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        蘭州市空氣污染物變化及污染持續(xù)性特征分析

        2023-06-08 03:27:34趙偵竹馬敏勁康國(guó)強(qiáng)曹譯丹
        干旱區(qū)研究 2023年5期
        關(guān)鍵詞:蘭州市天數(shù)中度

        趙偵竹,馬敏勁,康國(guó)強(qiáng),曹譯丹

        (蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

        持續(xù)性空氣污染是指連續(xù)幾天發(fā)生空氣污染,空氣質(zhì)量持續(xù)惡化不僅影響人們的正常生活,還對(duì)人的身心健康產(chǎn)生極大的威脅[1-3]。大量流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn),大氣污染物濃度升高引起呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和就診率迅速增加,即使是中等濃度的空氣污染也可能導(dǎo)致肺功能下降,并增加患支氣管炎等疾病的風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。暴露于高濃度的PM2.5的空氣中可引發(fā)心血管疾病,長(zhǎng)期接觸(如幾年)比短期接觸更大程度上增加心血管疾病死亡的風(fēng)險(xiǎn)[7],由于空氣污染,中國(guó)人的預(yù)期壽命減少了5.5歲[5]。在持續(xù)性空氣污染過(guò)程中,污染物濃度由于其累聚時(shí)間較長(zhǎng)往往更大,產(chǎn)生的危害也會(huì)更大,成為重要的環(huán)境問(wèn)題。

        持續(xù)性空氣污染是山谷空氣污染的重要特征,在地形作用下空氣污染過(guò)程變得復(fù)雜[8-9]。在相同排放量條件下,山谷城市空氣污染比平原城市嚴(yán)重得多,如重慶、寶雞等山谷城市,持續(xù)性空氣污染能連續(xù)幾天AQI 超過(guò)150,高濃度PM10和PM2.5能持續(xù)整個(gè)污染過(guò)程[10-11]。在深谷中,逆溫層的破壞需要好幾個(gè)小時(shí),甚至幾天內(nèi)不會(huì)發(fā)生,尤其入射輻射很小的冬季,形成接地逆溫,擴(kuò)散被抑制[12],且逆溫結(jié)構(gòu)越強(qiáng),污染物累積的程度越大,逆溫強(qiáng)度同城市上空空氣污染物之間存在明顯的正反饋過(guò)程[13-16];另一方面,污染物濃度也會(huì)影響大氣邊界層發(fā)展,氣溶膠通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射,形成穩(wěn)定而淺薄的邊界層[17],進(jìn)而影響污染物自身擴(kuò)散,形成一個(gè)互反饋的過(guò)程[18]。邊界層結(jié)構(gòu)特征不僅影響已有污染物空間分布,還影響新顆粒物形成,邊界層的逆溫結(jié)構(gòu)有利于新粒子形成[19],使氣態(tài)污染物向顆粒物快速轉(zhuǎn)化,造成嚴(yán)重空氣污染[20]。與平原不同,大多數(shù)山谷地表覆蓋類(lèi)型并不單一,如山谷底部有水面和城市,這種非均一地表覆蓋會(huì)驅(qū)動(dòng)熱動(dòng)力過(guò)程,疊加在一定的天氣背景場(chǎng)上,抑制污染物向下混合[21-22];山谷城市冠層增暖效應(yīng)會(huì)維持和加強(qiáng)近地面逆溫,導(dǎo)致邊界層擴(kuò)散條件變差,空氣污染事件增多[23-25]。

        蘭州是典型的河谷型山谷城市[26],靜風(fēng)天數(shù)占全年的55%,全年約有80%的天數(shù)出現(xiàn)逆溫[27],且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致了谷中污染物難以擴(kuò)散[28]。此外還有來(lái)自上游及周?chē)貐^(qū)的自然沙塵源的影響[29],僅河西地區(qū)每年向蘭州市區(qū)輸送了大量沙塵粒子[30]。蘭州是中國(guó)西北地區(qū)重要的工業(yè)基地[31],大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻,西固區(qū)是國(guó)內(nèi)首先發(fā)生光化學(xué)煙霧的地區(qū)[32]。自然環(huán)境和人為活動(dòng)的雙重影響下,蘭州嚴(yán)重空氣污染事件頻發(fā),持續(xù)性污染過(guò)程較多。針對(duì)蘭州惡化的空氣質(zhì)量,蘭州市政府制定了一系列包括減排、抑塵、控車(chē)、壓煤等空氣質(zhì)量治理措施,新冠疫情暴發(fā)以來(lái),人為活動(dòng)和企業(yè)排放大幅減少[33],空氣質(zhì)量有所改善。本文采用2014—2021 年蘭州市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料,分析蘭州市的大氣污染特征和變化趨勢(shì)并重點(diǎn)分析蘭州市污染過(guò)程持續(xù)性特征,結(jié)果為蘭州市區(qū)大氣污染防治及管理策略提供參考。

