基于AQI指数的长沙市空气质量分析初探

欧阳慧婷 邹芳 刘鹏飞 吴俊鹏

摘要：随着城乡发展进程的加快以及人口的无序增长，全球城市空气污染情况愈发严重，国内外学者对此进行了大量研究，研究结果表明空气质量与自然本底条件、社会活动相关，其中社会活动中的城市建设对空气质量的影响不容小觑。本文基于中国气象网、湖南气象局、长沙环保局等官方网站公布的城市AQI区间值、PM2.5年均浓度等数据进行了时空分析，对长沙地区的空气质量现状及其影响因子进行了深入分析与探讨。研究结果表明：1.长沙市空气质量呈现明显的“夏高冬低”季节性变化，PM2.5和O3的超标率分别达到51%、58%;2.在长沙市自然本底条件中，地貌因子对风道的影响造成空气质量在夏冬两季的季节性差异;气象因子影响污染物浓度变化，气温升高则O3浓度升高，降雨量大则PM2.5、PM10浓度降低;3.在自然本底条件较相近时，GDP或者城市化率更高的城市其空气质量更差;工业区、商业区等建设强度更高的区域其空气质量更差。通过本次研究量化分析了长沙市空气质量与其自然本底条件、城市建设活动之间的关系，为后续合理引导城市建设、改善城市质量提供了参考依据。

关键词：空气质量;AQI;城市建设

中图分类号：X823 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）11-0-06

Abstract： With the speed-up of the urban development and the disorderly growth of the population， the global air pollution has been more and more deteriorative. Scholars have done a lot of research which shows that air quality is related on natural background conditions and social activities， and the impact of the urban construction activities （among social activities） should not be underestimated. This article using the official websites date of air pollution index （API） and particulate matter concentration to analyze the current air quality and its impact factors in Changsha. The result as show as follows： 1.The air quality in Changsha showed obvious seasonal changes with high quality in summer while low in winter， and the over-standard rates of PM2.5 and O3 reached 51% and 58% respectively; 2.In the natural background conditions， the influence of geomorphic factors on the air path causes seasonal differences in air quality in summer and winter. The meteorological factors affect changes in pollutant concentration， such as the concentration of O3 increases with the temperature rises， and the concentration of particulate matter decreases with the rainfall increases; 3.When the natural background conditions are relatively similar， cities with higher GDP or urbanization rate have worse air quality; areas with higher construction intensity like industrial area and residential area have worse air quality. Through this study， the relationship between air quality and natural background conditions and urban construction activities in Changsha was quantified， aiming to provides a reference for the subsequent rational guidance of urban construction and improvement of urban quality.

Key Words： Air quality; API; Urban construction

據国家统计局数据，中国于2000年城市化水平就已达36%，从学术上说，当城市化水平超过30%后，城市化将进入快速发展时期，将带来巨大的生态环境压力[1]。对于正在快速发展的中国而言，为了贯彻“可持续发展”基本观，治理环境污染问题迫在眉睫。而空气污染问题更是成为了相关工作者的重点关注对象。2017年，中国的空气质量并不乐观，多数城市空气质量均不达标（见图1）。

湖南省14个市区空气环境质量均不合格;同年其省会长沙宣布GDP超过一万亿。作为我国中部发展潜力前景光明的城市之一，长沙市的污染问题受到多方关注，研究其污染现状以及影响因子，对如何治理该地区的污染情况和如何规划其未来发展方向有着重大意义[2]。

本文将基于AQI指数等数据，采用时空分析的方法对长沙市空气质量进行分析初探。

1 研究区域、研究方法及评价体系

1.1 研究对象简介

长沙是湖南省省会，位于湖南省东部偏北，是全省政治、经济、文化、科教和商贸中心，与同省的株洲、湘潭共同组成长株潭城市群，是中国两个两型社会建设基地之一，区位如图2、图3。

1.2 研究方法简介

1.2.1 基于互联网的数据挖掘技术

最主要的数据来源为基于软件“火车头采集器”的互联网数据挖掘。该法第一步将目标网页的网址采集下来，并在软件中设定抓取规则，对网页进行分析比对，最后将采集到的信息进行分类和保存。研究主要数据采集网站为中国天气、湖南气象局、长沙市环境保护局等官方网站。

