青海省城市大氣污染物變化特征及與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

祁棟林 李曉東 肖宏斌 肖蓮桂 魏鴻業(yè) 馬明亮 孔維強(qiáng) 金惠瑛

摘要 對(duì)2001～2012年青海省西寧和格爾木2個(gè)城市環(huán)境空氣中主要污染物SO2 、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）年際變化趨勢(shì)和負(fù)荷系數(shù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，2001～2012年期間西寧市PM10均超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，SO2和NO2均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM10和NO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的下降趨勢(shì)，SO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢(shì)；格爾木市TSP均超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，SO2（2003～2012年）和NOX均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，TSP和SO2濃度變化的下降趨勢(shì)顯著，NOX濃度變化下降趨勢(shì)不明顯。西寧和格爾木市大氣質(zhì)量指數(shù)總體均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)；西寧市12年間大氣質(zhì)量均達(dá)到中污染級(jí)別，處于警戒水平；格爾木市2008～2010年期間達(dá)到輕污染級(jí)別，符合空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，2003～2007和2011～2012年為中污染程度，處于警戒水平，2001和2002年分別達(dá)極重和重污染級(jí)別，處于緊急和警報(bào)水平。西寧市主要污染物分指數(shù)的排列順序是PM10>NO2>SO2，而格爾木主要污染物分指數(shù)的排列順序是TSP>SO2>NOX，2個(gè)城市主要污染物均是氣溶膠顆粒物，且進(jìn)入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染負(fù)荷系數(shù)非常接近。西寧和格爾木2個(gè)城市大氣污染物與主要?dú)庀笠蜃泳幱谳^高的關(guān)聯(lián)水平（0.55～0.78），同時(shí)也顯示出不同區(qū)域的差異性。

關(guān)鍵詞 大氣污染物；變化特征；氣象因子；灰色關(guān)聯(lián)分析；青海省

中圖分類號(hào) S161；X651 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）16-05162-04

城市的空氣質(zhì)量水平不僅關(guān)系到城市環(huán)境質(zhì)量水平，良好的空氣質(zhì)量水平也是城市民眾健康生活工作學(xué)習(xí)的保證。因此探求城市環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)是很有必要的。近年來，西寧市在大氣污染治理方面取得了顯著效果，大氣環(huán)境質(zhì)量逐步得到改善[1-3]，而有關(guān)格爾木市的大氣環(huán)境質(zhì)量分析方面的文獻(xiàn)很少，如何正確評(píng)價(jià)分析西寧和格爾木2個(gè)城市的大氣環(huán)境質(zhì)量和污染變化趨勢(shì)，對(duì)青海省的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

西寧市位于青藏高原東北部，平均海拔為2 261.2 m，市區(qū)周圍四面環(huán)山，座落于十字河川谷地，屬于典型的高原內(nèi)陸半干旱性氣候。近年來經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)高速發(fā)展，加之市區(qū)靜風(fēng)天氣較多，受逆溫層的影響，使市區(qū)空氣中的污染物不易稀釋擴(kuò)散。格爾木市地處青藏高原腹地，屬于荒漠、半荒漠的戈壁灘，自然條件惡劣，少雨、多風(fēng)、干旱。隨著國(guó)家西部大開發(fā)的戰(zhàn)略發(fā)展，依托柴達(dá)木盆地豐富的鹽湖、石油、天然氣源而重點(diǎn)發(fā)展的鹽化工業(yè)和石油化工逐漸成為資源開發(fā)型的新興工業(yè)城市。筆者根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2001～2012年青海省西寧和格爾木2個(gè)城市主要大氣污染物二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2或NOx）、PM10（或TSP）和大氣質(zhì)量指數(shù)的變化特征和趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 環(huán)境資料。以西寧市和格爾木市（2001～2012年為SO2 、NOx和TSP年平均值）環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供的數(shù)據(jù)為依據(jù)，執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其中，西寧市2001～2005年為SO2 、NO2 、TSP年平均值，2006～2012年為SO2 、NO2 和PM10年平均值，根據(jù)2006～2007年同期TSP和PM10資料進(jìn)行線性回歸，對(duì)2001～2005年的TSP資料訂正為PM10濃度值。

