蘭州市空氣污染物變化及污染持續(xù)性特征分析

趙偵竹，馬敏勁，康國強，曹譯丹

（蘭州大學大氣科學學院，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，還對人的身心健康產(chǎn)生極大的威脅［1-3］。大量流行病學研究發(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致肺功能下降，并增加患支氣管炎等疾病的風險［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險［7］，由于空氣污染，中國人的預期壽命減少了5.5歲［5］。在持續(xù)性空氣污染過程中，污染物濃度由于其累聚時間較長往往更大，產(chǎn)生的危害也會更大，成為重要的環(huán)境問題。

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程變得復雜［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150，高濃度PM10和PM2.5能持續(xù)整個污染過程［10-11］。在深谷中，逆溫層的破壞需要好幾個小時，甚至幾天內(nèi)不會發(fā)生，尤其入射輻射很小的冬季，形成接地逆溫，擴散被抑制［12］，且逆溫結(jié)構(gòu)越強，污染物累積的程度越大，逆溫強度同城市上空空氣污染物之間存在明顯的正反饋過程［13-16］；另一方面，污染物濃度也會影響大氣邊界層發(fā)展，氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射，形成穩(wěn)定而淺薄的邊界層［17］，進而影響污染物自身擴散，形成一個互反饋的過程［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，造成嚴重空氣污染［20］。與平原不同，大多數(shù)山谷地表覆蓋類型并不單一，如山谷底部有水面和城市，這種非均一地表覆蓋會驅(qū)動熱動力過程，疊加在一定的天氣背景場上，抑制污染物向下混合［21-22］；山谷城市冠層增暖效應會維持和加強近地面逆溫，導致邊界層擴散條件變差，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)時間長，導致了谷中污染物難以擴散［28］。此外還有來自上游及周圍地區(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］。蘭州是中國西北地區(qū)重要的工業(yè)基地［31］，大氣污染形勢嚴峻，西固區(qū)是國內(nèi)首先發(fā)生光化學煙霧的地區(qū)［32］。自然環(huán)境和人為活動的雙重影響下，蘭州嚴重空氣污染事件頻發(fā)，持續(xù)性污染過程較多。針對蘭州惡化的空氣質(zhì)量，蘭州市政府制定了一系列包括減排、抑塵、控車、壓煤等空氣質(zhì)量治理措施，新冠疫情暴發(fā)以來，人為活動和企業(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)測數(shù)據(jù)資料，分析蘭州市的大氣污染特征和變化趨勢并重點分析蘭州市污染過程持續(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)來源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺［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 滑動平均）和CO 的質(zhì)量濃度。通過中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺（https://air.cnemc.cn:18007）的蘭州市空氣質(zhì)量逐時數(shù)據(jù)進行填補（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)，通過統(tǒng)計分析方法，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，在空氣污染等級劃分的基礎上，依據(jù)持續(xù)性污染發(fā)生的頻次（次數(shù)足夠有統(tǒng)計意義），對不同持續(xù)時間的持續(xù)性污染過程進行了定義。在一次持續(xù)性污染過程中，將持續(xù)時間≥2 d且≤4 d定義為短時間持續(xù)污染過程，持續(xù)時間>4 d定義為長時間持續(xù)污染過程。如果空氣質(zhì)量等級一直持續(xù)為輕度，則將這次持續(xù)性污染過程定義為一次輕度持續(xù)污染過程；如果空氣質(zhì)量等級持續(xù)為輕度污染，至少出現(xiàn)1 d中度污染，則將該污染過程定義為中度持續(xù)污染過程；如果空氣質(zhì)量等級持續(xù)為輕度污染或中度污染，至少出現(xiàn)1 d 重度污染或嚴重污染，則將該污染過程定義為重度持續(xù)污染過程。

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)量狀況的無量綱指數(shù)。AQI 劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300 和>300 共6 個等級，對應于空氣質(zhì)量的6個級別（一級：優(yōu)；二級：良；三級：輕度污染；四級：中度污染；五級：重度污染；六級：嚴重污染），指數(shù)越大，級別越高，說明污染越嚴重，對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)量二級標準，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)的年際變化及其標準偏差Fig.1 The annual variation of AQI average index and its standard deviations from 2014 to 2021 in Lanzhou

