山西省城市空气质量指数地理特征及其与气象要素的关系

马 杰

(太原师范学院 地理科学学院,山西 晋中 030619)

山西省城市空气质量指数地理特征及其与气象要素的关系

马 杰

(太原师范学院 地理科学学院,山西 晋中 030619)

以山西省11个地级市2014年空气质量日报数据和部分气象站点同期的地面气象数据为基础，基于地理信息系统软件surfer运用克里格插值法绘制出2014年山西省空气质量指数(AQI)的时空分布特征，然后将AQI与5个地面气象要素进行相关分析，得出它们在不同时内的相关关系.结果显示：2014年1～2月全省AQI值普遍较高，空气污染较重；3～6月AQI值逐渐降低；7～9月AQI值维持在较低范围内，空气质量优良；10～12月AQI值再度升高.在研究时段内， AQI值和平均本站气压呈显著负相关关系，和平均气温、平均水汽压呈显著正相关关系，风速对于AQI值的影响具有双重性，平均相对湿度和AQI值相关性较弱.

山西省;空气质量指数(AQI);地理特征;气象要素

0 引言

山西省是我国重要的能源和重化工基地，全省煤炭、铝土矿、硫铁矿等矿产资源储量丰富，在全国能源供给格局中具有不可替代的作用.同时山西省资源型经济在全国也具有典型性，高能耗、低产出的资源型产业结构中第二产业占主导地位,经济增长对资源过度依赖并产生了严重的环境破坏[1].采矿区粉尘、矸石山自燃、化石燃料燃烧、城市交通、居民生活废气排放等使山西省的空气质量面临着严峻挑战.

众所周知，空气污染防治的根本途径在于城市的合理规划，尤其是工业区的合理布局、改变燃料结构和燃烧方式、节能减排以及倡导低碳生活等等，但空气污染一旦形成，污染物在大气中的停滞、输送、扩散等状态直接影响到人们的生活和健康，备受人们关注.因此，研究气象要素与AQI时空分布关系，对于山西省AQI研究思路和空气污染预报具有积极的意义.

1 山西省概况

山西省(34°34′～40°44′N，110°14′～114°33′E)位于黄土高原东部，北接内蒙古高原，西、南隔黄河与陕西、河南两省相望，行政区轮廓略呈东北向西南倾斜的平行四边形，国土面积15.6万km2.地势北高南低，地貌类型以山地和丘陵为主，占全省总面积的80%.境内山川纵横，东部为太行山，西部吕梁山，恒山、管涔山、五台山、云中山、太岳山、中条山等山脉自北向南分布其间，并孕育了汾河、桑干河、滹沱河、漳河、沁河、涑水河、三川河、昕水河等河流，河流穿过山西省中部的一列串珠状的盆地沉陷，养育了形成于沉陷盆地中河谷之上的城市.山西省属于温带大陆性季风气候，气温日较差和年较差较大.气候冬季漫长，寒冷干燥；夏季南长北短，温度较高且降水集中；春季气候多变，风沙较多；秋季短暂，天气温和[2].

2 影响城市空气质量的主要因素

影响城市空气质量的主要因素有污染源、气象条件和下垫面状况等.山西省作为我国重要的能源重化工基地，面状的工矿业污染源众多，煤炭、铝土矿、硫铁矿等的采掘、加工过程，会产生大量的可吸入颗粒物、二氧化硫、一氧化碳等污染物，成为空气污染的主要物质来源[3]；同时点状的工业污染源较多，煤炭、电力、化工、冶金等行业的废气排放，成为空气污染物质的又一来源[1]；山西省是我国北方城市重要的交通枢纽，近年来私家车数量迅速增多，汽车尾气中含有的一氧化碳、氮氧化物以及铅等空气污染物，使之成为线状的交通污染源；很多城市的冬季供暖通过烧煤来实现，虽然大部分地区采取集中供暖，但仍有少部分地区采用自家供暖，且供暖产生的废气大都直接排放到空气中，成为点状的生活污染源[4].大量的空气污染物及其在空气中二次反应后形成的污染物混合，形成较重的的煤烟型空气污染.

影响空气质量的气象条件主要有动力因子和热力因子两方面.动力因子主要是指风和湍流，气象热力因子主要是指大气的温度层结，是否存在逆温层、空气的干湿状况、大气稳定度等.山西省属于温带大陆性季风气候，春季多大风且干燥，加之位于黄土高原东部，可吸入颗粒物对于山西省春季空气质量影响较大；夏季炎热多雨，秋季秋高气爽，雨水对于空气污染物质的淋滤作用使得这一时期空气质量相对较好；冬季寒冷干燥，来自高纬度的西北风成为驱散全省采暖期空气污染的主要力量.