1.1.2 氣象資料。西寧二十鋪氣象站（36°43′ N、101°46′ E，2 295 m）和格爾木氣象站（36°25′ N、94°54′ E，2 807.6 m）的氣象資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)共享數(shù)據(jù)網(wǎng)提供，包括年平均本站氣壓、年平均氣溫、年平均風(fēng)速、年平均相對(duì)濕度、年降水量和年平均總云量。

1.2 分析方法

1.2.1 污染物負(fù)荷系數(shù)和大氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算。 以SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）為評(píng)價(jià)因子，根據(jù)年均污染分指數(shù)，確定大氣中首要污染物。污染負(fù)荷系數(shù)的評(píng)價(jià)公式為：Fi=Ci/Sini=1（Ci/Si）， 式中，F(xiàn)i為污染物的負(fù)荷系數(shù)；Ci為i項(xiàng)空氣污染物的均值，Si為i項(xiàng)空氣污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，n為污染物項(xiàng)數(shù)。大氣質(zhì)量指數(shù)公式為[4]：I=MAX（CiSi）×（1nni=1CiIi），式中，I為大氣質(zhì)量指數(shù)。大氣質(zhì)量指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.2.2 采用Daniel[5]趨勢(shì)檢驗(yàn)。其公式為γs=1-6ni=1diN3-N，式中，γs 為Spearman秩相關(guān)系數(shù)；N為時(shí)間周期（年）；di 為變量Xi 和變量Yi 之差；Xi對(duì)應(yīng)各時(shí)間周期按濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi 對(duì)應(yīng)各時(shí)間周期按時(shí)間排列的序號(hào)。γs為負(fù)，呈下降趨勢(shì)；反之則為上升趨勢(shì)。若|γs | ≥Wp（秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中的臨界值），表明變化趨勢(shì)有顯著意義。

1.2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析[6]?；疑P(guān)聯(lián)分析方法根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷目標(biāo)序列與影響因素之間聯(lián)系是否緊密。曲線越接近，表明序列之間的關(guān)聯(lián)度越大，反之越小。原始數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行變換。關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式2 結(jié)果與分析

2.1 大氣污染物的變化特征

2.1.1 質(zhì)量濃度變化。

2.1.1.1 西寧市。從圖1可看出，西寧市2001～2012年期間，PM10質(zhì)量濃度均值為0.130 mg/m3，超出國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.86倍，最大年均值為0.147 mg/m3，出現(xiàn)在2001年，超出國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1.1倍，最小年均值為0.105 mg/m3，出現(xiàn)在2011年，與2001年相比，2011年西寧市PM10濃度下降了28.6%，12年均超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；SO2均值為0.029 mg/m3，最大年均值為0.043 mg/m3，出現(xiàn)在2011年，最小年均值為0.019 mg/m3，出現(xiàn)在2001年，12年均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；NO2在2001～2012年期間均值為0.030 mg/m3，最大年均值為0.035 mg/m3，出現(xiàn)在2002年，最小年均值為0.026 mg/m3，出現(xiàn)在2010～2012年，12年均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；NO2同其他指標(biāo)相比屬于污染較輕型污染物。從趨勢(shì)上看，NO2和PM10污染物呈逐年遞減趨勢(shì)，分別以0.004和0.001 mg/（m3·a）的速率下降，SO2以0.002 mg/（m3·a）的速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。根據(jù)Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)（表2），得到PM10、SO2和NO2的秩相關(guān)系數(shù)分別為-0.84、0.88和-0.77，|r|>W0.01臨界值（0.727），說明西寧市2001～2012年P(guān)M10和NO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的下降趨勢(shì)，SO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢(shì)。