1.2.2 基于Origin、Excel的图表分析法

基于Origin、Excel软件分析和对比例如AQI月均值的变化趋势分析、各污染物浓度的月均变化规律比对、相关气象因子（溫度、降雨量等）与污染物浓度的时间变化叠加对比分析等等。

1.2.3 基于ArcGIS的插值分析法

将空气质量从各个监测点的点数据转换成参考各个监测点的渐变的连续空间数据，结合用地规划图，针对典型中部地区长沙市进行了空气质量分布特点的分析、空气质量与城市建设强度的相关性对比。

1.2.4 时空分析法

在时间分析的层面，对长沙市2015-2017年的空气质量进行了分析，并探讨了不同季节的空气质量变化，以及不同空气污染物的时间变化特征。由此讨论长沙市空气质量在时间维度上的变化规律。

在空间分析的层面上：

（1）对长沙市自然地形地貌进行了分析;（2）将长沙市与其他自然本底条件相近的城市进行了对比;（3）将长沙市城区（分析范围为长沙市绕城高速以内）不同区域的空气质量和土里利用规划进行了对比（区域划分参考长沙市空气质量监测点位置）;由此初探空气质量与城市发展、城市规划之间的关系。

1.3 空气质量评价体系：AQI空气质量指数、空气质量分指数、ECI环境质量综合指数2012年，国家发布了以PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO六项污染物为因子的空气质量评价标准AQI（见表1）。

由于AQI数据每小时更新一次，因此表征一段时间的空气质量时常常使用AQI区间值，用以表示统计时间内AQI的整体变化幅度，其中AQI月均最低值通常在人为活动影响最小、以自然环境原因为主时产生，可以代表该月AQI基础值;AQI月均最高值通常在人为活动与自然环境双重影响下产生[2-4]。

1.4 研究创新点

针对长沙市空气质量的相关研究已有很多，但是现有研究基本停留在气象或生态方面的总结，缺少对空气质量影响因子的系统性分析，更缺乏空间层面的分析。文章借鉴国内外前沿研究系统，整理了空气质量的影响因子，并采取时空分析法分别研究了不同影响因子对长沙市空气质量的影响，相比已有研究不仅加入了不同城市区域的空间对比分析，也在空间规划层面对长沙市空气质量进行了初步研究。

2 长沙市空气质量时空分析

空气污染有许多种类，有火灾造成的浓烟等;也有雾霾、酸雨等[3]。据研究，影响一个区域空气质量及其污染过程的因子可以分为自然影响和人工影响。前者主要指当地的地形地貌和气候因子等自然本底条件而造成的影响;后者又可分为人工环境影响和人工活动影响两类[4-5]。城市中出现的空气污染问题是在自然影响的基础之下，主要因为人工影响而造成的[6]。在城乡规划的视角下，自然环境决定着城市整体层面上的通风情况[4]，同时还影响污染物的物理、化学反应情况[7]。而在人工影响的干预之下，首先是人工活动带来了大量的污染物排放，造成不同时期有不同的污染情况[8-9];其次城市的发展会导致城市地表热力、动力过程的变化[10]。例如随着城市发展，建筑密度随之增加，城市通风廊道受阻，同时城市下垫面更加粗糙，导致城市风速下降，弱风静风频率上升[10-11];高层建筑的大量出现也使得风场发生改变[11]。

基于此，本文将从时间（月均AQI变化、月均主要污染物浓度变化、气候变化）和空间（自然地形地貌、城市建设强度）两个层面对长沙市空气质量特征以及影响因子进行初探。

2.1 长沙市空气质量时间分析

2.1.1 长沙市 2015-2017 月均AQI变化

文章根据长沙市环保局官方网站公布的数据，统计长沙市近三年（2015-2017）的月均AQI区间值（图4）和月均空气优良率（图5），结论：长沙市AQI月均最低值变化幅度不大且都处于空气质量优的阶段;AQI月均最高值变化幅度较大并跨越轻度污染、中度污染、重度污染3个类别。长沙市的空气质量有明显的季节变化性，主要表现为秋冬季节空气质量较差、夏季空气质量相对较好的特点。