下垫面主要通过影响气象条件、气流活动等方式对空气污染产生影响.山西省东西两侧为山地和丘陵的隆起,中部为大同、忻州、太原、临汾、运城、长治等一列串珠状的盆地沉陷，东部还有阳泉、黎城、泽州等小盆地，多山的地形很大程度上影响到山西省城市空气质量状况[5].此外，城市中人口和产业活动密集，大量废热、废气排放形成的城市“热岛效应”会使空气污染物集聚，加之城市内部高楼林立，下垫面状况复杂，城市中空气流通不畅，很容易成为空气污染的高值中心，而城市和郊区之间的“热岛环流”有可能会加剧城市的空气污染.

3 空气质量指数

空气质量指数(Air Quality Index，简称AQI)是定量描述空气质量状况的无量纲指数. 2013年1月1日起，山西省空气质量评价进入了新的阶段，空气质量指数(AQI)数据发布系统取代了原先的空气污染指数(API)发布系统，污染物监测项在原标准SO2、NO2、可吸入颗粒物(PM10)的基础上，增加了细颗粒物(PM2.5)、一氧化碳和臭氧，空气质量级别也由原来的五级分为六级.根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)的规定：空气质量指数划分为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六档，分别对应一到六级的空气质量指数和从优到严重污染的空气质量类别，表1是它们之间的对应表：

表1 空气质量指数范围及相应的空气质量类别

4 数据分析与结果讨论

4.1 数据选取

山西省11个地级市城市空气质量日报数据来源于山西省环境保护厅(http://www.sxhb.gov.cn)和山西省环境监测中心站(http://www.sxhjjcz.com.cn)，地面气象资料获取自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cncdc.nmic.cn)， 结合大同市、太原市、忻州市、运城市地面气象资料和下垫面状况，将这些城市逐日AQI值与同期平均本站气压、平均风速、平均气温、平均相对湿度等5个气象要素进行相关分析.

城市是一个地区的政治、经济和文化中心，又是空气污染的高发区域，本文选取空气质量指数(AQI)的监测站点位于山西省地级市市区，分析时段为2014年1月1日至2014年12月31日.

4.2 数据分析

将山西省11个地级市2014年空气质量指数在100以上(AQI类别良以上)的天数分别进行统计汇总，汇总结果见图1.

图1 2014年山西省空气质量指数(AQI)逐月空间分布图

从图1中可以看出，污染天数最多的是阳泉市，共有189天，占全年的51%，其中重度污染以上天数达28天，占到全年的7%；其次是晋城市和太原市，空气污染天数155天；空气污染天数最少的是大同市，共有56天，其中有7天空气污染比较严重.山西省2013年国民经济和社会发展统计公报数据显示，2013年有10个地市环境空气污染天数在30～167天之间，2014年山西省大部分地市空气污染天数在100～150天之间，整体空气污染天数有所增长；按照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633-2012)》评价标准，2013年太原市环境空气污染天数为203天，2014年太原市空气污染天数比2013年减少了48天.

通过对2014年山西省各个地级市空气质量日报数据统计分析，得到各地市AQI月平均值，绘制出各地市2014年AQI月均值变化曲线图，图2；运用地理信息系统软件surfer，采用克里格插值法绘制出2014年AQI值逐月空间分布图见图2.

图2 2014年山西省各地市AQI月均值变化图

从图2和图3中可以看出，全省AQI值在2014年经历了一个持续高值-逐渐降低-稳定低值-再度升高的变化过程，部分地市AQI值变化略有不同.如：阳泉市是一个稳定的高值区域，大同市、吕梁市在大部分时间是一个低值区域，临汾市、晋城市在3～6月AQI值异常增加.本文拟将2014年全省AQI时空变化分为四个阶段进行讨论：第一阶段为1～2月，这一时期AQI值最高，全省空气污染最严重；第二阶段为3～6月，是一个全省AQI值普遍下降，空气污染状况由差转好的过渡时期；第三阶段是7～9月，空气质量状况稳定，达到全年最优水平；第四阶段是10～12月，全省AQI值迅速升高，空气污染开始发展，并持续发酵.

1)第一阶段，AQI值顺延2013年冬季走势，居高不下，2月出现一年中的极值.

