基于空间自相关的山东省臭氧浓度时空特征分析

刘 义，陈乐奇，高 飞，邬铭法

（1.山东省气象防灾减灾重点实验室，济南 250031；2.山东省气象灾害防御技术中心，济南 250031；3.山东省气象工程技术中心，济南 250031；4.山东省气候中心，济南 250031；5.合肥学院旅游与会展学院，合肥 230601）

臭氧（O3）是挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在紫外线照射下发生光化学反应生成的二次污染物［1］。臭氧污染越来越严重，是影响夏季环境空气质量的重要因素［2，3］，引起了学者们的关注。郭云飞等［4］研究了2016—2019 年苏州市臭氧浓度，发现臭氧明显超标，具有季节特征，月变化呈现双峰型特征；马瑞丰等［5］研究了2013—2018 年大连中心城区臭氧浓度，发现臭氧已经逐渐成为当地最主要的大气污染物；柯碧钦等［6］研究了2015—2020 年华北地区臭氧浓度，发现华北地区年均臭氧浓度呈持续增长趋势，春夏高、秋冬低，空间上呈西南高、东北低。臭氧污染防控具有长期性、艰巨性特征，通过臭氧数据，分析臭氧浓度时空分布特征，可以为臭氧污染的防治提供一定依据。本研究基于ChinaHighO3数据集，提取山东省2013—2020 年臭氧浓度数据，分析了臭氧浓度时空分布特征；建立10 km × 10 km 网格，分析了山东省臭氧时空分布的全局空间自相关与局部自相关。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

山东省地处北纬34°22′—38°24′，东 经114°47′—122°42′，东西长721.03 km，南北宽437.28 km，全省陆域面积15.58 万km2。山东省中部山地突起，西南、西北低洼平坦，东部缓丘起伏，地形以山地丘陵为主，东部是山东半岛，西部及北部属华北平原，中南部为山地丘陵，形成以山地丘陵为骨架，平原盆地交错环列其间的地貌，类型包括山地、丘陵、台地、盆地、平原、湖泊等；地跨淮河、黄河、海河、小清河和胶东五大水系；属暖温带季风气候。

1.2 数据来源与处理

臭氧数据使用CHAP 数据集中的ChinaHighO3数据［7］，该数据集基于空气污染的时空异质性，利用人工智能从大数据（地面测量、卫星遥感产品、大气再分析和模型模拟等）中生成。数据为地面最大8 h平均值O3数据集，空间分辨率为10 km，时间范围为2013—2020 年，下载地址为https：//zenodo.org/record/5765588#.YyQoBqRBy70。提取山东省数据以及统计省市县等数据信息，所用矢量数据为地理矢量数据，源自全国地理信息资源目录服务系统1∶100 万全国基础地理数据库。基于ArcGIS 10.5平台，从ChinaHighO3数据集中提取山东省2013—2020 年臭氧浓度数据，利用渔网工具建立山东省10 km×10 km 网格，用以统计分析山东省臭氧浓度数据。本研究臭氧浓度有年均值、季节均值、月均值3 个指标，分别是年内、季内、月内O3的日最大8 h平均值的算数平均值。其中，春季为3—5 月，夏季为6—8 月，秋季为9—11 月，冬季为12 月至次年2月［8］。

1.3 空间自相关

空间自相关分析［9-13］包括全局空间自相关（Global moran’sI）和局部空间自相关（Local indicators of spatial association，LISA），分别评价整体和局部的空间分布类型。全局空间自相关计算式如下。

式中，I为Global Moran’sI指数，数值范围在-1～1，当I=0 时，说明空间分布为随机类型，无明显规律；当I＞0 时，说明空间分布为集聚类型；当I＜0 时，说明空间分布为离散类型。数值绝对值越接近1，则聚类/离散程度越强。n为要素总数，S0为空间权重聚合，zi、zj分别为要素i和j的臭氧浓度与其平均值的偏差，wij为要素i和j之间的空间权重。

局部空间自相关计算式如下。

式中，n为要素总数，xi是要素i的臭氧浓度，xj为要素j的臭氧浓度为平均值，wij为要素i和j之间的空间权重，Si为样本方差。将具有统计显著性的高值聚类区表示为HH 区，将具有统计显著性的低值聚类区表示为LL 区；高值异常值区表示为HL区，低值异常值区表示为LH 区。

2 结果与分析

2.1 臭氧浓度年际变化

2013—2020 年山东省臭氧浓度年均值呈现出逐年增加的趋势（图1），年均值在94.62～118.13 μg/m3，以3.69 μg/（m3·年）的趋势逐年增长（R2=0.900 1）；8年中臭氧浓度最低水平发生在滨州市滨城区（2015年，60.23 μg/m3），最高水平发生在枣庄市山亭区（2019 年，134.42 μg/m3）。根据标准差所反映的区域差异性，2014 年山东省各地差异最大，2018 年次之；2017 年最小，区域分布相对均衡，除2014、2018、2017 年以外，其余年份标准差相近。

