湖南省14个市级城市空气质量指数的分布特征及其与气象因素的关系研究

龙晓琴 曹珮

摘要 利用中国气象局气象数据统一接口端（天擎）提供的2019—2021年地面日值资料和湖南省环境气象一体化业务平台提供的空气质量数据，利用相关分析方法对湖南省14个地市的空气质量指数（AQI）进行了分析。结果表明：2019—2021年湖南省东部地市的AQI值普遍高于湖南省西部和南部地市。湘西州和张家界的AQI值基本最低，AQI高值区分布在长株潭一带。春季和夏季AQI值最低，冬季升到最高值，冬季过后AQI值又逐渐降低。湖南省14个地市的空气质量污染天数最多的是长沙，其空气质量在湖南省最差；空气质量污染天数最低的是湘西州，空气质量整体最好。与2019年相比，2020年和2021年的年均污染天数减少。相对湿度、降水量、平均水汽压、本站气压和风速与长沙市AQI密切相关，并通过99%显著性检验，除了气压呈正相关外，其他均呈负相关关系。

关键词 空气质量指数；相关分析；长沙市

中图分类号：X51 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）04–0073-03

随着我国工业化和城市建设的高速发展，大气污染已经成为较为严重的城市环境问题。大气污染物在流动时具有不可见性、传播速度快、影响范围广、扩散能力强的特点，会对环境气候和人体健康产生重要影响[1]。湖南省内地形条件较复杂，不同城市地形条件差异明显，气象條件（尤其是中小尺度气象条件）区域差异大，各城市社会经济水平和环境气候差异也客观存在。因此对湖南省空气质量进行研究十分迫切。

1 资料和方法

1.1 资料

为了评价整个湖南省的空气质量状况，从湖南省环境气象一体化业务平台下载了湖南省14个地市的逐日空气质量指数数据，时段为2019年1月1—2021年12月31日，共3年。

1.2 空气质量指数

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，其数值越大，级别和类别越高，表征颜色越深，说明空气污染状况越严峻，对人体的身体健康危害也就越大。针对单项污染物，还规定了空气质量分指数。参与空气质量评判的主要污染物为细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和一氧化碳6项。

空气质量级别是根据空气质量指数（AQI）进行划定的，共分为六级，AQI值0～50为一级优，AQI值51～100为二级良，AQI值101～150为三级轻度污染，AQI值151～200为四级中度污染，AQI值201～300为五级重度污染，AQI值>300为六级严重污染（表1）。

空气污染天数及污染天数比例是根据空气质量级别得到的，空气质量污染天数包括出现轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染的天数[2]。空气质量污染天数比例=空气质量污染天数/全年监测总天数×100%。

1.3 数据处理和统计分析

利用EXCEL分类处理了2019年1月1—2021年12月31日的逐日AQI数据和逐日的气象数据，湖南省总共14个地级市，每个城市3年一共有1 096 d的AQI数据，14个城市3年一共有15 344 d的AQI数据，绘制图表描述湖南省14个地级城市AQI的时空分布特征，运用专业制作地图的软件Arcgis绘制统计地图，采用相关分析法研究AQI与各气象因素的相关性，P<0.05为相关性显著，相关系数>0为正相关，相关系数<0为负相关。

2 湖南省空气质量指数（AQI）的时空分布

2.1 空气质量指数（）=AQI）的空间分布

从图1、图2和图3空间分布看出，2019—2021年湖南省东部地市的AQI值普遍高于湖南省西部和南部地市。湘西州和张家界的AQI值基本最低，AQI高值区分布在长株潭一带。

2.2 AQI的季节变化

湖南省属于亚热带，其处于东亚季风气候区的西侧，加之地形特点和离海洋较远，导致湖南省的气候为具有大陆性特点的亚热带季风湿润气候，夏季高温多雨，冬季温和湿润，四季分明。本研究统一定义3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至翌年2月为冬季。将湖南省14个地市2019年1月1—2021年12月31日的日均AQI值按照春季、夏季、秋季、冬季绘制出季平均值柱状图（图4）。从图4可以看出，湖南省14个地市的空气质量指数（AQI）的四季变化特征。每个地市在夏季的AQI值最低，夏季是一个转折点，夏季后AQI值逐渐升高，直到冬季升到最高值，冬季过后AQI值又逐渐降低，呈现出季节性变化特征。但岳阳市和郴州市除外，其AQI值在春季最低，夏、秋、冬季的AQI值变化与其他地市相比，并不明显。

2.3 污染物天数与污染天数的比例

从表2可以看出，2019—2021年湖南省14个地市的空气质量污染天数最多的是长沙，总共是207 d，污染天数比例是18.89%，空气质量在湖南省最差；空气质量污染天数最低的是湘西州，污染天数是25 d，污染天数比例是2.28%，空气质量整体最好。与2019年相比，2020年和2021年的年均污染天数减少，湖南省整体空气质量有所改善。总体上看，湖南省东部和北部城市的污染天数比例大于湖南省西部和南部地市，湖南省东部和北部城市的空气质量优于湖南省西部和南部地市。

3 长沙的空气污染指数与气象要素之间的关系

3.1 资料与方法

从表2可以看出近3年长沙市的污染天数最多，故选取长沙市2019年1月1—2020年11月1日每日的AQI数据同各气象要素，包括平均气温、本站气压、相对湿度、风速、平均水汽压和降水量等气象因子为研究对象，对逐日的气象要素与逐日AQI数据进行统计相关分析，得到对应的相关系数，分析其对长沙市空气污染的影响程度，分析采用线性倾向估计、t检验等方法[3]。

