翟雪迎，孫 勇，季 民，王鵬程

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590)

目前，隨著中國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，能源資源消耗持續(xù)增加，隨之伴生的大氣污染現(xiàn)象引起了國家和社會(huì)大眾的極大關(guān)注。大氣質(zhì)量狀況的監(jiān)測、預(yù)測和評估已成為了中外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。Mohan等[1]對德里市從年際、季節(jié)的角度進(jìn)行研究空氣質(zhì)量指數(shù)的變化，利用最大算子函數(shù)法分析出交通密度的增加與所有的監(jiān)測站中空氣質(zhì)量差成反比的現(xiàn)象。Hu等[2]對中國的6大城市(北京、上海、廣州、石家莊、西安和武漢)多空氣質(zhì)量指數(shù)綜合分析比較，研究表明在依據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)的分析下，會(huì)低估了空氣污染與健康風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)性；Peng等[3]對1999—2011年中國PM2.5的時(shí)空分布格局進(jìn)行了深入的分析，研究發(fā)現(xiàn)在中國的中東部地區(qū)空氣污染較為嚴(yán)重而且還存在逐年增長的趨勢。目前中國對空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)的污染物數(shù)據(jù)有著大量的數(shù)據(jù)分析和時(shí)空分布研究[4-8]。徐紅霞等[9]對山東省的空氣污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)顆粒物的污染呈現(xiàn)出從西向東且逐漸減少的趨勢，對空氣污染物數(shù)據(jù)建立拉格朗日混合單粒子軌道(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory，HYSPLIT4)模型進(jìn)行聚類分析得出，當(dāng)?shù)厝说挠绊懪c空氣污染有著較大的相關(guān)性；王恒等[10]基于山東省某城市六區(qū)的PM2.5、PM10、SO2、NO2為評價(jià)因子進(jìn)行多級綜合評價(jià)，研究結(jié)果表明，采用熵值的多級模糊綜合評判的方法，對城市空氣質(zhì)量的分析更客觀。范竣翔等[11]基于京津冀地區(qū)的空氣質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù)，建立深度網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)考慮時(shí)間序列特性的深度遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep recurrent neural networks，DRNN)模型效果更好；康桂紅等[12]對山東省的大氣污染數(shù)據(jù)，在時(shí)間和空間的分布特征上進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明顆粒物是山東省大氣污染的主要污染物，大氣污染呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間變化規(guī)律；許海超等[13]基于山東省17個(gè)地級市的空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index，AQI)、地理位置和不同季節(jié)的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析出沿海城市的AQI呈現(xiàn)出由東南向西且逐漸增大的規(guī)律，半島地區(qū)的空氣環(huán)境最佳，山東省的中部和西北地區(qū)的空氣污染較為嚴(yán)重。

大氣污染不僅局限于人為劃定的行政界線，而在時(shí)空上有一定程度的影響范圍和規(guī)律[14-15]。目前，針對AQI的重心遷移和空間集聚特征分析的研究較少。則基于2015—2018年山東省17個(gè)地市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)序變化和空間變化的研究分析。在年際、季度分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用空間自相關(guān)和重心遷移規(guī)律的分析方法，研究了空氣質(zhì)量在城市群相互之間的關(guān)系和影響。研究結(jié)果可為相關(guān)大氣環(huán)境監(jiān)測和治理大氣污染部門提供科學(xué)依據(jù)[16]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

山東省人口數(shù)量的不斷增加，建設(shè)用地和能源消耗劇增，造成山東省的空氣質(zhì)量面臨著巨大的壓力。分布在山東省的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)共有74個(gè)，監(jiān)測站點(diǎn)的分布如圖1所示。AQI數(shù)據(jù)主要是來自中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部網(wǎng)站，對所獲得的全國數(shù)據(jù)提取出山東省的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，四舍五入保留一位小數(shù)。研究數(shù)據(jù)期間是2015年1月1日—2018年12月31日的約35 000條AQI時(shí)報(bào)數(shù)據(jù)，1 455條日報(bào)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列、空間分布的相關(guān)處理，并以矢量點(diǎn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面狀柵格數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行研究性分析。

圖1 山東省空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)的分布Fig.1 Distribution of air quality monitoring stations in Shandong Province

