生态环境 2008, 17(2): 542-548 http://www.jeesci.com Ecology and Environment E-mail: [email protected]
中国沿海城市空气污染指数的分布特征
王斌，高会旺*
中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛266100
摘要：根据沿海23个城市2001年6月至2005年6月四年的空气污染指数（API）资料，利用聚类分析和时间序列分析对API值及首要污染物数据进行统计分析，利用相关性分析探讨API值和气象因素的关系，初步揭示了中国沿海城市API的变化特征。聚类分析的结果可将研究区域分为北部、东南部和南部三个区域。中国沿海区域的API都明显受到降水和风速的影响，API与降水普遍成负相关，与风速成正相关。指出采暖期燃煤对北方地区冬季API的增大有显著影响。北部城市明显受沙尘暴天气的影响，东南部受季风和降雨因素的影响，南部受海洋性气候的季节性风力和降水影响，各区域API呈现出季节性变化。
关键词：沿海城市；空气污染指数（API）；聚类分析
中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）02-0542-07
空气污染指数（API）是一种反映和评价空气质量的指标，是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势[1]。目前国外对此的研究不多，主要是针对空气污染指数的指标体系和计算方法存在的不足进行探讨和修正[2,3]。国内除极少数针对我国整体的或区域性的空气污染指数的研究外[4-8]，大多数研究工作局限于对单一或少数几个城市的空气污染指数（分指数）或主要污染物的分析，得到了特定地区和特定条件下空气污染指数的分布特征。本文通过统计学方法分析了沿海地区部分城市四年的空气污染指数资料，进而讨论该区域大气污染的特征及影响因素，是利用API资料研究城市较长期空气质量状况和变化趋势的尝试，对进一步研究沿海地区的大气污染问题，具有参考价值。
城市 秦皇岛 北京 天津 大连 烟台 青岛 连云港 南通 南京 苏州 上海 杭州 宁波 温州 福州 厦门 汕头 广州 深圳 珠海 北海 湛江 省份 河北 北京 天津 辽宁 山东 山东 江苏 江苏 江苏 江苏 上海 浙江 浙江 浙江 福建 福建 广东 广东 广东 广东 广西 广东 经度 119.583E 116.400E 117.200E 121.600E 121.400E 120.300E 119.167E 120.850E 118.767E 120.617E 121.483E 120.167E 121.550E 120.650E 119.300E 118.100E 116.683E 113.233E 114.117E 113.567E 109.117E 110.400E 纬度 39.917N 39.917N 39.033N 38.917N 37.533N 36.050N 34.600N 32.017N 32.050N 31.317N 31.233N 30.267N 29.867N 28.017N 26.083N 24.450N 23.367N 23.133N 22.550N 22.283N 21.467N 21.183N PM10 62.8% 81.7% 79.0% 70.3% 64.6% 82.0% 82.7% 83.9% 91.7% 87.7% 78.8% 91.9% 60.2% 64.5% 73.6% 59.4% 47.1% 58.1% 54.1% 36.0% 30.8% 47.3% SO2 21.7% 10.5% 17.8% 8.3% 14.3% 6.5% 3.9% 0.3% 0.1% 0.1% 2.3% 0.4% 0.5% 8.3% 0.1% 0.1% 0.2% 16.3% 0.1% 2.3% 0.0% 0.0% NOx 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.3% 0.0% 2.3% 2.7% 0.0% 0.0% 0.0% 7.7% 5.7% 0.0%
0.0% 0.0% 1 数据来源
中国环境监测总站于2000年6月5日实现全国42个环境保护重点城市空气污染状况日报，并向社会发布。至2005年6月4日，增至84个城市。本文的API资料来源于国家环境保护总局公布的每日空气污染指数(http://www.zhb.gov.cn)，时段是2001年6月5日至2005年6月4日。选取城市为这一时间段内有API日报资料的所有沿海城市，共23个。如表1和图1所示。表1中同时给出了4年来各城市首要污染物的出现频率，可见以可吸入颗粒物为主，且北方城市和省会城市PM10和SO2为
首要污染物的出现频率较高，个别城市出现了以NOx为首要污染物的情况，4年内广州市NOx为首要污染物的发生频率达到7.7％。
本文中使用的23个城市的降水和风速资料均
基金项目：国家自然基金重大项目（40490262）；国家重点基础研究发展规划项目（2006CB403703）；新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0639） 作者简介：王斌（1982－），男，硕士研究生，研究方向为大气环境污染动力学。E-mail: [email protected] 通讯作者：高会旺，男，教授，博士，主要从事大气与海洋环境的研究。E-mail: [email protected] 收稿日期：2007-09-23
图1 研究选取的城市分布 Fig. 1 Selected cities for this study
来自于美国国家海洋和大气局气候诊断中心（the NOAA Climate Diagnostics Center），为NCEP2001—2005年2.52.5全球月平均降水资料和10 m高风场资料，在同一格点内的城市使用相同的资料。
2 结果与分析
2.1 聚类分析
用SPSS软件的系统聚类法（Hierarchical Cluster），对不同城市48个月的API月平均值进行聚类分析。具体的聚类方法是类间平均链锁法Between-groups linkage），在选择距离测量上，选用皮尔逊相关系数距离（Pearson correlation）。聚类树状关系如图2。
