樊欣怡,廉麗姝,王猛

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,山東 日照 276800)

0 引言

大氣環(huán)境與人類健康有著密切的關(guān)系,隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高,城市化進(jìn)程加快,粗放式經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)造成的空氣污染對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人類身體健康產(chǎn)生了重大影響。要想打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn),大氣污染的治理與預(yù)防必不可少。鑒于空氣質(zhì)量與氣象條件的密切關(guān)系,探究空氣質(zhì)量與氣象要素的相關(guān)性對(duì)大氣污染治理具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)空氣質(zhì)量與氣象要素的相關(guān)性研究較多。在研究對(duì)象上,較多研究從全國(guó)、省域、市域[1-6]等不同區(qū)域尺度探究空氣質(zhì)量與氣象要素的關(guān)系。隨著城市化的發(fā)展,城市群也成為大氣污染的主要聚集地[7,8]。因此,本文以經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、污染嚴(yán)重的環(huán)渤海城市群[9]為研究對(duì)象,包括國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的京津冀城市群和穩(wěn)步建設(shè)的山東半島城市群、遼中南城市群這三大城市群。在指標(biāo)選取上,一方面選擇了能夠全面衡量空氣污染狀況的綜合性指標(biāo)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),另一方面選擇了PM2.5、PM10、O3這三大首要污染物作為研究對(duì)象[7-13]。

氣象條件是影響大氣質(zhì)量和控制污染的重要因素[14,15],中國(guó)PM2.5、PM10、O3、NO2、CO、SO2等污染物日平均濃度變化的70%以上與氣象條件有關(guān)[16]。在以往的研究中,大多只簡(jiǎn)單表明空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象因子存在相關(guān)性,但是對(duì)其相關(guān)程度研究較少,因此,本研究進(jìn)一步探究了氣象要素與AQI之間的非線性關(guān)系。

在分析天氣與空氣質(zhì)量的關(guān)系時(shí),通常使用相關(guān)回歸分析、空間自相關(guān)、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[17-19]?；诖?本文以2015–2019年環(huán)渤海三大城市群28個(gè)重點(diǎn)城市為研究單元,全面解析環(huán)渤海三大城市群首要污染物時(shí)空分布特征和空氣質(zhì)量指數(shù)的季節(jié)變化特征,利用空間自相關(guān)方法對(duì)AQI進(jìn)行空間集聚性分析,探討其污染分布的規(guī)律性。在利用皮爾遜相關(guān)法進(jìn)行不同季節(jié)各污染物與氣象要素的相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)而厘清了各氣象因子與AQI之間的非線性關(guān)系。研究結(jié)果有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)環(huán)渤海城市群的空氣污染現(xiàn)狀,對(duì)深入大氣污染的治理有一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

環(huán)渤海地區(qū)是以北京、天津、河北為核心,以遼東和山東兩個(gè)半島為兩翼的環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)域,形成了京津冀城市群、山東半島城市群和遼中南城市群三大城市群,全區(qū)陸域面積達(dá)112萬(wàn)平方千米,總?cè)丝?.6億人[20]。研究區(qū)選取京津冀城市群中北京、天津、唐山、保定、秦皇島、石家莊、張家口、承德、滄州、廊坊這10個(gè)城市,山東半島城市群中青島、濟(jì)南、濰坊、日照、東營(yíng)、淄博、煙臺(tái)、威海這8個(gè)地級(jí)市,遼中南城市群中沈陽(yáng)、大連、鞍山、撫順、本溪、丹東、營(yíng)口、遼陽(yáng)、盤錦、鐵嶺這10個(gè)地級(jí)市,如圖1所示。環(huán)渤海三大城市群是我國(guó)的政治文化中心,是公共行政和對(duì)外交流的中心,也是特大城市重要的科技和教育中心。該地區(qū)大氣污染較為嚴(yán)重,探究該地區(qū)的空氣質(zhì)量特征,可以更好地開展大氣污染治理工作。

圖1 環(huán)渤海三大城市群分布圖。(a)位置圖;(b)地形圖Fig.1 Distribution of the three major urban agglomerations around Bohai Sea.(a)Location map;(b)topographic map

