基于地面、衛(wèi)星和模擬數(shù)據(jù)協(xié)同分析的蘭州市多季節(jié)空氣污染特征研究.pdf

1、隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，人類活動對自然環(huán)境造成巨大的影響，而日益惡化的自然環(huán)境也在進一步威脅著人類的生存。其中，大氣作為最敏感的自然資源之一，對人類生存的影響至關(guān)重要。
　　大氣中高濃度的污染物不僅會損害農(nóng)業(yè)、工業(yè)、住宅建筑、技術(shù)設(shè)施以及歷史遺跡等，還會嚴重危害公眾健康。因此，空氣污染問題長期以來備受科學(xué)界廣泛關(guān)注。學(xué)者們從PM2.5的平均分布、MODIS氣溶膠產(chǎn)品可靠性驗證、氣溶膠表面反射、光學(xué)厚度的聯(lián)合反

2、演和季節(jié)性變化等方面研究了廣州、北京、武漢、重慶等大城市空氣污染情況，并取得了較為豐碩的研究成果。但總的來說，現(xiàn)有的相關(guān)研究仍存在以下問題:
　　(1)數(shù)據(jù)來源單一。由于遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率通常難以滿足大氣污染物濃度的日變化監(jiān)測，所以僅僅依靠單一的遙感數(shù)據(jù)很難得到準確的研究結(jié)果，難以對空氣污染物進行更為精細的統(tǒng)計。另外，在利用遙感數(shù)據(jù)提取大氣污染物信息時，需要考慮大氣垂直結(jié)構(gòu)造成的影響，而現(xiàn)有研究往往容易忽略這一點。
　　(

3、2)空氣污染物在空間上的分布具有明顯的區(qū)域特征，對污染物進行時空分布的差異性研究具有重要意義，而目前學(xué)者對這方面的研究相對較少。
　　(3)氣象因素在一定程度上影響了污染物的分布和擴散，研究空氣污染物濃度與氣象參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系具有重要意義，而目前學(xué)者對這方面的研究同樣較少。
　　(4)已有關(guān)于PM2.5和PM10的相關(guān)研究大多集中在東部大城市，對西部城市及農(nóng)村地區(qū)的研究明顯不足。
　　論文針對現(xiàn)有相關(guān)研究的不足，選取

4、蘭州市及其周邊地區(qū)為研究區(qū)域，通過地面監(jiān)測站點數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和模型模擬等數(shù)據(jù)的協(xié)同分析，對蘭州市空氣污染物的季節(jié)變化特征進行了系統(tǒng)研究。
　　蘭州作為中國西北重要的工業(yè)基地和交通樞紐中心，擁有大量與環(huán)境污染相關(guān)的石油化工產(chǎn)業(yè)，空氣中化工產(chǎn)業(yè)排放的微粒污染物成為影響了城市空氣污染的重要因素之一。該問題在2013年以前尤為嚴重。雖然在2013年實施的天然氣加熱、粉塵處理等措施，空氣污染得到有效控制，但隨著城市人口密度增加，車輛

5、數(shù)量增多和大量工程的開工，新的城市污染問題不斷出現(xiàn)。目前，蘭州市空氣污染的相關(guān)研究大多是依靠地面觀測站點數(shù)據(jù)或單一的影像數(shù)據(jù)，從PM10/PM2.5的空間分布上進行研究，且對成因的分析相對較少。另外，蘭州毗鄰沙漠，季節(jié)性沙塵暴帶來的空氣固體顆粒也在進一步加劇蘭州空氣質(zhì)量惡化。針對這些問題，很少有學(xué)者進行深入研究。因此，運用合理的理論和方法研究蘭州市空氣污染物的季節(jié)變化特征，具有重要的現(xiàn)實意義和研究價值。具體表現(xiàn)在:
　　(1)采用

6、多種研究方法，針對不同的污染源，對蘭州市空氣污染進行多角度、多元化研究與分析，并對蘭州市污染物來源進行了具體追蹤，有助于掌握蘭州市大氣污染的具體情況。
　　(2)通過對衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、地面觀測站點數(shù)據(jù)以及各種污染物污染程度統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)的協(xié)同對比分析，可以找到蘭州市空氣污染的季節(jié)變化特征。
　　(3)通過分析蘭州市空氣污染物的季節(jié)變化特征，可以為空氣治理指明方向，為決策者采取合理科學(xué)的環(huán)境保護方案提供理論依據(jù)。
　　總

