【蘭州市治污前后大氣污染變化探析7200字（論文）】

蘭州市治污前后大氣污染變化分析TOC\o"1-3"\h\u324841.緒論 3151101.1研究背景 3144281.2國內外研究綜述 3203122.蘭州市自然地理環(huán)境與大氣污染狀況調查 5125063.MODIS數(shù)據(jù)處理關系分析及模型建立 6242273.1建模數(shù)據(jù)準備 6197873.2具體時間尺度分析 931953.3氣溶膠反演結果分析及驗證 1050934.城市熱環(huán)境和空氣質量分析研究 10152044.1污染分析 1096324.2溫度與可吸入顆粒物關系分析 11140715.討論與結論 12318055.1討論 12174605.2結論 1323015參考文獻 13

緒論1.1研究背景20世紀五十年代以來，環(huán)境污染問題日益嚴重，歐美發(fā)達國家在工業(yè)化的進程中無一幸免地經(jīng)歷了大氣污染且飽受了大氣污染帶來的一系列災難。在美國“洛杉磯光霧事件”和英國“倫敦煙霧事件”之后，大氣污染問題便開始獲得學者、政府和商界的關注。中國在上世紀70年代進入工業(yè)快速發(fā)展階段以來，三污排放量快速增加，環(huán)境成為了經(jīng)濟發(fā)展的代價。至今，中國大氣污染的程度及其危害不容小覷，大氣污染及其治理早已成為城市發(fā)展需要審慎對待的一個方面。嚴重的大氣污染已經(jīng)開始在全國范圍內蔓延，尤其是懸浮顆粒物污染，造成了空氣質量惡化、酸雨、臭氧層破壞、溫室效應等一系列后果，對公民的健康產(chǎn)生嚴重威脅，也對環(huán)境安全埋下了隱患，并深度影響了國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。本文研究了2004年到2014年蘭州市環(huán)境的變化，得出了蘭州市鎮(zhèn)府在對環(huán)境污染有了顯著的效果。1.2國內外研究綜述國外對大氣污染及其治理的研究，整體上可分為空氣質量指標構建與改進、空氣質量分析與評估，和大氣污染的政府治理三大方面。國外研究綜述（1）在空氣質量指標構建與改進這一研究領域，比較典型的由Bezuglay獷等人在1993年在先前學者空氣污染指數(shù)體系的基礎上，加入苯并花、苯酚、甲醛和金屬元素等成分對其進行提升，最終根據(jù)研究結果為提高空氣污染過濾器性能而提供途徑。NehaKhanna等人在2000年基于大氣污染對人體健康的危害角度開發(fā)了一套空氣污染指數(shù)體系，并與USA環(huán)保局相應的指數(shù)進行比較，認為其更加有效地測評了空氣污染的程度及其對人體健康的危害程度。同樣出于評估空氣污染對人體健康影響的目的，F(xiàn)abi了等人在2004年綜合意大利某一城市不同監(jiān)測點手機的污染數(shù)據(jù)，構建了一個綜合了更多種類的污染物的新空氣污染指數(shù)(PI)，該指數(shù)較好地改突破了原指標體系的局限，為相關部門管控大氣污染提供新的依據(jù)。Eugene④等人在2007年分析了大氣污染程度與短期暴露在PM10，PM2.5，SO3，O3,NOX和CO這些大氣污染物中的人群死亡風險。（2）在大氣污染政府治理這一研究領域，國外文獻主要研究環(huán)境保護立法、治理方多元化以及治理措施評估等三方面問題。最早的研究為澳大利亞學者J.Passmore1940s展開的人對自然責任的一系列研究，提出保護自然環(huán)境的必要性，以及政府對環(huán)境保護的重大責任。在同一個時間段，來自美國的HansJonas在《責任原理》一書中也強調了政府履行環(huán)境保護責任的必要性。隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，三污排放不斷嚴重，大氣污染災害頻發(fā)，大氣污染治理不僅在學術界得到重點關注，政府也開始加大環(huán)境治理力度，而治理措施首先體現(xiàn)在各種環(huán)境保護立法方面，規(guī)定環(huán)境保護責任的履行者和行政執(zhí)法依據(jù)等，如學者JohnL.Hodges在1952年提出政府應建立法律并成立獨立于政府施政力量的專業(yè)性獨立機構，對本區(qū)域的大氣污染源進行減排治理和違法后的懲罰性治理。國內研究綜述對大氣污染特征的研究主要體現(xiàn)為研究大氣污染在時間和空間兩個維度的變化規(guī)律。時間維度多數(shù)以年、季、月為周期，如唐燕秋等人④于2005運用空氣污染指數(shù)（API）對重慶市的大氣污染特征進行研究，發(fā)現(xiàn)重慶市的大氣污染在春、冬兩季較嚴重，大氣污染程度由春季到夏季呈現(xiàn)下降趨勢，由秋季到冬季呈現(xiàn)上升趨勢。很多學者對我國其他城市大氣污染季節(jié)特征的研究，也基本與唐燕秋的研究結論基本一致，如李向陽等人⑤在2011年對中國北方典型城市的大氣污染季節(jié)特征的研究，發(fā)現(xiàn)典型北方城市在冬季的污染最嚴重，以及金永民⑥在2007年對撫順市的研究結論也有相似之處。也有少數(shù)學者對大氣污染的周循環(huán)特征進行研究，如侯靈等人⑦在2012年以周為周期研究北京地區(qū)的大氣污染程度的變動特征，發(fā)現(xiàn)在周日北京的大氣污染程度最低，在周三大氣污染程度最高。鄭美秀等在2010年對廈門大氣污染特征與地面氣象要素的聯(lián)動分析研究中，研究結果表明二者的相關性具有地區(qū)差異，多數(shù)地區(qū)的氣象因素如風速、氣溫等與空氣質量的高低呈現(xiàn)正相關，而東南部地區(qū)的風速與空氣質量呈現(xiàn)負相關。王斌等人在2008年將沿海城市分為北部、南部和東南部三個區(qū)域，對區(qū)域大氣污染特征進行分析，認為不同區(qū)域的主要大氣污染影響因子存在顯著差異。蘭州市自然地理環(huán)境與大氣污染狀況調查蘭州市位于東經(jīng)102°30″～104°30″、北緯35°5″～38°之間。地處黃河中上游的黃土高原、內蒙古高原和青藏高原的接壤匯合地帶。蘭州市上風向的河西走廊東北鄰接內蒙古自治區(qū)的騰格里沙漠，巴丹吉林沙漠，西南與青海省的柴達木沙漠相隔很近。西北還分布著新疆維吾爾自治區(qū)的準格爾盆地。此外蘭州的背面寧夏黃灌區(qū)以東還有毛烏素沙漠。圖1蘭州市在中國的地理位置蘭州市城區(qū)被南北兩山夾峙，地形呈東北高，西南低，市中心海拔約1520m，其南面皋蘭山海拔2129m，北面九州臺海拔2067m，相對高差超過600m。南北最窄處不足5km，是一東西長、南北窄的帶狀河谷盆地城市。由于地形封閉，阻擋了氣流流通，造成蘭州市大風日數(shù)極少，全年靜風和小風日數(shù)占60%以上，平均風速僅0.7m/s。而在污染更為嚴重的冬季，除遇到寒潮天氣之外，幾乎是見不到風的。另一方面容易形成逆溫大氣，全年約有80%的天數(shù)出現(xiàn)逆溫，其中夏季占60%，冬季在90%以上。因此，靜風現(xiàn)象和逆溫現(xiàn)象是蘭州市的空氣污染的顯著特點和主要原因。蘭州地處內陸，大陸性特點明顯，屬溫帶半干旱氣候，全年的降水量較少。蘭州市是我國重要的石油化工建設基地，屬于典型的重工業(yè)城市。這種第二產(chǎn)業(yè)占主導，且呈現(xiàn)重化工化和高物耗、高污染的產(chǎn)業(yè)結構特征和以燃煤為主的能源利用特征是導致蘭州城市環(huán)境污染的根本原因。