        1 數(shù)據(jù)與方法

        空氣質(zhì)量逐日數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)空氣質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)[34],本文采用2014 年1 月1 日至2021年12 月31 日的空氣污染數(shù)據(jù),包括每日AQI 以及PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3(8 h)(臭氧8 h 滑動(dòng)平均)和CO 的質(zhì)量濃度。通過(guò)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(https://air.cnemc.cn:18007)的蘭州市空氣質(zhì)量逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)(2014年4月24日和5月9日O3(8 h)數(shù)據(jù)缺失)。

        采用上述數(shù)據(jù),通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法,分析蘭州市空氣污染年際變化特征、月季變化特征并重點(diǎn)分析蘭州市持續(xù)性空氣污染特征。為了分析持續(xù)性空氣污染特征,在空氣污染等級(jí)劃分的基礎(chǔ)上,依據(jù)持續(xù)性污染發(fā)生的頻次(次數(shù)足夠有統(tǒng)計(jì)意義),對(duì)不同持續(xù)時(shí)間的持續(xù)性污染過(guò)程進(jìn)行了定義。在一次持續(xù)性污染過(guò)程中,將持續(xù)時(shí)間≥2 d且≤4 d定義為短時(shí)間持續(xù)污染過(guò)程,持續(xù)時(shí)間>4 d定義為長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)污染過(guò)程。如果空氣質(zhì)量等級(jí)一直持續(xù)為輕度,則將這次持續(xù)性污染過(guò)程定義為一次輕度持續(xù)污染過(guò)程;如果空氣質(zhì)量等級(jí)持續(xù)為輕度污染,至少出現(xiàn)1 d中度污染,則將該污染過(guò)程定義為中度持續(xù)污染過(guò)程;如果空氣質(zhì)量等級(jí)持續(xù)為輕度污染或中度污染,至少出現(xiàn)1 d 重度污染或嚴(yán)重污染,則將該污染過(guò)程定義為重度持續(xù)污染過(guò)程。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 蘭州市空氣質(zhì)量變化特征

        環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱指數(shù)。AQI 劃分為0~50、51~100、101~150、151~200、201~300 和>300 共6 個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)于空氣質(zhì)量的6個(gè)級(jí)別(一級(jí):優(yōu);二級(jí):良;三級(jí):輕度污染;四級(jí):中度污染;五級(jí):重度污染;六級(jí):嚴(yán)重污染),指數(shù)越大,級(jí)別越高,說(shuō)明污染越嚴(yán)重,對(duì)人體健康的影響也越明顯。由圖1 可知,2014—2021年蘭州市AQI平均值為90.97,屬于空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),逐日AQI 最小值為29.00,僅為平均值的31.88%,最大值為897.66,是平均值的9.87倍。

        圖1 2014—2021年蘭州市AQI平均指數(shù)的年際變化及其標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.1 The annual variation of AQI average index and its standard deviations from 2014 to 2021 in Lanzhou