自2014年以來，盡管AQI值在2015—2017年和2020—2021 年呈現(xiàn)上升趨勢，但整體蘭州市AQI 年平均值在78.45～102.78，呈波動下降趨勢，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 均達到“良”的水平。在2014—2021年，AQI 指數(shù)的年均值和AQI 指數(shù)的標準差變化趨勢基本相一致，且AQI 標準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 的標準差不斷波動，經(jīng)統(tǒng)計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 的標準差上升，說明2018年的污染狀況比2017年輕微，但AQI值波動較大。2019年末全球疫情爆發(fā)，包括蘭州等大部分城市從2020年1月下旬開始進行動態(tài)清零，這些措施被認為大大減少了空氣污染物的排放［33］。但蘭州市近年來空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)的幅度并不十分明顯，其中原因有待未來得到進一步分析與解釋。

2014—2021年AQI等級為一級的天數(shù)有172 d、二級1995 d、三級623 d、四級83 d、五級12 d、六級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，嚴重污染的天數(shù)最少。由表1 可以看出空氣質(zhì)量分級天數(shù)的年際變化，2014—2021 年優(yōu)良天數(shù)大體呈波動上升趨勢，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 等級為三級與四級的天數(shù)整體呈下降趨勢，僅在2014—2016 年，2020—2021 年稍有上升；五級與六級的天數(shù)整體呈下降趨勢，但趨勢不明顯，2021 年達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?？傮w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)缺失無法得到首要污染物）。由表2統(tǒng)計可知，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，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，說明近幾年，隨著大氣污染防治攻堅戰(zhàn)和藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的實施，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，其中，以O3（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)性有機物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在紫外線的照射下經(jīng)光化學反應生成，而VOCs和NOx絕大部分是通過燃料燃燒和工業(yè)污染大量排放［35］，重點控制NOx和VOCs的排放，減少蘭州市近地面O3的生成，以應對新型空氣污染變化趨勢。

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，造成嚴重持續(xù)性污染。當一些天氣過程如鋒面過境、大風天氣等發(fā)生時，破壞了谷中穩(wěn)定的大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)，擴散條件發(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)量等級的季節(jié)分布具有較好的一致性，尤其春季，沙塵天氣對蘭州市空氣質(zhì)量有著重要的影響［30］。整體來看，夏季空氣污染指數(shù)較為穩(wěn)定，波動情況較小，其季節(jié)平均值在四個季節(jié)中也最小，說明夏季的空氣質(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。其中2014 年、2015 年、2019 年和2020 年AQI 月變化的波動較為平緩，而2021年AQI月變化的波動最劇烈，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)一次長達17 d 的重度持續(xù)性污染過程，AQI 維持在105～500，而其他月份空氣質(zhì)量較好，并無持續(xù)時間較長的重度持續(xù)性污染過程出現(xiàn)，從而導致3 月AQI 平均值遠高于其他月份，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變化的波動極為平緩，無明顯峰值外，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，第一個峰值出現(xiàn)的時間為3—5 月（2016 年較為特殊，第一個峰值出現(xiàn)在2 月），第二個峰值出現(xiàn)的時間為11 月份或12 月份。進一步說明了蘭州市空氣污染嚴重時期經(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揚塵造成蘭州市粗顆粒物濃度出現(xiàn)峰值；隨后開始下降，并于夏季達到最低，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。對應冬季首要污染物為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)時間不同外，PM2.5濃度其他變化同PM10類似，二者濃度在夏季都達到最低值，這可能是由于夏季氣溫的整層升高，不易發(fā)生逆溫，且降水和大風天氣也較多，擁有良好的擴散條件和降水濕沉降作用，有利于顆粒物的擴散和清除［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，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，對應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）濃度開始減小，并在冬季濃度達到最低，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，太陽輻射強，利于氮氧化物等O3的前體物發(fā)生光化學反應，導致夏季蘭州市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、春季不同污染等級下的AQI 指數(shù)箱型圖和全年AQI 指數(shù)箱型圖進行對比（圖5），污染等級為輕度、中度和重度時，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%，說明在這3 種污染等級下任一相同污染等級時，春季的污染狀況比冬季要更為嚴重。當污染等級為輕度污染和中度污染時，冬季和春季AQI 指數(shù)的波動情況基本相同，當污染等級為重度污染時，春季的AQI指數(shù)與冬季相比更加穩(wěn)定，波動較小。

