【兰州市治污前后大气污染变化探析7200字（论文）】

兰州市治污前后大气污染变化分析TOC\o"1-3"\h\u324841.绪论 3151101.1研究背景 3144281.2国内外研究综述 3203122.兰州市自然地理环境与大气污染状况调查 5125063.MODIS数据处理关系分析及模型建立 6242273.1建模数据准备 6197873.2具体时间尺度分析 931953.3气溶胶反演结果分析及验证 1050934.城市热环境和空气质量分析研究 10152044.1污染分析 1096324.2温度与可吸入颗粒物关系分析 11140715.讨论与结论 12318055.1讨论 12174605.2结论 1323015参考文献 13

绪论1.1研究背景20世纪五十年代以来，环境污染问题日益严重，欧美发达国家在工业化的进程中无一幸免地经历了大气污染且饱受了大气污染带来的一系列灾难。在美国“洛杉矶光雾事件”和英国“伦敦烟雾事件”之后，大气污染问题便开始获得学者、政府和商界的关注。中国在上世纪70年代进入工业快速发展阶段以来，三污排放量快速增加，环境成为了经济发展的代价。至今，中国大气污染的程度及其危害不容小觑，大气污染及其治理早已成为城市发展需要审慎对待的一个方面。严重的大气污染已经开始在全国范围内蔓延，尤其是悬浮颗粒物污染，造成了空气质量恶化、酸雨、臭氧层破坏、温室效应等一系列后果，对公民的健康产生严重威胁，也对环境安全埋下了隐患，并深度影响了国民经济发展和社会稳定。本文研究了2004年到2014年兰州市环境的变化，得出了兰州市镇府在对环境污染有了显著的效果。1.2国内外研究综述国外对大气污染及其治理的研究，整体上可分为空气质量指标构建与改进、空气质量分析与评估，和大气污染的政府治理三大方面。国外研究综述（1）在空气质量指标构建与改进这一研究领域，比较典型的由Bezuglay犷等人在1993年在先前学者空气污染指数体系的基础上，加入苯并花、苯酚、甲醛和金属元素等成分对其进行提升，最终根据研究结果为提高空气污染过滤器性能而提供途径。NehaKhanna等人在2000年基于大气污染对人体健康的危害角度开发了一套空气污染指数体系，并与USA环保局相应的指数进行比较，认为其更加有效地测评了空气污染的程度及其对人体健康的危害程度。同样出于评估空气污染对人体健康影响的目的，Fabi了等人在2004年综合意大利某一城市不同监测点手机的污染数据，构建了一个综合了更多种类的污染物的新空气污染指数(PI)，该指数较好地改突破了原指标体系的局限，为相关部门管控大气污染提供新的依据。Eugene④等人在2007年分析了大气污染程度与短期暴露在PM10，PM2.5，SO3，O3,NOX和CO这些大气污染物中的人群死亡风险。（2）在大气污染政府治理这一研究领域，国外文献主要研究环境保护立法、治理方多元化以及治理措施评估等三方面问题。最早的研究为澳大利亚学者J.Passmore1940s展开的人对自然责任的一系列研究，提出保护自然环境的必要性，以及政府对环境保护的重大责任。在同一个时间段，来自美国的HansJonas在《责任原理》一书中也强调了政府履行环境保护责任的必要性。随着世界经济的不断发展，三污排放不断严重，大气污染灾害频发，大气污染治理不仅在学术界得到重点关注，政府也开始加大环境治理力度，而治理措施首先体现在各种环境保护立法方面，规定环境保护责任的履行者和行政执法依据等，如学者JohnL.Hodges在1952年提出政府应建立法律并成立独立于政府施政力量的专业性独立机构，对本区域的大气污染源进行减排治理和违法后的惩罚性治理。国内研究综述对大气污染特征的研究主要体现为研究大气污染在时间和空间两个维度的变化规律。时间维度多数以年、季、月为周期，如唐燕秋等人④于2005运用空气污染指数（API）对重庆市的大气污染特征进行研究，发现重庆市的大气污染在春、冬两季较严重，大气污染程度由春季到夏季呈现下降趋势，由秋季到冬季呈现上升趋势。很多学者对我国其他城市大气污染季节特征的研究，也基本与唐燕秋的研究结论基本一致，如李向阳等人⑤在2011年对中国北方典型城市的大气污染季节特征的研究，发现典型北方城市在冬季的污染最严重，以及金永民⑥在2007年对抚顺市的研究结论也有相似之处。也有少数学者对大气污染的周循环特征进行研究，如侯灵等人⑦在2012年以周为周期研究北京地区的大气污染程度的变动特征，发现在周日北京的大气污染程度最低，在周三大气污染程度最高。郑美秀等在2010年对厦门大气污染特征与地面气象要素的联动分析研究中，研究结果表明二者的相关性具有地区差异，多数地区的气象因素如风速、气温等与空气质量的高低呈现正相关，而东南部地区的风速与空气质量呈现负相关。王斌等人在2008年将沿海城市分为北部、南部和东南部三个区域，对区域大气污染特征进行分析，认为不同区域的主要大气污染影响因子存在显著差异。兰州市自然地理环境与大气污染状况调查兰州市位于东经102°30″～104°30″、北纬35°5″～38°之间。地处黄河中上游的黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的接壤汇合地带。兰州市上风向的河西走廊东北邻接内蒙古自治区的腾格里沙漠，巴丹吉林沙漠，西南与青海省的柴达木沙漠相隔很近。