2.1.2 月均主要污染物浓度

1.1

根据2015-2017年长沙市环境质量报告，统计长沙市近三年六项主要检测污染物年均值（表4），发现长沙市主要空气污染物为PM2.5、PM10、O3，其值均超国家浓度限值二级指标，其中PM2.5和O3为严重超标污染物，超标率分别为51%、58%;统计2015-2017年三种污染物的月均浓度变化发现其存在明显季节性变化（图7）。颗粒物的浓度均呈现夏季低、秋冬季节高的变化特点：夏季在二类浓度限值上下浮动，冬季浓度严重超过二类浓度限值;相反，O3的浓度在夏季升高，在秋冬季节降低。

污染物浓度的变化主要与污染物的排放和扩散有关 [9-11]。由于污染物来源在城市中不存在较大季节变化性，因此让城市污染物浓度出现较大季节性变化的主要原因是污染物的扩散途径存在季节变化。

2.1.3 长沙市气候变化

2.1.3.1 温度

长沙市是我国五个气候区中的第三气候区，其主要特征是“夏热冬冷”，两季温差较大。每年一月平均气温为全年最低，七月平均气温最高（见图8）。据中科院介绍，日照强烈程度与臭氧浓度有关：夏季日照强烈，且风力弱，导致臭氧浓度升高。将月均温度曲线与O3月均浓度变化曲线重叠可以发现，长沙市温度变化趋势与O3浓度变化趋势存在一定的相似性，大体都呈现出夏季高冬季低的特点。可以合理推测长沙市夏热冬冷的温度特征对长沙市O3浓度呈现夏高冬低的特点有一定作用（如图9）。

2.1.3.2 降雨量

由图10可知长沙市降雨集中在夏季4-6月份，月平均降雨总量超过200mm，降雨量大且连绵持续;冬季干燥，降雨量小。将其与颗粒物月均浓度变化曲线重叠（图11）发现当降雨量上升时，颗粒物浓度下降。降雨可以携带空气中的颗粒物至地面，可以起到冲刷空气颗粒物的作用，因此降雨期空气中的颗粒物浓度会降低[14-15]。

2.2 长沙市空气质量空间分析

2.2.1 长沙市自然地形地貌

从图12可以发现，长沙市三面环山，只有自然地形地貌影响的情况下，盛行东风时，长沙不易受到东边城市污染物排放的影响;盛行西北风时，长沙市受西北方城市污染物排放影响严重，且容易造成污染物聚集不散。

2.2.2 空气质量与城市建设强度

城市建设强度与当地人口、经济、城市规划发展等密切相关，因此在进行城市建设强度比较时，将根据数据完整度选择城市化率、GDP或者城市规划用地性质来表示区域的城市建设强度。城市化率和GDP越高则代表城市建设强度越高;城市规划建筑密度更大或者工业开发密度更大则代表城市建设强度越高;反之越低。

2.2.2.1 长沙市与其他城市对比

将长沙的月均空气质量综合指数与地理、气候条件相近的武汉、南昌相比（图13）发现，三个城市均呈现出夏季空气质量优良、冬季空气质量较差的特点;另外，总结可知三个城市的空气质量在多数情况下是南昌>长沙>武汉的，与同时间的GDP排名呈反向关系。

将长沙市与省内其他市区的空气质量和城市化率比较（图14）发现空气质量综合指数和城市化率并没有绝对的正负相关关系，但是大体上城市化率在较高梯队的城市，空气质量综合指数也在较高的梯队。即城市化率相对较高的城市空气质量相对较差。

2.2.2.2 长沙市绕城高速内区域对比

截至2017年底，长沙市共有10个空气质量监测点，其中有9个监测点均处于长沙绕城高速内。由于长沙市主要生产生活区位于绕城高速内，本文以下的分析区域均以绕城高速为界。