从图中可以很明显地看出23个城市可分为三类，即北部城市，包括秦皇岛、北京、天津、大连、
图2 聚类树状关系图 Fig. 2 Clustering tree diagram
烟台、青岛、连云港；东南部城市，包括南通、南京、苏州、上海、杭州、温州、福州；南部城市包括厦门、汕头、广州、深圳、珠海、北海、海口。除宁波和湛江外，北部、东南部以及南部城市都分别聚为一类，呈现出来良好的区域分布特征。同时，对聚类的结果进行统计学上的显著性检验，采用LSD法（Least-significant Difference，最小显著差值法）对其分组数据进行单因素方差分析，得到的结果显示每个分组之间都有显著性差异（表略）。这说明我国沿海的空气污染具有明显的区域性。
根据聚类结果，对北部、东南部以及南部城市分别求API的平均值。按季度统计的区域API的均值和标准差如表2，区域月平均值的时间变化序列如图3。在统计平均时，没有包括宁波、湛江的资料（宁波在聚类时被分在南方地区一类，但考虑到城市的地理位置位于东南部，故剔除）。
季度
北部城市
东南部城市 南部城市
均值 标准差 均值 标准差 均值
标准差 2001年第三季度 66.26 13.51 60.14 10.59 44.40 11.58 2001年第四季度 85.74 18.39 80.15 17.95 57.21 9.18 2002年第一季度 99.29 22.21 94.27 18.70 57.42 11.00 2002年第二季度 87.45 30.25 76.57 16.37 39.43 10.98 2002年第三季度 66.53 12.72 68.31 14.20 41.59 13.91 2002年第四季度 80.58 23.63 81.34 15.45 51.88 13.01 2003年第一季度 82.01 13.30 79.73 13.52 56.64 18.84 2003年第二季度 79.81 13.74 76.35 11.47 47.83 13.77 2003年第三季度 61.67 14.87 66.52 12.10 38.03 11.99 2003年第四季度 76.13 20.51 79.91 14.95 61.81 15.70 2004年第一季度 82.92 15.17 77.54 10.59 56.57 13.88 2004年第二季度 73.47 13.22 77.14 9.78 47.88 14.02 2004年第三季度 63.05 11.58 61.80 11.06 43.83 18.03 2004年第四季度 81.16 22.32 79.07 14.88 61.50
14.21 2005
年第一季度 77.83 12.78 69.20 12.90 54.77 12.88 通过分析三个地区四年来API的季度均值和标准差，可以看到按季度平均的三个区域的API均值都低于100。但北部城市的均值和方差都较高；东南部城市略低于北部，但是相差不大；南部城市最低，API值在50上下，最高值仅为61.8。从图表中还能看到API明显的周期变化，三个地区的API值都是第一、四季度高，第三季度最低，第二季度介于二者之间。
图3表明北部城市的情况和东南部情况比较接近，东南部略低于北部。同时从聚类树状关系图上也可以看到如果分为两类那么北部和东南部就会
划归为一类。而南部城市的情况明显优于北部和东
（
130
[***********]0403020100
2001.6
2001.8
2002.2
2002.4
2002.6
2002.8
2003.2
2003.4
2001.10
2001.12
2002.10
2002.12
API值
2003.6
2003.8
2004.2
2004.4
2004.6
2004.8
2005.2
2003.10
2003.12
2004.10
月份
图3 API的区域月平均值
Fig. 3 Monthly mean of API in each region
2004.12
2005.4
南部，API平均值总体比较低。每年从入秋开始，空气污染指数开始普遍升高，在冬季12月、1月达到最高值，并于春季开始下降，在夏季6月至8月达到最低值。呈现出由于季节影响所带来的周期性变化。
2.2 分析与讨论
空气污染是一个复杂的现象，在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响。影响空气质量的主要因素主要有两个：一个是污染物质的排放量，再一个就是气象条件[9]。 2.2.1 污染源的影响
以北方城市为例分析，API高值出现在冬季，低值出现在夏季，反映了我国北方城市典型的煤烟型污染特点。API在采暖季节高于非采暖季节，主
70%60%50%
要是因为在采暖期大多城市都会启用燃煤锅炉为城市供暖。冬季燃煤量的大大增加，加重城市的空气污染状况[10]。北方地区冬季采暖时间各城市稍有差别，但大都是每年11月上旬至次年3月下旬，由北部城市的API变化时间序列图可见，这一段时间北部城市的空气污染指数值都比其它时段的值要高，从首要污染物统计中也发现这段时间北方城市二氧化硫作为首要污染物出现的频率增高，最严重时二氧化硫作为首要污染物每月平均有20 d，发生频率达到60%以上，如图4示。同时可以看到二氧化硫作为首要污染物出现的频率近年有增高的趋势。可见北方城市采暖季节燃煤量的增加明显导致了二氧化硫含量以及API的增加。 2.2.2 气象条件的影响
频率
40%30%20%10%0%
2001.6
2001.8
2002.2
2002.4
2002.6
2002.8
2003.2
2003.4
2003.6
2003.8
2004.2
2004.4
2004.6
2004.8
2005.2
2001.10
2001.12
2002.10
2002.12
2003.10
2003.12
2004.10
月份
图4 SO2为首要污染物的出现频率
2004.12
2005.4
Fig. 4 The occurrence frequency of SO2 as First Pollutant
分别将API与降水量和风速进行相关分析，发现API与月平均降水在0.05的水平上呈明显的负相关（n=48），其线性相关系数在北部地区为-0.644，东南部地区为-0.629，南部地区为-0.863，如图5—7。说明降水对污染物有显著的清除作用，使空气变得清洁；而API与风速都是正相关（n=48），北部地区、南部地区与月平均风速在0.01的水平上呈明显的正相关，相关系数分别为0.577和0.631。东南部相关系数较小只有0.079，如图8-10。究其原因，
