基于aqi指數(shù)的城市空氣質(zhì)量時空特征分析岳陽市AQI指數(shù)變化特征及與常規(guī)氣象條件的關(guān)系

基于aqi指數(shù)的城市空氣質(zhì)量時空特征分析岳陽市AQI指數(shù)變化特征及與常規(guī)氣象條件的關(guān)系

1通過“管理口”盆地來實施水質(zhì)改善工程隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，能源消耗的迅速增加，環(huán)境污染對人類生活環(huán)境和社會發(fā)展產(chǎn)生了重大的負面影響，環(huán)境問題已成為社會熱點話題。岳陽市濱江臨湖,屬濕潤的大陸性季風氣候,全市東高西低,呈現(xiàn)向西北開口的“撮箕口”盆地。岳陽是中南地區(qū)重要的石油化工基地,沿長江30km地段分布著長嶺煉化、巴陵石化、岳陽紙業(yè)、華能電廠等一批中央大型企業(yè)。特殊的地形、地貌及其溫暖濕潤的氣候,使岳陽地面上空形成了一個有利于各種化學過程發(fā)生的環(huán)境;特別是近年來人民生活水平提高、車輛劇增,導致能源的消耗與污染物的排放不斷加大,岳陽市區(qū)空氣質(zhì)量問題成為社會和公眾的關(guān)注熱點。本文根據(jù)岳陽市2015—2016年空氣質(zhì)量(AQI)數(shù)據(jù)和同期的氣象數(shù)據(jù)資料,分析了該市空氣質(zhì)量(AQI)變化的規(guī)律,并結(jié)合常規(guī)氣象要素進行了相關(guān)分析,為合理規(guī)劃城市工業(yè)布局、有效改善環(huán)境空氣質(zhì)量、積極應對環(huán)境大氣污染等問題提供科學的決策依據(jù)。2監(jiān)測點要素選取岳陽市區(qū)空氣監(jiān)測站包括云溪區(qū)、開發(fā)區(qū)、南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯5個國家環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點和金鳳水庫1個半自動監(jiān)測點。云溪區(qū)代表工業(yè)區(qū)、開發(fā)區(qū)代表城區(qū)、南湖景區(qū)代表旅游區(qū)、城陵磯代表沿江區(qū)、君山區(qū)和金鳳水庫分別代表遠郊區(qū)和近郊區(qū)。這6個監(jiān)測點的空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)來自于岳陽市環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測中心,氣溫、降水量、風向、風速等氣象數(shù)據(jù)來自于岳陽國家氣象觀測站。資料選取時間序列為2015年1月1日—2016年12月2年。季節(jié)劃分:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12—次年2月為冬季。3aqi和空氣密度的變化特征3.1avi指數(shù)的季節(jié)變化岳陽市區(qū)2015—2016年空氣質(zhì)量指數(shù)AQI為79。冬季AQI最大,為96;夏季AQI最小,為69;春秋季AQI相當,分別為78和73?？臻g分布中,云溪區(qū)AQI最大,為82;開發(fā)區(qū)次之,為81;南湖景區(qū)、城陵磯、金鳳水庫基本相當,分別為76、77、78;君山區(qū)最小,為74。主導風向時空分布和主要污染源時空分布基本一致,所以岳陽市區(qū)冬季空氣質(zhì)量最差,夏季空氣質(zhì)量最好,春、秋季次之。在空氣質(zhì)量指數(shù)AQI季節(jié)分布中,云溪區(qū)4個季節(jié)的空氣質(zhì)量指數(shù)都是最大的,在78~92范圍內(nèi)。而君山區(qū)春、夏、秋3個季節(jié)的空氣質(zhì)量指數(shù)都是最小,在68~72范圍內(nèi)。6個監(jiān)測點中,南湖景區(qū)的冬季空氣質(zhì)量指數(shù)最小,為88。因此,岳陽市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI總體呈現(xiàn)北方空氣質(zhì)量差于南方、工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量差于水庫景區(qū)的特征。