        自2014年以來(lái),盡管AQI值在2015—2017年和2020—2021 年呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但整體蘭州市AQI 年平均值在78.45~102.78,呈波動(dòng)下降趨勢(shì),蘭州市環(huán)境及空氣質(zhì)量略有提高,并且除了2017 年以外,其余年份的AQI 均達(dá)到“良”的水平。在2014—2021年,AQI 指數(shù)的年均值和AQI 指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢(shì)基本相一致,且AQI 標(biāo)準(zhǔn)差的降幅和增幅都高于年均值的降幅和增幅。在此期間,AQI 年均值和AQI 的標(biāo)準(zhǔn)差不斷波動(dòng),經(jīng)統(tǒng)計(jì)AQI 年均值高的年份出現(xiàn)較大值的空氣污染事件的次數(shù)更多,AQI 年均值低的年份與之相反,AQI 年均值的變化主要由較大值的空氣污染事件的發(fā)生次數(shù)所決定。但在2017—2018 年,AQI 值下降,AQI 的標(biāo)準(zhǔn)差上升,說(shuō)明2018年的污染狀況比2017年輕微,但AQI值波動(dòng)較大。2019年末全球疫情爆發(fā),包括蘭州等大部分城市從2020年1月下旬開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)清零,這些措施被認(rèn)為大大減少了空氣污染物的排放[33]。但蘭州市近年來(lái)空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)的幅度并不十分明顯,其中原因有待未來(lái)得到進(jìn)一步分析與解釋。

        2014—2021年AQI等級(jí)為一級(jí)的天數(shù)有172 d、二級(jí)1995 d、三級(jí)623 d、四級(jí)83 d、五級(jí)12 d、六級(jí)37 d。蘭州市空氣質(zhì)量最主要以良和輕度污染為主,重度污染的天數(shù)較少,嚴(yán)重污染的天數(shù)最少。由表1 可以看出空氣質(zhì)量分級(jí)天數(shù)的年際變化,2014—2021 年優(yōu)良天數(shù)大體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),在2015—2017 年優(yōu)良天數(shù)較少,2021 年優(yōu)良天數(shù)比2014 年多30 d,AQI 等級(jí)為三級(jí)與四級(jí)的天數(shù)整體呈下降趨勢(shì),僅在2014—2016 年,2020—2021 年稍有上升;五級(jí)與六級(jí)的天數(shù)整體呈下降趨勢(shì),但趨勢(shì)不明顯,2021 年達(dá)到重度污染及以上的天數(shù)為8 d,僅比2014 年和2018 年少1 d。總體上,蘭州市的空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。

        表1 2014—2021年蘭州市不同空氣質(zhì)量等級(jí)發(fā)生天數(shù)Tab.1 Number of days with different air quality levels in Lanzhou from 2014 to 2021

        2014—2021 年蘭州市AQI>50 時(shí)空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)最大的污染物為首要污染物(2014 年4 月24 日和5 月9 日因數(shù)據(jù)缺失無(wú)法得到首要污染物)。由表2統(tǒng)計(jì)可知,2014—2021年首要污染物為PM10的天數(shù)一共有1241 d,占總天數(shù)42.47%,且整體呈下降趨勢(shì),但每年首要污染物為PM10的天數(shù)仍較多。以PM2.5為首要污染物的天數(shù)整體呈下降趨勢(shì),說(shuō)明近幾年,隨著大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的實(shí)施,PM2.5污染狀況逐步好轉(zhuǎn);而以NO2與O3(8 h)為首要污染物的天數(shù)則與PM2.5相反,整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),其中,以O(shè)3(8 h)為首要污染物的天數(shù)為654 d,占總天數(shù)的22.38%,僅次于以PM10為首要污染物的天數(shù)。蘭州市近地面O3主要是由人為排放的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和氮氧化物(NOx)在紫外線(xiàn)的照射下經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)生成,而VOCs和NOx絕大部分是通過(guò)燃料燃燒和工業(yè)污染大量排放[35],重點(diǎn)控制NOx和VOCs的排放,減少蘭州市近地面O3的生成,以應(yīng)對(duì)新型空氣污染變化趨勢(shì)。

        表2 2014—2021年蘭州市首要污染物發(fā)生天數(shù)Tab.2 Number of days with main pollutants in Lanzhou from 2014 to 2021