454035m
30m/量25水20降1510
50
图5 北部地区API与降水相关关系图
Fig. 5
Correlations between API and precipitation in northern region
6050
m
40m/量水30降2010020
40
6080
100
API值
图6 东南部地区API与降水相关关系图
Fig. 6
Correlations between API and precipitation in southeastern region
6050
m
40m/量水30降2010020
40
API值
60
80
图7 南部地区API与降水相关关系图
Fig. 7 Correlations between API and precipitation in southern region
76
5)
1-s•m4(/速3风21020
40
60
80100
120
140
API值
图8 北部地区API与风速相关关系图
Fig. 8 Correlations between API and wind speed in northern region
765
)
1-s•m4(/速3风21020
40
60API值
80
100
图9 东南部地区API与风速相关关系图
Fig. 9 Correlations between API and wind speed in southeastern region
65
)
14-s•m(/3速风210
20
40
API值
60
80
图10 南部地区API与风速相关关系图
Fig. 10 Correlations between API and wind speed in southern region
风速加大容易触发地面尘土的扬起，尤其在北部地区大风可能会带来沙尘暴天气，这些都会加重空气污染，表现出API与风速呈正相关。
北方城市处于暖温带亚湿润地区[13]，冬天逆温天气出现的频率较多，具备不利扩散的气象条件，同时大气稳定度以稳定型居多，不利于空气污染物
的扩散稀释，这也是采暖期二氧化硫出现频率远高
546 生态环境 第17卷第2期（2008年3月）
发起沙、扬尘天气或沙尘暴现象[5]。地面土壤扬尘及西北地区沙尘传输造成的自然尘对API中可吸入颗粒物浓度的贡献很大[14,15]。
东南部城市位于亚热带湿润大区[13]，受季风气候影响，具有亚热带海洋性气候特征，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，风向影响着污染物的扩散方向，风速的大小决定着污染物的扩散和稀释状况[9]
。冬季主导风来自大陆，空气较为污浊而干燥，且温度较低，风速较小，同时在冬季大气稳定度以稳定型居多，不利于污染物扩散，API较高。夏季风来自海洋，海面的空气受污染小且湿度较大，同时温度普遍较高，风速较大，有利于污染物的沉积。因此，夏季的空气污染程度远小于冬季。而春秋两季为风向转换的季节，春季逐渐由陆风转换为海风，API呈下降趋势，而秋季由海风转换为陆风，API有所上升[9]。
宁波与东南部城市相关度不高，在聚类分析时被划到南部城市，这可能是以下原因造成的：（1）该市三面临山，一面向海，因而受海洋的影响更为显著，也使其空气质量远好于该区域其他城市；（2）宁波作为一个港口城市，其功能定位与本区域内的其他城市有着较大的区别[16]，使得它的污染情况与其它城市有明显差异。
南部城市位于终年气候温暖的亚热带湿润大区[13]，地处优良自净的地理位置，空气污染状况明显优于北部及东南部地区，其受季风气候影响与东南部城市相似，风速风向的影响是导致该区域API季节变化的重要因素[17-19]。同时该区域的API与降水量的负相关系数很高，可见降水在该区域对各种污染物的淋洗能够明显改善空气质量状况。该区域降水量季节性变化明显，夏季多，冬季少，4—6月为前汛期锋面暴雨季节，降雨量较多，2—3月和10—11月为春、秋季节，降雨量较少，12月到翌年1月为大陆干冷气团影响的冬季，天气干燥，降雨量甚少。因此，API高值基本出现在春季和冬季。 2.2.3 沙尘天气的影响
我国北方在2002年3月到4月遭受强沙尘暴的影响，根据2002年主要沙尘来源及移动路径的数据[20]，结合每日API，发现沙尘暴的爆发时间和北方城市API增大处于同一时间段。可见北方城市API受沙尘暴的影响也很大。这在图3、表3中有明确的反映。2002年3—4月，API均值超过100，个别日子达到500；此后随着沙尘天气发生次数的降低，2003
至2005年的春季没有异常API高值的
日期 秦皇岛 北京 天津 大连 烟台 青岛 连云港 2002-03-14 102 186 197 53 66 67 55 2002-03-16 124 500 182 72 66 78 84 2002-03-17 145 188 162 238 135 429 225 2002-03-18 93 102 91 114 81 150 212 2002-03-21 185 500 500 500 500 470 121 2002-03-22 377 370 300 500 206 329 151 2002-04-02 172 260 181 118 87 100 147 2002-04-03 139 296 397 186 90 148 145 2002-04-07 242 500 332 500 188 229 190 2002-04-08 440 500 480 500 286 500 500 2002-04-09 143 253 149 385 269 476 159 2002-04-14 134 246 143 104 83 93 108 2002-04-15 121 324 289 91 73 106 114 日期 南通 南京 苏州 上海 杭州 2002-03-18 150 169 155 158 135 2002-03-19 130 155 122 134 150 2002-03-22 181 163 250 401 152 2002-03-23 197 159 163 180 78 2002-03-31 193 275 307 208 208 2002-04-01 143 265 155 156 209 2002-04-02 147 181 162 133 148 2002-04-08 500 289 432 434 187 2002-04-09 152 131 137 154 130 2002-04-14 109 127 118 106 116 出现。此间东南部部分城市API也受到沙尘的影响，个别日子上海的API超过400，表4中列出了影响日的API值。而南部城市受沙尘天气的影响较小。
