陕甘宁29城市空气污染物时空特征及潜在源区研究

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近年来,随着我国―丝绸之路经济带‖和―西部大开发‖战略部署的推进,区域环境空气质量日渐受到人们的关注,各种空气污染物与人类的生产生活息息相关。利用历史观测数据来探究短时间内空气污染物起伏变化,有助于制定空气污染防治措施,对区域环境经济的协调发展具有重要意义。本文基于2016-2018年陕甘宁29个地级市的空气质量指数(AQI)和6项标准空气污染物(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2和O3)监测的实时有效数据,利用普通克里金差值法、后向轨迹聚类分析方法、浓度权重轨迹分析方法以及Pearson相关性分析等方法,主要从空气质量总体特征、空气质量时空分布特征、颗粒污染物输送途径和潜在源区特征、空气质量影响因素等方面展开了具体研究。(1)陕甘宁地区2016-2018年空气质量状况总体为良,但部分地区污染较为严重。过去3年中,颗粒物PM2.5、PM10以及气态污染物O3作为主要污染物占总污染天数的比例较大,受PM2.5污染影响较大的城市有安康市、陇南市和咸阳市,受PM10影响较大的城市有酒泉市、白银市和吴忠市,O3作为主要污染物在陕甘宁地区主要影响的城市有张掖市、甘南藏族自治州和榆林市。(2)空气质量指数(AQI)和6项标准空气污染物质量浓度具有明显的时空分布差异。时间上,3年来陕甘宁地区颗粒物PM2.5、气态污染物NO2、SO2和CO浓度呈下降趋势,PM10和O3的浓度呈上升趋势。PM10、O3和PM10季节平均浓度较高,且ρ(PM2.5)和ρ(PM10)均超过了国家二级标准浓度限值。除臭氧外5种污染物浓度均表现为冬季最高,春秋次之,夏季最低的变化规律。空间上,AQI值在陕西省关中平原、宁夏回族自治区北部平原地区以及甘肃省酒泉地区较高,陕甘宁地区西南部较低,各项空气污染物质量浓度空间分布差异明显。此外,AQI值、ρ(PM2.5)和ρ(SO2)在空间上呈集聚分布。(3)酒泉市、兰州市、石嘴山市和西安市的颗粒物污染输送途径以及潜在源区贡献各季节有所差异。酒泉市和兰州市四季气流轨迹总体上以西北气流为主,移动速度块,输送距离长。石嘴山市四季颗粒物的主要输送通道来自两个方向,一是来自新疆东部,穿越甘肃省西北部,二是来自内蒙古西南部的沙漠地区。西安市气流移动速度最快,输送距离最长的是春季气流轨迹,轨迹来源于河南省中部。冬、春季4个典型城市大部分轨迹的PM2.5和PM10平均质量浓度都有超标现象,夏、秋季各类轨迹颗粒物平均质量浓度均较低,只有个别轨迹超标,且秋季PM2.5和PM10平均浓度和超标轨迹平均浓度均高于夏季。酒泉市PM10、PM2.5高浓度潜在源区集中在新疆中东部、甘肃西北部、内蒙古巴丹吉林沙漠以及青海省西北部,兰州市PM10、PM2.5高浓度潜在源区主要分布在内蒙古巴丹吉林沙漠区、甘肃省南部地区、四川省北部以及陕西省西南部,石嘴山市PM10、PM2.5高浓度潜在源区分布较为集中,主要集中在内蒙古地区的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠以及宁夏北部地区,西安市PM10、PM2.5高浓度潜在源主要分布在河南省中部地区、湖北省西北部以及四川省北部,且各城市春、冬季贡献值明显高于夏季和秋季。(4)空气质量指数(AQI)与平均降水、平均气温、平均气压、相对湿度以及地形的关系密切。适当的雨水对空气中的污染物有冲刷稀释的效果,因此平均降水量越大的地区,AQI值越小,空气质量越好。当地面空气温度较高时,气压降低,近地面空气极不稳定,污染物容易向上扩散,从而使近地面污染物浓度降低。地形起伏度的空间差异也间接影响着空气质量的空间变化,空气污染严重的地区主要集中在平原、盆地和高原,由于地形起伏度较大,有利于气流的扩散,因此空气污染程度较轻。市辖区人口总数、工业总产值、地区生产总值和工业企业数对空气质量指数(AQI)也具有显著影响,它们均与AQI呈现显著的正相关关系,其中,工业企业数的增加加重了工业废弃物的排放,增加了空气污染源的总量,是陕甘宁地区空气变差最主要的社会经济因素。
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