        2014—2021 年AQI 的季節(jié)變化顯示(圖2),冬季是空氣污染最嚴(yán)重的季節(jié),其次為春季和秋季,夏季的空氣污染較輕,冬季除了供暖增加污染物排放以外,在地形的影響下,蘭州上空容易出現(xiàn)穩(wěn)定的大氣層結(jié),污染物不斷地累積在山谷中,造成嚴(yán)重持續(xù)性污染。當(dāng)一些天氣過(guò)程如鋒面過(guò)境、大風(fēng)天氣等發(fā)生時(shí),破壞了谷中穩(wěn)定的大氣層結(jié)結(jié)構(gòu),擴(kuò)散條件發(fā)生改變,空氣質(zhì)量得以改善[36]。蘭州市春季AQI 平均值僅比冬季減少了1.53,二者差別不大,春季沙塵天氣頻發(fā)是影響蘭州市大氣環(huán)境質(zhì)量的原因之一[37-38],王式功等[39]認(rèn)為沙塵暴主要發(fā)生在春季和初夏是由土壤表層疏松、冷空氣活動(dòng)頻繁和午后大氣層結(jié)不穩(wěn)定等原因造成。沙塵天氣的發(fā)生與空氣質(zhì)量等級(jí)的季節(jié)分布具有較好的一致性,尤其春季,沙塵天氣對(duì)蘭州市空氣質(zhì)量有著重要的影響[30]。整體來(lái)看,夏季空氣污染指數(shù)較為穩(wěn)定,波動(dòng)情況較小,其季節(jié)平均值在四個(gè)季節(jié)中也最小,說(shuō)明夏季的空氣質(zhì)量在四季中最好。

        圖2 2014—2021年蘭州市季節(jié)平均AQI指數(shù)箱形圖Fig.2 The box diagram of AQI seasonal average from 2014 to 2021 in Lanzhou

        圖3 描述了2014—2021 年的AQI 月變化情況,AQI變化較為相似,存在明顯的月變化,大致都呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢(shì)。其中2014 年、2015 年、2019 年和2020 年AQI 月變化的波動(dòng)較為平緩,而2021年AQI月變化的波動(dòng)最劇烈,從2—3月AQI月平均值突增,3月14日至3月30日,蘭州市出現(xiàn)一次長(zhǎng)達(dá)17 d 的重度持續(xù)性污染過(guò)程,AQI 維持在105~500,而其他月份空氣質(zhì)量較好,并無(wú)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的重度持續(xù)性污染過(guò)程出現(xiàn),從而導(dǎo)致3 月AQI 平均值遠(yuǎn)高于其他月份,AQI 月變化情況與其他年份差異較大。AQI平均值的高值區(qū)出現(xiàn)在5月之前和10月之后,除了2020年上半年AQI變化的波動(dòng)極為平緩,無(wú)明顯峰值外,其他年份的AQI月變化情況都呈現(xiàn)出較為明顯的雙峰值曲線(xiàn),第一個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間為3—5 月(2016 年較為特殊,第一個(gè)峰值出現(xiàn)在2 月),第二個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間為11 月份或12 月份。進(jìn)一步說(shuō)明了蘭州市空氣污染嚴(yán)重時(shí)期經(jīng)常出現(xiàn)在春季和冬季。