3 结论
通过对沿海23个城市2001年6月至2005年6月API数据的统计分析，初步揭示了我国东部沿海API的时间变化特征及主要影响因子，得到以下结论：可吸入颗粒物仍是最主要的空气污染物，对API影响最大。通过聚类分析将沿海区域分为北部、东南部和南部三个区域。指出采暖期燃煤对北方地区冬季API增大有显著影响；气象条件如降水和风速对三个区域都有影响，API与降水普遍成负相关，与风速成正相关；北部受沙尘暴和地理气候条件的影响，东南部受季风和降雨因素的影响，南部受海洋性气候的季节性风力和降水影响。各区域API都呈现出明显的季节性变化，有第一、四季度高，第三季度最低，第二季度介于二者之间的变化特点。
本文也试图讨论人类生产活动对API的影响，
王斌等：中国沿海城市空气污染指数的分布特征 547
以一个城市和地区的国内生产总值（GDP）代表人类生产活动的强弱，分别研究了上海和广东省的API与GDP的关系，但相关都不显著，原因可能是API的首要污染物多为PM10，主要来自城市堆料、废渣、建筑、装卸、运输等造成的扬尘，民用锅炉、火灶等的燃烧以及汽车等交通工具排放的颗粒物，仅是部分GDP的副产品。由此可见，城市API能够反映一个城市的空气质量，但主要决定于一个城市的自然条件、气候条件，以及城市建设规模等，不能明确反映人类活动的影响。可以推断，除了北方采暖期外，一个城市API的季节变化主要反映了PM10受到气象因素影响发生的变化，具有超越城市尺度的特征，本文的聚类分析结果也表明了这一点。但这与人们期望了解工业、交通等人为活动造成污染（特别是SO2，NOx）并影响健康情况的想法是不一致的。因此，仅以API和首要污染物反映城市空气质量的标准体系仍有待于改进和修正。
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生态环境 2008, 17(2): 542-548 http://www.jeesci.com Ecology and Environment E-mail: [email protected]
Characteristics of air pollution index in coastal cities of China
Wang Bin, Gao Huiwang
Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education of China, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
Abstract: Based on four consecutive years’ API(air pollution index)data of 23 coastal cities from June 2001 to June 2005, the data of API and primary pollutant are analyzed using cluster and time series analysis methods, and the relationship between API and meteorological factors is studied adopting correlation analysis method, which shows the API variety characteristics of coastal cities. The results of cluster analysis indicate that those cities can be divided into three zones, which are the North, Southeast and South regions. The API of coastal cities is apparently influenced by precipitation and wind velocity, in which the API shares a negative correlation with precipitation while it has a positive correlation with wind velocity. This paper shows that the increase of the North API obtained in winter season highly rely on burning of fusil fuels during heating period, the northern cities are clearly affected by sand storms, the southeastern cities are influenced by precipitation and seasonal winds and the southern cities are impacted by precipitation and seasonal winds caused by subtropical oceanic climate factors. Thus, The API in each region is changing seasonally. Key words: Coastal city; Air Pollution Index (API); Cluster Analysis
基金项目：国家自然基金重大项目（40490262）；国家重点基础研究发展规划项目（2006CB403703）；新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0639） 作者简介：王斌（1982－），男，硕士研究生，研究方向为大气环境污染动力学。E-mail: [email protected] 通讯作者：高会旺，男，教授，博士，主要从事大气与海洋环境的研究。E-mail: [email protected] 收稿日期：2007-09-23
