1、39环境科学导刊2023，42（4）CN 53-1205/XISSN 1673-965520172021 年西北地区省会城市空气污染特征及气象因子分析马红璐，祁栋林，杜华礼，王惠平（青海省气象科学研究所，青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001）摘 要：基于20172021年扣除沙尘天气影响后的西北地区省会城市空气质量监测结果和同期气象观测资料，综合应用Spearman秩相关系数法和Pearson相关分析方法，探究西北地区省会城市空气污染特征及其气象因子。气象因子对不同城市不同污染物的影响程度不同，气温和气压是影响西安、兰州和银川空气污染物浓度的主要气象因子，影响西宁空气污染物浓度的
2、主要气象因子是气温和降水量，而乌鲁木齐的空气污染物浓度受气温、相对湿度、风速和日照时数的综合影响。关键词：西北地区；空气污染；变化趋势；气象因子中图分类号：X51 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2023）04-0039-060 引言随着我国工业化和城镇化进程的不断加快，能源资源消耗持续增加，大气环境进入复合型污染阶段，其中PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3为主要的污染物。大气污染不仅影响大气能见度1,2，还会使生态环境和人体健康遭受威胁，长期暴露于PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3污染的环境氛围中会引起呼吸道、心血管和肺部疾病等3-6。近年来，有关大
3、气污染物多年浓度变化及其气象因子的研究大多集中在京津冀、长三角等经济发达区域的城市，且研究对象多为PM2.5和O3。严晓瑜等7研究了20142016年北京和南京的O3浓度变化发现，北京和南京的O3浓度呈上升趋势，而气温和日照时数是影响两地O3浓度变化的主要气象因子。于瑞新等8利用OMI遥感数据分析20052019年长三角地区O3柱浓度发现，O3柱浓度年际变化先上升后下降，气压、气温、降水、风速和日照时数是影响O3柱浓度的主要气象因子。北京20132019年PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO浓度呈下降趋势，O3浓度略有上升，其中PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO浓度秋冬季较高，而
4、O3浓度峰值出现在夏季9，风速、气温、降水量和相对湿度与北京市PM2.5浓度关系紧密10-11。目前，针对西北地区空气质量变化特征及其气象因素的研究多聚焦于单个城市的单个污染物或空气质量指数变化12-15，而对多个城市特征污染物年际变化趋势及其影响因素的对比研究较少。西北地区生态环境脆弱，生态保护意义重大，研究西北地区省会城市空气质量变化特征及其气象因子，对改善西北地区空气质量具有重要意义。本文通过对比西北地区省会城市扣除沙尘天气影响后20172021年空气污染物浓度变化，分析其季节变化特征及年际变化趋势，利用皮尔逊相关分析法探究影响污染物浓度的气象因子，为西北地区省会城市科学有效防控大气污染
5、、精准预报空气质量提供理论依据。1 资料与方法1.1 资料来源空气污染物浓度取自中华人民共和国生态环境部城市空气质量状况月报数据（https:/），选取20172021年西北地区省会城市（西安、兰州、西宁、银川、乌鲁木齐）的空气污染物月均浓度数据，包括PM2.5浓度、PM10浓度、SO2浓度、NO2浓度、CO日均值第95百分位浓度和O3日最大8 h平均第90百分位浓度。其中PM2.5和PM10浓度为按照受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定扣除沙尘天气影响后的数据。气象数据选用西安、兰州、西宁、银川、乌鲁木齐地面气象站20172021年逐月的平均气收稿日期：2022-12-08基金项目：青