根據(jù)2015—2016年各月空氣質(zhì)量指數(shù)統(tǒng)計,時間分布上大體為6—8月最小,為62~70;12月、1月、2月最大,分別為88、91、88,即:12—2月的空氣質(zhì)量差于其他月份,6—8月的空氣質(zhì)量優(yōu)于其他月份?？臻g分布上看,除了6月、7月、8月外,其他月份云溪區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)最大,空氣質(zhì)量最差,而12月、1月、2月南湖景區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)最小,其余月份君山區(qū)、金鳳水庫比較小,即:岳陽市北部空氣質(zhì)量差于南部,工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量差于水庫景區(qū)。3.2重度污染及嚴重污染2015年岳陽市區(qū)6個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點中發(fā)生重度污染及嚴重污染的天數(shù)總共有6d,5d為重度污染,出現(xiàn)在3月10日、12月12日、12月23日、2月8日、2月24日,1d為嚴重污染,出現(xiàn)在12月16日。1d中至少有1個監(jiān)測站點出現(xiàn)重度污染及嚴重污染的天數(shù)總共有2d:出現(xiàn)在2月8日(金鳳水庫、開發(fā)區(qū)、城陵磯、君山區(qū))和2月24日(金鳳水庫、開發(fā)區(qū))。云溪區(qū)出現(xiàn)4d重度污染和1d嚴重污染,4d重度污染發(fā)生在12月12日、12月23日、12月08日、2月08日、2月24日,1d嚴重污染發(fā)生在12月16日;開發(fā)區(qū)出現(xiàn)2d重度污染,發(fā)生在2月8日、2月24日;城陵磯、金鳳水庫、君山區(qū)出現(xiàn)1d重度污染,均發(fā)生在2月8日;南湖風景區(qū)出現(xiàn)1d重度污染,發(fā)生在3月8日。因此,重度污染及嚴重污染日基本出現(xiàn)在空氣質(zhì)量較差的冬季,云溪區(qū)等工業(yè)區(qū)發(fā)生頻率比較高,南湖景區(qū)、水庫發(fā)生頻率比較低。重度污染及嚴重污染日時空分布與空氣質(zhì)量時空分布基本一致。4影響公布年度素質(zhì)指數(shù)變化的因素4.1與空氣指數(shù)avi相關(guān)的季節(jié)和季節(jié)分布在日平均氣溫與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的關(guān)系中,≤10℃代表冬季,≥10.1℃且<20℃代表春秋季,20.1~30.0℃代表夏季,>30℃代表酷暑,春夏秋冬4個季節(jié)岳陽市區(qū)AQI指數(shù)分別為63、58、74、95,因此,夏季空氣質(zhì)量最好,春秋季次之,冬季空氣質(zhì)量最差。君山區(qū)、南湖景區(qū)、城陵磯、金鳳水庫這四個監(jiān)測點日平均氣溫與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的關(guān)系和開發(fā)區(qū)所代表的岳陽市區(qū)基本一致。而云溪區(qū)監(jiān)測點氣溫越高,空氣質(zhì)量越差,日平均氣溫超過30℃,氣溫升高,空氣質(zhì)量變差。當出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象時,大氣結(jié)層穩(wěn)定,空氣流動性弱,污染物不易擴散,空氣質(zhì)量差。4.2日空氣質(zhì)量avi在降水量與空氣質(zhì)量AQI的關(guān)系(表1)中,岳陽市區(qū)24h內(nèi)大雨(>25.0mm)、中雨(10.1~25.0mm)、小雨(0.1~10.0mm)、無雨空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為71、81、83、92,可看出岳陽市區(qū)大雨日空氣質(zhì)量最好,無雨日空氣質(zhì)量最差。