7、之，本研究對于社會經(jīng)濟和民眾生活質(zhì)量的提升有重要意義;同時，還可以為解決中國其他地區(qū)的類似問題提供參考。
　　全文共分7章，章節(jié)安排和主要研究內(nèi)容如下:
　　第一章:緒論。本章對研究的背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和意義進行了闡述。
　　第二章:研究區(qū)、方法及數(shù)據(jù)。本章首先對蘭州市的基本概況進行了介紹，其次針對論文中所用到的研究方法進行了闡述，最后對研究數(shù)據(jù)的選擇和處理進行了說明。
　　第三章:蘭州市氣溶膠光學(xué)厚度和城市熱

8、島效應(yīng)研究。本章首先利用MODIS和Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)對蘭州市氣溶膠光學(xué)厚度及地表熱島效應(yīng)的時空動態(tài)變化進行了分析，并對城市及其周圍地區(qū)的相對溫度分布進行了分析。其次，本章還分析了2010-2016年間的蘭州市的大氣氣溶膠背散射系數(shù)、體積去退偏率和波長分布比，并對歸一化植被指數(shù)(NDVI)與地球表面溫度之間的相關(guān)關(guān)系進行了分析。為了獲得典型灰塵天氣的氣象數(shù)據(jù)，本章對CALIPSO儀器數(shù)據(jù)系統(tǒng)、NAAPS氣溶膠（海軍氣溶膠分析

9、預(yù)測系統(tǒng)）預(yù)報模型以及氣溶膠和灰塵垂直分布的特點進行了對比分析。最后選用NAAPS氣溶膠系統(tǒng)分析與預(yù)報模型，并對2010-2016年揚塵跨域傳輸中氣溶膠的區(qū)域范圍和垂直分布特征分別進行了研究。
　　第四章:2003-2012年蘭州市空氣污染研究。本章首先對近十年來蘭州市空氣質(zhì)量進行了評估。其次，本章選取SO2、 NO2、 CO和粉塵作為空氣污染物的主要研究指標，利用Spearman等級相關(guān)系數(shù)等方法，對蘭州市空氣污染物濃度的年變化

10、、季節(jié)變化和日變化進行了分析。最后，對蘭州市空氣中SO2、NO2和PM10濃度數(shù)據(jù)和蘭州市同期氣象資料進行了對比分析，進一步研究了SO2、NO2和PM10濃度與氣象參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。
　　第五章:蘭州市空氣污染物濃度及來源分析。本章主要對蘭州市污染總量和2013-2016年蘭州市空氣污染物濃度特征進行了研究。首先，通過對蘭州市空氣質(zhì)量綜合指標(AQI)的分析，得出了蘭州市空氣污染總量的變化特征。其次，通過對2013-2016年間

11、蘭州市空氣中SO2、O3和NO2濃度及其相關(guān)性的系統(tǒng)分析，研究了蘭州市主要大氣污染物濃度的季節(jié)變化特征。最后，對蘭州市大氣污染的主要來源進行了追蹤，研究了不同季節(jié)PM2.5與PM10濃度的相關(guān)性。。
　　第六章:蘭州市空氣污染原因及其影響因素分析。本章對影響蘭州市及周邊地區(qū)的沙塵暴進行分類研究，并分析了沙塵暴的來源及對區(qū)域空氣質(zhì)量的影響。另外，本章還研究了影響空氣污染的氣象條件。
　　第七章:總結(jié)與展望。
　　綜上所述

12、，論文基于不同季節(jié)的氣溶膠激光雷達、紅外探路衛(wèi)星觀測(CALIPSO)、臭氧監(jiān)測儀器(OMI)、Landsat-8及地面空氣質(zhì)量監(jiān)測站實測數(shù)據(jù)等多源多尺度數(shù)據(jù)，在數(shù)理統(tǒng)計方法、混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型(HYSPLIT)、海軍氣凝膠分析預(yù)報系統(tǒng)(NAAPS)和臭氧監(jiān)測儀(OMI)等方法協(xié)同分析的基礎(chǔ)上，對蘭州空氣污染物的主要來源、空氣污染的演變機理以及空氣污染物的季節(jié)變化特征進行了系統(tǒng)研究，并達到了預(yù)期的研究目的。
　　筆者認