在污染等級為嚴重污染時，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%，說明在嚴重污染的情況下冬季的污染狀況要比春季的更加嚴重。但冬季AQI指數(shù)的波動狀況要比春季的大，春季的嚴重污染過程整體要更加穩(wěn)定。

2.2 蘭州市空氣污染持續(xù)性特征

統(tǒng)計2014—2021 年各季節(jié)不同持續(xù)天數(shù)輕度持續(xù)污染過程次數(shù)，根據(jù)表3可知，秋季和冬季是四季中長時間輕度持續(xù)污染過程的次數(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)了長達10 d和12 d的輕度持續(xù)污染過程。秋季的5次長時間輕度持續(xù)污染過程均出現(xiàn)在屬于秋末冬初的11月，持續(xù)時間為5 d的輕度持續(xù)污染過程有2次，分別出現(xiàn)在2017 年和2021 年；持續(xù)時間為6 d 的輕度持續(xù)污染過程出現(xiàn)在2014 年；持續(xù)時間為8 d 的輕度持續(xù)污染過程出現(xiàn)在2020 年。冬季短時間輕度持續(xù)污染過程次數(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)污染過程次數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Statistics on the number of continuous pollution processes in Lanzhou from 2014 to 2021

統(tǒng)計2014—2021 年各季節(jié)不同持續(xù)天數(shù)的中度持續(xù)污染過程，根據(jù)表3可知，冬季是四季中長時間中度持續(xù)污染過程次數(shù)最多（5 次），是春季和秋季的5.00 倍。春季短時間中度持續(xù)污染過程次數(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，無中度持續(xù)污染過程。對于重度持續(xù)污染過程（表3），冬季是四季中長時間重度持續(xù)污染過程次數(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)長達21 d 和14 d 的重度持續(xù)污染過程，AQI 值維持在104.00～500.00 和105.37～897.66。春季的短時間重度持續(xù)污染過程次數(shù)最多（10次），夏季則無重度持續(xù)污染過程。

為了了解不同持續(xù)時間的污染過程中起主要影響的污染物，在一次持續(xù)污染過程中統(tǒng)計首要污染物出現(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)污染過程中起主要影響的污染物。如果一次持續(xù)污染過程中有不同首要污染物出現(xiàn)次數(shù)相同且最多，那么同時將首要污染物作為此次持續(xù)污染過程中起主要影響的污染物。對2014—2021 年蘭州市不同持續(xù)天數(shù)輕度持續(xù)污染過程中起主要影響的污染物出現(xiàn)次數(shù)進行統(tǒng)計，如圖6a所示，冬季在短時間輕度持續(xù)污染過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，而長時間輕度持續(xù)污染過程中起到主要影響作用的污染物只有PM2.5，統(tǒng)計不同持續(xù)天數(shù)輕度持續(xù)污染過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)時間為3 d的輕度持續(xù)污染過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），對應了在污染期間，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)時間為3 d的輕度持續(xù)污染過程中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)污染過程中PM10濃度的平均值均最大。而到了夏季（圖6c），在短時間輕度持續(xù)污染過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，而長時間輕度持續(xù)污染過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)時間輕度持續(xù)污染過程中O3（8 h）濃度的平均值都極高（157.74～185.75 μg·m-3）。如圖6d 所示，秋季短時間輕度持續(xù)污染過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)無十分明顯差距，而長時間輕度持續(xù)污染過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，整體來看，冬季、春季和夏季在輕度持續(xù)污染過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)污染過程中起主要影響污染物出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計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2014—2021 年蘭州市不同持續(xù)天數(shù)中度持續(xù)污染過程中起主要影響的污染物出現(xiàn)次數(shù)進行統(tǒng)計的結(jié)果，如圖7a 所示，冬季在中度持續(xù)污染過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，在長達11 d的中度持續(xù)污染過程中，起主要影響作用的污染物為PM10，在持續(xù)污染過程中，當起主要影響作用的污染物為PM2.5時，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，PM10濃度的平均值在193.00～207.00 μg·m-3。如圖7b 所示，春季短時間中度持續(xù)污染過程中起主要影響的污染物為PM10，其次為O3（8 h），而長時間中度持續(xù)污染過程中只有PM10起主要影響作用。在不同持續(xù)時間的中度持續(xù)污染過程中，PM10濃度的平均值維持在200.68～239.67 μg·m-3，如圖7c 所示，秋季短時間中度持續(xù)污染過程起主要影響作用的污染物為PM10，污染過程中平均濃度值為249.75 μg·m-3，長時間中度持續(xù)污染過程起主要影響作用的污染物為PM2.5，污染過程中平均濃度值為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)污染過程中起主要影響污染物出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計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，冬季短時間重度持續(xù)污染過程起主要影響作用的污染物為PM2.5，污染過程中平均濃度值為127.25 μg·m-3，長時間重度持續(xù)污染過程起主要影響作用的污染物為PM2.5和PM10，其中更長時間（11 d和19 d）重度持續(xù)污染過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)時間為兩天的重度持續(xù)污染過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)污染過程起主要影響作用的污染物皆為PM10，在污染過程中，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)污染過程皆為長時間重度持續(xù)污染過程，且起主要影響作用的污染物皆為PM10，在污染過程中，PM10濃度的平均值維持在297.10～322.60 μg·m-3。