6、海省科技厅项目（2021-SF-141）。作者简介：马红璐（1996-），女，青海人，助理工程师，硕士，毕业于南京信息工程大学环境工程专业，主要从事大气环境研究。环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月40压、平均气温、相对湿度、降水量、2 min平均风速和日照时数观测资料，数据来源于中国气象局综合气象信息共享平台（CIMISS）。1.2 分析方法1.2.1 污染物浓度均值参照HJ 6632013环境空气质量评价技术规范，将环境空气污染物月均浓度按季节、年进行平均，得到20172021年西北地区省会城市污染物浓度季节均值和年均值序列。本研究中35月春季、68月夏季、911月秋季、
7、12次年2月冬季。评价年度空气质量状况时O3以日最大8 h浓度的平均第90百分位数为评价值，CO以日均浓度的第95百分位数为评价值，其余4项污染物均取其年均值。1.2.2 趋势分析利用最小二乘法拟合一元线性方程c=at+b16（a-回归系数，b-回归常数，c-污染物浓度，t-时间），回归系数a的符号表示污染物浓度变量c的趋势倾向。a的符号为正，说明随时间t的增加c呈上升趋势；当a的符号为负，说明随时间t的增加c呈下降趋势。a值大小反映了上升或下降的速率。1.2.3 Spearman秩相关系数法利用Spearman秩相关系数法分析空气污染物浓度变化趋势及其统计学显著性特征。()()21611ns
8、jjjXYn n=（1）式中：sSpearman秩相关系数；n时间周期的数量，n5；Xj周期j按时间排序的序号，1Xjn；Yj周期j内污染物浓度按数值升序排序的序号，1Yjn。将计算秩相关系数绝对值与临界值0.900（单侧检验的显著性水平为0.05）相比较。若秩相关系数绝对值大于临界值，表明变化趋势有统计意义。s为正值表示上升趋势，负值表示下降趋势。若秩相关系数绝对值小于等于临界值，表示基本无变化16。1.2.4 相关性分析利用皮尔逊相关分析法研究污染物浓度与气象因子之间的关系。对于研究变量x和y，其相关系数r表示为：()()()()112211111niiiniiiixxyynrxxyynn
9、=（2）式中：n研究变量样本总量；xi、yi第i对样本；、两变量样本均值。r的取值在-1和1之间，当0r1时，表示x与y呈正相关，-1r0时，表示x与y呈负相关，r的绝对值越大，表示x和y之间相关性越大，之后需要对r进行显著性检验。2 结果分析2.1 污染物浓度季节变化特征图1为 20172021年西北地区省会城市空气污染物浓度季节对比，20172021年西北地区省会城市的PM2.5和PM10浓度在冬季最高，春秋季次之，夏季最低。其中，冬季西安和乌鲁木齐PM2.5浓度明显高于其他城市。除了沙尘天气影响，环境空气中的PM2.5和PM10主要来源于燃料燃烧、机动车尾气排放等15,17。西北地区冬季
10、供暖，煤炭燃烧对PM2.5和PM10污染贡献率较高，且冬季气温低、大气层结稳定，易出现逆温现象，不利于污染物扩散；夏季雨水充足，雨水可冲刷空气中的颗粒物，起到净化空气的作用18。20172021年西北地区省会城市SO2浓度均表现为冬季春季秋季夏季，春冬季银川SO2浓度最高，接着是兰州，夏秋季西宁和银川的SO2浓度较高。环境空气中的SO2主要来自含硫燃料燃烧19，冬季采暖燃煤排放增多，加之气象条件不利于污染物稀释扩散，从而导致冬季SO2浓度较高。银川冬季SO2浓度比其他城市高出2倍左右，产业结构、地形和气象条件等因素均会影响污染物浓度，银川冬季SO2浓度偏高的原因需进一步探究。20172021年
11、西北地区省会城市NO2浓度季节变化特征为冬秋春夏，其中兰州和西安NO2浓度较高。研究表明，环境空气中的NO2主要与机动车尾气排放有 关20，夏季气温高、日照长，作为O3的前体物，NO2易与环境空气中的挥发性有机物（VOCs）发生光化学反应生成O321,22。因此，夏季NO2浓度较低。冬季气温低，NO2不易发生反应转化，加之不利气象条件影响，污染物难扩散，导致冬季NO2浓度较高。20172021年西北地区省会城市CO浓度季节变化特征为冬秋春夏，其中冬季乌鲁木齐、兰州的CO浓度高于其他城市，西宁CO浓度整体偏高。CO也是O3的前体物之一，主要来自燃料的不完全燃烧，包括化工厂排放、机动车尾气排放、秸