        圖3 2014—2021年AQI指數(shù)月變化Fig.3 Monthly change of AQI index from 2014 to 2021

        蘭州市空氣污染物濃度隨季節(jié)呈現(xiàn)出不同變化,其中隨季節(jié)變化較為明顯的是PM10、PM2.5以及O3(8 h),蘭州市PM10濃度在春季最高,為141.84 μg·m-3,由于春季是我國(guó)沙塵天氣的高發(fā)期,上游地區(qū)沙塵輸送以及本地的大風(fēng)揚(yáng)塵造成蘭州市粗顆粒物濃度出現(xiàn)峰值;隨后開(kāi)始下降,并于夏季達(dá)到最低,為71.77 μg·m-3。在秋季和冬季PM10濃度也較高,分別為99.80 μg·m-3和129.38 μg·m-3,較高的PM10濃度使首要污染物為PM10的污染天數(shù)也增多。如圖4所示,春季、秋季和冬季首要污染物為PM10的天數(shù)分別為452 d、334 d 和257 d。其中,2—5 月和9—11月以PM10為首要污染物的污染天數(shù)最多。冬季集中供暖期間隨著化石燃料的燃燒,產(chǎn)生大量細(xì)顆粒物質(zhì),造成不同程度的霧霾天氣[40-41],使得PM2.5濃度在冬季最高,為62.87 μg·m-3。對(duì)應(yīng)冬季首要污染物為PM2.5的天數(shù)比其他季節(jié)多,為250 d,冬季的1 月和12 月以PM2.5為首要污染物的污染天數(shù)最多。除峰值出現(xiàn)時(shí)間不同外,PM2.5濃度其他變化同PM10類(lèi)似,二者濃度在夏季都達(dá)到最低值,這可能是由于夏季氣溫的整層升高,不易發(fā)生逆溫,且降水和大風(fēng)天氣也較多,擁有良好的擴(kuò)散條件和降水濕沉降作用,有利于顆粒物的擴(kuò)散和清除[34,42]。O3(8 h)濃度則呈現(xiàn)出與前兩者基本相反的變化趨勢(shì),春季較高,夏季的濃度則是6 種污染物中最高,為121.23 μg·m-3,對(duì)應(yīng)了夏季首要污染物是O3(8 h)的天數(shù)也是最多,為411 d,秋季O3(8 h)濃度開(kāi)始減小,并在冬季濃度達(dá)到最低,為60.31 μg·m-3。春季和夏季氣溫逐漸回暖,尤其是夏季多高溫天氣,太陽(yáng)輻射強(qiáng),利于氮氧化物等O3的前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致夏季蘭州市O3濃度偏高[43]。不同季節(jié)月份蘭州市的首要污染物不同,但從整體來(lái)看PM10為蘭州空氣質(zhì)量的首要污染物。

        圖4 2014—2021年蘭州市四季首要污染物發(fā)生天數(shù)Fig.4 The number of days in which the main pollutants occur in Lanzhou in four seasons from 2014 to 2021

        將2014—2021年冬季、春季不同污染等級(jí)下的AQI 指數(shù)箱型圖和全年AQI 指數(shù)箱型圖進(jìn)行對(duì)比(圖5),污染等級(jí)為輕度、中度和重度時(shí),春季平均AQI 指數(shù)均大于冬季和全年平均AQI 指數(shù),為冬季的1.01 倍、1.01 倍和1.03 倍,占全年的101.56%,101.03%和101.33%,說(shuō)明在這3 種污染等級(jí)下任一相同污染等級(jí)時(shí),春季的污染狀況比冬季要更為嚴(yán)重。當(dāng)污染等級(jí)為輕度污染和中度污染時(shí),冬季和春季AQI 指數(shù)的波動(dòng)情況基本相同,當(dāng)污染等級(jí)為重度污染時(shí),春季的AQI指數(shù)與冬季相比更加穩(wěn)定,波動(dòng)較小。

        在污染等級(jí)為嚴(yán)重污染時(shí),冬季平均AQI 指數(shù)要大于春季平均AQI指數(shù),為春季的1.09倍,占全年的103.29%,說(shuō)明在嚴(yán)重污染的情況下冬季的污染狀況要比春季的更加嚴(yán)重。但冬季AQI指數(shù)的波動(dòng)狀況要比春季的大,春季的嚴(yán)重污染過(guò)程整體要更加穩(wěn)定。

        2.2 蘭州市空氣污染持續(xù)性特征

        統(tǒng)計(jì)2014—2021 年各季節(jié)不同持續(xù)天數(shù)輕度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù),根據(jù)表3可知,秋季和冬季是四季中長(zhǎng)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程的次數(shù)居多,分別為5 次和4 次,分別為春季、夏季的1.67 倍、5.00 倍和1.33 倍、4.00 倍,其中,冬季在2015 年12 月17 日至26日和2019年12月3日至14日出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)10 d和12 d的輕度持續(xù)污染過(guò)程。秋季的5次長(zhǎng)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程均出現(xiàn)在屬于秋末冬初的11月,持續(xù)時(shí)間為5 d的輕度持續(xù)污染過(guò)程有2次,分別出現(xiàn)在2017 年和2021 年;持續(xù)時(shí)間為6 d 的輕度持續(xù)污染過(guò)程出現(xiàn)在2014 年;持續(xù)時(shí)間為8 d 的輕度持續(xù)污染過(guò)程出現(xiàn)在2020 年。冬季短時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)最多(34 次),分別為春季、夏季和秋季的1.70倍、1.42倍和1.89倍。

        表3 2014—2021年蘭州市持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics on the number of continuous pollution processes in Lanzhou from 2014 to 2021

