邢莉，蘇喜軍

(華北水利水電大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

中原城市群空氣質(zhì)量指數(shù)時空分布特征

邢莉，蘇喜軍

(華北水利水電大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

空氣質(zhì)量的好壞直接影響到人體的健康狀況，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)已成為影響人們生活的重要因子之一。本文以2016年全年的中原城市群30個城市的AQI 監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用散點(diǎn)圖、柱形圖、普通克里金法和反距離權(quán)重法等研究其時空分布特征。中原城市群AQI數(shù)值整體存在明顯的季節(jié)變化趨勢，冬季最高，春秋季次之，夏季最低。8月份 AQI數(shù)值均在100以下，是零污染月；1月和12月AQI數(shù)值均在100以上，是完全污染月，且有不少區(qū)域為重度污染。AQI數(shù)值區(qū)域性分布明顯，呈現(xiàn)出以鄭州、邢臺、聊城及南陽為中心的空氣質(zhì)量較差的高值集聚區(qū)域和以蚌埠、亳州、阜陽、淮北、宿州、信陽、晉城及運(yùn)城為中心的空氣質(zhì)量較好的低值集聚區(qū)域。

空氣質(zhì)量指數(shù)；空間插值；時空分布；普通克里金法；反距離權(quán)重法；中原城市群

中原城市群是我國十大城市群中城市群規(guī)模最大、一體化程度最高、人口最密集的城市群，是承接發(fā)達(dá)國家及我國東部地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、西部地區(qū)資源輸出的樞紐和核心區(qū)域，是促進(jìn)中部崛起、輻射帶動中西部地區(qū)發(fā)展的核心增長極[1]。2016年12月26日，國家發(fā)展改革委員會印發(fā)《促進(jìn)中部地區(qū)崛起“十三五”規(guī)劃》，正式批復(fù)鄭州建設(shè)國家中心城市，建設(shè)洛陽等區(qū)域性中心城市[2]。2016年12月28日，國務(wù)院正式批復(fù)《中原城市群發(fā)展規(guī)劃》[3]。

隨著中原城市群經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，中原城市群作為《促進(jìn)中部地區(qū)崛起“十三五”規(guī)劃》中提出的中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展新增長極、重要的先進(jìn)制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)基地、中西部地區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)先行區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)雙向開放新高地和綠色生態(tài)發(fā)展示范區(qū)[4]，其是否屬于生態(tài)、智慧、和諧和宜居的城市群，空氣質(zhì)量首當(dāng)其沖。空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index，簡稱AQI)將抽象的空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)化為具象的無量綱指數(shù)，廣泛地被公眾理解和認(rèn)可。AQI檢測指標(biāo)包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO共6個，較空氣污染指數(shù)(Air Pollution Index,簡稱API)監(jiān)測指標(biāo)更多，評價結(jié)果更客觀，且采用分級限制標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)。AQI反映了空氣質(zhì)量的好壞程度，指數(shù)越大空氣質(zhì)量越差，指數(shù)越小空氣質(zhì)量越好。

關(guān)于AQI的研究，主要集中在與API對比分析[5-6]、區(qū)域性AQI 的分布及成因[7-8]、AQI與其他要素的相關(guān)關(guān)系[9]、國內(nèi)外 API 理論及標(biāo)準(zhǔn)差異[10]及少數(shù)城市群特征分析等方面[11]。這些研究側(cè)重于AQI理論及統(tǒng)計分析。本文側(cè)重于時空分布研究，運(yùn)用ARCGIS 10.2軟件，依托空間分析模塊，借鑒普通克里金法和反距離權(quán)重法兩種空間插值法，在得到中原城市群AQI的時空分布地圖的基礎(chǔ)上，探討中原城市群2016年12個月30個城市的AQI時空分布特征及影響因素。

一、 數(shù)據(jù)資料與研究方法

(一)區(qū)域概況

中原城市群地處中國中部，涵蓋5個省的30個城市，是中國十大國家級城市群之一。2016年國家統(tǒng)計年鑒顯示，中原城市群國土面積 28.7萬km2，總?cè)丝?.58億人，國內(nèi)生產(chǎn)總值5.56萬億元，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值3.51萬元，僅次于長三角、珠三角、京津冀城市群，居于全國第四，是中國經(jīng)濟(jì)第四增長極。中原城市群30個城市空間位置分布如圖1所示。

