基于ArcGIS的四川省空气质量时空分布特征分析

史 科，晋云浩，李 新，单倩倩，罗 珊

(绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621006)

0 引言

随着经济快速发展及城市化进程加快，大气污染对生存环境和身心健康的影响成为人们最关注的环境问题；研究区域空气质量或污染强度在时间、空间上的变化特征，对于有效地控制空气污染和改善空气质量具有重要意义.国内外学者对不同区域大气环境污染物时空分布特征进行研究，Puustinen等人研究欧洲四个城市颗粒物空间分布及变化特征，得出颗粒物浓度值变化较大[1]；Khamdan等对巴林王国空气污染研究发现PM2.5、PM10、NO2、CO和对二甲苯的浓度冬季明显低于春季，O3冬季明显高于春季[2]；Rimetz-Planchon等调查北海南部贸易港口 PM10与气象条件的关系，研究PM10、SO2、NOX、O3浓度时空变化特征[3].我国学者张向敏等对全国九大区域空气质量时空变化特征进行分析，污染浓度呈现出北高南低的南北分异格局，首要污染物PM2.5或者PM10呈现出明显的东西分异格局[4]；黄小刚等研究了长江经济带空气质量的时空变化特征，空气质量指数(AQI)总体呈东高西低、北高南低的分布特征，春、夏季AQI的差异主要表现为东西向，秋、冬季则为南北向[5]；李波兰等研究四川省臭氧时空分布特点发现季节变化明显，夏季浓度最高，冬季最低，春季>秋季，盆地西部O3浓度最高，川西高原最低[6]；胥芸博等对成都平原五个城市SO2和NO2空间分布研究，发现德阳市、眉山市SO2、NO2空间相关性最强[7]；上述研究工作缺少ArcGIS方法应用，时空分布特征分析不够深入.应用ArcGIS软件对2017年四川省空气质量状况及污染程度进行时间、空间上变化特征研究，为有效地控制空气污染、改善空气质量和区域社会经济可持续发展提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 数据来源

四川省位于中国西南地区内陆，界于北纬26°03′～34°19′，东经97°21′～108°12′之间.全省总面积48.5万km2，下辖18个地级市、3个自治州(凉山、甘孜、阿坝).2018年常住人口8 341万人，地区生产总值(GDP)40 678.1亿元，三次产业对经济增长贡献率为5.1%、41.4%和53.5%.四川省21市州监测点分布图，如图1.

图1 四川省21市州监测点Fig.1 Monitoring points of 21 cities and prefectures in Sichuan Province

AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等数据来源于中国环境监测总站实时发布的监测报告，收集时间为2017年3月至2018年2月；四川省21个市州数据均为各监测点的浓度统计值；四季划分为春季3月至5月、夏季6月至8月、秋季9月至11月、冬季12月至2月.

1.2 研究方法

空气质量指数(Air Quality Index，AQI)是 2012 年国家发布《环境空气质量标准》中规定的评价标准，基本项目包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3.污染物P 的空气质量分指数按式(1)计算：

(1)

式中IAQIP为污染物 P 的空气质量分指数；Cp为污染物 P 的质量浓度值；BPHi为与Cp相近的污染物浓度限值的高位值；BPLo为与Cp相近的污染物浓度限值的低位值；IAQIHi为与BPHi对应的空气质量分指数；IAQILo为与BPLo对应的空气质量分指数.空气质量指数按式(2)计算：

AQI=max{LAQI1，LAQI2，…LAQIn}

(2)

式中IAQI为空气质量分指数；n为污染物项目；AQI则为在IAQI中的最大值[8-11].

运用 ArcGIS10.2 软件实现四川省空气质量指数和污染物浓度的时空分布作图；利用ArcGIS插值分析中的克里金法进行空间插值进行地图可视化表征.

图2 AQI值空间分布Fig.2 Spatial distribution of AQI values

2 结果与分析

2.1 空气质量空间分布特征

2.1.1 AQI及主要污染物的空间分布 根据公式(1)、(2)测算结果绘制2017 年四川省AQI值空间分布图，如图2；全年优良天数占82.2%(优28.9%、良53.3%)；污染天数占17.8%(轻度12.9%、中度3%、重度1.8%、严重0.1%).

