基于GIS的武汉市AQI时空分布规律研究

詹长根，吴 艺，韦淑贞，涂李蕾

（1.武汉大学 资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430079）

基于GIS的武汉市AQI时空分布规律研究

詹长根1，吴 艺1，韦淑贞1，涂李蕾1

（1.武汉大学 资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430079）

以武汉市2013-01-01～2013-06-30期间的10个环境空气质量自动监测站的AQI监测数据为基础，运用GIS空间分析工具，采用反距离加权插值法（IDW）获得武汉市各月AQI空间分布图。并将AQI监测数据与监测站其他6项空气污染物监测指标数据进行相关性分析。结果表明，2013年上半年武汉市AQI具有明显的时空分布特征，1～6月AQI总体呈逐渐下降趋势，中心城区AQI高值面积逐渐缩小，北部AQI高于南部地区。各项污染指标对于AQI的相关程度依次是PM2．5、CO、SO2、NO2、PM10、O3。

AQI；反距离加权插值法；时空分布；相关性分析

2013年上半年武汉市城区环境空气质量优良率为38．1%，其中9 d优，60 d良、55 d轻度污染、25 d中度污染、26 d重度污染，6 d严重污染[1]。空气质量指数（air quality index，AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数[2]，可以反映某一地区某一时间段的空气质量水平。AQI的数值越大、级别越高，说明空气质量环境越差，指数越小，级别越低，空气质量环境越好。

GIS是一个用于管理、分析和显示地理信息的系统，包含一整套用于处理和表达地理数据的综合工具[3]。反距离加权插值法在研究区域性环境污染物质空间分布方面具有很好的应用[4,5]，可应用于对武汉市空气质量时空分布进行定量研究。本文首先运用GIS9．3软件IDW空间插值工具，获得武汉市AQI时空分布图，然后在此基础上探讨武汉市上半年AQI时空分布规律并分析其原因，最后将AQI与其他6个空气污染物监测指标进行相关性分析并对武汉市空气污染防治提出相关建议。文章利用GIS空间插值及可视化手段，直观反映武汉市AQI时空分布现象，通过对武汉市AQI时空分布规律及其影响因素的研究，为武汉市空气污染防治与保护提供更详细的科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区域及数据来源

武汉市位于长江与汉江交汇处，是全国重要的重工业基地、科教基地和综合交通枢纽，也是湖北省省会。武汉市地处北纬29°58′～31°22′，东经113°41′～115°，现有13个辖区，其中江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、洪山区、青山区7个为中心城区，东西湖区、蔡甸区、江夏区、黄陂区、新洲区、汉南区6个为新城区。在中国经济地理圈内，武汉市处于优越的中心位置，是中国地理上的“心脏”，故被称为“九省通衢”之地。

AQI数据来源于2013-01-01～2013-06-30武汉市环境保护局网站（网址：http://www．whepb．gov．cn）公布的空气质量指数监测数据，总共181个样本数据。对于有数据缺失的日期，用其相邻日期数据的平均值进行替代。月AQI数据由对应月份各监测站点日监测AQI数据平均值计算得来，见表1。运用GIS软件对武汉市行政区划图进行矢量化，以武汉市行政区化矢量图作为研究底图，将各月AQI监测数据平均值作为各监测站点的属性字段值，建立GIS图形数据一体化数据库。

表1 2013年1～6月武汉市AQI均值

1.2 反距离加权插值法

武汉市目前拥有10个空气质量自动监测站点，其中汉口花桥、武昌紫阳、沌口新区等9个为国控监测点，沉湖七壕站点为“清洁对照点”。根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）关于环境空气监测污染物基本项目的规定，各监测站点共监测有SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2．5等6项基本指标。由于监测站点的设定要考虑点位的代表性和监测方法的科学性，不可能在任何地点都设定监测站点。所以，可以采用空间插值的方法，来对武汉市整个区域的AQI时空分布进行研究。

反距离加权插值法（IDW）是以插值点与样本点之间的距离为权重的插值方法，插值点越接近样本点赋予的权重越大，其权重贡献与距离成反比，其公式如下[6]：

式中，Z为插值点估计值；Zi（i=1,2,…,n）是实测样本值；n为参与计算的实测样本数；di为插值点与第i个站点间的距离；p是距离的幂。与空气质量自动监测站点越近区域，其权重值越大，AQI值与监测站点实际监测值越接近，符合IDW空间插值法基本原理。在本次研究中，n的值为10，p的值为2。

2 武汉市AQI时空分布特征研究

根据1～6月武汉市各监测站点的AQI监测数据，运用EXCEL软件绘出各月AQI平均值分布图，见图1。以各监测站点月平均AQI值为样本点值，运用GIS空间分析功能，采用IDW空间插值工具对武汉市10个监测站点AQI月均值进行空间插值，得到武汉市1～6月份AQI时空分布图，见图2。