        統(tǒng)計(jì)2014—2021 年各季節(jié)不同持續(xù)天數(shù)的中度持續(xù)污染過(guò)程,根據(jù)表3可知,冬季是四季中長(zhǎng)時(shí)間中度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)最多(5 次),是春季和秋季的5.00 倍。春季短時(shí)間中度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)最多(7 次),分別是冬季和秋季的1.40 倍和7.00倍。夏季空氣狀況較好,無(wú)中度持續(xù)污染過(guò)程。對(duì)于重度持續(xù)污染過(guò)程(表3),冬季是四季中長(zhǎng)時(shí)間重度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)最多(6 次),分別為春季和秋季的1.50 倍和3.00 倍,但在2016 年秋末冬初(10月31 日至11 月20 日)和2018 年秋末冬初(11 月22日至12 月5 日),蘭州市出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)21 d 和14 d 的重度持續(xù)污染過(guò)程,AQI 值維持在104.00~500.00 和105.37~897.66。春季的短時(shí)間重度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)最多(10次),夏季則無(wú)重度持續(xù)污染過(guò)程。

        為了了解不同持續(xù)時(shí)間的污染過(guò)程中起主要影響的污染物,在一次持續(xù)污染過(guò)程中統(tǒng)計(jì)首要污染物出現(xiàn)次數(shù),將出現(xiàn)次數(shù)最多的首要污染物定義為此次持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響的污染物。如果一次持續(xù)污染過(guò)程中有不同首要污染物出現(xiàn)次數(shù)相同且最多,那么同時(shí)將首要污染物作為此次持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響的污染物。對(duì)2014—2021 年蘭州市不同持續(xù)天數(shù)輕度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響的污染物出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖6a所示,冬季在短時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物有PM2.5,出現(xiàn)的次數(shù)最多(23 次),其次為NO2,最后為PM10,而長(zhǎng)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物只有PM2.5,統(tǒng)計(jì)不同持續(xù)天數(shù)輕度持續(xù)污染過(guò)程中污染物濃度的平均值也發(fā)現(xiàn),在污染期間,PM2.5濃度的平均值較高(78.80~95.13 μg·m-3),根據(jù)圖6b 可知,春季除持續(xù)時(shí)間為3 d的輕度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響作用的污染物有PM10出現(xiàn)的次數(shù)小于O3(8 h)外,其余輕度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響作用的污染物有PM10出現(xiàn)的次數(shù)均大于O3(8 h),對(duì)應(yīng)了在污染期間,PM10濃度的平均值較高(128.44~185.72 μg·m-3),O3(8 h)濃度的平均值為107.94~168.67 μg·m-3,且除持續(xù)時(shí)間為3 d的輕度持續(xù)污染過(guò)程中PM10濃度的平均值(128.44 μg·m-3)小于O3(8 h)濃度的平均值(168.67 μg·m-3)外,其余輕度持續(xù)污染過(guò)程中PM10濃度的平均值均最大。而到了夏季(圖6c),在短時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物有O3(8 h),出現(xiàn)的次數(shù)最多(21次),其次為PM10,而長(zhǎng)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物只有O3(8 h),且在夏季,不同持續(xù)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中O3(8 h)濃度的平均值都極高(157.74~185.75 μg·m-3)。如圖6d 所示,秋季短時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物有PM10,出現(xiàn)的次數(shù)最多(9次),其次為PM2.5,最后為NO2,但三者次數(shù)無(wú)十分明顯差距,而長(zhǎng)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物有PM10、PM2.5和NO2,出現(xiàn)的次數(shù)相同都為兩次,整體來(lái)看,冬季、春季和夏季在輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物分別為PM2.5、PM10和O3(8 h),在秋季的輕度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物不是單一的,PM10、PM2.5以及NO2都有可能起到一定程度的影響。

        圖6 2014—2021年蘭州市四季不同持續(xù)天數(shù)輕度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響污染物出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics on the occurrence times of main pollutants affecting the mild continuous pollution processes of different days in four seasons in Lanzhou from 2014 to 2021