13、為，在地面監(jiān)測站點的選取方面，如果能擴大數(shù)據(jù)采集站點的區(qū)域范圍，獲取不同地區(qū)的觀測數(shù)據(jù)，將能更準確地追蹤污染源，更有利于提高分析結(jié)果的準確性。因此，筆者將在下一步工作中就此進行完善，擴大地面觀測站點的區(qū)域范圍，以獲得更為準確的研究結(jié)果。
　　論文取得的主要研究成果如下:
　　(1)論文基于多源數(shù)據(jù)對蘭州市空氣主要污染物(PM2.5、PM10、NO2、 SO2、CO、O3)濃度進行相關(guān)性分析及動態(tài)變化分析，揭示了蘭州市空氣質(zhì)量

14、的長期動態(tài)變化特征和主要污染物在年度、季節(jié)和日變化規(guī)律。具體表現(xiàn)在:
　　污染物濃度年變化:大氣中SO2和NO2的濃度在供暖期（冬春季）和非供暖期（夏秋季）差異顯著。這主要與政府實施集中采暖、藍天工程、綠化工程等空氣污染治理措施有關(guān)。
　　污染物濃度季節(jié)變化:2003-2012年蘭州平均月度污染物濃度主要集中在冬季，夏、秋兩季呈現(xiàn)低濃度變化態(tài)勢。與年變化特征不同，SO2和NO2濃度的季節(jié)變化曲線均呈單峰分布，而PM10變化曲

15、線呈現(xiàn)雙峰型分布。PM2.5、SO2、NO2和CO的平均濃度具有相同的季度變化趨勢，表現(xiàn)為:冬季＞秋季＞春季＞夏季。PM10的質(zhì)量濃度值從重到輕的變化趨勢為:冬季＞春季＞秋季＞夏季，其中冬季差異不大。春天塵埃天氣使PM10濃度增加，但強風(fēng)對清除氣體污染物起到了重要作用，因此春季PM2.5、SO2、NO2和CO的濃度略低于秋季。
　　污染物濃度日變化:利用蘭州市5個自動監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了春季SO2、NO2和PM10的日變化特征。

16、結(jié)果表明蘭州市大氣中的PM10濃度晝夜變化顯著，NO2和SO2的濃度在上午7點至下午1點變化表現(xiàn)為高峰值分布。
　　蘭州氣象條件對大氣污染物濃度有顯著影響，污染物濃度與氣象因子之間存在非線性關(guān)系。
　　總體來看，蘭州市平均PM濃度超過世界衛(wèi)生組織標準值，對蘭州市民和環(huán)境造成嚴重影響。冬季空氣污染物的季節(jié)變化最大，春季揚塵最多，夏季空氣質(zhì)量最好。年度空氣污染變化主要取決于熱電產(chǎn)業(yè)和車輛的季節(jié)性運行模式。污染物濃度的日變化與大氣

17、流動有關(guān)。
　　(2)根據(jù)城市空氣質(zhì)量指標API(空氣污染指數(shù))和AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))對城市整體污染水平進行了綜合分析，確定了空氣質(zhì)量等級、主要污染物的種類、長期以及每月的動態(tài)特征等。具體表現(xiàn)在:
　　2001-2011年蘭州市空氣污染總量平均高達115，表明在過去11年里，蘭州空氣污染總量較高，空氣污染嚴重。2013-2016年間AQI逐漸下降，達到16年來的最低水平。
　　污染物PM2.5和PM10的濃度在春節(jié)呈

18、現(xiàn)顯著增加的趨勢。主要是因為在春節(jié)空氣質(zhì)量容易受沙塵暴的影響。
　　1-3月份供暖增加的煤炭燃燒量使PM2.5濃度顯著升高。這一結(jié)果可以解釋為家庭供暖的煤炭是造成冬季蘭州市空氣污染的重要因素。
　　蘭州市冬、春兩季天氣干旱，降水量小，空氣流動性弱，不利于降低PM2.5和PM10的濃度。4月以后，河西地區(qū)NDVI值增高，外界輸入的空氣污染顆粒物（主要是PM10)逐漸減少，同時隨著加熱期結(jié)束，用煤量減少，季節(jié)性降水增多，大氣中P