AQI是無量綱指數(shù)，是對空氣污染的一種單一評價(jià)指標(biāo)，數(shù)值的大小與空氣污染的嚴(yán)重程度、人體健康的有害程度均正相關(guān)[17]。AQI的數(shù)值分級計(jì)算參考的標(biāo)準(zhǔn)是國家新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[18]。在2012年，中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部對AQI進(jìn)行分級評定，實(shí)施文件《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ633—2012)[19]，將AQI指數(shù)分為6級，分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 國家級AQI分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 National AQI value grading standard

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

1.2.1 基于空間自相關(guān)模型的空氣質(zhì)量分析方法

空間自相關(guān)是確定某一變量在空間上是否存在相關(guān)性及相關(guān)性的強(qiáng)度如何的一種研究方法[20]。主要是建立空間自相關(guān)模型，對獲取山東省的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行全局自相關(guān)和局部自相關(guān)分析。

基于空氣質(zhì)量指數(shù)的空間自相關(guān)分析，主要是根據(jù)城市位置和AQI指標(biāo)值對空間自相關(guān)進(jìn)行度量。根據(jù)全局Moran’sI指數(shù)(IM)判斷山東省的城市空氣質(zhì)量指數(shù)在空間上是否存在一定的集聚性，從而判斷是否存在著集聚或離散的分布特征。計(jì)算公式為

(1)

為深入研究城市間空氣質(zhì)量指數(shù)在空間上的局部空間差異性、相互關(guān)聯(lián)性，采用局部空間自相關(guān)分析，研究某城市及與其相近城市空氣質(zhì)量的相關(guān)程度[21]。局部空間自相關(guān)是把全局IM指數(shù)分配到研究區(qū)域的各個(gè)城市單元(用ILM表示)?？諝馕廴静粫?huì)局限于一塊地區(qū)，有著區(qū)域性傳播的特點(diǎn)，相鄰城市間的空氣質(zhì)量有著一定的相互影響[22]。局部空間自相關(guān)分析的可視化結(jié)果分為高高(HH)、高低(HL)、低高(LH)、低低(LL)4種關(guān)聯(lián)模式，計(jì)算公式為

(2)

1.2.2 AQI重心遷移規(guī)律分析

AQI重心指城市間AQI的加權(quán)平均重心，即山東省城市群之間的AQI在空間平面上力矩達(dá)到平衡的點(diǎn)[23]。將AQI年均指標(biāo)值作為權(quán)重計(jì)算加權(quán)的平均中心，可以表現(xiàn)出不同年份的AQI，進(jìn)而直觀地分析出空氣質(zhì)量在研究區(qū)域的差異性[24]。根據(jù)已獲得的山東省2015—2018年的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用基于加權(quán)平均模型計(jì)算集合重心的方法，研究山東省近幾年空氣質(zhì)量的軌跡動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律、AQI變化的空間區(qū)域均衡性。計(jì)算公式為

(3)

(4)

城市重心轉(zhuǎn)移距離指數(shù)為

(5)

式中:Xg、Yg為重心坐標(biāo)，分別表示通過空氣質(zhì)量加權(quán)后得到g時(shí)山東省的幾何中心；Xi、Yi表示第i個(gè)城市所在的幾何地理中心坐標(biāo)；Zi表示第i個(gè)城市的空氣質(zhì)量指數(shù)。WL為g～g+1時(shí)段重心轉(zhuǎn)移的距離。重心位置與各個(gè)城市單元的相對位置通過地圖更能清晰明了地表達(dá)[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 AQI年際序列變化特征分析

對2015—2018年山東省各市空氣質(zhì)量AQI進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出近4年各市的AQI年度均值，以柱狀圖的形式進(jìn)行空氣質(zhì)量的可視化表達(dá)如圖2所示。由圖2可分析出，各市的空氣質(zhì)量AQI近四年大體上均有下降的趨勢。主要是山東省的西部、南部、中西部地區(qū)的各市近4年AQI均有所下降，尤其是萊蕪市的AQI下降幅度最大，在2015—2016年的變化較明顯；2016—2017年有所微降；棗莊、濱州、淄博、東營、威海2017—2018年AQI指數(shù)比較穩(wěn)定。沿海地區(qū)的城市空氣環(huán)境整體較好。

70表示2015—2018年山東省各市AQI所有數(shù)值中最大值的1/2圖2 2015—2018年山東省各市AQI變化柱狀圖Fig.2 Histogram of AQI change in each city of Shandong Province in 2015—2018