圖1 中原城市群30個城市地理位置分布

(二)數(shù)據(jù)來源

中原城市群中29個城市每個月的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺( https://www.aqistudy.cn)，濟(jì)源市數(shù)據(jù)選自2345天氣王(http://tianqi.2345.com)，前者是多家高校科研單位聯(lián)合開發(fā)的公益平臺，收錄了全國367個城市的空氣數(shù)據(jù)(無濟(jì)源市)，后者是A股上市公司旗下一款權(quán)威的空氣質(zhì)量官方網(wǎng)站，提供全國388個城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。本文所用的月AQI數(shù)值是網(wǎng)站公布的日AQI數(shù)值的平均值。

參照AQI分級標(biāo)準(zhǔn)[12]，將每個城市的AQI劃分為：優(yōu)(0～50)、良(51～100)、輕度污染(101～150)、中度污染(151～200)、重度污染(200～300)和嚴(yán)重污染(大于300)。2016年1月至12月中原城市群30個城市每個月的AQI 數(shù)值見表1。

表1 2016年1—12月中原城市群月AQI數(shù)值

數(shù)據(jù)來源：中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺( https://www.aqistudy.cn)；2345天氣王(http://tianqi.2345.com)

(三)研究方法

由于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺和2345網(wǎng)站公布的城市AQI歷史數(shù)據(jù)每個城市只有一個，為便于比較，把這個值認(rèn)為是市政府所在位置的AQI值，運(yùn)用插值法分析中原城市群整個區(qū)域內(nèi)的完整空間分布特征。

普通克里金法(Ordinary Kriging，簡稱OK)是建立在一個預(yù)先定義的協(xié)方差模型基礎(chǔ)上，通過線性回歸方法把估計值的方差最小化的一種插值方法。估計值可采用公式

式中：F(x,y)為點(diǎn)(x,y)的估計值；n為集合中離散點(diǎn)的個數(shù)，n取30；zi為AQI數(shù)值；ωi為賦予每個離散點(diǎn)的權(quán)重。

反距離權(quán)重法(Inverse Distance Weighting，簡稱IDW)是以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間的距離為權(quán)重的插值方法，插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大，其權(quán)重貢獻(xiàn)與距離成反比[13]。插值點(diǎn)估計值計算公式為：

式中：Z為插值點(diǎn)估計值；Zi為AQI數(shù)值；i=1,2,3,…，n,n為參與計算的實測樣本數(shù)，n=30；di為插值點(diǎn)與第i個站點(diǎn)的距離；p為距離的冪，p=2。

二、中原城市群AQI時間分布特征

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制出2016年中原城市群30個城市12個月的AQI時間分布圖，如圖2所示。

圖2 2016年中原城市群AQI時間分布圖

由圖2可知，8月份是中原城市群空氣質(zhì)量最好的月份，30個城市的AQI數(shù)值均在100以下，屬于零污染月，空氣質(zhì)量屬于良；12月和1月是中原城市群空氣質(zhì)量最差的2個月，AQI數(shù)值均在100以上，屬于完全污染月；12月份鶴壁、邯鄲、安陽、邢臺及1月份濟(jì)源、洛陽、新鄉(xiāng)的AQI數(shù)值都突破了200，達(dá)到重度污染。

圖3給出了2016年各月中原城市群污染城市數(shù)量分布情況。

圖3 2016年各月中原城市群污染城市數(shù)量

按照我國氣象劃分法，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年的2月為冬季。由圖3可知，春、夏、秋、冬季污染城市個數(shù)分別為48、11、40、87個，污染城市占所有城市的比例分別為53.33%、12.22%、44.44%和96.67%，說明中原城市群整體存在著明顯的季節(jié)變化趨勢，AQI數(shù)值表現(xiàn)是冬季最高、春秋季次之、夏季最低。AQI污染整體分為兩個階段，1—3月和11—12月屬于高污染階段，4—10月屬于低污染階段，這與中原城市群冬季供暖周期有很大關(guān)系。

三、中原城市群AQI空間分布特征

運(yùn)用ARCGIS 10.4中的普通克里金法和反距離權(quán)重法分別對30個城市的AQI 數(shù)值進(jìn)行空間插值得到中原城市群AQI 逐月空間分布圖，分別如圖4和圖5所示。