降水會通過重力沉降和雨量沖刷將空氣中的污染物,如灰塵、顆粒污染物等降到地面,一定程度上改善空氣質(zhì)量。降水少,空氣污染物逐步堆積,空氣質(zhì)量變差。南湖景區(qū)、君山區(qū)、云溪區(qū)、金鳳水庫小雨日空氣質(zhì)量指數(shù)AQI小于中雨日空氣質(zhì)量指數(shù)AQI,小雨日空氣質(zhì)量好于中雨日;城陵磯小雨日空氣質(zhì)量指數(shù)AQI大于中雨日空氣質(zhì)量指數(shù),小雨日空氣質(zhì)量比中雨日差。4.3u3000結(jié)論在天空狀況(低云量)與AQI的關(guān)系(表2)中,岳陽市區(qū)陰天(9~10成)、多云(5~8成)、少云(3~4成)、晴天(0~4成)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為83、80、87、93,可得知岳陽市區(qū)多云日空氣質(zhì)量最好,晴天天氣質(zhì)量最差;云溪區(qū)、南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯、金鳳水庫晴天空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為103、82、97、94、79,均為4種天氣狀況最大,可見各監(jiān)測點晴天空氣質(zhì)量最差;云溪區(qū)、南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯、金鳳水庫多云空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為83、68、74、78、63,均為4種天氣狀況的最低值,可見各監(jiān)測點多云天空氣質(zhì)量最好。4.4不同相對濕度下罪犯空氣質(zhì)量比較相對濕度是指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比。在平均相對濕度與AQI的關(guān)系中,相對濕度91%~100%、81%~90%、66%~80%、≤65%空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為73、85、94、93,因此當相對濕度超過90%時空氣質(zhì)量最好,當相對濕度低于65%時,岳陽市區(qū)空氣質(zhì)量最差。從表3可看出,南湖景區(qū)、君山區(qū)、城陵磯、金鳳水庫監(jiān)測點相對濕度越高,空氣質(zhì)量指數(shù)AQI越小,空氣質(zhì)量越好,即相對濕度<65%時,空氣質(zhì)量最差,相對濕度>90%時,空氣質(zhì)量最好;云溪區(qū)相對濕度為66%~80%時,空氣質(zhì)量最差。所有監(jiān)測站點相對濕度>90%時,空氣質(zhì)量最好。4.5風速4.5.1u3000風力等級近地層風速對污染物擴散的濃度和速率產(chǎn)生影響,污染物會隨著風移動并得到風的攪動,不斷與相對干凈的空氣混合而最終稀釋。在平均風速(m/s)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的關(guān)系(表4)中,岳陽市區(qū)風力等級為1級(平均風速為<1.6m/s)、風力等級為2級(平均風速為1.6~3.3m/s)、風力等級為3級(平均風速>3.3m/s)出現(xiàn)的概率分別為14%、66%、20%,風力1、2、3級對應的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為98、90、88,因此岳陽市區(qū)風力為1級時,AQI最大,空氣質(zhì)量最差;城陵磯、南湖景區(qū)、金鳳水庫、云溪區(qū)、君山區(qū),風力等級為1級時AQI最大,分別為96、84、83、104、95,空氣質(zhì)量最差,與岳陽市區(qū)一致。風速小時,空氣污染物擴散條件不利,污染物不斷累積,空氣質(zhì)量差。4.5.2污染大的場地主要分布在空氣中,大量污染物進入空氣中,大量污染源進入空氣中,這4個方向,主要是為風向會對空氣污染物的擴散產(chǎn)生影響,當污染物的時空分布與主導風一致時,會加劇空氣污染程度。