摘 要

近年来，随着我国各项事业的快速发展，随之而来的环境问题也越来越严重，其中大气污染已经成为了重灾区之一，雾霾事件频发，区域沙尘天气时有发生，这严重影响了我国人民的身体健康，与人们日益增长的美好环境需求产生了巨大矛盾，因此了解我国大气污染的构成、分布状况和污染程度对制定相应的大气污染治理政策十分重要。本文以2017年全国367个城市的六种空气污染物小时浓度数据为基础，利用时间序列分析，空间分析和相关分析等方法对比分析我国六种主要大气污染物的时间分布和空间分布特征，结果表明：2017年我国六种大气污染物中PM_2.5和PM₁₀的污染最严重且二者具有很强的相关性；六种污染物具有明显季节变化趋势，总体上表现为冬季污染严重，夏季污染较轻；空气污染物具有明显的空间聚集性，空气污染大多集中爆发在华北和华中地区，其中山西的总体污染情况为全国最严重。大气污染的影响因素是多样的，因此需要继续研究各种因素对大气污染的影响，从而更加全面的了解我国大气污染的形成，运移和分布机制，制定更加合理有效的大气治理政策。

关键词：标准空气污染物；空间分析；时间变化；中国

Abstract

In recent years, with the rapid development of various undertakings in China, the following environmental problems are becoming more and more serious, among which air pollution has become a serious disaster area, with frequent haze events and regional dust weather, which has seriously affected the health of our people, and has a huge contradiction with people's growing demand for a better environment. Therefore, it is very important to know the composition, distribution and pollution degree of air pollution in China for making corresponding air pollution control policies. Based on the hourly concentration data of six air pollutants in 367 cities in China in 2017, this paper uses time series analysis, spatial analysis and correlation analysis to analyze the temporal and spatial distribution characteristics of six major air pollutants in China，The results show that: In 2017, PM_2.5 and PM₁₀ were the most serious air pollutants in China, and they had a strong correlation; The six kinds of pollutants have obvious seasonal variation trend, which are serious in winter and light in summer; Air pollutants have obvious spatial aggregation, most of them are concentrated in North China and Central China, and the overall pollution situation in Shanxi is the most serious in China. The influencing factors of air pollution are various, so it is necessary to continue to study the impact of various factors on air pollution, so as to have a more comprehensive understanding of the formation, transport and distribution of air pollution in China, and formulate more reasonable and effective air governance policies.

Key Words：Standard air pollutants; spatial analysis; temporal variation; China

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究状况 1

1.3研究内容与技术路线 2

第二章 研究区域、数据与方法 4

2.1研究区域与数据 4

2.2研究方法 6

2.2.1空间自相关 6

2.2.2 Pearson相关性 6

2.2.3 K-均值聚类 6

第三章 空气污染物时空分布特征 8

3.1空气污染物总体特征 8

3.2空气污染物的时间分布规律 10

3.2.1空气污染物日变化对比分析 10

3.2.2空气污染物月变化对比分析 11

3.3空气污染物的空间分布规律 12

3.3.1空间分布概述 12

3.3.2空间自相关分析 15

3.3.3聚类分析 16

3.4六种空气污染物间的相关性 18

3.4.1 Pearson相关分析 18

3.4.2 PM_2.5与PM₁₀的对比分析 20

3.4.3 PM_2.5浓度值与PM₁₀浓度值之比分析 20

第四章 气象因素影响分析 23

第五章 结论 24

5.1结论 24

5.2展望 25

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

随着中国经济建设的快速发展和城市化进程的不断加快，空气污染问题越来越受到公众关注。由于我国目前的能源结构没有根本性的改变，化石燃料依然是主要的能源，化石燃料的燃烧使大量气体废物排入大气^[1-2]，同时汽车尾气排放，城市建设扬尘和工业废气排放导致我国的大气污染呈现高度复合^[3]的特征。近些年来，我国频繁的发生单个城市和区域性雾霾事件^[4-8]，例如京津冀、长三角和珠三角^[9]大气污染呈现出由原来的点状分布向面状分布发展趋势，主要原因是区域协同发展导致短时间内大气污染的聚集和大气污染物在区域内的运移，这严重影响了我国的环境治理政策和人民的身体健康^[10-15]。因此，正确的分析研究我国大气污染的时空分布特征，对全面掌握我国大气污染状况和制定合理有效的大气污染防治政策具有极其重要的意义。

1.2国内外研究状况

目前，国内外学者对大气污染进行了广泛的研究，从研究数据来看，主要有环境空气质量监测站点数据^[16-18]的时空分布特征研究和利用遥感影像反演大气气溶胶厚度（AOD）分析污染情况的研究等,例如DING Lei.et al发现湖北从2004-2013年10年间城市空气质量总体呈下降趋势，其中空气质量下降的城市有10个，并在月份上表现出“U型”特征^[19]；张婉等人研究表明^[20]，山东泰山和禹城雾霾天的单次散射反照率均高于清洁天气，这可能与雾霾天硫酸盐和硝酸盐气溶胶的大量形成有关。从研究内容来看，以对PM_2.5的单独研究^[21]和对其他空气污染物的研究为两个主要研究方向，其中李名升,任晓霞等人^[22]对PM_2.5的研究表明：2014年中国只有8.1%的城市PM_2.5年评价结果达标,日均质量浓度超标天数占 26.6%。夏季及春末、秋初 PM_2.5污染相对较轻,冬季污染较重，而邓煜凡的研究表明^[23]江西省吉安和宜春的PM_2.5污染最严重，PM_2.5浓度按季节由低到高依次为夏季、春季、秋季、冬季；Song Congbo.et al对其他污染物的研究表明^[24]2014-2016年PM₁₀, SO₂, NO₂的浓度水平达到了中国环境空气质量标准Ⅱ级标准, 中国北方地区的PM₁₀，O₃_8 h，NO₂，SO₂，CO的年人口加权平均浓度分别比南方高58.9％，5.9％，24.6％，96.7％和38.1％。总体来看国内外学者的研究大量集中在PM_2.5的污染情况和时空分布特征上，对传统的二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）、臭氧（O₃）等污染物研究较少或只单纯研究其浓度，例如张汉卿对濮阳市空气环境质量变化特征的研究^[25]，而站点数据相较于气溶胶反演数据的优点在于站点数据可以详细分析不同污染物的具体质量浓度、污染程度和和时空分布情况，而气溶胶反演大多只通过估算PM_2.5的浓度值来研究PM_2.5的污染状况。

近年来，随着国家对空气污染越来越重视，旧的标准已经不能适用于当前环境空气污染状况，因此2012年国家对环境空气质量标准进行了修订，新版《环境空气质量标准》（GB3095-2012）新增和修改了部分空气污染物的有关规定，并逐步在全国建设了约1600个大气监测站点，通过对监测方法、数据统计的有效性和实施监督的规定，有效精确地实时监测多种大气污染物浓度，进一步完善了我国对环境空气污染物的监测和治理标准体系，为我国环境治理提供数据基础和理论依据。由此可见，大气污染研究将成为未来我国环境研究的热点之一。

1.3研究内容与技术路线

本次研究主要以全国2017年全年的三百多个城市六种环境空气污染物PM_2.5、PM₁₀、O₃、NO₂，SO₂，CO的小时浓度数据为内容，将分别从时间和空间两个维度研究我国空气污染物的分布状况和变化规律，分析污染物浓度值的达标状况，探究各种污染物之间的关系，同时将分析污染物之间的相互作用和气象因素对我国环境空气污染物的影响以及作用，具体技术路线如图1.1所示。