由圖4可知：1月份，濟(jì)源市區(qū)域AQI 數(shù)值最高，空氣質(zhì)量最差，AQI 數(shù)值由濟(jì)源市區(qū)域向外圍呈同心圓式遞減，中原城市群最右側(cè)的區(qū)域，空氣質(zhì)量較佳；2月份，中原城市群空氣中度污染范圍逐漸縮小，在周口市區(qū)域呈狹長帶狀分布；3月份，中原城市群劃分為4片輕度污染區(qū)域，在最北部區(qū)域出現(xiàn)輕度污染最嚴(yán)重區(qū)域，北部為輕度污染相對嚴(yán)重地區(qū)，商丘市區(qū)域為輕度污染相對輕微地區(qū)，安徽省5個城市為輕度污染最輕微地區(qū)；4月份，污染區(qū)域逐漸由中原城市群西北地區(qū)轉(zhuǎn)為東北地區(qū)，由菏澤市和鄭州市區(qū)域向外呈同心圓式遞減；5月份，中原城市群整體空氣質(zhì)量為良，顏色區(qū)分整個中原城市群的不同污染程度，相對來說，中部地區(qū)鄭州市污染最嚴(yán)重；6月份，中部地區(qū)鄭州市和洛陽區(qū)域及東北地區(qū)聊城市區(qū)域?qū)儆谳p度污染；7月份，除最北端邢臺市和偏北地區(qū)焦作市區(qū)域出現(xiàn)輕微的輕度污染外，其余各地區(qū)屬于不同顏色系、空氣質(zhì)量為良的不同AQI數(shù)值；8月份，中原城市群空氣質(zhì)量全為良，屬于零污染月，南陽市區(qū)域出現(xiàn)最大的AQI數(shù)值，并呈同心圓不斷遞減；9月份，濮陽市、菏澤市和聊城市區(qū)域出現(xiàn)輕度污染，其余各區(qū)域大部分空氣質(zhì)量屬于良；10月份，除邢臺市區(qū)域?qū)儆谳p度污染外，其余各區(qū)域城市空氣質(zhì)量均屬于良，且AQI數(shù)值沿著從北向南的分層區(qū)域不斷降低；11月份，以鶴壁市和安陽市兩個中度污染較嚴(yán)重的區(qū)域為圓心，AQI數(shù)值向外降低；12月份為完全污染月，中原城市群最北邊相鄰的4個城市邢臺市、邯鄲市、安陽市和鶴壁市區(qū)域均為重度污染，污染程度不斷向外遞減。

圖4 中原城市群2016年1—12月AQI空間分布圖(普通克里金插值法)

由圖5可知，運(yùn)用幾何方法原理的反距離權(quán)重法得出中原城市群12個月的整體空間分布與普通克里金法得到的結(jié)果基本一致，但反距離權(quán)重法得到每個月的圖層上出現(xiàn)不同數(shù)量的圓形區(qū)域，代表著相鄰區(qū)域之間的AQI數(shù)值變動方向，是由圓形區(qū)域不斷向外發(fā)散并逐漸與其相鄰的AQI數(shù)值區(qū)間融合。

圖5 中原城市群2016年1—12月AQI空間分布圖(反距離權(quán)重插值法)

對比圖5的AQI數(shù)值分布位置發(fā)現(xiàn)，在2016年全年12個月中，中原城市群30個城市AQI數(shù)值呈現(xiàn)出以鄭州、邢臺、聊城及南陽為中心的空氣質(zhì)量較差的高值集聚區(qū)域和以蚌埠、亳州、阜陽、淮北、宿州、信陽、晉城及運(yùn)城為中心的空氣質(zhì)量較好的低值集聚區(qū)域。

四、中原城市群AQI時空分布特征原因分析

中原城市群整體呈現(xiàn)出一致的時間分布特征，其原因主要是：一方面，中原城市群地處中國內(nèi)陸，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季降水少、氣候干燥易引起揚(yáng)塵天氣，且容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象；另一方面，中原城市群整體處在工業(yè)化初級階段，冬季主要污染來自每年的11月15日至次年3月15日通過燃煤方式的集中供暖模式，夏季主要來自于工業(yè)生產(chǎn)污染比重大的傳統(tǒng)制造業(yè)和加工業(yè)等第二產(chǎn)業(yè)，春秋季主要來自于機(jī)動車。

中原城市群整體呈現(xiàn)出不同的空間分布特征，其原因主要是由于各個城市自身的自然地理資源環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等造成的，本文就高值區(qū)域城市和低值區(qū)域城市特征進(jìn)行分析，了解其成因。