生态环境 2008, 17(2): 542-548 http://www.jeesci.com Ecology and Environment E-mail: [email protected]
中国沿海城市空气污染指数的分布特征
王斌，高会旺*
中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛266100
摘要：根据沿海23个城市2001年6月至2005年6月四年的空气污染指数（API）资料，利用聚类分析和时间序列分析对API值及首要污染物数据进行统计分析，利用相关性分析探讨API值和气象因素的关系，初步揭示了中国沿海城市API的变化特征。聚类分析的结果可将研究区域分为北部、东南部和南部三个区域。中国沿海区域的API都明显受到降水和风速的影响，API与降水普遍成负相关，与风速成正相关。指出采暖期燃煤对北方地区冬季API的增大有显著影响。北部城市明显受沙尘暴天气的影响，东南部受季风和降雨因素的影响，南部受海洋性气候的季节性风力和降水影响，各区域API呈现出季节性变化。
关键词：沿海城市；空气污染指数（API）；聚类分析
中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）02-0542-07
空气污染指数（API）是一种反映和评价空气质量的指标，是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势[1]。目前国外对此的研究不多，主要是针对空气污染指数的指标体系和计算方法存在的不足进行探讨和修正[2,3]。国内除极少数针对我国整体的或区域性的空气污染指数的研究外[4-8]，大多数研究工作局限于对单一或少数几个城市的空气污染指数（分指数）或主要污染物的分析，得到了特定地区和特定条件下空气污染指数的分布特征。本文通过统计学方法分析了沿海地区部分城市四年的空气污染指数资料，进而讨论该区域大气污染的特征及影响因素，是利用API资料研究城市较长期空气质量状况和变化趋势的尝试，对进一步研究沿海地区的大气污染问题，具有参考价值。
城市 秦皇岛 北京 天津 大连 烟台 青岛 连云港 南通 南京 苏州 上海 杭州 宁波 温州 福州 厦门 汕头 广州 深圳 珠海 北海 湛江 省份 河北 北京 天津 辽宁 山东 山东 江苏 江苏 江苏 江苏 上海 浙江 浙江 浙江 福建 福建 广东 广东 广东 广东 广西 广东 经度 119.583E 116.400E 117.200E 121.600E 121.400E 120.300E 119.167E 120.850E 118.767E 120.617E 121.483E 120.167E 121.550E 120.650E 119.300E 118.100E 116.683E 113.233E 114.117E 113.567E 109.117E 110.400E 纬度 39.917N 39.917N 39.033N 38.917N 37.533N 36.050N 34.600N 32.017N 32.050N 31.317N 31.233N 30.267N 29.867N 28.017N 26.083N 24.450N 23.367N 23.133N 22.550N 22.283N 21.467N 21.183N PM10 62.8% 81.7% 79.0% 70.3% 64.6% 82.0% 82.7% 83.9% 91.7% 87.7% 78.8% 91.9% 60.2% 64.5% 73.6% 59.4% 47.1% 58.1% 54.1% 36.0% 30.8% 47.3% SO2 21.7% 10.5% 17.8% 8.3% 14.3% 6.5% 3.9% 0.3% 0.1% 0.1% 2.3% 0.4% 0.5% 8.3% 0.1% 0.1% 0.2% 16.3% 0.1% 2.3% 0.0% 0.0% NOx 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.3% 0.0% 2.3% 2.7% 0.0% 0.0% 0.0% 7.7% 5.7% 0.0%
0.0% 0.0% 1 数据来源
中国环境监测总站于2000年6月5日实现全国42个环境保护重点城市空气污染状况日报，并向社会发布。至2005年6月4日，增至84个城市。本文的API资料来源于国家环境保护总局公布的每日空气污染指数(http://www.zhb.gov.cn)，时段是2001年6月5日至2005年6月4日。选取城市为这一时间段内有API日报资料的所有沿海城市，共23个。如表1和图1所示。表1中同时给出了4年来各城市首要污染物的出现频率，可见以可吸入颗粒物为主，且北方城市和省会城市PM10和SO2为
首要污染物的出现频率较高，个别城市出现了以NOx为首要污染物的情况，4年内广州市NOx为首要污染物的发生频率达到7.7％。
本文中使用的23个城市的降水和风速资料均
基金项目：国家自然基金重大项目（40490262）；国家重点基础研究发展规划项目（2006CB403703）；新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0639） 作者简介：王斌（1982－），男，硕士研究生，研究方向为大气环境污染动力学。E-mail: [email protected] 通讯作者：高会旺，男，教授，博士，主要从事大气与海洋环境的研究。E-mail: [email protected] 收稿日期：2007-09-23
图1 研究选取的城市分布 Fig. 1 Selected cities for this study
来自于美国国家海洋和大气局气候诊断中心（the NOAA Climate Diagnostics Center），为NCEP2001—2005年2.52.5全球月平均降水资料和10 m高风场资料，在同一格点内的城市使用相同的资料。
2 结果与分析
2.1 聚类分析
用SPSS软件的系统聚类法（Hierarchical Cluster），对不同城市48个月的API月平均值进行聚类分析。具体的聚类方法是类间平均链锁法Between-groups linkage），在选择距离测量上，选用皮尔逊相关系数距离（Pearson correlation）。聚类树状关系如图2。