MODIS數(shù)據(jù)處理關系分析及模型建立3.1建模數(shù)據(jù)準備3.1.1PM10的計算蘭州市空氣污染指數(shù)API的范圍從0到500，首要污染物包括可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）等。蘭州市的大氣污染狀況得知，蘭州市一年之內首要污染物為可吸入顆粒物的天數(shù)超過300天，所以這里我們進一步來研究可吸入顆粒（PM10）與AOD關系模型。空氣污染指數(shù)API的計算方法：設I為某污染物的污染指數(shù)，C為該污染物的濃度。則：式中：C大與C?。涸贏PI分級限值表（5.1）中最貼近C值的兩個值，C大為大于C的限值，C小為小于C的限值。I大與I小：在API分級限值表（5.1）中最貼近I值的兩個值，I大為大于I的值，I小為小于I的值。該指數(shù)所對應的污染物即為該區(qū)域或城市的首要污染物。當污染指數(shù)API值小于50時，不報告首要污染物。表1空氣污染指數(shù)對應的污染物濃度限值污染指數(shù)污染物濃度（毫克/立方米）APISO2NO2PM2.5COO2500.0500.0800.05050.1201000.1500.1200.150100.2002000.8000.2800.350600.4003001.6000.5650.420900.8004002.1000.7500.5001201.0005002.6200.9400.6001501.200根據(jù)以上公式5.1和表格5.1計算出了相對應于API值的PM10濃度。3.1.2濕度訂正PM10濃度的測定一般首先通過一個干燥的過程，結果代表比較固定相對濕度下的質量濃度情況。而氣溶膠光學厚度的遙感是在環(huán)境背景下進行，氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)受到相對濕度的顯著影響。在相對濕度比較高的情況下，水溶性氣溶膠顆粒能夠吸濕膨脹，消光系數(shù)可以增大數(shù)倍。一般來說這一濕度影響因子可以用下式表示：F（RH）=1/(1.0-RH/100)（RH為以百分數(shù)表達的相對濕度）本文利用中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的每日平均相對濕度數(shù)據(jù)來對API數(shù)據(jù)進行濕度訂正。圖2API數(shù)據(jù)與MODIS的分布比由圖4.3可以看出，MODIS氣溶膠光學厚度產(chǎn)品的與AERONET地基測量的氣溶膠光學厚度值的時間序列趨勢非常一致，個別日期的值有較大差距，可能的原因是：1）由于太陽光度計的觀測更代表局地性，衛(wèi)星觀測結果代表10km×10km的平均，所以這種差異可能是由于氣溶膠在小尺度上空間和時間上的局地變化引起；2）太陽光度計遙感過程中,太陽直射路徑中是否有云，現(xiàn)在完全憑觀測人員的肉眼和多次讀數(shù)是否穩(wěn)定來判斷；3）MODIS的10km×10km的氣溶膠產(chǎn)品建立在250m和500m分辨率多通道的晴空、云量識別算法的基礎上，微量卷云的影響，將造成氣溶膠光學厚度的較大誤差；4）北京市作為比較典型的北方城市，氣溶膠里的沙塵成分比較大，按照目前NASA氣溶膠產(chǎn)品使用的“暗背景”地表反射率算法，由于沙塵的存在使地表反射率估計出現(xiàn)偏差，導致MODIS氣溶膠光學厚度的計算值出現(xiàn)誤差。