图3 2014年山西省空气质量指数空间分布图

2014年1月，全省大部分地区AQI值介于100～150之间，属于轻度污染，首要污染物为细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)，2月，全省AQI值普遍增长，空气污染状况加重.这一时期，阳泉市一直是一个高值中心，2月的AQI值达到200以上，属于重度污染；吕梁市空气质量指数一直维持在100以内，空气质量状况良好；大同市1月份AQI值在100以内，空气质量良好，2月AQI值突破100，属于轻度污染；这一阶段内临汾市空气质量状况好转，由轻度污染变为良.

2)第二阶段，全省空气质量指数普遍下降，部分地区出现反复.

2014年3月，全省AQI值普遍降低，空气污染状况好转；4月，全省AQI值总体下降，空气质量状况进一步好转的同时，形成了临汾市、晋城市为主的AQI高值区域；5月，全省大部分地区AQI值继续降低，形成于临汾市、晋城市的AQI高值区域面积也在不断缩减，大同市形成了一个特殊的AQI较高值区域，并很快消退；6月，伴随临汾市、晋城市一带AQI高值区域面积的不断缩小，全省进入一年中AQI值最低的时期，空气质量达到最佳状态.

3)第三阶段，全省AQI值较低，空气质量状况持续优良.

2014年7、8、9这三个月中，全省AQI值在100以下且比较稳定，是2014年中全省空气质量最好的一段时间.

4)第四阶段，全省AQI值普遍上升，空气污染开始发酵.

2014年10月份，进入北方的采暖期，全省AQI值普遍上升，忻州市、太原市、阳泉市、长治市、晋城市AQI值突破100，空气质量类别由良变为轻度污染；11月，全省除大同市以外的地市空气质量状况都出现恶化，其中，长治市、晋城市AQI值变化最为明显；12月，全省AQI值增长略有停滞，大同市、晋中市、临汾市等部分地区空气质量状况出现小范围好转，但全省大部分地区AQI值在100以上，空气质量状况一直处于轻度污染.

4.3 AQI值与气象要素相关分析与结果讨论

表2为2014年1～2月山西省各地市AQI值和气象要素相关分析的结果，这一时期为北方采暖期，全省AQI值达到一年内极值，空气污染最为严重.结果显示，这一时期内大同市、太原市、忻州市、运城市四个地市AQI值均与地面气象要素中的平均本站气压呈显著负相关；除运城市以外，三个地市的AQI值均和平均气温和平均水汽压呈显著的正相关关系，说明在这一段时期内，平均本站气压上升，平均气温和平均水汽压的降低有利于这些城市空气污染的缓解.较为合理的解释是：冬季，当冷空气过境时带来大风降温，对积聚在此地的空气污染物有稀释和动力扩散作用.朱玉周等在对郑州市空气质量状况及冬季持续污染过程的气象机理分析过程中也得出类似结论：冬季持续多日平均风速小、出现逆温是郑州市出现持续污染的主要原因，冷空气过境带来的较大风速、逆温层的破坏,有利于污染物的动力扩散[5].杨永刚，秦作栋，刘勇等在河谷型城镇大气污染时空变化规律及影响因子研究中也得出类似结论：冷空气过境带来的较大风速、逆温层的破坏,有利于污染物的动力扩散[6].同时，大同市AQI值和风速呈显著负相关，说明在这一时段内，大同市的大风天气有助于该地区空气质量状况的好转，说明风速较大时,污染物容易被扩散出城区,无风时污染物容易滞留在城区.

表2 1～2月AQI值和气象因素相关性分析

表3 3～6月AQI和气象条件相关性分析

表3为3～6月山西省各地市AQI值和气象要素相关分析结果，这一时段全省空气质量状况逐步好转，运城市、大同市AQI值和风速大小呈显著的正相关关系，说明在这段时间内，风速是影响这两个地区空气质量状况的首要地面气象因素，且风速越大，空气质量状况越差.同时，大同市空气质量状况还和其他地面气象因素有关，AQI值与平均本站气压、平均相对湿度呈显著负相关，和平均气温呈显著正相关，说明平均本站气压和平均相对湿度越高，平均气温越低，越有利于大同市空气质量状况的好转.较为合理的解释是，春季，气温开始回升，天气较干燥，由于冷暖气团的频繁活动，来自外部的空气污染物质(如沙尘)随风进入省内，给部分地区的大气环境造成污染.谢超等对华北西部区域城市时空分布特征及其与气象要素关系分析时也得出类似的结论：太原与大风天气呈负相关，而大同、呼和浩特与大风天气呈显著正相关，反映风速对大气污染影响的双重性.风速越大，越有利于污染物扩散，改善空气质量，但在风速增大的同时，烟羽抬升高度降低或引起沙尘等，也增加了地面污染物浓度[7].而且对于大同市来说，当地气温越高，平均本站气压和平均相对湿度越低，空气污染越严重.可能原因是春季冷气团过境会对该地的空气产生扰动，加快污染物的稀释和扩散速度，并产生一定量的降水，淋洗空气中的污染物从而减轻空气污染.