从图中可以很明显地看出23个城市可分为三类，即北部城市，包括秦皇岛、北京、天津、大连、
图2 聚类树状关系图 Fig. 2 Clustering tree diagram
烟台、青岛、连云港；东南部城市，包括南通、南京、苏州、上海、杭州、温州、福州；南部城市包括厦门、汕头、广州、深圳、珠海、北海、海口。除宁波和湛江外，北部、东南部以及南部城市都分别聚为一类，呈现出来良好的区域分布特征。同时，对聚类的结果进行统计学上的显著性检验，采用LSD法（Least-significant Difference，最小显著差值法）对其分组数据进行单因素方差分析，得到的结果显示每个分组之间都有显著性差异（表略）。这说明我国沿海的空气污染具有明显的区域性。
根据聚类结果，对北部、东南部以及南部城市分别求API的平均值。按季度统计的区域API的均值和标准差如表2，区域月平均值的时间变化序列如图3。在统计平均时，没有包括宁波、湛江的资料（宁波在聚类时被分在南方地区一类，但考虑到城市的地理位置位于东南部，故剔除）。
季度
北部城市
东南部城市 南部城市
均值 标准差 均值 标准差 均值
标准差 2001年第三季度 66.26 13.51 60.14 10.59 44.40 11.58 2001年第四季度 85.74 18.39 80.15 17.95 57.21 9.18 2002年第一季度 99.29 22.21 94.27 18.70 57.42 11.00 2002年第二季度 87.45 30.25 76.57 16.37 39.43 10.98 2002年第三季度 66.53 12.72 68.31 14.20 41.59 13.91 2002年第四季度 80.58 23.63 81.34 15.45 51.88 13.01 2003年第一季度 82.01 13.30 79.73 13.52 56.64 18.84 2003年第二季度 79.81 13.74 76.35 11.47 47.83 13.77 2003年第三季度 61.67 14.87 66.52 12.10 38.03 11.99 2003年第四季度 76.13 20.51 79.91 14.95 61.81 15.70 2004年第一季度 82.92 15.17 77.54 10.59 56.57 13.88 2004年第二季度 73.47 13.22 77.14 9.78 47.88 14.02 2004年第三季度 63.05 11.58 61.80 11.06 43.83 18.03 2004年第四季度 81.16 22.32 79.07 14.88 61.50
14.21 2005
年第一季度 77.83 12.78 69.20 12.90 54.77 12.88 通过分析三个地区四年来API的季度均值和标准差，可以看到按季度平均的三个区域的API均值都低于100。但北部城市的均值和方差都较高；东南部城市略低于北部，但是相差不大；南部城市最低，API值在50上下，最高值仅为61.8。从图表中还能看到API明显的周期变化，三个地区的API值都是第一、四季度高，第三季度最低，第二季度介于二者之间。
图3表明北部城市的情况和东南部情况比较接近，东南部略低于北部。同时从聚类树状关系图上也可以看到如果分为两类那么北部和东南部就会
划归为一类。而南部城市的情况明显优于北部和东
（
130
[***********]0403020100
2001.6
2001.8
2002.2
2002.4
2002.6
2002.8
2003.2
2003.4
2001.10
2001.12
2002.10
2002.12
API值
2003.6
2003.8
2004.2
2004.4
2004.6
2004.8
2005.2
2003.10
2003.12
2004.10
月份
图3 API的区域月平均值
Fig. 3 Monthly mean of API in each region
2004.12
2005.4
南部，API平均值总体比较低。每年从入秋开始，空气污染指数开始普遍升高，在冬季12月、1月达到最高值，并于春季开始下降，在夏季6月至8月达到最低值。呈现出由于季节影响所带来的周期性变化。
2.2 分析与讨论
空气污染是一个复杂的现象，在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响。影响空气质量的主要因素主要有两个：一个是污染物质的排放量，再一个就是气象条件[9]。 2.2.1 污染源的影响
以北方城市为例分析，API高值出现在冬季，低值出现在夏季，反映了我国北方城市典型的煤烟型污染特点。API在采暖季节高于非采暖季节，主
70%60%50%
要是因为在采暖期大多城市都会启用燃煤锅炉为城市供暖。冬季燃煤量的大大增加，加重城市的空气污染状况[10]。北方地区冬季采暖时间各城市稍有差别，但大都是每年11月上旬至次年3月下旬，由北部城市的API变化时间序列图可见，这一段时间北部城市的空气污染指数值都比其它时段的值要高，从首要污染物统计中也发现这段时间北方城市二氧化硫作为首要污染物出现的频率增高，最严重时二氧化硫作为首要污染物每月平均有20 d，发生频率达到60%以上，如图4示。同时可以看到二氧化硫作为首要污染物出现的频率近年有增高的趋势。可见北方城市采暖季节燃煤量的增加明显导致了二氧化硫含量以及API的增加。 2.2.2 气象条件的影响
频率
40%30%20%10%0%
2001.6
2001.8
2002.2
2002.4
2002.6
2002.8
2003.2
2003.4
2003.6
2003.8
2004.2
2004.4
2004.6
2004.8
2005.2
2001.10
2001.12
2002.10
2002.12
2003.10
2003.12
2004.10
月份
图4 SO2为首要污染物的出现频率
2004.12
2005.4
Fig. 4 The occurrence frequency of SO2 as First Pollutant
分别将API与降水量和风速进行相关分析，发现API与月平均降水在0.05的水平上呈明显的负相关（n=48），其线性相关系数在北部地区为-0.644，东南部地区为-0.629，南部地区为-0.863，如图5—7。说明降水对污染物有显著的清除作用，使空气变得清洁；而API与风速都是正相关（n=48），北部地区、南部地区与月平均风速在0.01的水平上呈明显的正相关，相关系数分别为0.577和0.631。东南部相关系数较小只有0.079，如图8-10。究其原因，