(一)高值區(qū)域城市

河南省鄭州市2016年有9個月空氣質(zhì)量達(dá)到污染水平，其主要原因是鄭州市地處全國交通中心區(qū)域，人口比較集中，交通尾氣排放大，且建筑物密集，阻礙空氣流通，再加上冬季供暖大部分采用傳統(tǒng)的燃煤方式。

河北省邢臺市是中原城市群最北方的城市，是河北省重要的煤炭鋼鐵能源基地和新型工業(yè)基地，污染物排放量大，全年有9個月達(dá)到污染水平，冬季污染最為嚴(yán)重，11月和1月均為中度污染，12月達(dá)到重度污染。

山東省聊城市有8個月屬于污染月，冬季最為嚴(yán)重，其主要原因是聊城市屬于半干旱大陸性氣候，其發(fā)達(dá)的工業(yè)占據(jù)其地區(qū)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的50%以上，2015年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)數(shù)量達(dá)2 852個，全年創(chuàng)造8 929.71億元的工業(yè)總產(chǎn)值，發(fā)達(dá)工業(yè)80%的能源來自于高排放空氣污染物的煤炭。

河南省安陽市全年污染相對較嚴(yán)重。安陽市作為河南省重要的礦產(chǎn)資源城市及重要工業(yè)基地之一，開發(fā)利用條件較好，粗鋼和鋼材年產(chǎn)量均在2 000萬噸左右，而近2年環(huán)保部曾多次約談安陽市政府負(fù)責(zé)人，在政府責(zé)令部分重污染企業(yè)停產(chǎn)的情況下，安陽市不少大型鋼鐵企業(yè)還存在違排和超排污染物現(xiàn)象。

(二)低值區(qū)域城市

安徽省的5個城市區(qū)域AQI 普遍較低，主要原因是中國七大河之一的淮河中游流經(jīng)蚌埠和阜陽等地，是我國南北氣候過渡帶，氣候溫和，且降水充沛，有利的自然地理環(huán)境是這些城市發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。比如亳州市和宿州市，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過第二產(chǎn)業(yè)，成為本市的支柱產(chǎn)業(yè)，但5個城市整體發(fā)展水平一般，人均生產(chǎn)總值居安徽省中等及以下水平。

河南省信陽市全年平均空氣質(zhì)量為良，主要原因是信陽市地處長江和淮河流域的分水地界，周邊群山環(huán)繞，山地面積占全市36.9%，信陽市優(yōu)越的自然地理環(huán)境使其氣候水文條件良好，河水資源充沛，發(fā)展第一產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯，是著名的“魚米之鄉(xiāng)”。

山西省晉城市整體空氣質(zhì)量水平為良，空氣污染主要集中在冬季和春季，主要原因一方面是晉城市地形復(fù)雜，境內(nèi)58.6%屬于山地，氣候變化較大，春季少雨多風(fēng)，時常發(fā)生干旱且冬季寒冷，雪雨天氣稀少；另一方面是晉城市河流縱橫，水利資源和林業(yè)資源豐富，加之第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值比重不斷增加，能夠有效緩解空氣污染帶來的影響。

相比較地理資源環(huán)境及空氣質(zhì)量相似的晉城市，山西省運(yùn)城市人均地區(qū)生產(chǎn)總值遠(yuǎn)低于全省平均水平，更低于晉城市人均水平，主要原因是運(yùn)城較晉城，遠(yuǎn)離了中原經(jīng)濟(jì)中心鄭州市，再加上拉動運(yùn)城市經(jīng)濟(jì)增長的第二產(chǎn)業(yè)增長幅度近幾年出現(xiàn)下滑，且第三產(chǎn)業(yè)增加值已經(jīng)明顯超過第二產(chǎn)業(yè)。

五、結(jié)語

基于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺和2345天氣王所公布的2016年1—12 月中原城市群30個城市每個月的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用空間插值法對2016年中原城市群AQI 時間和空間分布特征進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

首先，中原城市群空氣質(zhì)量整體存在明顯的季節(jié)變化，AQI數(shù)值表現(xiàn)出冬季最高、春秋季次之、夏季最低的特征。一方面是中原城市群整體仍處在工業(yè)化初級階段，污染比重大的傳統(tǒng)制造業(yè)和加工業(yè)等第二產(chǎn)業(yè)占比較大；另一方面是污染源不同，春秋季來自于機(jī)動車，夏季來自于工業(yè)生產(chǎn)，冬季來自于居民取暖方式，是以燃煤為主。

