基于地面、卫星和模拟数据协同分析的兰州市多季节空气污染特征研究

发布时间：2018-04-03 12:42

  本文选题：兰州市　切入点：颗粒物　出处：《兰州交通大学》2017年博士论文

【摘要】：随着中国经济的迅速发展和城市化进程的不断加快,人类活动对自然环境造成巨大的影响,而日益恶化的自然环境也在进一步威胁着人类的生存。其中,大气作为最敏感的自然资源之一,对人类生存的影响至关重要。大气中高浓度的污染物不仅会损害农业、工业、住宅建筑、技术设施以及历史遗迹等,还会严重危害公众健康。因此,空气污染问题长期以来备受科学界广泛关注。学者们从PM2.5的平均分布、MODIS气溶胶产品可靠性验证、气溶胶表面反射、光学厚度的联合反演和季节性变化等方面研究了广州、北京、武汉、重庆等大城市空气污染情况,并取得了较为丰硕的研究成果。但总的来说,现有的相关研究仍存在以下问题:(1)数据来源单一。由于遥感数据的时间分辨率通常难以满足大气污染物浓度的日变化监测,所以仅仅依靠单一的遥感数据很难得到准确的研究结果,难以对空气污染物进行更为精细的统计。另外,在利用遥感数据提取大气污染物信息时,需要考虑大气垂直结构造成的影响,而现有研究往往容易忽略这一点。(2)空气污染物在空间上的分布具有明显的区域特征,对污染物进行时空分布的差异性研究具有重要意义,而目前学者对这方面的研究相对较少。(3)气象因素在一定程度上影响了污染物的分布和扩散,研究空气污染物浓度与气象参数之间的相关关系具有重要意义,而目前学者对这方面的研究同样较少。(4)已有关于PM2.5和PM10的相关研究大多集中在东部大城市,对西部城市及农村地区的研究明显不足。论文针对现有相关研究的不足,选取兰州市及其周边地区为研究区域,通过地面监测站点数据、卫星遥感影像数据和模型模拟等数据的协同分析,对兰州市空气污染物的季节变化特征进行了系统研究。兰州作为中国西北重要的工业基地和交通枢纽中心,拥有大量与环境污染相关的石油化工产业,空气中化工产业排放的微粒污染物成为影响了城市空气污染的重要因素之一。该问题在2013年以前尤为严重。虽然在2013年实施的天然气加热、粉尘处理等措施,空气污染得到有效控制,但随着城市人口密度增加,车辆数量增多和大量工程的开工,新的城市污染问题不断出现。目前,兰州市空气污染的相关研究大多是依靠地面观测站点数据或单一的影像数据,从PM10/PM2.5的空间分布上进行研究,且对成因的分析相对较少。另外,兰州毗邻沙漠,季节性沙尘暴带来的空气固体颗粒也在进一步加剧兰州空气质量恶化。针对这些问题,很少有学者进行深入研究。因此,运用合理的理论和方法研究兰州市空气污染物的季节变化特征,具有重要的现实意义和研究价值。具体表现在:(1)采用多种研究方法,针对不同的污染源,对兰州市空气污染进行多角度、多元化研究与分析,并对兰州市污染物来源进行了具体追踪,有助于掌握兰州市大气污染的具体情况。(2)通过对卫星遥感影像数据、地面观测站点数据以及各种污染物污染程度统计资料数据的协同对比分析,可以找到兰州市空气污染的季节变化特征。(3)通过分析兰州市空气污染物的季节变化特征,可以为空气治理指明方向,为决策者采取合理科学的环境保护方案提供理论依据。总之,本研究对于社会经济和民众生活质量的提升有重要意义;同时,还可以为解决中国其他地区的类似问题提供参考。全文共分7章,章节安排和主要研究内容如下:第一章:绪论。本章对研究的背景、国内外研究现状和意义进行了阐述。第二章:研究区、方法及数据。本章首先对兰州市的基本概况进行了介绍,其次针对论文中所用到的研究方法进行了阐述,最后对研究数据的选择和处理进行了说明。第三章:兰州市气溶胶光学厚度和城市热岛效应研究。本章首先利用MODIS和Landsat-8遥感影像数据对兰州市气溶胶光学厚度及地表热岛效应的时空动态变化进行了分析,并对城市及其周围地区的相对温度分布进行了分析。其次,本章还分析了2010-2016年间的兰州市的大气气溶胶背散射系数、体积去退偏率和波长分布比,并对归一化植被指数(NDVI)与地球表面温度之间的相关关系进行了分析。为了获得典型灰尘天气的气象数据,本章对CALIPSO仪器数据系统、NAAPS气溶胶(海军气溶胶分析预测系统)预报模型以及气溶胶和灰尘垂直分布的特点进行了对比分析。