈下降趨勢，特別是在約0～10mm（即小雨量級）的降水量范圍內(nèi)，AQI隨降水量的增加顯著下降。由圖1（f）可知，平均風(fēng)速與AQI變化表現(xiàn)為接近線性關(guān)系的非線性關(guān)系（估計自由度接近1），即隨著平均風(fēng)速的上升，AQI呈單調(diào)遞減的變化趨勢。

3 結(jié)論

（1）統(tǒng)計結(jié)果表明，2015—2019年滁州市空氣質(zhì)量整體變化幅度較小，2015年空氣質(zhì)量較好，2017年空氣質(zhì)量最差;夏、秋季空氣質(zhì)量明顯好于冬、春季，且空氣質(zhì)量最差的冬季，AQI波動性也最大;AQI平均值周六最高，周日次之，存在一定程度的周末效應(yīng)。

（2）相關(guān)分析表明，AQI整體上與日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)，與平均氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、平均水汽壓及降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，AQI在不同季節(jié)、不同空氣質(zhì)量指數(shù)類別下與氣象要素的相關(guān)性存在較大的差別。其中，平均相對濕度和日照時數(shù)在冬季與AQI不存在顯著相關(guān)性;輕度污染條件下，AQI只與平均氣溫顯著相關(guān)，日照時數(shù)在優(yōu)、良和中度污染及以上兩種空氣質(zhì)量情況下，與AQI的相關(guān)性相反。

（3）GAM模型分析結(jié)果表明，各氣象要素在0.01水平下對AQI變化均影響顯著，AQI除了與平均風(fēng)速存在接近線性關(guān)系的非線性關(guān)系，與其他氣象要素均表現(xiàn)為較復(fù)雜的非線性關(guān)系。在不同閾值范圍內(nèi)，氣象要素對AQI變化的影響趨勢和顯著程度也存在明顯的差異。

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