兰州市首要大气污染物特征分析及区域来源数值模拟

摘要

大气是人类生存不可或缺的基本环境要素之一。近年来，随着中国能源消耗的大幅增长以及建立在此基础之上的经济快速发展，导致大气污染问题日益严重。兰州市曾作为全国大气污染最严重的城市之一而受到人们广泛关注。虽然当地政府于2012年采取一系列严格措施大力整治大气环境并取得良好效果，但随着机动车保有量的不断攀升、城市固有的工业型产业结构以及特殊的河谷地形等因素影响，兰州市大气污染形势仍不容乐观。本文利用2014-2016年兰州市五个国家大气质量监测站点实时在线监测的六种大气污染物小时浓度值，参照国家空气质量标准来评价兰州市空气质量并分析其首要大气污染物的时空变化特征。同时，将监测站点按照功能区划分为工业区、城市商业区和背景农村三类，来探讨不同城市功能区大气污染物浓度分布及变化特征。最后，通过向后轨迹模型(HYSPLIT) 和PM2.5/PM10 数值模拟来确定兰州市大气颗粒物主要外来输入源的可能源区及其对大气颗粒物 (PM10和PM2.5) 浓度的贡献。通过上述分析，得出以下主要结论： 1) 2014-2016年兰州市空气质量指数 (AQI) 在29-500范围内变化，每日AQI值达到国家二级标准的天数占总天数的72%，中度及以上污染仅占 5.3%，表明研究期兰州市空气质量相对较好；AQI季节、月和日变化趋势明显，均呈现双峰型变化特征；2014、2015和2016年兰州市空气质量达标率分别为71%、77%和68%；分析月变化发现，11月、12月和1月空气质量最差 (达标率低于50%)，6-10月空气质量较好 (达标率在90%左右)。值得注意的是，3-5月虽然空气质量达标率不是最低，但因受沙尘暴影响，重度及以上污染天气出现频率最高；研究期间兰州市首要大气污染物出现频率最高的是PM10，其次为PM2.5、O3和NO2，CO和SO2出现频率较小。 2)三类功能区PM2.5的月变化为单峰U型 (浓度高值出现在供暖期)，而PM10则为双峰型 (主峰出现在春季，次峰为冬季)，来源差异是导致其月变化呈现不同趋势的主要原因；与年变化显著不同的是，PM2.5与PM10日变化均呈现出双峰双谷型分布，峰值出现在 11:00-13:00 和 22:00-1:00，谷值出现在 4:00-6:00 和16:00-18:00。工业区、城市与农村的颗粒物在年、季节和日尺度上都具有一致的变化模式，说明它们总体上仍然受区域宏观自然环境的控制。 3) 分析 2014-2016 年兰州市及其三类功能区的气态污染物整体变化发现，SO2和CO呈现下降趋势，NO2和O3呈现上升趋势；月变化分析显示，三类功能区SO2、CO和NO2浓度特征均呈现单峰“U”型分布，而O3为倒“U”型分布；与月变化不同，CO和NO2的日变化呈现双峰型分布特征 (交通源影响)，SO2和O3为单峰型，且峰值分别出现在12：00和15:00左右。进一步分析发现，研究区气态污染物浓度在三类功能区的空间分布与颗粒物浓度分布不一致，且在不同时间尺度上的空间分布也有差异，究其原因，这主要是受城市工业布局、机动车数量和人口分布等一系列人为活动影响。在年、季节和日尺度上，三类功能区的SO2和NO2浓度在农村均出现最小值，而最大值因主要来源不同而有所差异，SO2以工业区最高，城市次之 (除 1 月)，NO2在春、夏季为城市最高，秋、冬季为工业区最高；CO和O3浓度空间分布与上述两种气态污染物不同，CO浓度以城市最大，且明显高于另外两类功能区，最小值在工业区和农村交替出现，在夏季和日尺度上的11：00-18：00，O3浓度在工业区和城市大于农村，而其他时间都是在农村最大，工业区和城市次之。 4)通过HYSPLIT聚类分析并结合相关研究发现，对兰州市大气环境产生显著影响的外来尘暴源区主要有三个：中蒙边界及河西走廊地区的戈壁沙漠区是最主要的源区；其次是柴达木盆地，塔克拉玛干沙漠影响最小。第一个源区的粉尘物质主要沿河西走廊传输到兰州，后面两个源区路径一致，都从兰州市西面传输而来。同时，利用PM2.5/PM10数值模拟方法发现，2014-2016年春季尘暴对PM10和PM2.5的贡献分别为51-53%和31-34%。

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