2.1.1.2 格爾木市。2001～2012年期間格爾木市TSP濃度呈逐年下降趨勢(shì)，2001～2008年下降趨勢(shì)明顯，進(jìn)入2008年以后TSP濃度保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)；TSP在2001～2012年期間均值為0.423 mg/m3，超出國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1.1倍，最大年均值1.055 mg/m3，出現(xiàn)在2001年，超出國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)4.3倍，最小年均值0.234 mg/m3，出現(xiàn)在2008年，12年均超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；SO2均值為0.054 mg/m3，最大年均值0.114 mg/m3，出現(xiàn)在2001年，超出國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.9倍，最小年均值0.025 mg/m3，出現(xiàn)在2010年，2001～2002年超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2003～2012年均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；NOX在2001～2012年期間均值為0.024 mg/m3，最大年均值為0.038 mg/m3，出現(xiàn)在2012年，最小年均值0.004 mg/m3，出現(xiàn)在2008年，12年均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，NOX同其他指標(biāo)相比屬于污染較輕型污染物。從整體趨勢(shì)上看，TSP污染物呈逐年遞減趨勢(shì)，以0.052 mg/（m3·a）的速率下降；SO2呈逐年波動(dòng)下降趨勢(shì)，以0.006 mg/（m3·a）的速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；NOX總體呈下降趨勢(shì)，2001～2007年緩慢下降，下降速率為0.004 mg/（m3·a），進(jìn)入2008年以后轉(zhuǎn)入增長(zhǎng)趨勢(shì)，且以0.009 mg/（m3·a）的速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。根據(jù)Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)（表2），得到TSP、SO2和NOX的秩相關(guān)系數(shù)r分別為-0.86、-0.73和-0.22，TSP和SO2的|r|>W0.01臨界值（0.727），說明格爾木市2001～2012年TSP和SO2濃度變化的下降趨勢(shì)顯著，NOX濃度的下降趨勢(shì)不明顯，2001～2008和2008～2012年分階段NOX的秩相關(guān)系數(shù)分別為-0.94和1.00，|r|>W0.01臨界值（0.727），說明2個(gè)階段NOX的下降和上升趨勢(shì)均極顯著。

2.1.2 大氣質(zhì)量指數(shù)變化。為了更綜合、更科學(xué)地表示西寧和格爾木2個(gè)城市大氣污染程度，以SO2、 NO2（或NOX）和PM10（或TSP）為評(píng)價(jià)因子，采用大氣質(zhì)量指數(shù)來分析環(huán)境空氣的污染程度。從青海省2個(gè)城市2001～2012年大氣質(zhì)量指數(shù)的年際變化（圖2）可以看出，西寧市大氣質(zhì)量指數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；2001～2007年大氣質(zhì)量指數(shù)緩慢下降，2007～2009年有所回升，2009年大氣質(zhì)量數(shù)達(dá)最大值1.56，以后進(jìn)入明顯的下降階段；12年大氣質(zhì)量均達(dá)到中污染級(jí)

2001～2012年西寧市（a）和格爾木市（b）大氣質(zhì)量指數(shù)年際變化別，處于警戒水平。格爾木市大氣質(zhì)量指數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；2001年開始大氣質(zhì)量指數(shù)緩慢下降，2006年有所回升，2008年大氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)最小值0.87，以后開始緩慢的上升階段；2008～2010年期間達(dá)到輕污染級(jí)別，符合空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，2003～2007和2011～2012年為中污染程度，處于警戒水平，2001和2002年大氣質(zhì)量分別達(dá)到極重污染和重污染級(jí)別，處于緊急和警報(bào)水平。根據(jù)Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，西寧大氣質(zhì)量指數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)為r=-0.69，|r|>W0.05 臨界值（0.587），說明西寧市2001～2012年大氣質(zhì)量指數(shù)呈顯著的下降趨勢(shì)；而格爾木市大氣質(zhì)量指數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)為r=-0.82，|r|>W0.01臨界值（0.727），說明格爾木市2001～2012年大氣質(zhì)量指數(shù)呈極顯著的下降趨勢(shì)。

2.1.3 污染負(fù)荷系數(shù)變化。根據(jù)公式計(jì)算出2001～2012年西寧和格爾木2個(gè)城市大氣中SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）的污染負(fù)荷系數(shù)（表3），由表3可見，西寧市大氣中

的主要污染物分指數(shù)的排列順序是PM10>NO2>SO2，而格爾木大氣的主要污染物分指數(shù)的排列順序是TSP>SO2>NOX，可見青海省2個(gè)城市主要污染物是氣溶膠顆粒物，且進(jìn)入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染負(fù)荷系數(shù)非常接近。根據(jù)Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，西寧SO2、NO2和PM10污染負(fù)荷系數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)分別0.95、-0.49和-0.87，且SO2和PM10的|r|>W0.01 臨界值（0.727），說明2001～2012年西寧市SO2污染負(fù)荷系數(shù)呈極顯著的上升趨勢(shì)，PM10污染負(fù)荷系數(shù)呈顯著的下降趨勢(shì)，NO2污染負(fù)荷系數(shù)變化趨勢(shì)不明顯；而格爾木市SO2、NOX和TSP污染負(fù)荷系數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)分別為0.14、0.49和-0.49，|r|