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站《重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)》(http://www.mee.gov.cn/),包括北京、天津、沈陽(yáng)、大連、濟(jì)南、青島等28個(gè)城市自2015年1月1日–2019年12月31日的逐日AQI和首要污染物(PM2.5、PM10、O3、NO2、CO、SO2)。氣象數(shù)據(jù)取自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),選取了同期的降水量(mm)、氣壓(hPa)、相對(duì)濕度(%)、氣溫(°C)、風(fēng)速(m·s-1)、日照時(shí)數(shù)等逐日地面觀測(cè)資料。數(shù)字高程(DEM)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)發(fā)布的SRTM90m空間分辨率數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)是描述城市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合狀況的無(wú)量綱指數(shù)。按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[21]對(duì)環(huán)渤海三大城市群28個(gè)城市2015年1月1日–2019年12月31日的逐日AQI、PM2.5、PM10、O3、NO2、CO、SO2進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從月、季節(jié)變化特征及年際變化趨勢(shì)解析了AQI值的時(shí)間變化特征,并對(duì)不同季節(jié)首要污染物的構(gòu)成進(jìn)行研究,缺測(cè)數(shù)據(jù)采取線性插值的方式進(jìn)行填補(bǔ)。月、季、年數(shù)值為相應(yīng)時(shí)間區(qū)間內(nèi)日平均值的算術(shù)平均值。四季按照春季(3–5月)、夏季(6–8月)、秋季(9–11月)、冬季(12–2月)進(jìn)行劃分。

空間上鄰近地區(qū)的空氣污染排放水平與氣象要素具有一定的相似性,因此AQI可能存在相類似的空間集聚現(xiàn)象,即存在著空間自相關(guān)。目前常用的空間自相關(guān)模型[19]主要包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān),一般用莫蘭指數(shù)(Moran′sI)來進(jìn)行度量。

全局Moran′sI描述了屬性值在整個(gè)區(qū)域上的空間特征,計(jì)算公式為

式中I為全局空間自相關(guān)指數(shù);Wi j為空間權(quán)重矩陣,相鄰單元通常取為1,其他為0;Xi、Xj分別為城市i和j的空氣質(zhì)量觀測(cè)值;為均值。I∈[-1,1],當(dāng)I＜0時(shí),表示研究區(qū)域之間的空氣質(zhì)量具有負(fù)相關(guān)性,且越接近-1,研究區(qū)的空氣質(zhì)量差異越大;當(dāng)I=0時(shí),表示研究區(qū)域之間的空氣質(zhì)量沒有顯著相關(guān)性;當(dāng)I＞0時(shí),表示研究區(qū)域之間的空氣質(zhì)量具有正相關(guān)性,且越接近1,研究區(qū)空氣質(zhì)量之間關(guān)系越密切。

標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z常被用來檢驗(yàn)Moran′sI是否存在空間自相關(guān)關(guān)系,計(jì)算公式為

式中E[I]為觀測(cè)值,E[I]=-1/(n-1),n為樣本總數(shù);var[I]為Moran′sI的方差,這里采用0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。在0.01顯著性水平下,-2.58＜Z(I)＜2.58時(shí),說明AQI的空間自相關(guān)性不顯著,即AQI在空間上隨機(jī)分布;當(dāng)Z(I)＜-2.58時(shí),說明AQI在空間上呈負(fù)相關(guān)分散分布,包括“高-低”關(guān)聯(lián)和“低-高”關(guān)聯(lián);Z(I)＞2.58,說明AQI在空間分布上具有正向自相關(guān)性,即相近的高值A(chǔ)QI空間聚集形成熱點(diǎn)分布區(qū),或者相近的低值A(chǔ)QI空間集聚形成冷點(diǎn)分布區(qū)。

在空氣污染指數(shù)與氣象要素的相關(guān)性分析中,采用皮爾森(Pearson)相關(guān)和變化趨勢(shì)來確定各氣象因子對(duì)AQI變化的影響程度。各氣象因子的取值為該城市多個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)的日均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 首要污染物特征