19、M2.5的質(zhì)量濃度得以明顯降低。
　　(3)分析了蘭州市空氣污染的氣象條件，確定城市大氣自凈能力的凈化速率，揭示了氣象參數(shù)與大氣污染的關(guān)系以及氣候因子與大氣污染物的關(guān)系。具體結(jié)果如下:
　　SO2、NO2和CO的濃度與氣象參數(shù)（地表起伏、風(fēng)向、風(fēng)速、當前溫度梯度和相對空氣濕度）有著顯著關(guān)系，可以構(gòu)建大氣污染的多維回歸模型。大氣污染不僅取決于氣象數(shù)量的復(fù)雜性，而且作為反饋也影響到空氣的熱力學(xué)狀態(tài)，形成熱島效應(yīng)。
　　蘭州

20、市空氣凈化能力在3月份至9月份之間對空氣質(zhì)量的影響較大，而在11月份至1月份之間對空氣質(zhì)量的影響較小;同時研究表明，蘭州年均的空氣凈化能力K'=2.27，能夠?qū)諝赓|(zhì)量產(chǎn)生一定影響。
　　風(fēng)速能夠直接或間接影響空氣質(zhì)量。研究表明，當風(fēng)速≥6米/秒時，能夠?qū)諝鈨艋芰Ξa(chǎn)生顯著影響，但受到蘭州市兩山夾一河的河谷型特殊地理區(qū)位因素的影響，蘭州市年平均風(fēng)速在2-4米/秒之間，大大減弱了風(fēng)速對蘭州市的空氣質(zhì)量的凈化作用。
　　降水作

21、為氣候的重要因素，也會影響空氣質(zhì)量。蘭州市降水存在季節(jié)變化，夏季降水要多于其他季節(jié)，從而對空氣質(zhì)量的影響也存在季節(jié)性差異。
　　(4)分析了蘭州市及周邊地區(qū)的整體環(huán)境狀況，利用中等分辨率成像分光計(Terra)和Landsat-8數(shù)據(jù)計算了大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)，研究了蘭州市城市熱島效益(UHI)，揭示了地表溫度(LST)和歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)的相關(guān)關(guān)系，并對蘭州市的熱結(jié)構(gòu)進行了準確評估。具體結(jié)果如下:
　　

22、城市熱島效應(yīng)研究:蘭州市的表面溫度分布動態(tài)變化趨勢及季節(jié)變化具有一定的規(guī)律性，城區(qū)中心溫度相對較高，驗證了相關(guān)文獻的研究成果。此外，歸一化植被指數(shù)(NDVI)與地球表明溫度之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，但由于蘭州市很少有大面積高植被覆蓋區(qū)，所以蘭州植被覆蓋對熱場的累積效應(yīng)應(yīng)該被認為是非常有限。
　　城市氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)研究:2005-2016年間，蘭州市平均AOD變化表明，四月份最高(0.5);10-11月份、1-2月份的值相對

23、較低，變化值在0.05-0.15之間;3-7月份的AOD平均值呈明顯增高的趨勢，主要是因為隨著降雨的增多，蘭州市大氣中水汽含量相對增多，其中6月份的平均相對濕度為當年最高。此外，當相對濕度升高時，氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)會得到顯著改善。
　　城市空氣中揚塵主要來源:本研究表明，蘭州市揚塵主要來自內(nèi)蒙古中部和南部、甘肅、寧夏、山西北部和河北北部等區(qū)域。
　　(5)在混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型(HYSPLIT)、海軍氣凝膠分

24、析預(yù)報系統(tǒng)(NAAPS)和臭氧監(jiān)測儀(OMI)對比分析的基礎(chǔ)上，研究了蘭州市及其周邊地區(qū)主要空氣污染物的來源，并且驗證了多方法協(xié)同研究空氣污染問題的可行性。研究表明，除了區(qū)域內(nèi)部污染源外，在研究區(qū)外還有外部污染源，主要來自三個方面:“北部”（空氣群經(jīng)過的戈壁沙漠、蒙古共和國和內(nèi)蒙古）、“西北部”（新疆古爾班通古特沙漠）和“東北部”（內(nèi)蒙古、寧夏）。另外，還有部分污染源來自西部沙漠（新疆塔克拉瑪干沙漠和柴達木沙漠）的污染，空氣污染物主要通