中原城市群空气质量指数时空分布特征

邢莉，苏喜军

(华北水利水电大学 管理与经济学院，河南 郑州 450046)

中原城市群空气质量指数时空分布特征

邢莉，苏喜军

(华北水利水电大学 管理与经济学院，河南 郑州 450046)

空气质量的好坏直接影响到人体的健康状况，空气质量指数(AQI)已成为影响人们生活的重要因子之一。本文以2016年全年的中原城市群30个城市的AQI 监测数据为基础，运用散点图、柱形图、普通克里金法和反距离权重法等研究其时空分布特征。中原城市群AQI数值整体存在明显的季节变化趋势，冬季最高，春秋季次之，夏季最低。8月份 AQI数值均在100以下，是零污染月；1月和12月AQI数值均在100以上，是完全污染月，且有不少区域为重度污染。AQI数值区域性分布明显，呈现出以郑州、邢台、聊城及南阳为中心的空气质量较差的高值集聚区域和以蚌埠、亳州、阜阳、淮北、宿州、信阳、晋城及运城为中心的空气质量较好的低值集聚区域。

空气质量指数；空间插值；时空分布；普通克里金法；反距离权重法；中原城市群

中原城市群是我国十大城市群中城市群规模最大、一体化程度最高、人口最密集的城市群，是承接发达国家及我国东部地区产业转移、西部地区资源输出的枢纽和核心区域，是促进中部崛起、辐射带动中西部地区发展的核心增长极[1]。2016年12月26日，国家发展改革委员会印发《促进中部地区崛起“十三五”规划》，正式批复郑州建设国家中心城市，建设洛阳等区域性中心城市[2]。2016年12月28日，国务院正式批复《中原城市群发展规划》[3]。

随着中原城市群经济的发展和人民生活水平的不断提高，中原城市群作为《促进中部地区崛起“十三五”规划》中提出的中国经济发展新增长极、重要的先进制造业和现代服务业基地、中西部地区创新创业先行区、内陆地区双向开放新高地和绿色生态发展示范区[4]，其是否属于生态、智慧、和谐和宜居的城市群，空气质量首当其冲。空气质量指数(Air Quality Index，简称AQI)将抽象的空气质量转化为具象的无量纲指数，广泛地被公众理解和认可。AQI检测指标包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO共6个，较空气污染指数(Air Pollution Index,简称API)监测指标更多，评价结果更客观，且采用分级限制标准更严。AQI反映了空气质量的好坏程度，指数越大空气质量越差，指数越小空气质量越好。

关于AQI的研究，主要集中在与API对比分析[5-6]、区域性AQI 的分布及成因[7-8]、AQI与其他要素的相关关系[9]、国内外 API 理论及标准差异[10]及少数城市群特征分析等方面[11]。这些研究侧重于AQI理论及统计分析。本文侧重于时空分布研究，运用ARCGIS 10.2软件，依托空间分析模块，借鉴普通克里金法和反距离权重法两种空间插值法，在得到中原城市群AQI的时空分布地图的基础上，探讨中原城市群2016年12个月30个城市的AQI时空分布特征及影响因素。

一、 数据资料与研究方法

(一)区域概况

中原城市群地处中国中部，涵盖5个省的30个城市，是中国十大国家级城市群之一。2016年国家统计年鉴显示，中原城市群国土面积 28.7万km2，总人口1.58亿人，国内生产总值5.56万亿元，人均国内生产总值3.51万元，仅次于长三角、珠三角、京津冀城市群，居于全国第四，是中国经济第四增长极。中原城市群30个城市空间位置分布如图1所示。

图1 中原城市群30个城市地理位置分布

(二)数据来源

中原城市群中29个城市每个月的历史监测数据来自于中国空气质量在线监测分析平台( https://www.aqistudy.cn)，济源市数据选自2345天气王(http://tianqi.2345.com)，前者是多家高校科研单位联合开发的公益平台，收录了全国367个城市的空气数据(无济源市)，后者是A股上市公司旗下一款权威的空气质量官方网站，提供全国388个城市的空气质量数据。本文所用的月AQI数值是网站公布的日AQI数值的平均值。

参照AQI分级标准[12]，将每个城市的AQI划分为：优(0～50)、良(51～100)、轻度污染(101～150)、中度污染(151～200)、重度污染(200～300)和严重污染(大于300)。2016年1月至12月中原城市群30个城市每个月的AQI 数值见表1。