图1 2013—2020 年山东省臭氧浓度年均值

2.2 臭氧浓度年内变化

由图2 可知，2013—2020 年山东省臭氧浓度各月均值变化呈现出“倒V 形”变化特征，年内变化特征总体为先增后减，臭氧浓度各月均值范围在47.41～161.84 μg/m3，1—6 月逐月上升，6—8 月逐月下降，9 月略有回升，此后逐月下降。年内存在6 月、9 月一大一小2 个峰值。6 月浓度最高，约占全年的12.76%，接近全年的1/8。年内各月臭氧浓度由高到低依次为6 月、5 月、7 月、9 月、8 月、4 月、3 月、10月、2 月、11 月、1 月及12 月。5—8 月标准差值较高，各地差异较大，6 月最大，表明差异性最强。季节变化由高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季，夏季臭氧浓度最高，约为全年的34.07%，STD 也最高，表面区域异质性最强；冬季臭氧浓度最低；秋季空间差异性最弱，夏季臭氧浓度约为冬季的2.46 倍。

图2 2013—2020 年山东省臭氧年内各月（a）、季节（b）均值

2.3 空间分布

山东省臭氧浓度各年份均值在空间分布上的变化为90.73～124.69μg/m3，平均水平为105.73 μg/m3，空间上（图3）呈现出西南（鲁南）高、东部（半岛）低的特征，鲁南地区高值突出，最高值发生在枣庄山亭区；半岛地区低值集聚，最低值发生在烟台招远市。由此可知，臭氧浓度的分布或与海陆位置、纬度位置有关，臭氧浓度由内陆到沿海、由低纬到高纬呈现减少的趋势。从地理区划视角来看，臭氧浓度由高到低依次为鲁南、鲁中、鲁西北及半岛地区。从地级市视角来看，枣庄市臭氧浓度年均值最高，为110.94 μg/m3，日照市最低，为103.91 μg/m3，由高到低依次为枣庄市、东营市、滨州市、潍坊市、济南市、临沂市、济宁市、菏泽市、淄博市、德州市、青岛市、泰安市、威海市、聊城市、烟台市、日照市。

图3 2013—2020 年山东省臭氧（O3）浓度年均值空间分布

山东省臭氧浓度四季空间分布具有一定差异（图4），夏季臭氧浓度西高东低，鲁西北为高值，半岛地区为低值，由鲁西北地区到半岛地区浓度降低，有过渡性；秋季、冬季空间分布接近，与夏季相反，由鲁西北地区到半岛地区浓度升高；春季空间分布不均衡，鲁南、鲁中东部地区为高值，鲁西北、鲁中中部及半岛地区为低值。夏季与冬季空间上表现出较强的相反分布，从夏季到冬季，臭氧浓度下降较快，内陆地区下降速度快于半岛地区。从冬季到夏季，鲁西北、鲁中地区涨幅较快。夏冬季为臭氧浓度一年中最高、最低的两季，从夏季到冬季、从冬季到夏季变化幅度最大的为鲁西北地区，其次为鲁中、鲁南、半岛地区。枣庄市及周边始终为区域高值。地市夏冬两季变化幅度由高到低依次为德州市、滨州市、济南市、聊城市、东营市、淄博市、泰安市、济宁市、潍坊市、枣庄市、菏泽市、临沂市、日照市、青岛市、烟台市、威海市。表明德州、滨州、济南等市臭氧浓度夏季高冬季低，季节变化大；青岛、烟台、威海等沿海地市则相反，季节变化小。

图4 2013—2020 年山东省臭氧浓度季节均值空间分布

如图5 所示，山东省10 月至次年4 月臭氧浓度较低，空间分布相对接近，鲁西北地区为低值，半岛地区和鲁南枣庄地区为高值；10—12 月，鲁西北地区低值区扩大，鲁南高值区缩小；12 月至次年4 月，鲁西北地区低值区逐渐缩小，鲁南高值区逐渐扩大。5—9 月臭氧浓度较高，分布较为接近，与10 月至次年4 月分布相反，鲁西北地区为高值，半岛地区为低值，鲁南枣庄地区为较高值。4—6 月鲁西北地区高值区逐渐辐射到鲁中、鲁南地区；6—8 月内陆地区高值区逐渐缩小，9 月高值区出现小范围扩展。6 月作为一年中臭氧（O3）浓度最高的月份，表现出较强的内陆高、半岛地区低的数值分布特征，德州市、济南市浓度最高，烟台市、威海市浓度最低，6 月臭氧浓度变化或与海陆位置有关，由沿海到内陆逐渐增长；9 月作为次增长的第2 个峰值，鲁西北地区东部、鲁中北部和鲁南中部数值较高，半岛地区数值较低，鲁南中部出现明显回涨，枣庄市、济宁市最高，烟台市、威海市最低；12 月为浓度最低的月份，威海市、烟台市最高，德州市、滨州市最低。