表4 7～9月AQI和气象条件相关性分析

表4为7～9月山西省各地市AQI值与气象要素相关分析的结果，这一时期全省空气质量状况优良而稳定，空气质量达到全年的最佳水平.通过分析可以看出，这个时期内空气质量虽然较好，但是地面气象要素的变化也会引起AQI值走势的变化，随着平均本站气压的升高而降低，随着平均气温和平均水汽压升高而升高.

表5 10～12月AQI和气象条件相关性分析

表5为10～12月各地市AQI值和气象要素相关分析结果，这一时段进入到北方的采暖期，全省空气质量指数普遍升高，空气质量状况变差.太原市AQI值和平均气温、平均水汽压呈正相关关系，和平均本站气压呈负相关，说明这一时期内太原市平均本站气压升高、平均气温和平均水汽压越低，越有利于减轻空气污染，有可能的情况是冷空气过境带来大风降温，对积聚在此地的空气污染物有稀释和动力扩散作用.从表5中还可以看出，大同市空气质量指数平均相对湿度呈正相关关系，李靖等对北京市空气质量状况与冬季气象条件相关性分析时，结合工作经验，也得出了相似结论：日平均相对湿度和污染物呈一种伴生状态，湿度大，不利于污染物的扩散，污染物浓度增大；湿度小，则易形成较好的空气质量[8].这一时段内运城市AQI值和地面气象要素之间的相关性较弱.

5 结论

本文通过分析山西省2014年AQI值时空分布特征，得出2014年全省空气质量状况1～2月最差，3～6月逐渐变好，7～9月达到最佳，10～12月再度变差的变化过程，通过与常规气象要素的相关分析，得出了山西省气象要素对空气污染物影响的一般性规律.本文可以对山西省的空气质量状况宏观监测以及AQI的研究思路、预报提供理论支撑.

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[2] 程建业.基于生态环境分区的山西省气候特征分析[J].现代农业科技，2011(14):1-5

[3] 郑宇秀，牛莉平，王 丹.山西省煤炭资源利用与大气污染防治[J].山西能源与节能，2003(2):33-34

[4] 尚可政,王式功,杨德保,等.兰州冬季空气污染与地面气象要素的关系[J].甘肃科学学报,1999,10(1):4-5

[5] 朱玉周，刘和平，郭学峰，等.郑州市空气质量状况及冬季持续污染过程的气象机理分析[J].气象与环境科学,2009，32(3)：49

[6] 杨永刚，秦作栋，刘勇等.河谷型城镇大气污染时空变化规律及影响因子研究[J].山西大学学报(自然科学版),2012(1)：159-161

[7] 谢 超，马民涛，于肖肖.华北西部区域城市时空分布特征及其与气象要素关系分析[J].中国人口·资源与环境,2014,24(11):337

[8] 李 靖，尹晓惠,张明英.北京市空气质量状况与气象条件关系分析[C].第26届中国气象学会年会大气成分与天气气候及环境变化分会场论文集，北京：2009：8-15

The Geographical Characteristics of Air Quality Index (AQI) in Shanxi Province and the Relationship with Meteorological Elements

Ma Jie

(Department of College of Geographical Science,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619, China)

According to the air quality daily data and some ground meteorological data of 2014 in the 11 cities ,Shanxi Province, using kriging interpolation method based on the geographic information system software surfer , This paper draws the space-time distribution characteristics of air quality index (AQI) of Shanxi Province in 2014.By analyzing the correlation of the AQI and five conventional ground meteorological elements, it shows that in January and February , the AQI value generally higher,March to June gradually reduce,July to September the AQI value maintains in low range, October to December rises again. During the study period, For the AQI value,the average station pressure has significant negative correlation, and the average temperature, average vapor pressure has significant positive correlation. The influence of wind speed to the AQI value is duality, and the average relative humidity have weak relevance with the AQI value.

Shanxi Province; air quality index (AQI); geographical features; meteorological elements

2015-02-25

马 杰(1991-)，男，山西阳泉人，在读硕士,主要从事资源评价与开发研究.

1672-2027(2015)02-0046-07

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