表1 2016年1—12月中原城市群月AQI数值

数据来源：中国空气质量在线监测分析平台( https://www.aqistudy.cn)；2345天气王(http://tianqi.2345.com)

(三)研究方法

由于中国空气质量在线监测分析平台和2345网站公布的城市AQI历史数据每个城市只有一个，为便于比较，把这个值认为是市政府所在位置的AQI值，运用插值法分析中原城市群整个区域内的完整空间分布特征。

普通克里金法(Ordinary Kriging，简称OK)是建立在一个预先定义的协方差模型基础上，通过线性回归方法把估计值的方差最小化的一种插值方法。估计值可采用公式

式中：F(x,y)为点(x,y)的估计值；n为集合中离散点的个数，n取30；zi为AQI数值；ωi为赋予每个离散点的权重。

反距离权重法(Inverse Distance Weighting，简称IDW)是以插值点与样本点之间的距离为权重的插值方法，插值点越近的样本点赋予的权重越大，其权重贡献与距离成反比[13]。插值点估计值计算公式为：

式中：Z为插值点估计值；Zi为AQI数值；i=1,2,3,…，n,n为参与计算的实测样本数，n=30；di为插值点与第i个站点的距离；p为距离的幂，p=2。

二、中原城市群AQI时间分布特征

根据表1数据，绘制出2016年中原城市群30个城市12个月的AQI时间分布图，如图2所示。

图2 2016年中原城市群AQI时间分布图

由图2可知，8月份是中原城市群空气质量最好的月份，30个城市的AQI数值均在100以下，属于零污染月，空气质量属于良；12月和1月是中原城市群空气质量最差的2个月，AQI数值均在100以上，属于完全污染月；12月份鹤壁、邯郸、安阳、邢台及1月份济源、洛阳、新乡的AQI数值都突破了200，达到重度污染。

图3给出了2016年各月中原城市群污染城市数量分布情况。

图3 2016年各月中原城市群污染城市数量

按照我国气象划分法，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年的2月为冬季。由图3可知，春、夏、秋、冬季污染城市个数分别为48、11、40、87个，污染城市占所有城市的比例分别为53.33%、12.22%、44.44%和96.67%，说明中原城市群整体存在着明显的季节变化趋势，AQI数值表现是冬季最高、春秋季次之、夏季最低。AQI污染整体分为两个阶段，1—3月和11—12月属于高污染阶段，4—10月属于低污染阶段，这与中原城市群冬季供暖周期有很大关系。

三、中原城市群AQI空间分布特征

运用ARCGIS 10.4中的普通克里金法和反距离权重法分别对30个城市的AQI 数值进行空间插值得到中原城市群AQI 逐月空间分布图，分别如图4和图5所示。

由图4可知：1月份，济源市区域AQI 数值最高，空气质量最差，AQI 数值由济源市区域向外围呈同心圆式递减，中原城市群最右侧的区域，空气质量较佳；2月份，中原城市群空气中度污染范围逐渐缩小，在周口市区域呈狭长带状分布；3月份，中原城市群划分为4片轻度污染区域，在最北部区域出现轻度污染最严重区域，北部为轻度污染相对严重地区，商丘市区域为轻度污染相对轻微地区，安徽省5个城市为轻度污染最轻微地区；4月份，污染区域逐渐由中原城市群西北地区转为东北地区，由菏泽市和郑州市区域向外呈同心圆式递减；5月份，中原城市群整体空气质量为良，颜色区分整个中原城市群的不同污染程度，相对来说，中部地区郑州市污染最严重；6月份，中部地区郑州市和洛阳区域及东北地区聊城市区域属于轻度污染；7月份，除最北端邢台市和偏北地区焦作市区域出现轻微的轻度污染外，其余各地区属于不同颜色系、空气质量为良的不同AQI数值；8月份，中原城市群空气质量全为良，属于零污染月，南阳市区域出现最大的AQI数值，并呈同心圆不断递减；9月份，濮阳市、菏泽市和聊城市区域出现轻度污染，其余各区域大部分空气质量属于良；10月份，除邢台市区域属于轻度污染外，其余各区域城市空气质量均属于良，且AQI数值沿着从北向南的分层区域不断降低；11月份，以鹤壁市和安阳市两个中度污染较严重的区域为圆心，AQI数值向外降低；12月份为完全污染月，中原城市群最北边相邻的4个城市邢台市、邯郸市、安阳市和鹤壁市区域均为重度污染，污染程度不断向外递减。

图4 中原城市群2016年1—12月AQI空间分布图(普通克里金插值法)

