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空间差异及演化情况

总体来看，不同年份湖北省PM2.5年均浓度的空间格局既存在一致性也存在差异性。

以中部的武汉市、孝感市、天门市、仙桃市、潜江市为中心，PM2.5浓度向东西两个方向下降，形成由高向低的浓度梯度，在最西边的十堰市、神农架林区、恩施土家族苗族自治州及最东边的黄冈市、黄石市、咸宁市浓度最小，且西面浓度小于东面，整体呈现出四面拱卫中心的不对称金字塔形。

2011—2013年间中部地区形成污染较严重的核心污染区，其污染效应向四周辐射，呈现PM2.5浓度整体较高的空间格局。

2013年后PM2.5浓度下降，且浓度值相近的区域扩大，表明中部城市的污染效应有所减弱。

湖北省空间格局的形成来源于诸多因素的影响。

从经济发展情况来看，以武汉市为代表的中部城市工业化水平较高，社会发展领先于周边城市，排放浓度较高。

从自然环境来看，湖北省横跨我国第二阶梯与第三阶梯。

西部多山地，包括大巴山东部、巫山山脉、武当山、荆山和七曜山等山脉，地形崎岖不平，地势较高，风力较大，颗粒物沉降效果较好；东部多平原，地处亚热带季风气候区域，降水丰富，对颗粒物也有一定的去除效果。

2001—2020年湖北省不同年份年均PM2.5浓度空间分布

全局空间自相关特征

下面为2001—2020年湖北省PM2.5年均浓度的全局Moran’s I指数。

结果显示，全局Moran’s I指数均为正值且通过显著性检验，表明湖北省PM2.5年均浓度存在显著的正相关性，有明显的空间集聚效应，浓度高的城市与浓度高的城市邻近，浓度低的城市与浓度低的城市邻近。

全局Moran’s I指数在2004年达到最大值，表明该年份空间集聚现象最为明显。

其它年份的全局Moran’s I指数总体呈现稳定波动状态，表明湖北省空间集聚效应较稳定。

表1 湖北省PM2.5年均浓度全局空间自相关指数

局部空间自相关特征

利用各年份LISA图表征湖北省PM2.5年均浓度空间集聚特征。

研究期内湖北省PM2.5年均浓度空间集聚特征较为稳定，相邻年份的空间集聚性质基本一致。

2001—2020年间，湖北省中部的潜江市、仙桃市、天门市基本表现出高-高聚集特征，成为湖北省“核心污染区”。

其污染效应向四周辐射，在部分年份影响孝感市、武汉市及荆门市，使其共同表现出高-高聚集特征。

经济最发达的武汉市并不属于“核心污染区”，这可能是由以下原因导致：第一，武汉市以平原地形为主，有利于空气污染物扩散；第二，武汉市近年来承接产业转移，逐渐将高污染、高能耗产业转移至周边城市，优化能源结构与产业结构，使其较“核心污染区”城市而言更加合理。

恩施土家苗族自治州、神农架林区均表现出低-低聚集特征。

受西部低-低聚集区与中部高-高聚集区的共同影响，襄阳市在部分年份表现出高-低聚集特征。

仅2001—2004年间黄冈市表现出低-高聚集特征。

极少出现存在空间负相关性的区域是合理的，因为PM2.5存在较强的流动扩散性，较难出现孤立的高值或低值。

气象驱动因子特征

利用地理探测器中分异及因子探测器分析湖北省不同年份气象因子(风速、温度、湿度、日照、降雨量)对PM2.5浓度解释程度。

表2 气象因子解释程度分析结果

总体而言，各气象因子在不同年份对PM2.5浓度均具有较显著影响。

2001—2020年间，各气象因子平均解释程度顺序为风速(0.798)＞温度(0.752)＞湿度(0.727)＞日照(0.694)＞降水(0.639)。

不同年份影响程度差异显著，为直观判断不同年份气象因子影响程度演化特征，对不同年份各因子影响强度进行大小比较。

研究显示，2001—2010年间，温度在大多数年份影响强度最大，为主导驱动因子；2010—2020年间，风速在大多数年份影响强度最大，为主导驱动因子，这与Westervelt等与Ma等的研究结论 (PM2.5浓度对温度与风速的敏感程度最高)一致。

温度主要通过复杂的物理化学反应对PM2.5浓度产生影响。

温度较高时，大气湍流扩散加剧，光化学反应增强，有利于颗粒物扩散稀释作用和二次气溶胶的形成。

风速主要通过输送扩散作用对PM2.5浓度产生影响，风速较低时，颗粒物不易输送扩散，容易发生局部累积，使PM2.5浓度升高。

2011—2016年间风速解释程度逐渐增大，而2017—2020年间风速解释程度逐渐减小，可见风速解释程度变化趋势与PM2.5浓度变化趋势几乎一致。

此外，2001—2020年间气象条件的变化程度较人为排放的变化程度而言幅度极小。

因此，有理由将2010年前后主导气象因子的改变归因于人为排放的大幅变化。

当人为排放增加，PM2.5浓度升高，风速扩散作用更强烈，使风速成为主导因子。

当人为排放受到有效控制，PM2.5浓度降低，风速扩散作用减弱，解释程度逐步降低。

这与蔡子颖等对天津市的研究结果(2013—2020年人为排放下降与大气扩散条件转好是PM2.5质量浓度持续下降的绝对主导因素)类似。

湖北省不同年份PM2.5年均浓度空间集聚特征

表3湖北省不同年份气象驱动因子影响强度

结论

基于PM2.5浓度空间分布数据，利用空间自相关、核密度估计等方法分析了2001—2020年湖北省PM2.5浓度时空变化特征，利用地理探测器对影响PM2.5浓度的气象驱动因子进行分析。

主要结论如下：

(1)2001—2020年间湖北省PM2.5年均浓度整体表现出以2013年为分界线的“倒U”形特征。

2001—2013年间，湖北省各城市PM2.5年均浓度均值由42.47μg‧m-3逐步上升至62.94μg‧m-3；2013—2020年间，湖北省各城市PM2.5年均浓度均值由62.94μg‧m-3减少至32.85μg‧m-3。

2001—2020年期间，湖北省PM2.5污染情况总体较好，除2011、2013年外，并且在2017年起逐渐由良向优转变，与大气污染防治攻坚战政策落实具有较高的响应性。

核密度估计显示，2001—2013年各城市PM2.5年均浓度值随时间推移逐渐分散，主要分布在浓度较高的区间；2013—2020年各城市PM2.5年均浓度值随时间逐渐推移逐渐集中。

2013年后浓度较高地区的扩散效应逐渐减小。

(2)以武汉市等中部城市为分界线，湖北省PM2.5向东西两方向均存在由高至低的浓度梯度，且西面浓度小于东面，整体呈现出四面拱卫中心的不对称金字塔形，这与湖北省地势西高东低的走向有一定相关性。

2001—2020年间湖北省PM2.5空间分布存在显著的正相关性，且集聚效应比较稳定。

湖北省中部的潜江市、仙桃市、天门市基本表现出高-高聚集特征，恩施土家苗族自治州、神农架林区均表现出低-低聚集特征，极少出现表现出空间负相关性的高-低及低-高聚集特征的城市。

(3)气象因子在不同年份对PM2.5浓度均具有较显著影响。

2001—2020年间不同气象因子对PM2.5浓度平均解释程度排序为风速(0.798)＞温度(0.752)＞湿度(0.727)＞日照(0.694)＞降水(0.639)。

2010年前温度为主要主导驱动因子，2010年后风速为主要主导驱动因子。

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