其次，中原城市群30個城市8月份AQI數(shù)值均在100以下，屬于零污染月；12月和1月AQI數(shù)值均在100以上，屬于完全污染月，且不少地區(qū)屬于重度污染。其主要原因是中原城市群地處中國內(nèi)陸，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，而冬季降水少、氣候干燥容易引起揚(yáng)塵天氣，且容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。

最后，中原城市群AQI數(shù)值呈現(xiàn)區(qū)域性特征，表現(xiàn)為以鄭州、邢臺、聊城、南陽為中心的空氣質(zhì)量較差的AQI高值集聚區(qū)域和以蚌埠、亳州、阜陽、淮北、宿州、信陽、晉城、運(yùn)城等空氣質(zhì)量較好的AQI低值集聚區(qū)域。高值區(qū)域的出現(xiàn)主要是大力發(fā)展高排放多消耗的工業(yè)污染產(chǎn)業(yè)造成的，且對污染物排放缺少一定的處理；低值區(qū)域的出現(xiàn)是因為這些區(qū)域地理環(huán)境優(yōu)勢，多山脈且水流資源豐富，為農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、牧業(yè)等第一產(chǎn)業(yè)及旅游等第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了便利。

中原城市群中各個城市應(yīng)加強(qiáng)空氣質(zhì)量保護(hù)，加大防治力度，減少大氣污染物排放，加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，提高科技創(chuàng)新能力，發(fā)展內(nèi)陸高端消費(fèi)、休閑、金融、會展、保稅物流等高端服務(wù)業(yè)，大力發(fā)展電子、信息、生物醫(yī)藥等高端制造業(yè)，努力打造中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展新增長極的空氣環(huán)境和經(jīng)濟(jì)氛圍。

[1] 王曉易.中原城市群進(jìn)入國字號規(guī)劃 躋身七大國家級城市群[EB/OL].網(wǎng)易新聞.(2017-01-13) [2017-08-17].http://news.163.com/17/0113/18/CAMBNJFU00014SEH.html.

[2] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.關(guān)于印發(fā)促進(jìn)中部地區(qū)崛起“十三五”規(guī)劃的通知 [EB/OL].中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會網(wǎng).(2016-12-26)[2017-08-17].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201612/t20161226_832527.html.

[3] 中華人民共和國中央人民政府.國務(wù)院關(guān)于中原城市群發(fā)展規(guī)劃的批復(fù).[EB/OL]中華人民共和國中央人民政府網(wǎng).(2016-12-30)[2017-08-17].http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/30/content_5154781.htm.

[4] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.關(guān)于印發(fā)中原城市群發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會網(wǎng).(2016-12-29)[2017-08-17].http://www.ndrc.gov.cn/gzdt/201701/t20170105_834454.html.

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TemporalandSpatialDistributionCharacteristicsofEnvironmentalQualityIndexofCentralPlainsUrbanAgglomeration

XING Li, SU Xijun

(School of Management and Economics, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

Environmental quality is directly affecting the health of the human body, environmental quality index (AQI) has become one of the important factors affecting people’s lives. Based on the AQI monitoring data of 30 cities in the Central Plains region in 2016, the spatial and temporal distribution characteristics are studied by using data analysis methods such as scatter chart, column chart, ordinary kriging method and inverse distance weight method. The results show that the Central Plains city group as a whole there is a clear seasonal change. AQI numerical performance is the highest in winter, followed by spring and autumn, the lowest in summer. In August, the AQI value was below 100, and it was zero pollution month. The number of AQI in January and December was above 100, it was completely polluted month, and many areas were seriously polluted. The AQI value is obviously regional distribution, which presents a high value agglomeration area with low air quality centered on Zhengzhou, Xingtai, Liaocheng and Nanyang and of low value of air quality in the center of Bengbu, Bozhou, Fuyang, Huaibei, Suzhou, Xinyang, Jincheng and Yuncheng city.

air quality index; spatial interpolation; temporal and spatial distribution; ordinary kriging; inverse distance weighting; central plains urban agglomeration

2017-09-20

邢莉(1991—)，女，河南商丘人，華北水利水電大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院碩士研究生，研究方向為區(qū)域經(jīng)濟(jì)；蘇喜軍(1964—)，男，河南南陽人，華北水利水電大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為區(qū)域經(jīng)濟(jì)。

C931; F205

A

1008—4444(2017)06—0038—07

蔡洪濤)