AQI是各項(xiàng)污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)中的最大值,而當(dāng)AQI大于50時(shí)所對(duì)應(yīng)的污染物就是首要污染物[22]。比較了2015–2019年環(huán)渤海三大城市群首要污染物特征,結(jié)果如圖2所示。由圖可知,各城市群之間差異不大,全年首要污染物主要以PM2.5、PM10、O3為主,占80%以上。首要污染物的季節(jié)變化特征明顯,春季沙塵天氣較多,PM10較為突出。夏季O3化學(xué)反應(yīng)加快,占比達(dá)到70%?？焖偌鄣默F(xiàn)代化工業(yè)[8]和煤炭的使用使得冬季首要污染物主要以PM2.5、PM10為主[23,24],且PM2.5占比更高。NO2在秋季相對(duì)較高,CO在六種污染物中占比最小且變化不大,研究結(jié)果與鄭小華等[25]的研究結(jié)果一致。不同的是,圖2(c)顯示遼中南城市群的SO2濃度最高,尤其在冬季。這與遼中南地區(qū)的工業(yè)布局有關(guān),如居民區(qū)位于眾多鋼鐵、化學(xué)重工業(yè)基地的下風(fēng)向[6]等。

圖2 2015–2019年環(huán)渤海三大城市群各季節(jié)首要污染物特征。(a)京津冀城市群;(b)山東半島城市群;(c)遼中南城市群Fig.2 Characteristics of seasonal primary pollutants of three urban agglomerations around Bohai Sea from 2015 to 2019.(a)Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration;(b)Shandong Peninsula urban agglomeration;(c)Liaozhongnan urban agglomeration

考慮到不同城市群的地域差異,分析了各地區(qū)6種大氣污染物季節(jié)性變化規(guī)律(圖3)。就污染物濃度的時(shí)序趨勢(shì)變化而言,除圖3(f)中的O3外,其余污染物均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與董佳丹等[26]的研究結(jié)果一致。圖3(a)和圖3(b)顯示,京津冀城市群和山東半島城市群的PM2.5和PM10濃度在春季和秋季下降程度明顯高于遼中南城市群,秋季遼中南城市群的污染物濃度高于其他城市群,冬季山東半島城市群污染物濃度下降程度最小。圖3(c)和圖3(d)顯示,除京津冀城市群冬季CO濃度下降最大外,其余季節(jié)均是山東半島城市群下降程度最大。圖3(e)顯示,春季和夏季山東半島城市群NO2下降趨勢(shì)最明顯,秋季遼中南城市群下降趨勢(shì)最明顯,冬季京津冀城市群下降趨勢(shì)最明顯。圖3(f)顯示,在春季和冬季,遼中南城市群O3濃度上升最明顯,但是在夏季和秋季,遼中南城市群O3濃度呈下降趨勢(shì),京津冀城市群和山東半島城市群呈上升趨勢(shì),且京津冀城市群的上升程度大于山東半島城市群。

圖3 2015–2019年環(huán)渤海各城市6種污染物季節(jié)濃度變化。(a)PM2.5;(b)PM10;(c)SO2;(d)CO;(e)NO2;(f)O3Fig.3 Seasonal concentration changes of six pollutants in cities around the Bohai Sea from 2015 to 2019.(a)PM2.5;(b)PM10;(c)SO2;(d)CO;(e)NO2;(f)O3

3.2 空氣污染指數(shù)的時(shí)間變化特征

3.2.1 月值變化

2015–2019年三大城市群空氣質(zhì)量月變化規(guī)律(圖4)基本一致,AQI最高值及誤差棒最大值均出現(xiàn)在12月、1月,空氣質(zhì)量達(dá)到三級(jí)(輕度污染),此時(shí)空氣質(zhì)量最差,AQI最低值及誤差棒最小值均在8月,空氣質(zhì)量達(dá)到二級(jí)(良),此時(shí)空氣質(zhì)量最好。在整體95%置信水平中,置信度水平從高到低分別是遼中南城市群、山東半島城市群和京津冀城市群。

圖4 2015–2019年環(huán)渤海三大城市群各月份AQI月均值Fig.4 Monthly AQI average of three major cities around Bohai Sea from 2015 to 2019