454035m
30m/量25水20降1510
50
图5 北部地区API与降水相关关系图
Fig. 5
Correlations between API and precipitation in northern region
6050
m
40m/量水30降2010020
40
6080
100
API值
图6 东南部地区API与降水相关关系图
Fig. 6
Correlations between API and precipitation in southeastern region
6050
m
40m/量水30降2010020
40
API值
60
80
图7 南部地区API与降水相关关系图
Fig. 7 Correlations between API and precipitation in southern region
76
5)
1-s•m4(/速3风21020
40
60
80100
120
140
API值
图8 北部地区API与风速相关关系图
Fig. 8 Correlations between API and wind speed in northern region
765
)
1-s•m4(/速3风21020
40
60API值
80
100
图9 东南部地区API与风速相关关系图
Fig. 9 Correlations between API and wind speed in southeastern region
65
)
14-s•m(/3速风210
20
40
API值
60
80
图10 南部地区API与风速相关关系图
Fig. 10 Correlations between API and wind speed in southern region
风速加大容易触发地面尘土的扬起，尤其在北部地区大风可能会带来沙尘暴天气，这些都会加重空气污染，表现出API与风速呈正相关。
北方城市处于暖温带亚湿润地区[13]，冬天逆温天气出现的频率较多，具备不利扩散的气象条件，同时大气稳定度以稳定型居多，不利于空气污染物
的扩散稀释，这也是采暖期二氧化硫出现频率远高
546 生态环境 第17卷第2期（2008年3月）
发起沙、扬尘天气或沙尘暴现象[5]。地面土壤扬尘及西北地区沙尘传输造成的自然尘对API中可吸入颗粒物浓度的贡献很大[14,15]。
东南部城市位于亚热带湿润大区[13]，受季风气候影响，具有亚热带海洋性气候特征，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，风向影响着污染物的扩散方向，风速的大小决定着污染物的扩散和稀释状况[9]
。冬季主导风来自大陆，空气较为污浊而干燥，且温度较低，风速较小，同时在冬季大气稳定度以稳定型居多，不利于污染物扩散，API较高。夏季风来自海洋，海面的空气受污染小且湿度较大，同时温度普遍较高，风速较大，有利于污染物的沉积。因此，夏季的空气污染程度远小于冬季。而春秋两季为风向转换的季节，春季逐渐由陆风转换为海风，API呈下降趋势，而秋季由海风转换为陆风，API有所上升[9]。
宁波与东南部城市相关度不高，在聚类分析时被划到南部城市，这可能是以下原因造成的：（1）该市三面临山，一面向海，因而受海洋的影响更为显著，也使其空气质量远好于该区域其他城市；（2）宁波作为一个港口城市，其功能定位与本区域内的其他城市有着较大的区别[16]，使得它的污染情况与其它城市有明显差异。
南部城市位于终年气候温暖的亚热带湿润大区[13]，地处优良自净的地理位置，空气污染状况明显优于北部及东南部地区，其受季风气候影响与东南部城市相似，风速风向的影响是导致该区域API季节变化的重要因素[17-19]。同时该区域的API与降水量的负相关系数很高，可见降水在该区域对各种污染物的淋洗能够明显改善空气质量状况。该区域降水量季节性变化明显，夏季多，冬季少，4—6月为前汛期锋面暴雨季节，降雨量较多，2—3月和10—11月为春、秋季节，降雨量较少，12月到翌年1月为大陆干冷气团影响的冬季，天气干燥，降雨量甚少。因此，API高值基本出现在春季和冬季。 2.2.3 沙尘天气的影响
我国北方在2002年3月到4月遭受强沙尘暴的影响，根据2002年主要沙尘来源及移动路径的数据[20]，结合每日API，发现沙尘暴的爆发时间和北方城市API增大处于同一时间段。可见北方城市API受沙尘暴的影响也很大。这在图3、表3中有明确的反映。2002年3—4月，API均值超过100，个别日子达到500；此后随着沙尘天气发生次数的降低，2003
至2005年的春季没有异常API高值的
日期 秦皇岛 北京 天津 大连 烟台 青岛 连云港 2002-03-14 102 186 197 53 66 67 55 2002-03-16 124 500 182 72 66 78 84 2002-03-17 145 188 162 238 135 429 225 2002-03-18 93 102 91 114 81 150 212 2002-03-21 185 500 500 500 500 470 121 2002-03-22 377 370 300 500 206 329 151 2002-04-02 172 260 181 118 87 100 147 2002-04-03 139 296 397 186 90 148 145 2002-04-07 242 500 332 500 188 229 190 2002-04-08 440 500 480 500 286 500 500 2002-04-09 143 253 149 385 269 476 159 2002-04-14 134 246 143 104 83 93 108 2002-04-15 121 324 289 91 73 106 114 日期 南通 南京 苏州 上海 杭州 2002-03-18 150 169 155 158 135 2002-03-19 130 155 122 134 150 2002-03-22 181 163 250 401 152 2002-03-23 197 159 163 180 78 2002-03-31 193 275 307 208 208 2002-04-01 143 265 155 156 209 2002-04-02 147 181 162 133 148 2002-04-08 500 289 432 434 187 2002-04-09 152 131 137 154 130 2002-04-14 109 127 118 106 116 出现。此间东南部部分城市API也受到沙尘的影响，个别日子上海的API超过400，表4中列出了影响日的API值。而南部城市受沙尘天气的影响较小。