2.2 SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）濃度之間的相關(guān)性分析 對(duì)SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）濃度年均值進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果（表4）顯示，西寧市PM10與SO2及SO2與NO2均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，PM10與NO2呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.72，SO2與NO2及PM10與NO2分別通過0.05和0.01的顯著性檢驗(yàn)；而格爾木SO2、NOX和TSP三者均呈現(xiàn)正相關(guān)，TSP和SO2相關(guān)系數(shù)達(dá)0.81，通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。2個(gè)城市三者的相關(guān)性分析結(jié)果表明，不同污染物的貢獻(xiàn)源及貢獻(xiàn)大小有所不同。

2.3 大氣污染物與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)分析 環(huán)境空氣中污染物濃度不僅與污染源的排放有關(guān)，更與氣象條件的變化密不可分，氣象要素對(duì)大氣中污染物濃度值影響較復(fù)雜，而通過運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，可以確定影響當(dāng)?shù)卮髿馕廴疚锏闹饕痛我獨(dú)庀笠?。將風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、降水量、氣壓和總云量與SO2、NO2（或NOX）、PM10（或TSP）濃度和大氣質(zhì)量指數(shù)年均值進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析（表5）。從西寧和格爾木2個(gè)城市大氣污染物與主要?dú)庀笠蜃拥幕疑P(guān)聯(lián)分析結(jié)果（表5）可以看出，西寧和格爾木2個(gè)城市大氣污染物與主要?dú)庀笠蜃泳幱谳^高的關(guān)聯(lián)水平（0.55～0.78），同時(shí)也顯示出不同區(qū)域的差異性。西寧市SO2與總云量的關(guān)系較密切，是影響SO2的主要?dú)夂蛞蜃?，其次是風(fēng)速和相對(duì)濕度，氣壓和降水對(duì)SO2的影響相對(duì)較小；NO2和PM10與氣壓、氣溫及相對(duì)濕度關(guān)系較密切，風(fēng)速對(duì)NO2和PM10影響較弱；而格爾木市SO2與氣壓和總云量的發(fā)展趨勢(shì)最為接近，對(duì)SO2的影響較大，NOx與相對(duì)濕度和氣壓關(guān)系密切，TSP與氣壓和總云量關(guān)系密切，SO2、NOX和TSP與風(fēng)速關(guān)系均較弱。 從主要污染物與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果反映出不同地區(qū)、不同氣候條件下各氣象因子對(duì)2個(gè)城市空氣質(zhì)量特征影響的明顯差異。

3 結(jié)論

（1）2001～2012年期間，西寧市PM10均超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，SO2和NO2均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM10和NO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的下降趨勢(shì)，SO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢(shì)。格爾木市TSP均超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，SO2（2003～2012年）和NOX均符合國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，TSP和SO2濃度變化的下降趨勢(shì)顯著，NOX濃度變化下降趨勢(shì)不明顯。

（2）西寧和格爾木2個(gè)城市大氣質(zhì)量指數(shù)總體均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。西寧市12年大氣質(zhì)量均達(dá)到中污染級(jí)別，處于警戒水平；格爾木市2008～2010年期間達(dá)到輕污染級(jí)別，符合空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，2003～2007和2011～2012年為中污染程度，處于警戒水平，2001和2002年大氣質(zhì)量分別達(dá)極重污染和重污染級(jí)別，處于緊急和警報(bào)水平。

（3）西寧市主要污染物分指數(shù)的排列順序是PM10>NO2>SO2，而格爾木主要污染物分指數(shù)的排列順序是TSP>SO2>NOX，2個(gè)城市主要污染物均是氣溶膠顆粒物，且進(jìn)入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染負(fù)荷系數(shù)非常接近。

（4）西寧和格爾木2個(gè)城市大氣污染物與主要?dú)庀笠蜃泳幱谳^高的關(guān)聯(lián)水平（0.55～0.78），同時(shí)也顯示出不同區(qū)域的差異性。

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