由AQI空间分布图可以看出，污染程度由高到低依次为自贡、成都、宜宾、眉山、德阳、乐山、泸州、内江、达州、南充、资阳、雅安、绵阳、广安、遂宁、广元、攀枝花、巴中、凉山、甘孜、阿坝.从主要污染物分布图(图3)得到，四川省PM2.5、PM10、NO2的分布规律相似，高浓度主要分布在自贡、成都等东部地区；SO2与CO的分布规律相似，高浓度主要分布在攀枝花市；O3高浓度主要分布在成都、德阳、眉山等区域，并且低浓度主要分布在东北地区.

2.1.2 2017年四川省空气质量评价 四川省21个市(州) PM2.5、PM10、CO 和 SO2浓度与 2016年相比下降，NO2、O3、浓度略微上升；PM2.5年均浓度为42.0 ug/m3，同比下降9.5%.阿坝、甘孜、广元、凉山、巴中、攀枝花6个城市达标，占28.6%，其余15个城市超标，超标倍数为0.03～0.89倍.

PM10年均浓度为67.7 ug/m3，同比下降7.5%.阿坝、甘孜、凉山、巴中、广元、遂宁、雅安、攀枝花、内江9个城市达标，占42.9%，其余12个城市超标，超标倍数为0.02～0.27倍; SO2年均浓度为13.9 ug/m3，同比下降15.8%.21个城市均达标；达到一级标准的城市占90.5%，达到二级标准的城市占9.5%; NO2年均浓度为31.5ug/m3，同比上升4.3%.成都、眉山均超标，超标倍数分别为0.32、0.06 倍，其余19个城市均达标;CO日均值第95百分位浓度为1.4 mg/m3，同比下降6.7%.21个城市均达标;O3日最大8小时值第90百分位浓度为140.5 ug/m3，同比上升6.3%.21个城市均达标.成都、德阳、眉山O3浓度超标，超标倍数分别为0.07、0.04、0.008 倍，其余18个城市达标.

图3 主要污染物浓度的空间分布Fig.3 Spatial distribution of main pollutant concentration

2.2 空气污染物季节变化特征

2.2.1 PM2.5浓度分布 2017年四川省PM2.5浓度季节变化特征如图4，冬季PM2.5浓度值最高，夏季最低；东部大部分城市比西部的甘孜、阿坝与凉山三州的浓度高；秋季成都、自贡与宜宾的浓度相对较高；冬季自贡、宜宾的浓度依旧最高.

2.2.2 PM10浓度分布 2017年四川省PM10浓度季节变化特征如图5，夏季浓度水平较低，春、秋季第二，冬季最高；成都、德阳、自贡、宜宾与泸州等城市全年PM10浓度值比其他城市高，西部三州浓度水平在全省比较低.

图4 PM2.5浓度的季节分布Fig.4 Seasonal distribution of PM2.5 concentration

图5 PM10浓度的季节分布Fig.5 Seasonal distribution of PM10 Concentration

2.2.3 SO2浓度分布 2017年四川省SO2浓度季节变化特征如图6，总体SO2浓度水平较低，说明污染较轻.SO2高浓度主要出现在冬季，全年攀枝花的浓度都处于较高水平.

图6 SO2浓度的季节分布Fig.6 Seasonal distribution of SO2 concentration

2.2.4 NO2浓度分布 2017年四川省NO2浓度季节分布特征如图7，NO2浓度水平跟季节变化关系不大，每个季节NO2分布规律大致相同，冬季略高于其他季节，西部三州低于东部各城市.

图7 NO2浓度的季节分布Fig.7 Seasonal distribution of NO2 concentration

2.2.5 CO浓度分布2017年四川省CO浓度季节分布特征如图8，CO的浓度季节变化及分布特点与SO2的相似，冬季浓度水平最高；各城市的浓度值受季节变化影响不大，攀枝花浓度水平高.

图8 CO浓度的季节分布Fig.8 Seasonal distribution of CO concentration

2.2.6 O3浓度分布 2017年四川省O3浓度季节分布特征如图9，夏季O3浓度值最高，冬季最低，春季高于秋季.东部地区受季节影响，O3变化较明显，春、夏明显高于秋、冬季节，夏季最高达到145 μg/m3，冬季最低46 μg/m3.

图9 O3浓度的季节分布Fig.9 Seasonal distribution of O3 concentration

3 讨论

从AQI指数空间分布可以看出2017年全省空气污染最严重的城市为成都和自贡，主要原因是城市人口密度大、机动车持有量多，并且自贡主城区海拔较低，处于川南气旋流中心.成都平原污染高于三州地区，大气污染程度与经济发展规模有较大联系，张浩等指出城市的规模与功能越复杂其污染越严重[9]，西部高原地区污染相对较轻.