        圖7 為對(duì)2014—2021 年蘭州市不同持續(xù)天數(shù)中度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響的污染物出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,如圖7a 所示,冬季在中度持續(xù)污染過(guò)程中起到主要影響作用的污染物為PM2.5,次數(shù)最多(8次),其次為PM10,在長(zhǎng)達(dá)11 d的中度持續(xù)污染過(guò)程中,起主要影響作用的污染物為PM10,在持續(xù)污染過(guò)程中,當(dāng)起主要影響作用的污染物為PM2.5時(shí),PM2.5濃度的平均值為99.33~108.89 μg·m-3,起主要影響作用的污染物為PM10時(shí),PM10濃度的平均值在193.00~207.00 μg·m-3。如圖7b 所示,春季短時(shí)間中度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響的污染物為PM10,其次為O3(8 h),而長(zhǎng)時(shí)間中度持續(xù)污染過(guò)程中只有PM10起主要影響作用。在不同持續(xù)時(shí)間的中度持續(xù)污染過(guò)程中,PM10濃度的平均值維持在200.68~239.67 μg·m-3,如圖7c 所示,秋季短時(shí)間中度持續(xù)污染過(guò)程起主要影響作用的污染物為PM10,污染過(guò)程中平均濃度值為249.75 μg·m-3,長(zhǎng)時(shí)間中度持續(xù)污染過(guò)程起主要影響作用的污染物為PM2.5,污染過(guò)程中平均濃度值為103.83 μg·m-3。

        圖7 2014—2021年蘭州市四季不同持續(xù)天數(shù)中度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響污染物出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics on the occurrence times of main pollutants affecting the moderate continuous pollution processes of different days in four seasons in Lanzhou from 2014 to 2021

        圖8 展示了2014—2021 年蘭州市不同持續(xù)天數(shù)重度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響的污染物出現(xiàn)的次數(shù)。如圖8a所示,冬季短時(shí)間重度持續(xù)污染過(guò)程起主要影響作用的污染物為PM2.5,污染過(guò)程中平均濃度值為127.25 μg·m-3,長(zhǎng)時(shí)間重度持續(xù)污染過(guò)程起主要影響作用的污染物為PM2.5和PM10,其中更長(zhǎng)時(shí)間(11 d和19 d)重度持續(xù)污染過(guò)程起主要影響作用的污染物為PM2.5。如圖8b所示,春季除了一次持續(xù)時(shí)間為兩天的重度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響作用的污染物有O3(8 h)外,其余重度持續(xù)污染過(guò)程起主要影響作用的污染物皆為PM10,在污染過(guò)程中,PM10濃度的平均值維持在282.83~721.17 μg·m-3。根據(jù)圖8c可知,秋季出現(xiàn)的兩次持續(xù)污染過(guò)程皆為長(zhǎng)時(shí)間重度持續(xù)污染過(guò)程,且起主要影響作用的污染物皆為PM10,在污染過(guò)程中,PM10濃度的平均值維持在297.10~322.60 μg·m-3。

        圖8 2014—2021年蘭州市四個(gè)季節(jié)不同持續(xù)天數(shù)重度持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響污染物出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics on the occurrence times of main pollutants affecting the severe continuous pollution processes of different days in four seasons in Lanzhou from 2014 to 2021

        當(dāng)持續(xù)性污染過(guò)程為長(zhǎng)時(shí)間重度污染持續(xù)性污染過(guò)程時(shí),往往對(duì)生態(tài)環(huán)境、人類(lèi)社會(huì)造成的影響較大,極其影響人類(lèi)的生活質(zhì)量、身體健康和生產(chǎn)活動(dòng)。在長(zhǎng)時(shí)間重度污染的持續(xù)污染過(guò)程中起主要影響的污染物濃度會(huì)更高,這些污染物對(duì)人體造成的危害將更大,更值得被關(guān)注。本文收集資料時(shí)長(zhǎng)為8 a,某些類(lèi)型的持續(xù)性污染過(guò)程出現(xiàn)次數(shù)較少,后續(xù)收集更長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