圖8 2014—2021年蘭州市四個季節(jié)不同持續(xù)天數(shù)重度持續(xù)污染過程中起主要影響污染物出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計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

當持續(xù)性污染過程為長時間重度污染持續(xù)性污染過程時，往往對生態(tài)環(huán)境、人類社會造成的影響較大，極其影響人類的生活質(zhì)量、身體健康和生產(chǎn)活動。在長時間重度污染的持續(xù)污染過程中起主要影響的污染物濃度會更高，這些污染物對人體造成的危害將更大，更值得被關注。本文收集資料時長為8 a，某些類型的持續(xù)性污染過程出現(xiàn)次數(shù)較少，后續(xù)收集更長時間數(shù)據(jù)進行研究。

以2016 年10 月31 日至11 月20 日的一次重度持續(xù)污染過程為例，重點分析污染過程中AQI 及顆粒物（PM2.5和PM10）質(zhì)量濃度的變化情況，在整個污染過程中，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呈波動上升趨勢，11月10日AQI突增到500，達到嚴重污染，為此次過程的最高污染水平，對應PM2.5和PM10的濃度值高達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)污染過程的第二個高值（343），對應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)計方法對蘭州市空氣質(zhì)量年際變化特征、月季變化特征及持續(xù)性空氣污染特征進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）蘭州市AQI 年平均值整體呈波動下降趨勢，空氣質(zhì)量最主要以良和輕度污染為主，重度污染和嚴重污染的天數(shù)相對較少；雖然首要污染物為PM10、PM2.5的天數(shù)整體呈下降趨勢，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。

（2）月季變化上，冬季空氣污染指數(shù)比春季波動大，且與春季相反呈下降趨勢。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重；等級為嚴重污染，冬季比春季嚴重，且春季的嚴重污染過程更加穩(wěn)定。

（3）秋季和冬季是四季中長時間輕度持續(xù)污染過程的次數(shù)較多（5 次和4 次）。冬季短時間輕度持續(xù)污染過程、長時間中度和重度持續(xù)污染過程次數(shù)最多（4 次、5 次和6 次）；春季短時間中度和重度持續(xù)污染過程次數(shù)最多（7次和10次）。冬季輕度持續(xù)污染過程、中度持續(xù)污染過程和短時間重度持續(xù)污染過程，起主要影響的污染物為PM2.5，長時間重度持續(xù)污染過程為PM2.5和PM10；春季持續(xù)污染過程中主要污染物為PM10；夏季輕度持續(xù)污染過程中主要污染物為O3（8 h）；秋季短時間輕度持續(xù)污染過程中主要污染物為PM10，而長時間輕度持續(xù)污染過程分別為PM10、PM2.5和NO2，在污染過程中，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)污染過程中，AQI 及顆粒物濃度值都較高且二者日變化趨勢基本一致。