图1 2013年1～6月武汉市AQI空间分布图

图2 1～6月武汉市AQI空间分布图

2.1 AQI时间分布特征及原因分析

分析图1中1～6月的武汉市AQI时间分布图可知，1月份武汉市AQI在200～250之间，为武汉市上半年空气质量环境最差月份，空气质量等级为五级，属于重度污染月；6月份AQI在50～100之间，属于二级标准，空气环境质量较好；从1月份至6月份，武汉市AQI呈不断下降趋势。在武汉市上半年AQI统计中，AQI主要集中在100～150区间段，空气质量属于三级标准，整体空气环境质量为轻度污染。其原因主要是1月份为冬季，降水少、气候干燥且容易出现逆温现象，空气对流不显著，抑制污染物的扩散，易出现雾霾天气。从1月至6月，处于冬季向夏季过渡阶段，气温逐渐升高，降雨量增多，空气湿度增大且对流越来越显著，空气扩散条件逐渐好转，空气环境质量也逐渐提高。

表2 AQI分级标准[2]

2.2 AQI空间分布特征及原因分析

分析图2中1～6月武汉市AQI空间分布图可知，武汉市中心城区AQI最高，空气质量最差，AQI由中心城区向外围呈同心圆式递减；从1～6月，武汉市主城区空气重污染范围逐渐缩小；在各个月中，武汉市北部地区AQI普遍高于南部地区；武汉市西南部沉湖七壕监测站点附近AQI明显低于其他地区，总体空气质量条件较好。主要原因是中心城区为人口集中区域，交通尾气排放量大，且中心城区建筑物密集，阻碍市区内空气流通。武汉市南部湖泊分布众多，生态环境较好。北部水域面积较少且青山区、武汉化学工业园区等工业汇聚，污染物排放量大，空气环境质量低于南部地区。

3 AQI与污染物指标相关性分析

根据1～6月武汉市监测站点测得的各项空气污染物基本指标数据，以6个监测站点各月各监测指标值平均值为基础，得到1～6月武汉市环境空气污染物基本指标值表，见表3。将1～6月武汉市各监测站点AQI平均值与各项空气污染物基本指标作相关性分析，分析结果见表4。

表3 1～6月武汉市环境空气污染物基本指标值表

表4 AQI与环境空气污染物基本指标相关分析

结果显示，除臭氧指标以外，其他5项污染指标均与AQI成正相关。6项污染指标均与AQI呈高度相关关系。各项污染指标对于AQI的相关程度依次是PM2．5（0．996 5）、CO（0．980 1）、SO2（0．953 6）、NO2（0．874 5）、PM10（0．873 8）、臭氧（-0．831 0）。

4 结 语

本文基于武汉市10个空气质量自动监测站点各项空气质量污染指标监测数据，利用GIS的IDW空间插值工具对2013年上半年武汉市AQI时空分布特征进行研究，并进一步分析AQI与监测站点其他污染物监测项目之间的相关性。结果表明，武汉市AQI分布具有一定的时空分布规律，AQI与6项空气污染物监测指标呈高度相关关系，空气质量整体水平较低。

武汉市应加强空气质量保护与防治力度，减少大气污染物排放，坚持贯彻国务院《大气污染防治行动计划》的基本要求，依照“政府统领、企业施治、市场驱动、公众参与”的基本理念，可采取以下具体措施：①减少机动车污染物排放，加强移动源污染防治。②强化城乡精细化管理，优化城市空间布局，构建绿色生态屏障，减少面源污染排放。③严格节能环保准入，优化能源结构和产业发展结构，提高清洁能源使用率，壮大环保产业。④完善监测预警应急体系，强化科技支撑。⑤完善环保法规政策体系，创新环境管理机制。⑥加强信息公开和舆论引导，扩大公众参与。

[1] 武汉市环保局．2013年上半年武汉市环境质量状况[EB/OL]．http://www．whepb．gov．cn/hbHjzkgb/103495．jhtml，2013-11-08/2013-12-03

[2] GB 3095-2012．中华人民共和国环境空气质量标准[S] ．

[3] 吴秀芹，张洪岩．ArcGIS9地理信息系统应用与实践[M]．北京：清华大学出版社，2007

[4] 汪旸，陈晓东，王彩声．运用反距离加权插值法研究江苏省地方性氟中毒空间分布态势[J]．中国地方病学杂志，2009，28(1):97-100

[5] 阳文锐，王如松．反距离加权插值法在污染场地评价中的应用[J]．应用生态学报，2007,18(9)：2 013-2 018

[6] 朱求安，张万昌，余钧辉．基于GIS的空间插值方法研究[J]．江西师范大学学报：自然科学版，2004,28(2)：183-188

P208

B

1672-4623（2014）05-0062-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.022

詹长根，博士，副教授，主要研究方向为土地信息技术、现代地籍理论与方法。

2014-04-08。