2.2 AQI 年際時(shí)空分布變化分析

對山東省近四年各市的AQI年際變化進(jìn)行繪制，如圖3所示，表明山東省空氣質(zhì)量在逐年好轉(zhuǎn)，最為嚴(yán)重的是2015年的紅色重度區(qū)域，分布在山東省的西北部地區(qū)，主要有聊城、德州、濟(jì)南、淄博、菏澤等城市。尤其是德州空氣質(zhì)量指數(shù)最高，高達(dá)139.3。東部沿海城市空氣質(zhì)量最好。與2015年相比，2016年整體的空氣質(zhì)量顯著變好，中部地區(qū)黃色區(qū)域的AQI為100～115。分布在山東省西部的菏澤、聊城和德州的空氣質(zhì)量最差。2017年中部地區(qū)的城市空氣質(zhì)量狀況較佳，部分黃色區(qū)域AQI低于100。濱州市在2015—2017年空氣質(zhì)量沒有明顯變化。與2016年相比，2017年橙色區(qū)域城市空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)佳，山東省中南部和東部地區(qū)，特別是沿海城市空氣質(zhì)量良好，AQI均小于100，其對人類的健康沒有危害。2018年山東省除聊城、菏澤、濰坊等城市AQI為100～115的黃色區(qū)域外，其他城市AQI均低于100，而深綠色城市有所增加，尤其是萊蕪市的變化最明顯，2017—2018年，只有濰坊市的空氣質(zhì)量變差。表明山東省各市采取了相關(guān)的措施對空氣質(zhì)量進(jìn)行了整改。四年間威海，煙臺兩城市空氣質(zhì)量一直保持最好，青島市在2017年間的空氣質(zhì)量有所變差，但AQI指數(shù)仍低于100。德州市近四年空氣質(zhì)量變化最佳，濰坊市的空氣質(zhì)量在2017年有所改善后，在2018年AQI又升到了2015、2016年的指數(shù)區(qū)間100～125。

圖3 2015—2018年山東省各市AQI的年際變化Fig.3 Interannual variation of AQI in cities in Shandong Province from 2015 to 2018

98、86、76和70分別表示2015、2016、2017、2018年山東省各市四季AQI所有數(shù)值中最大值的1/2圖4 2015—2018年山東省各市四季AQI柱狀圖Fig.4 AQI histogram of four seasons in Shandong Province in 2015—2018

2.3 AQI季節(jié)性變化特征分析

基于山東省2015—2018年的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，對季節(jié)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如圖4所示，春夏秋冬四季分別對應(yīng)獲取研究數(shù)據(jù)的3—5月；6—8月；9—11月、12—次年2月。山東省各市在2015—2018年的AQI呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，尤其是采暖期的冬季大氣污染更為嚴(yán)重[26]。從時(shí)間維度上，2015年空氣質(zhì)量變化呈現(xiàn)出夏、冬兩季分明，其主要分布在德州、濱州、聊城、菏澤、濟(jì)寧、棗莊、臨沂、淄博、泰安、日照、青島11個(gè)城市。威海、煙臺、東營3個(gè)城市的AQI冬、夏季節(jié)差異不顯著，這是因?yàn)?個(gè)城市都是沿海城市，因此空氣質(zhì)量較好。煙臺、威海、青島、濰坊、萊蕪5個(gè)城市夏、秋兩季AQI較接近。2016年山東省各市空氣質(zhì)量AQI冬夏差異顯著的城市主要有德州、棗莊、臨沂、菏澤、萊蕪、聊城、濟(jì)寧7個(gè)城市。此現(xiàn)象可能與冬季天氣干燥、供暖、煙花爆竹較多有關(guān)。威海市夏秋冬AQI基本趨于一致，無明顯變化。2016年聊城、濱州、菏澤、臨沂、棗莊、濰坊、萊蕪冬夏季AQI呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性規(guī)律，威海，煙臺、濱州、濟(jì)南夏秋AQI趨于一致。2018年聊城、菏澤、棗莊、淄博、濰坊、萊蕪城市季節(jié)分明，濟(jì)寧、聊城夏秋AQI一致。結(jié)果表明：沿海地區(qū)的城市空氣質(zhì)量最好，冬夏分明較模糊，且夏秋冬AQI差值不大。