PM2.5、PM10高浓度主要分布成都、自贡等东部地区；PM2.5浓度水平与季节变化相关性强，冬季水平最高；在21个市(州)中，自贡、宜宾全年四季的浓度水平都比较高.PM10的季节变化与PM2.5大致相似，夏季最低，冬季最高，主要是逆温天气多次出现，污染物聚集无法扩散;

NO2高浓度在东部大部分地区，主要与机动车尾气和石油化工业废气排放相关，随着城市化进程加快、人民生活水平提高，机动车数量呈现快速增长趋势，NO2污染不断加重[10].NO2受季节影响不明显，说明污染的主要原因不是冬季取暖；成都、眉山NO2浓度高，阿坝州浓度最低，成都、眉山的汽车拥有量、经济发展水平远远高于阿坝州.

SO2高浓度主要分布在攀枝花，该城市能源结构以煤炭为主，且冶金、有色、化工、水泥等行业集中；生产工艺过程产生大量SO2，同时山地和峡谷地形不利于SO2的扩散[11].SO2浓度受季节影响不明显，攀枝花市全年浓度偏高.

CO高浓度同样分布在攀枝花，主要是工业化石燃料燃烧不完全产生，汽车尾气排放较少.CO与SO2的分布规律相似，全省攀枝市花的浓度最高；攀枝花市的CO主要来自于工业排放，同时受天气和地形影响，导致冬季浓度水平较高.

O3浓度值：夏季>春季>秋季>冬季，夏季的臭氧浓度高是因为光化学反应强烈.东部地区受季节影响，O3变化较明显，夏季最高，冬季最低；西部受季节影响程度较弱，是由于西部大部分地区属高原地区，夏季温度不高，全年O3浓度水平波动小；由于高原地区辐射较高，导致冬季的O3浓度水平高于东部地区.低层大气中的臭氧主要是由人类活动排放的氮氧化物(NOX)、挥发性有机物(VOCs)等前体物，在合适的气象条件下(光照、辐射、温度、湿度、风速等)经过一系列复杂的光化学反应生成[12].O3高浓度主要分布在成都、德阳、眉山等区域，东北地区浓度较低.东部地区人口数量大、汽车拥有量高、前体物排放量多，而西部高原辐射较大，东北地区人口数量较少、太阳辐射也较弱.

4 结论与建议

(1)2017年四川省空气质量指数(AQI)及污染程度空间分布特征，由高到低依次为自贡、成都、宜宾、眉山、德阳、乐山、泸州、内江、达州、南充、资阳、雅安、绵阳、广安、遂宁、广元、攀枝花、巴中、凉山、甘孜、阿坝.总体上西部阿坝、甘孜、凉山三州污染低于东部地区.

(2)2017年四川省空气污染物浓度空间分布特征，PM2.5、PM10、NO2的分布规律类似，高浓度主要分布在自贡、宜宾、泸州、达州、成都等东部；SO2与CO的分布规律类似，高浓度主要分布在攀枝花市.O3高浓度主要分布在成都、德阳、眉山等区域，并且东北地区浓度较低.

(3)2017年四川省空气污染物浓度季节分布特征，PM2.5、PM10、SO2、CO冬季浓度水平最高，主要是逆温天气多次出现，污染物聚集无法扩散；NO2季节变化不明显，说明造成NO2污染不是冬季取暖而是汽车尾气排放.O3夏季浓度水平最高是光照、辐射、温度影响下，光化学反应比较强烈生成臭氧多.

(4)2017年四川省空气质量及污染物的时空分析，发现NO2污染比较严重，主要来源于汽车尾气排放，建议通过控制汽车总量、限制车辆行驶等措施，降低汽车尾气NO2排放量、改善城市环境空气质量.