3.2.2 季節(jié)變化

環(huán)渤海三大城市群具有明顯的AQI季節(jié)變化特征(表1)。AQI平均值為冬季＞春季＞夏季＞秋季,說明夏秋季空氣質(zhì)量較好,春季次之,冬季空氣質(zhì)量最差。這不同于姜磊[2]等夏季AQI最低的研究結(jié)果,這是因?yàn)镺3含量不斷升高,逐漸代替PM2.5成為首要污染物,而O3易受到前體物和光照季節(jié)變化的影響,故在夏季和春季時(shí)濃度較高[27-29]。夏秋兩季降水增多,植被覆蓋率提高,太陽(yáng)輻射增強(qiáng)[11],逆溫出現(xiàn)的可能性小,不利于污染物的聚集,因此空氣質(zhì)量較好。冬季逆溫天氣出現(xiàn)的頻率較大,不利于污染物的輸送擴(kuò)散,導(dǎo)致污染物濃度高。表1中環(huán)渤海三大城市群AQI季節(jié)變化的標(biāo)準(zhǔn)差均為冬季＞春季＞秋季＞夏季,反映了環(huán)渤海三大城市群冬季波動(dòng)最大,春秋季次之,夏季最小。

表1 2015–2019年環(huán)渤海三大城市群AQI季節(jié)變化Table 1 Seasonal variation of AQI in three urban agglomerations around Bohai Sea from 2015 to 2019

3.2.3 年際變化

圖5為2015–2019年環(huán)渤海三大城市群逐年空氣質(zhì)量級(jí)別所占的比例。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明環(huán)渤海三大城市群與其他地區(qū)[30]具有相同的年際變化特征,即處于Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)的空氣質(zhì)量所占比重整體上逐年增加,環(huán)境質(zhì)量越來越好。京津冀城市群、山東半島城市群、遼中南城市群的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率最低均出現(xiàn)在2015年,依次是47.50%、51.04%、71.67%;優(yōu)良率最高均出現(xiàn)在2018年,依次是74.17%、85.42%、97.50%,最高最低分別相差26.67%、34.38%、25.83%,其中山東半島城市群相差最大。這是因?yàn)樯綎|半島的政府及其相關(guān)部門開展了淘汰小型燃煤鍋爐、計(jì)算大氣環(huán)境容量、加強(qiáng)汽車尾氣排放治理等工作[31],注重社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,使大氣質(zhì)量得到有效改善[32]。

圖5 環(huán)渤海三大城市群逐年空氣質(zhì)量級(jí)別百分比。(a)京津冀城市群;(b)山東半島城市群;(c)遼中南城市群Fig.5 Percentage of annual air quality level in three urban agglomerations around Bohai Sea.(a)Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration;(b)Shandong Peninsula urban agglomeration;(c)Liaozhongnan urban agglomeration

3.3 空氣污染指數(shù)的空間變化特征

為進(jìn)一步研究環(huán)渤海三大城市群空氣質(zhì)量的區(qū)域特征,表2分別計(jì)算了Moran′sI及正態(tài)統(tǒng)計(jì)量Z。各年份Moran′sI指數(shù)均為正值,Z值除2015年外均高于0.01顯著性水平下的臨界值2.58,說明在2016–2019年環(huán)渤海三大城市群AQI存在顯著的空間集聚特征,可以進(jìn)行AQI高值集聚的“熱點(diǎn)”分析和AQI低值集聚的“冷點(diǎn)”分析。

表2 2015–2019年環(huán)渤海三大城市群AQI空間自相關(guān)指數(shù)Table 2 AQI spatial autocorrelation index of three urban agglomerations around Bohai Sea from 2015 to 2019

圖6展現(xiàn)了環(huán)渤海三大城市群AQI冷熱點(diǎn)分布的區(qū)域特征。從整體看,由沿海向內(nèi)陸逐漸由冷點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闊狳c(diǎn),即由所在城市與周圍城市形成的污染物濃度較低的空氣良好區(qū)向所在城市與周圍城市共同形成的污染物濃度較高的空氣污染區(qū)轉(zhuǎn)變。冷點(diǎn)區(qū)域主要集中在遼中南城市群、京津冀城市群的北部以及山東半島城市群的東部,熱點(diǎn)主要集中在京津冀城市群的南部以及山東半島城市群的西部。這與沿海地區(qū)盛行風(fēng)較強(qiáng)密不可分,而張家口、本溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低,擁有工廠較少,排放的空氣污染物較少。除此之外,通過對(duì)比研究區(qū)DEM圖可以發(fā)現(xiàn),空氣污染主要集中在平原地區(qū),而長(zhǎng)白山脈、太行山脈、燕山這種起伏較大的山地地區(qū)污染較輕,這與許文軒等[33]的研究結(jié)果一致。