12、秆燃烧等2325。冬季采暖燃煤、焚烧秸秆会造成空气中CO浓度偏高，夏季的气象条件易使CO发生光化学反应生成O3，造成夏季CO浓度偏20172021 年西北地区省会城市空气污染特征及气象因子分析马红璐41低。20172021年西北地区省会城市O3浓度季节变化整体保持一致，表现为夏春秋冬，夏季O3浓度西安银川兰州西宁乌鲁木齐。夏季太阳辐射强、气温高、日照长，光化学反应强烈，有利于O3生成；冬季大气辐射较弱、气温较低、日照时数较短，不利于前体物发生光化学反应26,27，因此夏季O3浓度最高，冬季浓度最低。2.2 污染物浓度年际变化趋势图2为20172021年西北地区省会城市空气污染物年均浓度变化，表
13、1为20172021年西北地区省会城市空气污染物浓度Spearman秩相关系数。由图1和表1可得，扣除沙尘天气影响后，20172021年西北地区省会城市PM2.5平均浓度为44.68 g/m3，年均浓度变化范围为27.6773.33 g/m3，西安乌鲁木齐兰州西宁银川。西安、兰州和乌鲁木齐的PM2.5年均浓度分别以7.44 g/（m3a）、5.14 g/（m3a）和6.89 g/（m3a）的速率呈显著下降趋势，西宁和银川基本无变化。20172021年西北地区省会城市PM10平均浓度为87.50 g/m3，PM10年均浓度变化范围为59.08129.58 g/m3，西安兰州乌鲁木齐银川西宁。与P
14、M2.5年均浓度变化相同，20172021年西宁和银川PM10年均浓度基本无变化，西安、兰州和乌鲁木齐PM10年均浓度分别以11.21 g/（m3a）、13.42 g/（m3a）和10.2 g/（m3a）的速率呈显著下降趋势。20172021年西北地区省会城市SO2平均浓度为16.30 g/m3，SO2年均浓度变化范围为7.25 47.92 g/m3，银川西宁兰州西安乌鲁木齐。兰州、西宁、银川和乌鲁木齐的SO2年均浓度基本无变化，西安市SO2年均浓度以2.83 g/（m3a）的速率呈现显著下降趋势。20172021年西北地区省会城市NO2平均浓度为43.18 g/m3，NO2年均浓度变化范围为
15、30.4259.00 g/m3，兰州西安乌鲁木齐西宁银川。西安、兰州、西宁和银川的NO2年均浓度呈现显著下降趋势，下降速率分别为 5.10 g/（m3a）、3.04 g/（m3a）、0.94 g/（m3a）和2.4 g/（m3a），乌鲁木齐NO2年均浓度基本无变化。20172021年西北地区省会城市CO平均浓度为1.57 mg/m3，CO日均值浓度变化范围为 1.082.18 mg/m3，西宁兰州乌鲁木齐西安银川。近5a来，兰州、银川和乌鲁木齐的CO浓度呈现显著下降趋势，变化速率分别为0.14 mg/（m3a）、0.13 mg/（m3a）和0.20 mg/（m3a），西安和西宁的CO图1 20
16、172021年西北地区省会城市空气污染物季节浓度对比图2 20172021年西北地区省会城市空气污染物年均浓度变化趋势表1 20172021年5个省会城市污染物浓度Spearman秩相关系数PM2.5PM10SO2NO2COO3西安-1.000*-1.000*-1.000*-1.000*-0.900-0.800兰州-1.000*-1.000*-0.800-1.000*-0.975*-0.872西宁-0.800-0.900-0.700-1.000*-0.900-0.500银川-0.900-0.900-0.900-0.975*-1.000*-0.700乌鲁木齐-1.000*-1.000*-0.900-0.900-1.000*0.400注：*在单侧检验显著性水平为 0.05 时，相关性显著。PM2.5质量浓度/（g/m3）NO2质量浓度/（g/m3）CO质量浓度/（mg/m3）O3质量浓度/（g/m3）PM10质量浓度/（g/m3）SO2质量浓度/（g/m3）1401201008060402007060504030201001801601401201008060402007060504030