图5 2013—2020 年山东省臭氧浓度月均值空间分布

2.4 空间自相关分析

2.4.1 全局空间自相关分析 如图6 所示，山东省臭氧浓度年均、四季及各月空间分布的Moran’sI指数均为正值，且接近于1，P＜0.01，z＞2.58，说明臭氧浓度呈现出较强的空间正自相关，呈现出“高值-高值”聚类与“低值-低值”聚类，且集聚性较强。四季中夏季空间正自相关性最强，秋季最弱；各月中6、7月较强，4 月最弱。

图6 全局空间自相关结果

2.4.2 局部空间自相关分析 由图7 所示，年均臭氧浓度中，鲁南中西部大部分地区、鲁中西部和东部局部地区、鲁西北东部为HH 区；半岛地区、鲁中中南部、鲁西北东部小部分地区、鲁南东部小部分地区为LL 区。高值聚类区比低值聚类区多32 个网格。在半岛地区有2 个网格为HL 区，分别位于烟台市福山区和招远市；在鲁中地区有1 个网格为LH区，位于济南市天桥区。

图7 2013—2020 年山东省臭氧浓度年均值局部自相关结果

如图8 所示，各季高低值集聚区分布具有差异。春季，HH 区主要位于鲁南西部大部分地区，鲁中东部小部分地区和鲁西北东部小部分地区，LL 区主要位于半岛地区、鲁西北中部和鲁中中南部地区。夏季，HH 区集中在鲁西北地区和鲁中西北部，LL 区集中在半岛地区和鲁南东部沿海地区。秋季，HH 区主要位于鲁南中部、鲁中-半岛-鲁南交界处，LL 区主要位于鲁西北地区、鲁中中部。冬季，HH 区主要位于鲁西北地区，LL 区主要位于鲁南西部、中部以及半岛东部地区。春、夏季HH 区面积大于LL 区，夏季面积差最大（相差64 个网格）；秋、冬季则相反，冬季面积差最大（相差116 个网格）。HH 区以夏季最多，秋季最少；LL 区在冬季最多，春季最少。各季中夏季HH 区面积最大（370 个网格），冬季LL 区面积最大（366 个网格）。HL 区春季发生在烟台市福山区和招远市，秋季发生在烟台市招远市和济南市历城区，冬季发生在济南市市中区；LH 区春季发生在济南市天桥区，秋季发生在青岛市城阳区。

图8 2013—2020 年山东省臭氧浓度季节均值局部自相关结果

如图9 所示，10 月至次年4 月，鲁西北地区为LL区，鲁南与半岛地区为HH 区；5—9 月，半岛地区为LL 区，5 月、6 月、8 月、9 月鲁西北及鲁南地区为HH区，7 月鲁西北地区为HH 区。HH 区网格数存在一小一大2 个峰值，小峰值在2 月（280 个网格），大峰值在6 月（383 个网格），最低值发生在12 月（213 个网格）。LL 区网格数变化呈现“W”形，存在2 个谷值，分别在3 月、9 月；最高值发生在1 月（381 个网格）。6 月至次年1 月未发生HL 区，1 月、3 月、4 月、6月、7 月、8 月、10 月、11 月未发生LH 区。

图9 2013—2020 年山东省臭氧浓度各月均值局部自相关结果

3 小结与讨论

臭氧污染防治是长期性工程，需要国家-区域-城市层面共同联动的努力。根据对2013—2020 年山东省臭氧浓度进行时空分布特征分析及空间自相关分析，臭氧浓度呈逐年上升的趋势，臭氧污染日趋严重。根据自相关分析，发现臭氧浓度的分布并不是随机的，而是具有较强的集聚性，为空间自相关，且臭氧浓度越高，空间自相关性越强。表明臭氧浓度的分布存在内在规律，臭氧浓度的高低与气象要素、植被、地形及人类经济活动密切相关。臭氧浓度在山东省具有季节性，夏春季高、冬秋季低。1—12 月变化中，臭氧浓度先增后减，有6 月、9月一大一小2 个峰值，6 月最高，9 月存在小幅度回涨。因此，对臭氧污染的防治应当重点关注夏季，关注6 月、9 月这些关键时间节点。鲁西北地区季节变化差距大，鲁南地区除夏季以外臭氧浓度相对较高，这2 个地区为山东省内臭氧敏感地带；可能受海陆位置、风力风速等影响，半岛地区臭氧浓度相对较低。