3.2 长沙市空气质量的主要影响因子

由于2022年数据缺失，对2019年1月1—2020年11月1日的每日API数据与其气象因子进行相关分析，得到各因子的相关系数（表3）与长沙市空气质量AQI密切相关，并通过99%显著性检验的因子依次是相对湿度、降水量、平均水汽压、本站气压和风速，下面分别分析其对长沙市空气质量的影响。

3.2.1 相对湿度 AQI值与相对湿度的相关系数值为-0.37，通过了99.9%的信度检验。如此高的反相关关系表明相对湿度的变化对空气质量增减的影响十分显著，RH越大，空气中水汽含量增大，颗粒的亲水性越强，颗粒物周围被水粉包裹。由于水分增加导致颗粒物密度变小，浓度变低，空气中的颗粒物减少，空气质量就越高，AQI的值越低。

3.2.2 降水量 日降水量和日AQI的相关系数呈现出很好的负相关关系，相关系数为-0.23，通过了99.9%的信度检验。降水冲刷了大气中的污染物，可以起到净化空气的作用，同时雨水的净化作用也取决于降水强度，雨强较大时，清洁作用越明显，AQI值越低[4]。

3.2.3 平均水汽压 日平均水汽压和日AQI值的相关系数是-0.22，通过了99.9%的信度检验，水汽压越大，易发生降水，降水对空气中的颗粒物质具有冲刷作用，能够改善空气质量，达到降低污染的效果。反之，水汽压小时，降水量较少，不利于污染物的扩散。

3.2.4 本站气压 日平均气压和日AQI值的相关系数为正相关，相关系数为0.18，通过了99.9%的信度检验。即气压越高，越不利于空气质量的提高。当高压系统控制时，大气稳定，不利于污染物向高空扩散；在低压系统控制下，底层空气辐合上升，近地面的污染物随空气上升到高空，有利于近地面污染物的稀释和扩散[5]。

3.2.5 风速 日平均风速和日AQI值的相关系数为负相关，相关系数为-0.11，通过了99%的信度检验。通常风速越大，大气污染物稀释扩散越强，空气质量AQI越小。

4 结论

（1）2019—2021年湖南省东部地市的AQI值普遍高于湖南省西部和南部地市。湘西州和张家界的AQI值基本最低，AQI高值区分布在长株潭一带。

（2）湖南省14个地市的春季和夏季AQI值最低，冬季升到最高值，冬季过后AQI值又逐渐降低，呈现出由于季节的影响带来AQI值的季节性变化特征。

（3）2019—2021年，湖南省14个地市的空气质量污染天数最多的是长沙，总共是207 d，污染天数比例是18.89%，空气质量在湖南省最差；空气质量污染天数最低的是湘西州，污染天数是25 d，污染天数比例是2.28%，空气质量整体最好。与2019年相比，2020年和2021年的年均污染天数减少，湖南省整体空气质量有所改善。

（4）与长沙市空气质量指数密切相关，并通过99%显著性检验的因子依次是相对湿度、降水量、平均水汽压、本站气压和风速，除了气压呈正相关外，其他均呈负相关关系。

参考文献

[1] 何登科，沈文建，吴链，等.湖南省长沙市近13a空气质量变化特征及气象条件分析[J].北京农业，2015（28）：155-157.

[2] 熊欢欢，梁龙武，曾赠，等.中国城市PM2.5时空分布的动态比较分析[J].资源科学，2017，39（1）：136-146.

[3] 肖悦，田永中，许文轩，等.近10年中国空气质量时空分布特征[J].生态环境学报，2017，26（2）：243-252.

[4] 卯生琼，杨旭，王雪微，等.黑龙江省城市空气质量时空演化特征及气象影响因素研究[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2018，34（4）：92-96.

[5] 蒋伊蓉，朱蓉，朱克云，等.京津冀地区重污染天气过程的污染气象条件数值模拟研究[J].环境科学学报，2015，35（9）： 2681-2692.

责任编辑：黄艳飞

AbstractUsing the 2019-20212021 data provided by the unified interface for China Meteorological Administration Meteorological Data （Tianqing） and the air quality data provided by the Hunan environment-meteorology integration business platform， the air quality index （AQI） of 14 cities in Hunan province was analyzed by correlation analysis method. The results showed that the AQI values in the eastern 2021 of Hunan Province were generally higher than those in the western and southern parts of the province from 2019 to 2019. The AQI values in Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture and Zhangjiajie were the lowest， and the highest AQI values were found in the chang-zhu-tan area. The AQI value in spring and summer was the lowest， and it rose to the highest in winter， and then decreased gradually after winter. Changsha had the highest number of days of air pollution in the province， while Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture had the lowest number of days of air pollution and had the best overall air quality. Compared with 2019， the average number of pollution days in 2020 and 2021 decreased. Relative humidity， precipitation， average water vapor pressure， air pressure and wind speed of the station are closely related to the AQI of air quality in Changsha， and through the 99% significance test， except for the positive correlation of air pressure， others are negatively correlated.

Key words Air quality index; Correlation analysis; Changsha

作者簡介 龙晓琴（1989—），女，湖南怀化人，工程师，主要从事气象服务和科研工作。