最后选用NAAPS气溶胶系统分析与预报模型,并对2010-2016年扬尘跨域传输中气溶胶的区域范围和垂直分布特征分别进行了研究。第四章:2003-2012年兰州市空气污染研究。本章首先对近十年来兰州市空气质量进行了评估。其次,本章选取SO2、NO2、CO和粉尘作为空气污染物的主要研究指标,利用Spearman等级相关系数等方法,对兰州市空气污染物浓度的年变化、季节变化和日变化进行了分析。最后,对兰州市空气中SO2、NO2和PM10浓度数据和兰州市同期气象资料进行了对比分析,进一步研究了 SO2、NO2和PM10浓度与气象参数之间的相关关系。第五章:兰州市空气污染物浓度及来源分析。本章主要对兰州市污染总量和2013-2016年兰州市空气污染物浓度特征进行了研究。首先,通过对兰州市空气质量综合指标(AQI)的分析,得出了兰州市空气污染总量的变化特征。其次,通过对2013-2016年间兰州市空气中SO2、O3和NO2浓度及其相关性的系统分析,研究了兰州市主要大气污染物浓度的季节变化特征。最后,对兰州市大气污染的主要来源进行了追踪,研究了不同季节PM2.5与PM10浓度的相关性。。第六章:兰州市空气污染原因及其影响因素分析。本章对影响兰州市及周边地区的沙尘暴进行分类研究,并分析了沙尘暴的来源及对区域空气质量的影响。另外,本章还研究了影响空气污染的气象条件。第七章:总结与展望。综上所述,论文基于不同季节的气溶胶激光雷达、红外探路卫星观测(CALIPSO)、臭氧监测仪器(OMI)、Landsat-8及地面空气质量监测站实测数据等多源多尺度数据,在数理统计方法、混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型(HYSPLIT)、海军气凝胶分析预报系统(NAAPS)和臭氧监测仪(OMI)等方法协同分析的基础上,对兰州空气污染物的主要来源、空气污染的演变机理以及空气污染物的季节变化特征进行了系统研究,并达到了预期的研究目的。笔者认为,在地面监测站点的选取方面,如果能扩大数据采集站点的区域范,围,获取不同地区的观测数据,将能更准确地追踪污染源,更有利于提高分析结果的准确性。因此,笔者将在下一步工作中就此进行完善,扩大地面观测站点的区域范围,以获得更为准确的研究结果。论文取得的主要研究成果如下:(1)论文基于多源数据对兰州市空气主要污染物(PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO、O3)浓度进行相关性分析及动态变化分析,揭示了兰州市空气质量的长期动态变化特征和主要污染物在年度、季节和日变化规律。具体表现在:污染物浓度年变化:大气中S02和NO2的浓度在供暖期(冬春季)和非供暖期(夏秋季)差异显著。这主要与政府实施集中采暖、蓝天工程、绿化工程等空气污染治理措施有关。污染物浓度季节变化:2003-2012年兰州平均月度污染物浓度主要集中在冬季,夏、秋两季呈现低浓度变化态势。与年变化特征不同,SO2和NO2浓度的季节变化曲线均呈单峰分布,而PM10变化曲线呈现双峰型分布。PM2.5、SO2、NO2和CO的平均浓度具有相同的季度变化趋势,表现为:冬季秋季春季夏季。PM10的质量浓度值从重到轻的变化趋势为:冬季春季秋季夏季,其中冬季差异不大。春天尘埃天气使PM10浓度增加,但强风对清除气体污染物起到了重要作用,因此春季PM2.5、SO2、NO2和CO的浓度略低于秋季。污染物浓度日变化:利用兰州市5个自动监测点的监测数据分析了春季SO2、NO2和PM10的日变化特征。结果表明兰州市大气中的PM10浓度昼夜变化显著,NO2和SO2的浓度在上午7点至下午1点变化表现为高峰值分布。兰州气象条件对大气污染物浓度有显著影响,污染物浓度与气象因子之间存在非线性关系。总体来看,兰州市平均PM浓度超过世界卫生组织标准值,对兰州市民和环境造成严重影响。冬季空气污染物的季节变化最大,春季扬尘最多,夏季空气质量最好。年度空气污染变化主要取决于热电产业和车辆的季节性运行模式。污染物浓度的日变化与大气流动有关。(2)根据城市空气质量指标API(空气污染指数)和AQI(空气质量指数)对城市整体污染水平进行了综合分析,确定了空气质量等级、主要污染物的种类、长期以及每月的动态特征等。