由图5可知，运用几何方法原理的反距离权重法得出中原城市群12个月的整体空间分布与普通克里金法得到的结果基本一致，但反距离权重法得到每个月的图层上出现不同数量的圆形区域，代表着相邻区域之间的AQI数值变动方向，是由圆形区域不断向外发散并逐渐与其相邻的AQI数值区间融合。

图5 中原城市群2016年1—12月AQI空间分布图(反距离权重插值法)

对比图5的AQI数值分布位置发现，在2016年全年12个月中，中原城市群30个城市AQI数值呈现出以郑州、邢台、聊城及南阳为中心的空气质量较差的高值集聚区域和以蚌埠、亳州、阜阳、淮北、宿州、信阳、晋城及运城为中心的空气质量较好的低值集聚区域。

四、中原城市群AQI时空分布特征原因分析

中原城市群整体呈现出一致的时间分布特征，其原因主要是：一方面，中原城市群地处中国内陆，属于典型的大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季降水少、气候干燥易引起扬尘天气，且容易出现逆温现象；另一方面，中原城市群整体处在工业化初级阶段，冬季主要污染来自每年的11月15日至次年3月15日通过燃煤方式的集中供暖模式，夏季主要来自于工业生产污染比重大的传统制造业和加工业等第二产业，春秋季主要来自于机动车。

中原城市群整体呈现出不同的空间分布特征，其原因主要是由于各个城市自身的自然地理资源环境及经济发展状况等造成的，本文就高值区域城市和低值区域城市特征进行分析，了解其成因。

(一)高值区域城市

河南省郑州市2016年有9个月空气质量达到污染水平，其主要原因是郑州市地处全国交通中心区域，人口比较集中，交通尾气排放大，且建筑物密集，阻碍空气流通，再加上冬季供暖大部分采用传统的燃煤方式。

河北省邢台市是中原城市群最北方的城市，是河北省重要的煤炭钢铁能源基地和新型工业基地，污染物排放量大，全年有9个月达到污染水平，冬季污染最为严重，11月和1月均为中度污染，12月达到重度污染。

山东省聊城市有8个月属于污染月，冬季最为严重，其主要原因是聊城市属于半干旱大陆性气候，其发达的工业占据其地区经济生产总值的50%以上，2015年规模以上工业企业数量达2 852个，全年创造8 929.71亿元的工业总产值，发达工业80%的能源来自于高排放空气污染物的煤炭。

河南省安阳市全年污染相对较严重。安阳市作为河南省重要的矿产资源城市及重要工业基地之一，开发利用条件较好，粗钢和钢材年产量均在2 000万吨左右，而近2年环保部曾多次约谈安阳市政府负责人，在政府责令部分重污染企业停产的情况下，安阳市不少大型钢铁企业还存在违排和超排污染物现象。

(二)低值区域城市

安徽省的5个城市区域AQI 普遍较低，主要原因是中国七大河之一的淮河中游流经蚌埠和阜阳等地，是我国南北气候过渡带，气候温和，且降水充沛，有利的自然地理环境是这些城市发展第三产业的基础。比如亳州市和宿州市，第三产业产值超过第二产业，成为本市的支柱产业，但5个城市整体发展水平一般，人均生产总值居安徽省中等及以下水平。

河南省信阳市全年平均空气质量为良，主要原因是信阳市地处长江和淮河流域的分水地界，周边群山环绕，山地面积占全市36.9%，信阳市优越的自然地理环境使其气候水文条件良好，河水资源充沛，发展第一产业优势明显，是著名的“鱼米之乡”。

山西省晋城市整体空气质量水平为良，空气污染主要集中在冬季和春季，主要原因一方面是晋城市地形复杂，境内58.6%属于山地，气候变化较大，春季少雨多风，时常发生干旱且冬季寒冷，雪雨天气稀少；另一方面是晋城市河流纵横，水利资源和林业资源丰富，加之第三产业生产总值比重不断增加，能够有效缓解空气污染带来的影响。

相比较地理资源环境及空气质量相似的晋城市，山西省运城市人均地区生产总值远低于全省平均水平，更低于晋城市人均水平，主要原因是运城较晋城，远离了中原经济中心郑州市，再加上拉动运城市经济增长的第二产业增长幅度近几年出现下滑，且第三产业增加值已经明显超过第二产业。

五、结语

基于中国空气质量在线监测分析平台和2345天气王所公布的2016年1—12 月中原城市群30个城市每个月的历史监测数据，采用空间插值法对2016年中原城市群AQI 时间和空间分布特征进行研究，得到以下结论：