圖6 2016–2019年環(huán)渤海三大城市群AQI均值。(a)2016;(b)2017;(c)2018;(d)2019Fig.6 Average AQI of three urban agglomerations around Bohai Sea from 2016 to 2019.(a)2016;(b)2017;(c)2018;(d)2019

2016年以來,冷點(diǎn)城市占比數(shù)量逐漸下降,熱點(diǎn)區(qū)域逐漸上升。這表明雖然城市群的空氣環(huán)境質(zhì)量逐漸變好,但是高值A(chǔ)QI逐漸聚集,空間自相關(guān)程度進(jìn)一步增強(qiáng)。沿海地區(qū)的大連市、丹東市、本溪市、張家口市一直是冷點(diǎn)區(qū)域,即持續(xù)穩(wěn)定的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良區(qū)[34]。青島市、煙臺(tái)市、威海市逐漸從冷點(diǎn)變?yōu)榇卫潼c(diǎn),承德市由次冷點(diǎn)變?yōu)槔潼c(diǎn),即承德市與周圍城市形成了聯(lián)系密切的低值A(chǔ)QI區(qū)域。石家莊市、保定市一直是熱點(diǎn)區(qū)域,是穩(wěn)定、持續(xù)的污染連片區(qū)。這是因?yàn)樵搮^(qū)域位于內(nèi)陸、西部為天然屏障太行山脈,是典型的“避風(fēng)港”式地形,這就使得空氣污染物不易擴(kuò)散[33]。濟(jì)南市、濰坊市、淄博市、東營(yíng)市、天津市由次熱點(diǎn)變?yōu)闊狳c(diǎn),形成高值A(chǔ)QI聚集中心。

3.4 空氣質(zhì)量與氣象要素關(guān)系相關(guān)性分析

選取2015年1月1日–2019年12月31日環(huán)渤海三大城市群的日AQI、PM2.5、PM10、O3與主要的同期氣象要素值做季節(jié)性相關(guān)分析,結(jié)果如表3所示。

可以看出,AQI、PM2.5、PM10與各氣象要素具有相似的相關(guān)性。各污染物因子在秋季與溫度呈負(fù)相關(guān),其他季節(jié)多呈正相關(guān),這是因?yàn)榍锛緶囟壬吆?大氣湍流活動(dòng)加強(qiáng),有利于污染物擴(kuò)散。但是春季、夏季多高溫,當(dāng)溫度超出一定范圍后,污染物容易進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化,空氣質(zhì)量變差;冬季溫度過低又會(huì)形成逆溫層,不利于污染物擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)速越大,日照時(shí)間越長(zhǎng)時(shí),逆溫層越不穩(wěn)定,污染物被傳輸?shù)木嚯x越長(zhǎng),清潔空氣占比越大,空氣質(zhì)量越好[35],因此污染物與風(fēng)速和日照時(shí)間多呈負(fù)相關(guān)。但是在夏季,污染物與日照時(shí)數(shù)多呈正相關(guān),其中AQI受到夏季O3含量高的影響,相關(guān)性最大。相對(duì)濕度在秋季、冬季多與污染物呈正相關(guān),這是因?yàn)橄鄬?duì)濕度超過一定范圍后,氣態(tài)污染物容易轉(zhuǎn)化成固態(tài),造成污染物集聚,這也是秋冬季多霧霾的原因。而春季和夏季相對(duì)濕度與降水有很大關(guān)系,多降水稀釋了近地面的污染物,與污染物呈負(fù)相關(guān)。不同的是,京津冀城市群的相對(duì)濕度與污染物在春季呈正相關(guān),這是因?yàn)橄鄬?duì)于其他兩個(gè)城市群來說,京津冀城市群大多為內(nèi)陸城市,春季氣溫較高,特別是最低氣溫高、濕度大、日照少、風(fēng)速小,這就意味著其大氣層結(jié)較穩(wěn)定,湍流交換較弱,不利于大氣污染物的擴(kuò)散[36,37]。O3和日照時(shí)間和風(fēng)速的關(guān)系與AQI、PM2.5、PM10表現(xiàn)出明顯的不同,日照時(shí)間越長(zhǎng),O3化學(xué)反應(yīng)越強(qiáng)烈;高風(fēng)速快速輸送使O3下沉運(yùn)動(dòng)至近地面,O3含量增加,因此O3與日照時(shí)間和風(fēng)速多呈正相關(guān)。