圖32000年4月17日MODIS氣溶膠光學厚度分布取2000年4月17號的MODIS氣溶膠光學厚度產(chǎn)品與AERONET當天測得的值比較，見圖4.4，圖中黑色三角代表AERONET蘭州站點，深藍色為受天氣影響，產(chǎn)品沒有值的情況。觀測點在4月17號的北京時間上午10點29分，測得的870nm的氣溶膠光學厚度值為0.877818，675nm的氣溶膠光學厚度值為1.227065，通過?ngstr?m關系計算出550nm的AOD值為1.6078，與圖中等值線的趨勢非常吻合?？梢缘贸鼋Y論，MODIS氣溶膠光學厚度產(chǎn)品是可靠的。衛(wèi)星遙感給出的空間變化使我們更好地理解地面光度計得到的在空間上孤立28的數(shù)據(jù)的代表性。由衛(wèi)星遙感我們看到,在北京的西北部山區(qū)向東南部平原方向,氣溶膠分布一般呈遞增趨勢。北京城區(qū)的西北，郊區(qū)向城區(qū)過渡的地帶，氣溶膠空間變化梯度也常常較大。3.2具體時間尺度分析為分析蘭州市近10年大氣污染物濃度的長期變化、季節(jié)變化、短期變化特征，參考其污染狀況的主周期和次周期，本文取準1年(365d)、主周期(300d)、準半年(180d)、次周期(100d)、2個月(60d)和1個月(30d)的時間尺度作為示例來研究，對空氣污染的變化特征進行探討。不同時間尺度上的空氣污染特征變化如圖5所示．在準1年(365d)的時間尺度上，蘭州市空氣污染指數(shù)表現(xiàn)出“高-低”反復的周期性震蕩，類似于正弦曲線，振幅較大但總體趨于弱化;2000年和2001年的振幅較大，冬季污染較嚴重，其他年份的振幅相對較小且峰值相差不大;2005年的峰值略微偏高，冬季污染相對嚴重．在主周期(300d)的時間尺度上(圖4a)，污染特征與準1年(365d)時間尺度的污染特征基本一致，其周期性表現(xiàn)最明顯．在準半年(180d)的時間尺度上，污染指數(shù)呈現(xiàn)稍弱的周期性震蕩，2001年冬季至2002春季及2002年冬季污染較為嚴重;2003年和2004年震蕩微弱，污染較輕;2005年、2006年振幅增大，冬季污染加劇，之后幾年震蕩比較平緩;小波系數(shù)曲線在冬季出現(xiàn)波峰后，還往往伴隨出現(xiàn)了次年春季的次波峰，如2002、2004、2006、2007年，而2009年和2010年春季的波峰比上一年冬季更高，說明這兩年春季污染比較嚴重．在次周期(100d)和2個月(60d)的時間尺度上，小波系數(shù)曲線有相似的規(guī)律:具有強烈的波動性，震蕩周期很短，頻率較高;但前者在2000年和2006年的冬季振幅較大，其他年份震蕩平緩，而后者開始2年振幅較大，之后3年震蕩平緩，接著的2005年和2006年振幅加大，再后2年震蕩又趨于平緩，2010年春季的振幅開始增大，對應的春季污染加重．在1個月(30d)的時間尺度上，震蕩周期更短，頻率更高，規(guī)律性更加明顯:對應于冬季的振幅較大，夏季振幅較小，而部分年份次年春季的污染相對更加嚴重，如2000、2005、2008、2009以上各尺度的波峰(局部極大值，污染相對較重)大部分都出現(xiàn)在冬季，而波谷(局部極小值，污染相對較輕)則出現(xiàn)在夏季，這也表明冬季污染較重，夏季污染較輕;冬季污染高峰過后，往往伴隨著春季污染的次高峰．以上分析還表明，蘭州市大氣污染狀況總體好轉，但局部有反彈，例如2005年、2006年的冬季，2010年春季污染相對較重。3.3氣溶膠反演結果分析及驗證圖4蘭州市大氣氣溶膠光學厚度反演結果分布圖本文利用MODIS數(shù)據(jù)對蘭州地區(qū)的氣溶膠進行了監(jiān)測。