据长沙市环境监测站统计，长沙市的污染物浓度在空间上呈现北部较低、西南部和城中心较高的特点。由图15可以发现，长沙市的南部北部主要是以居住用地为主，西部东部以工业用地为主，城市中心以商业用地为主。即用地性质是工业或者商业的区域，空气环境质量相对更差。

根据9个空气质量监测点数据，利用ArcGIS软件进行插值分析（见图16），颜色越深代表空气质量越差。可以发现长沙市年均空气质量较差，其中天心区和火车新站两个监测点周边尤甚。结合土地使用规划图可知天心区和火车新站监测点周边以工业用地和商业用地为主，即建设强度较高的区域（见图17）。由以上长沙市与其他城市以及内部自比可以发现，当城市（或区域）的GDP更高、城市化率更高、土地开发强度更大，即城市建设强度更大时，其空气污染情况也严重，空气质量更差。造成这种情况主要是因为当城市建设强度更大时，首先是废气来源更多，污染物浓度上升;其次高楼大厦会阻挡城市通风廊道，同时城市各种建筑会使城市下垫面变得粗糙，使得风速降低。因此城市建设强度越大往往造成城市污染物浓度上升，通风不顺，不能很好地进行空气循环，造成废气郁积，空气质量更差[4， 10-11]。

2.3 小结

2.3.1 长沙市空气污染情况严重

在国家监测的六項空气污染物中，长沙市有三项（PM2.5、PM10、O3）超过国家二级浓度限值，其中PM2.5和O3超标率更是达到51%、58%，严重危害城市空气生态平衡。

2.3.2 在时间维度上，长沙市污染情况呈现明显的季节性变化

首先，长沙市空气质量整体上是夏季较好、秋冬季节较差的情况;其次具体分析长沙市三种主要污染物均有明显季节性变化，夏季颗粒物浓度低、O3浓度高，冬季相反。

2.3.3 在时间维度上，长沙市污染情况与温度、降雨的变化有关

当温度升高时，日照强烈且城市以静风为主，有利于O3的生成，造成O3浓度升高，反之降低;当降雨量升高时，雨水携带空气中的颗粒物降落到地面，使得空气中颗粒物浓度大量下降，反之降雨量小时颗粒物浓度上升。

2.3.4 在空间维度上，长沙市的自然地形地貌对长沙市季节性空气污染情况有促进作用

长沙市的自然地形使得长沙在夏季盛行东南风时不受周边废气影响，同时区域内的废气向北方扩散不受阻碍;冬季盛行西北风北风时，废气聚集。由此形成了长沙市夏季城市上方通风顺畅，空气质量较好，冬季通风不顺，空气质量较差的局面。

2.3.5 在空间维度上，城市建设强度越高的城市（区域）空气质量越差

当城市本底条件相近时，城市建设强度越高，城市中污染物来源越多，污染物浓度越高;同时城市建设强度越高，城市风力越小，城市通风廊道受阻碍的可能性越大，城市通风越不顺畅，污染物扩散稀释能力越差，空气质量越差。

3 建议

本文主要从时间维度和空间维度两个方面对长沙市空气质量进行了分析比对，并总结了在时间空间层面上长沙市空气质量变化的规律和原因。由于自然环境的影响较为稳定，且改变难度大，所以学术上在研究解决城市空气污染问题时常常关注人工影响对空气污染的影响。基于以上两点，提出改善长沙市空气环境质量建议如下：①加强城市通风廊道建设，在整体层面减少空气废气在城市上空聚集;②在城市微环境方面，合理控制建筑密度和高度，形成城市风道，减少城市区域微环境空气污染;③注意城市格局规划，合理布置污染企业，加强相关企业及工地的废气排放管控，减少污染物排放，从源头上减少大气中污染物含量;④完善城市空气质量检测系统，及时掌握空气环境质量，并强化区域联动机制，与周边地区形成一体化防护格局，形成全面的空气污染控制机制。

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收稿日期：2019-09-06

基金项目：大学生研究性学习和创新性试验计划省级配套项目，项目标号：1203101

作者简介：欧阳慧婷，女，城乡规划学，长沙理工大学建筑学院。

通讯作者：邹芳，女，博士，国家注册规划师，长沙理工大学建筑学院讲师。