3 討論

3.1 山東省城市群的空間自相關(guān)

基于山東省2015—2018年的AQI監(jiān)測數(shù)據(jù)建立空間自相關(guān)模型，采用全局自相關(guān)方法分析Moran’s I指數(shù)的變化特征，Moran’s I指數(shù)在四年間呈現(xiàn)明顯變化，在2015年為0.660 055，2016年增長到0.710 365 5，2017年較2016年較穩(wěn)定為0.712 45，到2018年顯著下降到0.356 569。由此分析得出，山東省AQI指數(shù)值Moran’s I在逐年變小，表明山東省近四年AQI的空間集聚特征呈現(xiàn)出先緩慢聚集趨于穩(wěn)定，后加速分散的聚集態(tài)勢。

對山東省各市的AQI數(shù)據(jù)進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析如圖5所示，HH集聚區(qū)聚焦在濟(jì)南市，AQI指數(shù)高值區(qū)，空氣質(zhì)量最差，污染嚴(yán)重(相比其他城市地區(qū))。LH集聚性的城市是濱州、泰安兩城市，其空氣質(zhì)量指數(shù)較低，但周圍城市空氣質(zhì)量指數(shù)較高。LL集聚類型的城市分布在山東省東部沿海地區(qū)，主要有青島、煙臺等城市。普遍東部AQI指數(shù)較低，空氣質(zhì)量較好。由圖6可知，與2015年AQI的集聚情況相比，2018年集聚類型只有LL類型，LL類型的中心城市是煙臺，由于沿海的原因，AQI值較低，空氣質(zhì)量較好。

圖5 2015年山東省各市AQI的LISA集聚圖Fig.5 LISA agglomeration map of AQI in Shandong Province in 2015

3.2 山東省AQI的重心遷移規(guī)律分析

基于獲取的山東省2015—2018年的AQI數(shù)據(jù)，2015—2018年山東省17個(gè)市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)重心偏移圖)可知，重心逐年向東偏移(圖7)，主要在萊蕪和淄博的交界處，由萊蕪市跨越到淄博市。偏移方向是先東南，再東北，再東南向。

2015—2018年山東省的AQI重心整體存在向東微弱偏移的趨勢，微弱偏移距離約6.224 km。

4 結(jié)論

基于2015—2018年山東省17個(gè)城市AQI的時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在時(shí)間序列和空間分布上綜合利用統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析及空間分析等手段，采用空間自相關(guān)模型和重心遷移模型研究方法等空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型。得出如下結(jié)論。

(1)2015—2018年山東省空氣質(zhì)量指數(shù)整體呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，且變化較為明顯，AQI降幅最大的是山東省的中部(萊蕪市)。由于鄰近海邊，東部沿海地區(qū)的城市空氣質(zhì)量變化甚微，一直處于良好狀態(tài)，尤其是威海、煙臺空氣質(zhì)量一直為優(yōu)。2015年的多個(gè)城市的年度AQI均值在125～140，經(jīng)過四年的變化,2018年山東省整體空氣質(zhì)量大有好轉(zhuǎn)，只有3個(gè)城市(聊城、菏澤、濰坊)的年度AQI在100～115，其他城市均是良好狀態(tài)。

(2)2015—2018年山東省中部、西部地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)季節(jié)分明顯著，冬夏分級明顯。沿海城市四季空氣質(zhì)量指數(shù)最低，波動(dòng)微小，季節(jié)性變化最弱。山東省各城市的AQI呈現(xiàn)西高東低、內(nèi)陸高沿海低的季節(jié)空間分布格局。

(3)從空間自相關(guān)來看，以2015—2018年的Moran’sI指數(shù)來反映山東省空氣質(zhì)量近四年的空間集聚，呈現(xiàn)出先緩慢聚集，趨于穩(wěn)定，后加速分散的集聚態(tài)勢，空間相關(guān)度在逐年下降。2015年空氣污染較為嚴(yán)重的高集聚區(qū)為濟(jì)南，2018年空氣質(zhì)量優(yōu)的低AQI集中區(qū)域是沿海的煙臺。2015—2018年山東省的城市群空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)重心整體往東微弱偏移，由萊蕪跨越到淄博。即山東省西部的空氣質(zhì)量污染表現(xiàn)出轉(zhuǎn)佳趨勢。