在反演結果中，以2007年8月15日的結果為例，見圖4-2[100]，表明：北京市的大氣氣溶膠光學厚度從市區(qū)中心向周邊逐漸減小，具體如下：氣溶膠光學厚度的高值區(qū)基本分布在人口密集、交通和工商業(yè)活動頻繁的地區(qū)，高分辨率衛(wèi)星遙感結果對污染物的排放源分布監(jiān)測具有潛在的應用價值，能夠在一定程度上表征北京市空氣質量的狀況。夏季，由于北京大部分能被植被覆蓋，能夠滿足暗像元的假定；根據(jù)AERONET（AerosolRoboticNetwork）氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)的北京站和香河站氣溶膠觀測結果進行驗證。結果發(fā)現(xiàn)，在夏季時，利用暗目標法從衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)中反演得到的大氣氣溶膠光學厚度與地基觀測結果具有很好的一致性，這兩種結果的相關系數(shù)都在0.9左右。4.城市熱環(huán)境和空氣質量分析研究4.1污染分析城市中人為排放的污染在大氣中的擴散和稀釋作用主要可以分為兩類：水平擴散和垂直擴散。影響水平擴散的主要因子為水平風速，由于北京三面環(huán)山，山的阻擋使北京冬季水平風速很小，因此污染物的水平擴散效果不明顯。污染物的垂直擴散強度主要決定于空氣垂直對流的強度，它主要依賴地表對大氣的加熱。苗曼倩對夜間城市熱島效應對污染物擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究，指出熱島效應使近地面源所造成的地面污染物的濃度減小，這種減小以城市熱島中心最為明顯，數(shù)量是無熱島效應時地面濃度的一半，并指出其原因是城市熱島改變了大氣層結穩(wěn)定度，使城市湍流擴散交換增強。又由于逆溫層高度（其下為城市夜間混合層）增高擴大了污染物垂直擴散范圍；對地面源來說，更多的污染物向上擴散稀釋，地面濃度減小。這種解釋也可以應用于北京城市的白天的狀況，白天地表對大氣的加熱是近地面逆溫層的破壞和混合層發(fā)展的主要原動力，城市混合層的發(fā)展會帶來城市空氣污染物的擴散稀釋。地表溫度與氣溫之差可以表示層結穩(wěn)定度以及湍流交換能力的大小。冬季冷島的存在，即城市地表溫度低于郊區(qū)鄉(xiāng)村的溫度，表明城市對大氣的加熱要小于鄉(xiāng)村，城市污染物的垂直擴散能力較低。這就造成了北京城市空氣污染物的積累，加劇了近地面空氣污染。同時由于城市上空污染物對太陽輻射的吸收形成的逆溫層的存在，較低的地表加熱使得污染很難穿過逆溫層，加劇了污染物的積累。污染物的吸收和散射作用有效地降低了到達城市上空的太陽輻射，這是形成冬季白天城市冷島的一個重要原因。冷島同時又加劇了城市空氣污染物的積累，這就形成了一個惡性循環(huán)。4.2溫度與可吸入顆粒物關系分析為了更精確的表征溫度與可吸入顆粒物之間的關系，本文綜合了2008年夏季使用HandyLaserParticleCounter儀器在北京的水平和垂直采樣點數(shù)據(jù)。去除異常點數(shù)據(jù)，可以看到不同等級可吸入顆粒物PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM3.0、PM5.0與溫度之間的關系。圖52001年夏季PM2.5與溫度之間的關系2000年夏季PM0.5與溫度之間的關系由圖我們可以看到，PM0.3，PM0.5，PM1.0，PM3.0，PM5.0與溫度之間相關性比較弱。從微觀上對溫度和可吸入顆粒物進行分析，發(fā)現(xiàn)城市環(huán)境中溫度與可吸入顆粒物個數(shù)關聯(lián)影響不大。從溫度的變化來看，可吸入顆粒物的個數(shù)隨著溫度的升高反而減少，也就是說，溫度高，可吸入顆粒物個數(shù)反而少，這可能是高溫時地面湍流強烈，大氣垂直方向輸送較大，垂直方向有利于可吸入顆粒物的擴散，所以空氣中的可吸入顆粒物個數(shù)偏少。