3 结论
通过对沿海23个城市2001年6月至2005年6月API数据的统计分析，初步揭示了我国东部沿海API的时间变化特征及主要影响因子，得到以下结论：可吸入颗粒物仍是最主要的空气污染物，对API影响最大。通过聚类分析将沿海区域分为北部、东南部和南部三个区域。指出采暖期燃煤对北方地区冬季API增大有显著影响；气象条件如降水和风速对三个区域都有影响，API与降水普遍成负相关，与风速成正相关；北部受沙尘暴和地理气候条件的影响，东南部受季风和降雨因素的影响，南部受海洋性气候的季节性风力和降水影响。各区域API都呈现出明显的季节性变化，有第一、四季度高，第三季度最低，第二季度介于二者之间的变化特点。
本文也试图讨论人类生产活动对API的影响，
王斌等：中国沿海城市空气污染指数的分布特征 547
以一个城市和地区的国内生产总值（GDP）代表人类生产活动的强弱，分别研究了上海和广东省的API与GDP的关系，但相关都不显著，原因可能是API的首要污染物多为PM10，主要来自城市堆料、废渣、建筑、装卸、运输等造成的扬尘，民用锅炉、火灶等的燃烧以及汽车等交通工具排放的颗粒物，仅是部分GDP的副产品。由此可见，城市API能够反映一个城市的空气质量，但主要决定于一个城市的自然条件、气候条件，以及城市建设规模等，不能明确反映人类活动的影响。可以推断，除了北方采暖期外，一个城市API的季节变化主要反映了PM10受到气象因素影响发生的变化，具有超越城市尺度的特征，本文的聚类分析结果也表明了这一点。但这与人们期望了解工业、交通等人为活动造成污染（特别是SO2，NOx）并影响健康情况的想法是不一致的。因此，仅以API和首要污染物反映城市空气质量的标准体系仍有待于改进和修正。
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Characteristics of air pollution index in coastal cities of China
Wang Bin, Gao Huiwang
Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education of China, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
Abstract: Based on four consecutive years’ API(air pollution index)data of 23 coastal cities from June 2001 to June 2005, the data of API and primary pollutant are analyzed using cluster and time series analysis methods, and the relationship between API and meteorological factors is studied adopting correlation analysis method, which shows the API variety characteristics of coastal cities. The results of cluster analysis indicate that those cities can be divided into three zones, which are the North, Southeast and South regions. The API of coastal cities is apparently influenced by precipitation and wind velocity, in which the API shares a negative correlation with precipitation while it has a positive correlation with wind velocity. This paper shows that the increase of the North API obtained in winter season highly rely on burning of fusil fuels during heating period, the northern cities are clearly affected by sand storms, the southeastern cities are influenced by precipitation and seasonal winds and the southern cities are impacted by precipitation and seasonal winds caused by subtropical oceanic climate factors. Thus, The API in each region is changing seasonally. Key words: Coastal city; Air Pollution Index (API); Cluster Analysis
基金项目：国家自然基金重大项目（40490262）；国家重点基础研究发展规划项目（2006CB403703）；新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0639） 作者简介：王斌（1982－），男，硕士研究生，研究方向为大气环境污染动力学。E-mail: [email protected] 通讯作者：高会旺，男，教授，博士，主要从事大气与海洋环境的研究。E-mail: [email protected] 收稿日期：2007-09-23