首先，中原城市群空气质量整体存在明显的季节变化，AQI数值表现出冬季最高、春秋季次之、夏季最低的特征。一方面是中原城市群整体仍处在工业化初级阶段，污染比重大的传统制造业和加工业等第二产业占比较大；另一方面是污染源不同，春秋季来自于机动车，夏季来自于工业生产，冬季来自于居民取暖方式，是以燃煤为主。

其次，中原城市群30个城市8月份AQI数值均在100以下，属于零污染月；12月和1月AQI数值均在100以上，属于完全污染月，且不少地区属于重度污染。其主要原因是中原城市群地处中国内陆，属于典型的大陆性季风气候，夏季炎热多雨，而冬季降水少、气候干燥容易引起扬尘天气，且容易出现逆温现象。

最后，中原城市群AQI数值呈现区域性特征，表现为以郑州、邢台、聊城、南阳为中心的空气质量较差的AQI高值集聚区域和以蚌埠、亳州、阜阳、淮北、宿州、信阳、晋城、运城等空气质量较好的AQI低值集聚区域。高值区域的出现主要是大力发展高排放多消耗的工业污染产业造成的，且对污染物排放缺少一定的处理；低值区域的出现是因为这些区域地理环境优势，多山脉且水流资源丰富，为农业、渔业、牧业等第一产业及旅游等第三产业发展提供了便利。

中原城市群中各个城市应加强空气质量保护，加大防治力度，减少大气污染物排放，加快推进产业升级，提高科技创新能力，发展内陆高端消费、休闲、金融、会展、保税物流等高端服务业，大力发展电子、信息、生物医药等高端制造业，努力打造中国经济发展新增长极的空气环境和经济氛围。

[1] 王晓易.中原城市群进入国字号规划 跻身七大国家级城市群[EB/OL].网易新闻.(2017-01-13) [2017-08-17].http://news.163.com/17/0113/18/CAMBNJFU00014SEH.html.

[2] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.关于印发促进中部地区崛起“十三五”规划的通知 [EB/OL].中华人民共和国国家发展和改革委员会网.(2016-12-26)[2017-08-17].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201612/t20161226_832527.html.

[3] 中华人民共和国中央人民政府.国务院关于中原城市群发展规划的批复.[EB/OL]中华人民共和国中央人民政府网.(2016-12-30)[2017-08-17].http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/30/content_5154781.htm.

[4] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.关于印发中原城市群发展规划的通知[EB/OL].中华人民共和国国家发展和改革委员会网.(2016-12-29)[2017-08-17].http://www.ndrc.gov.cn/gzdt/201701/t20170105_834454.html.

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[12] 中华人民共和国环境保护部.环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)：HJ633—2012[EB/OL].中华人民共和国环境保护部.(2012-02-29)[2017-08-17].http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/jcffbz/201203/t20120302_224166.shtml.

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TemporalandSpatialDistributionCharacteristicsofEnvironmentalQualityIndexofCentralPlainsUrbanAgglomeration

XING Li, SU Xijun

(School of Management and Economics, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

Environmental quality is directly affecting the health of the human body, environmental quality index (AQI) has become one of the important factors affecting people’s lives. Based on the AQI monitoring data of 30 cities in the Central Plains region in 2016, the spatial and temporal distribution characteristics are studied by using data analysis methods such as scatter chart, column chart, ordinary kriging method and inverse distance weight method. The results show that the Central Plains city group as a whole there is a clear seasonal change. AQI numerical performance is the highest in winter, followed by spring and autumn, the lowest in summer. In August, the AQI value was below 100, and it was zero pollution month. The number of AQI in January and December was above 100, it was completely polluted month, and many areas were seriously polluted. The AQI value is obviously regional distribution, which presents a high value agglomeration area with low air quality centered on Zhengzhou, Xingtai, Liaocheng and Nanyang and of low value of air quality in the center of Bengbu, Bozhou, Fuyang, Huaibei, Suzhou, Xinyang, Jincheng and Yuncheng city.

air quality index; spatial interpolation; temporal and spatial distribution; ordinary kriging; inverse distance weighting; central plains urban agglomeration

2017-09-20

邢莉(1991—)，女，河南商丘人，华北水利水电大学管理与经济学院硕士研究生，研究方向为区域经济；苏喜军(1964—)，男，河南南阳人，华北水利水电大学管理与经济学院教授，硕士生导师，研究方向为区域经济。

C931; F205

A

1008—4444(2017)06—0038—07

蔡洪涛)