5.討論與結論5.1討論蘭州市近10年空氣污染指數(shù)的變化明顯受其復雜地形條件的影響．蘭州市處于青藏高原東北側典型的河谷盆地中，是一個半封閉的啞鈴狀河谷盆地．特殊的地形條件(張強，2001)是蘭州市空氣污染“冬重夏輕”的重要原因之一;另外，蘭州市冬季燃煤取暖也加重了該季節(jié)的大氣污染．冬季蘭州市上空存在的逆溫層是導致污染較重的首要原因，而春季河西走廊頻繁的沙塵暴活動則造成了污染的次高峰．研究表明(陶健紅等，2007)，春季甘肅河西走廊較大范圍的沙塵天氣會導致蘭州市TSP濃度的顯著升高，沙塵發(fā)生次數(shù)與同期蘭州市空氣污染指數(shù)呈顯著正相關。從20世紀80年代起，蘭州市就開始了大氣污染治理，如“藍天工程”、“123計劃”等．一系列措施的實施對于治理蘭州市大氣污染起到了很大作用，使得蘭州市近10年來大氣污染狀況總體有所好轉．但另一方面蘭州市大氣污染物的排放一直高居不下。蘭州市工業(yè)的發(fā)展，以燃煤為主的能源結構和近幾年汽車尾氣排放量增加等因素使得其大氣污染治理措施效果受到影響，大氣污染反彈現(xiàn)象時有發(fā)生，大氣污染的徹底治理仍需努力。5.2結論（1）蘭州市近10年空氣污染指數(shù)呈現(xiàn)多尺度的變化特征，在各時間尺度上具有不同的變化規(guī)律，且以300d左右的變化為主周期，100d左右的變化為次周期，主周期和次周期可很好地幫助分析空氣污染指數(shù)的變化趨勢。（2）蘭州市近10年空氣污染主要受地形條件的影響，呈現(xiàn)“冬重夏輕”的格局，受河西走廊沙塵活動的影響，春季往往出現(xiàn)空氣污染的次高峰，春分和秋分前后是1年中大氣污染輕重狀況轉換的拐點。（3）蘭州市近10年來大氣污染狀況總體有所好轉，但由經(jīng)濟發(fā)展而產(chǎn)生的污染因素使得其大氣污染治理措施效果受到影響，局部時段大氣污染反彈并趨重的現(xiàn)象時有發(fā)生．（4）小波分析方法能夠很好地分析信號的多時間尺度變化和局部特征，即在對任意時間尺度上大氣污染變化精確詳細的頻率，以及對各尺度上大氣污染變化的周期、局部極值等特征的刻畫方面，都較其它分析方法具有獨特優(yōu)勢．這對于識別大氣污染的周期特征，進行大氣污染檢測和浴霸基友重要的參考價值。參考文獻[1]劉玉潔，楊忠東等.MODIS遙感信息處理原理與算法，北京：科學出版社，2001.[2]李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢.利用MODIS遙感大氣氣溶膠及氣溶膠產(chǎn)品的應用.北京大學學報.2003-12，39（增）.[3]劉新罡，呂達仁，肖穩(wěn)安等.北京晴天紫外波段氣溶膠光學厚度反演與分析.南京氣象學院學報，2005-2，28（1）：51-57.[4]劉強，王明星等.大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.中國粉體技術，1999，5(3)：17~23.[5]趙柏林，張梵菲，高國明.我國大氣氣溶膠光學厚度的特性[J].氣象學報，1986，44(2):235-241.[6]Kaufman,Y.J.,D.Tanré,H.R.Gordonetal.Passiveremotesensingoftroposphericaerosolandatmosphericcorrectionfortheaerosoleffect,J.G.R.,1997,102(D14):16815-16830.[7]M.Herman,J.L.Deuze,C.Devaux,P