2015年N、NNE、風向頻率分別為24.2%、15.8%和8.6%,3個方向風向頻率合計為48.6%,其他方向為2%~8%;因此,岳陽市區(qū)以北偏東為主導風。岳陽石油化工總廠、長嶺煉油化工總廠、華能岳陽電廠、岳紙集團等污染物排放量大的場地主要分布在岳陽市區(qū)偏北方向;煤、石油等燃料的燃燒,煤炭、石油等含硫燃料的燃燒、煉焦廠、煉油廠工業(yè)廢氣的排放,大量的空氣污染進入空氣中;冬季岳陽進入取暖季,煤的大量燃燒增加了空氣中SO4.6環(huán)境污染霧對大氣污染物的遷移擴散產(chǎn)生影響,霧的吸收、揮發(fā)、霧滴沉降等過程會使地面污染物濃度增加,造成空氣污染。在天氣現(xiàn)象與AQI的關(guān)系(表5)中,有霧日,城陵磯、南湖景區(qū)、金鳳水庫、開發(fā)區(qū)、云溪區(qū)、君山區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分別為117、105、125、117、118、123,遠遠高于無霧天氣時的空氣質(zhì)量指數(shù),可得知有霧日空氣質(zhì)量明顯比無霧日差,金鳳水庫有霧日與無霧日差異最明顯。5報告期內(nèi)，患有空氣損害指數(shù)的風險5.1與aq指數(shù)級別的比較綜合指標法是指通過大量的觀察并進行分組,綜合運用各種統(tǒng)計指標,剔除個別偶然因素對整體的影響,能夠反映出普遍的、決定性條件的作用結(jié)果綜合指標法建立的模型的模擬結(jié)果與AQI指數(shù)級別進行比較,空氣質(zhì)量指數(shù)AQI級別中的一級和二級可以認定為空氣質(zhì)量好,三級到六級認定為空氣質(zhì)量差,則擬合程度超過8成,達到81%。由此可以認為這種綜合指標法模型可以較好的模擬岳陽城區(qū)空氣質(zhì)量的優(yōu)良程度。5.2氣象、風速相關(guān)因子的回歸分析通過統(tǒng)計分析部分氣象因子之間的相關(guān)性與獨立性,岳陽市區(qū)的降水量因子與露點溫度、水汽壓、霧之間的獨立性較差,相關(guān)系數(shù)分別達到0.95、0.95、-0.9,所以進行回歸分析時剔除掉這3個氣象因子,精簡回歸模型。在氣溫、降水量、低云量、相對濕度、風速這些因子相關(guān)系數(shù)中(表7),氣溫、風速氣象因子之間相關(guān)性基本小于0.3,降水量、低云量、相對濕度相關(guān)性相對大些,超過0.5。因此,這5個氣象因子之間的獨立性比較好。將氣溫、降水量、低云量、相對濕度、風速這5個氣象因子與岳陽市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI進行逐步回歸分析,剔除掉不顯著的低云量、相對濕度這2個氣象因子,最后建立最優(yōu)回歸方程:其中,x式(1)中的方程選取2015年的樣本數(shù)共359個,復相關(guān)系數(shù)為0.34,統(tǒng)計量F為14.78,F將空氣質(zhì)量指數(shù)級別與空氣質(zhì)量指數(shù)模擬值進行對比,可以看出模擬級別與AQI級別相差2個級別和3個級別的概率為3%和2%,相差1個級別的概率為33%,AQI級別與模擬級別一致的概率為62%。可得出該回歸模型模擬效果比較好。可用于空氣質(zhì)量指數(shù)的預報預警。6與綜合指標法比較(1)岳陽市區(qū)冬季空氣質(zhì)量最差,夏季空氣質(zhì)量最好,北方空氣質(zhì)量差于南方、工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量差于水庫景區(qū)。(2)重度污染及嚴重污染日基本出現(xiàn)空氣質(zhì)量較差的冬季,云溪區(qū)等工業(yè)區(qū)發(fā)生頻率比較高,南湖景區(qū)、水庫發(fā)生頻率比較低。重度污染及嚴重污染日時空分布與空氣質(zhì)量時空分布基本一致。(3)日平均氣溫、日降水量、日平均風速對岳陽城區(qū)空氣質(zhì)量影響較大,低云量和相對濕度對空氣質(zhì)量有一定影響。岳陽市城市工業(yè)布局方向與年主導風向一致,使得城區(qū)廣大區(qū)域處于工業(yè)氣流的下游,導致空氣污染加劇。在大氣層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)下空氣污染加重。(4)用綜合指標法建立的預報模