具体表现在: 2001-2011年兰州市空气污染总量平均高达115,表明在过去11年里,兰州空气污染总量较高,空气污染严重。2013-2016年间AQI逐渐下降,达到16年来的最低水平。污染物PM2.5和PM10的浓度在春节呈现显著增加的趋势。主要是因为在春节空气质量容易受沙尘暴的影响。 1-3月份供暖增加的煤炭燃烧量使PM2.5浓度显著升高。这一结果可以解释为家庭供暖的煤炭是造成冬季兰州市空气污染的重要因素。兰州市冬、春两季天气干旱,降水量小,空气流动性弱,不利于降低PM2.5和PM10的浓度。4月以后,河西地区NDVI值增高,外界输入的空气污染颗粒物(主要是PM10)逐渐减少,同时随着加热期结束,用煤量减少,季节性降水增多,大气中PM2.5的质量浓度得以明显降低。(3)分析了兰州市空气污染的气象条件,确定城市大气自净能力的净化速率,揭示了气象参数与大气污染的关系以及气候因子与大气污染物的关系。具体结果如下: SO2、NO2和CO的浓度与气象参数(地表起伏、风向、风速、当前温度梯度和相对空气湿度)有着显著关系,可以构建大气污染的多维回归模型。大气污染不仅取决于气象数量的复杂性,而且作为反馈也影响到空气的热力学状态,形成热岛效应。兰州市空气净化能力在3月份至9月份之间对空气质量的影响较大,而在11月份至1月份之间对空气质量的影响较小;同时研究表明,兰州年均的空气净化能力K'=2.27,能够对空气质量产生一定影响。风速能够直接或间接影响空气质量。研究表明,当风速≥6米/秒时,能够对空气净化能力产生显著影响,但受到兰州市两山夹一河的河谷型特殊地理区位因素的影响,兰州市年平均风速在2-4米/秒之间,大大减弱了风速对兰州市的空气质量的净化作用。降水作为气候的重要因素,也会影响空气质量。兰州市降水存在季节变化,夏季降水要多于其他季节,从而对空气质量的影响也存在季节性差异。(4)分析了兰州市及周边地区的整体环境状况,利用中等分辨率成像分光计(Terra)和Landsat-8数据计算了大气气溶胶光学厚度(AOD),研究了兰州市城市热岛效益(UHI),揭示了地表温度(LST)和归一化差值植被指数(NDVI)的相关关系,并对兰州市的热结构进行了准确评估。具体结果如下:城市热岛效应研究:兰州市的表面温度分布动态变化趋势及季节变化具有一定的规律性,城区中心温度相对较高,验证了相关文献的研究成果。此外,归一化植被指数(NDVI)与地球表明温度之间存在显著的相关关系,但由于兰州市很少有大面积高植被覆盖区,所以兰州植被覆盖对热场的累积效应应该被认为是非常有限。城市气溶胶光学厚度(AOD)研究:2005-2016年间,兰州市平均AOD变化表明,四月份最高(0.5);10-11月份、1-2月份的值相对较低,变化值在0.05-0.15之间;3-7月份的AOD平均值呈明显增高的趋势,主要是因为随着降雨的增多,兰州市大气中水汽含量相对增多,其中6月份的平均相对湿度为当年最高。此外,当相对湿度升高时,气溶胶光学厚度(AOD)会得到显著改善。城市空气中扬尘主要来源:本研究表明,兰州市扬尘主要来自内蒙古中部和南部、甘肃、宁夏、山西北部和河北北部等区域。(5)在混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型(HYSPLIT)、海军气凝胶分析预报系统(NAAPS)和臭氧监测仪(OMI)对比分析的基础上,研究了兰州市及其周边地区主要空气污染物的来源,并且验证了多方法协同研究空气污染问题的可行性。研究表明,除了区域内部污染源外,在研究区外还有外部污染源,主要来自三个方面:“北部”(空气群经过的戈壁沙漠、蒙古共和国和内蒙古)、“西北部”(新疆古尔班通古特沙漠)和“东北部”(内蒙古、宁夏)。另外,还有部分污染源来自西部沙漠(新疆塔克拉玛干沙漠和柴达木沙漠)的污染,空气污染物主要通过青藏高原和青海进入兰州市。
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【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X51
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本文编号：1705243