雖然絕大多數(shù)的氣象因子通過相關(guān)性檢驗(yàn),但是相關(guān)系數(shù)并不高,為進(jìn)一步探究各氣象要素與AQI的關(guān)系,對(duì)AQI進(jìn)行了變化趨勢(shì)的分析,如圖7所示。由圖可知,隨著氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)的升高,絕大多數(shù)的AQI集中在空氣優(yōu)良區(qū),空氣質(zhì)量逐漸提高,但是AQI的分布區(qū)間并不會(huì)隨著氣象因子的增加而呈現(xiàn)統(tǒng)一的增大或縮小,因此AQI與各氣象因子并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。當(dāng)氣溫低于一定程度時(shí),AQI的變化區(qū)間反而縮小,當(dāng)平均氣溫小于-10°C時(shí),空氣污染所占的比例更小。而當(dāng)風(fēng)速超過一定速度時(shí),會(huì)將地面沙土灰塵帶到空中,引起AQI的增加。在高相對(duì)濕度下,AQI的分布區(qū)間明顯增大,這是由于大氣能見度低,顆粒物吸濕增長(zhǎng),容易形成PM2.5污染,再加上海岸風(fēng)等影響因素,使得位于相對(duì)濕度較高環(huán)境中的污染物分布區(qū)間較廣。因此,當(dāng)氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)增加時(shí),空氣質(zhì)量不一定會(huì)下降。

圖7 2015–2019年環(huán)渤海三大城市群AQI隨氣象因子的變化趨勢(shì)。(a)京津冀城市群;(b)山東半島城市群;(c)遼中南城市群Fig.7 Variation trend of AQI with meteorological factors in three urban agglomerations around Bohai Sea from 2015 to 2019.(a)Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration;(b)Shandong Peninsula urban agglomeration;(c)Liaozhongnan city groups

?

4 結(jié)論

根據(jù)2015年1月1日–2019年12月31日的空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)及同期氣象要素?cái)?shù)據(jù),分析了環(huán)渤海地區(qū)三大城市群空氣污染指數(shù)的變化特征與氣象條件的關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn):

1)全年首要污染物主要以PM2.5、PM10、O3為主。冬季主要以PM2.5、PM10為主,且PM2.5占比更高。夏季以O(shè)3為主,占比達(dá)到70%。NO2在秋季相對(duì)較高,除冬季外,SO2在其他季節(jié)相對(duì)較少,CO在六種污染物中均占最小且在波動(dòng)不大。其中遼中南城市群的SO2濃度最高。在濃度變化方面,除O3外其余污染物呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。且對(duì)于不同污染物,不同城市群的下降程度不同。

2)環(huán)渤海三大城市群AQI最高值出現(xiàn)在12月、1月,最低值出現(xiàn)在8月。AQI在季節(jié)上出現(xiàn)夏秋低、冬春高的變化特點(diǎn),并且冬季波動(dòng)最大,春秋季次之,夏季最小。從年際變化的角度看,空氣質(zhì)量整體上呈改善趨勢(shì),其中2018年空氣質(zhì)量最好,山東半島城市群空氣質(zhì)量提高的年際變化最大。

3)由沿海向內(nèi)陸逐漸由空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良區(qū)變?yōu)榭諝馕廴緟^(qū),且2016年以來,冷點(diǎn)城市占比數(shù)量逐漸下降,熱點(diǎn)區(qū)域逐漸上升。

4)各污染物與氣象要素具有一定的相似性。AQI、PM2.5、PM10、O3與溫度在秋季呈負(fù)相關(guān),在其他季節(jié)多呈正相關(guān);與相對(duì)濕度在秋季、冬季多呈正相關(guān),在春季、夏季多呈負(fù)相關(guān)。除了相似性,各污染物與氣象要素還表現(xiàn)出明顯的差異性,如除夏季日照時(shí)數(shù)外,AQI、PM2.5、PM10與風(fēng)速和日照時(shí)間多呈負(fù)相關(guān),而O3與日照時(shí)間和風(fēng)速多呈正相關(guān)。雖然絕大多數(shù)污染物與各氣象因子具有相關(guān)性,但相關(guān)程度較小,具有顯著的非線性關(guān)系。因此,當(dāng)氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)增加時(shí),空氣質(zhì)量不一定會(huì)下降。