        以2016 年10 月31 日至11 月20 日的一次重度持續(xù)污染過(guò)程為例,重點(diǎn)分析污染過(guò)程中AQI 及顆粒物(PM2.5和PM10)質(zhì)量濃度的變化情況,在整個(gè)污染過(guò)程中,AQI及顆粒物濃度值都較高,其平均值分別為污染前一天的2.28倍、1.98倍和2.73倍,為污染結(jié)束后一天的1.90 倍、2.34 倍和2.09 倍。如圖9 所示,AQI同顆粒物濃度的日變化趨勢(shì)基本一致,2016年10月30日蘭州市AQI為80,空氣質(zhì)量為良,10月31 日,AQI 升至104,達(dá)到輕度污染,PM2.5和PM10的濃度值從前一天的59 μg·m-3和157 μg·m-3升至70 μg·m-3和172 μg·m-3,AQI呈波動(dòng)上升趨勢(shì),11月10日AQI突增到500,達(dá)到嚴(yán)重污染,為此次過(guò)程的最高污染水平,對(duì)應(yīng)PM2.5和PM10的濃度值高達(dá)222 μg·m-3和1199 μg·m-3,隨后AQI和顆粒物質(zhì)量濃度有所下降,并于11 月14 日再次反彈上升,AQI 于11月18 日上升至此次持續(xù)污染過(guò)程的第二個(gè)高值(343),對(duì)應(yīng)PM2.5和PM10的濃度值反彈至141 μg·m-3和454 μg·m-3,之后空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn),11月20日,AQI降至162,至此持續(xù)污染過(guò)程結(jié)束。

        圖9 2016年10月31日至11月20日的一次重度持續(xù)污染過(guò)程中AQI及顆粒物質(zhì)量濃度日變化Fig.9 Diurnal variations of AQI and particulate mass concentrations during a severe continuous pollution process from October 31 to November 20,2016

        3 結(jié)論

        本文采用2014 年1 月1 日至2021 年12 月31 日的空氣質(zhì)量逐日數(shù)據(jù),使用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)蘭州市空氣質(zhì)量年際變化特征、月季變化特征及持續(xù)性空氣污染特征進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

        (1)蘭州市AQI 年平均值整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì),空氣質(zhì)量最主要以良和輕度污染為主,重度污染和嚴(yán)重污染的天數(shù)相對(duì)較少;雖然首要污染物為PM10、PM2.5的天數(shù)整體呈下降趨勢(shì),但每年首要污染物為PM10的天數(shù)仍較多,而以NO2與O3(8 h)為首要污染物的天數(shù)則相反,整體呈上升趨勢(shì)。

        (2)月季變化上,冬季空氣污染指數(shù)比春季波動(dòng)大,且與春季相反呈下降趨勢(shì)。蘭州市空氣污染物質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化較明顯的是PM10、PM2.5和O3(8 h),PM10濃度春季最高,PM2.5濃度冬季最高,而O3(8 h)濃度夏季最高,整體而言,PM10為蘭州市的首要污染物。等級(jí)為輕度污染、中度污染和重度污染,春季的污染狀況比冬季要更嚴(yán)重;等級(jí)為嚴(yán)重污染,冬季比春季嚴(yán)重,且春季的嚴(yán)重污染過(guò)程更加穩(wěn)定。

        (3)秋季和冬季是四季中長(zhǎng)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程的次數(shù)較多(5 次和4 次)。冬季短時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程、長(zhǎng)時(shí)間中度和重度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)最多(4 次、5 次和6 次);春季短時(shí)間中度和重度持續(xù)污染過(guò)程次數(shù)最多(7次和10次)。冬季輕度持續(xù)污染過(guò)程、中度持續(xù)污染過(guò)程和短時(shí)間重度持續(xù)污染過(guò)程,起主要影響的污染物為PM2.5,長(zhǎng)時(shí)間重度持續(xù)污染過(guò)程為PM2.5和PM10;春季持續(xù)污染過(guò)程中主要污染物為PM10;夏季輕度持續(xù)污染過(guò)程中主要污染物為O3(8 h);秋季短時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程中主要污染物為PM10,而長(zhǎng)時(shí)間輕度持續(xù)污染過(guò)程分別為PM10、PM2.5和NO2,在污染過(guò)程中,起主要影響作用的污染物濃度較高。2016年10月31日至11月20 日的一次重度持續(xù)污染過(guò)程中,AQI 及顆粒物濃度值都較高且二者日變化趨勢(shì)基本一致。

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