西北还分布着新疆维吾尔自治区的准格尔盆地。此外兰州的背面宁夏黄灌区以东还有毛乌素沙漠。图1兰州市在中国的地理位置兰州市城区被南北两山夹峙，地形呈东北高，西南低，市中心海拔约1520m，其南面皋兰山海拔2129m，北面九州台海拔2067m，相对高差超过600m。南北最窄处不足5km，是一东西长、南北窄的带状河谷盆地城市。由于地形封闭，阻挡了气流流通，造成兰州市大风日数极少，全年静风和小风日数占60%以上，平均风速仅0.7m/s。而在污染更为严重的冬季，除遇到寒潮天气之外，几乎是见不到风的。另一方面容易形成逆温大气，全年约有80%的天数出现逆温，其中夏季占60%，冬季在90%以上。因此，静风现象和逆温现象是兰州市的空气污染的显著特点和主要原因。兰州地处内陆，大陆性特点明显，属温带半干旱气候，全年的降水量较少。兰州市是我国重要的石油化工建设基地，属于典型的重工业城市。这种第二产业占主导，且呈现重化工化和高物耗、高污染的产业结构特征和以燃煤为主的能源利用特征是导致兰州城市环境污染的根本原因。MODIS数据处理关系分析及模型建立3.1建模数据准备3.1.1PM10的计算兰州市空气污染指数API的范围从0到500，首要污染物包括可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）等。兰州市的大气污染状况得知，兰州市一年之内首要污染物为可吸入颗粒物的天数超过300天，所以这里我们进一步来研究可吸入颗粒（PM10）与AOD关系模型。空气污染指数API的计算方法：设I为某污染物的污染指数，C为该污染物的浓度。则：式中：C大与C小：在API分级限值表（5.1）中最贴近C值的两个值，C大为大于C的限值，C小为小于C的限值。I大与I小：在API分级限值表（5.1）中最贴近I值的两个值，I大为大于I的值，I小为小于I的值。该指数所对应的污染物即为该区域或城市的首要污染物。当污染指数API值小于50时，不报告首要污染物。表1空气污染指数对应的污染物浓度限值污染指数污染物浓度（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根据以上公式5.1和表格5.1计算出了相对应于API值的PM10浓度。3.1.2湿度订正PM10浓度的测定一般首先通过一个干燥的过程，结果代表比较固定相对湿度下的质量浓度情况。而气溶胶光学厚度的遥感是在环境背景下进行，气溶胶颗粒物的消光系数受到相对湿度的显著影响。在相对湿度比较高的情况下，水溶性气溶胶颗粒能够吸湿膨胀，消光系数可以增大数倍。一般来说这一湿度影响因子可以用下式表示：F（RH）=1/(1.0-RH/100)（RH为以百分数表达的相对湿度）本文利用中国气象科学数据共享服务网提供的每日平均相对湿度数据来对API数据进行湿度订正。图2API数据与MODIS的分布比由图4.3可以看出，MODIS气溶胶光学厚度产品的与AERONET地基测量的气溶胶光学厚度值的时间序列趋势非常一致，个别日期的值有较大差距，可能的原因是：1）由于太阳光度计的观测更代表局地性，卫星观测结果代表10km×10km的平均，所以这种差异可能是由于气溶胶在小尺度上空间和时间上的局地变化引起；2）太阳光度计遥感过程中,太阳直射路径中是否有云，现在完全凭观测人员的肉眼和多次读数是否稳定来判断；3）MODIS的10km×10km的气溶胶产品建立在250m和500m分辨率多通道的晴空、云量识别算法的基础上，微量卷云的影响，将造成气溶胶光学厚度的较大误差；4）北京市作为比较典型的北方城市，气溶胶里的沙尘成分比较大，按照目前NASA气溶胶产品使用的“暗背景”地表反射率算法，由于沙尘的存在使地表反射率估计出现偏差，导致MODIS气溶胶光学厚度的计算值出现误差。图32000年4月17日MODIS气溶胶光学厚度分布取2000年4月17号的MODIS气溶胶光学厚度产品与AERONET当天测得的值比较，见图4.4，图中黑色三角代表AERONET兰州站点，深蓝色为受天气影响，产品没有值的情况。观测点在4月17号的北京时间上午10点29分，测得的870nm的气溶胶光学厚度值为0.877818，675nm的气溶胶光学厚度值为1.227065，通过Ångström关系计算出550nm的AOD值为1.6078，与图中等值线的趋势非常吻合。可以得出结论，MODIS气溶胶光学厚度产品是可靠的。卫星遥感给出的空间变化使我们更好地理解地面光度计得到的在空间上孤立28的数据的代表性。由卫星遥感我们看到,在北京的西北部山区向东南部平原方向,气溶胶分布一般呈递增趋势。北京城区的西北，郊区向城区过渡的地带，气溶胶空间变化梯度也常常较大。3.2具体时间尺度分析为分析兰州市近10年大气污染物浓度的长期变化、季节变化、短期变化特征，参考其污染状况的主周期和次周期，本文取准1年(365d)、主周期(300d)、准半年(180d)、次周期(100d)、2个月(60d)和1个月(30d)的时间尺度作为示例来研究，对空气污染的变化特征进行探讨。不同时间尺度上的空气污染特征变化如图5所示．在准1年(365d)的时间尺度上，兰州市空气污染指数表现出“高-低”反复的周期性震荡，类似于正弦曲线，振幅较大但总体趋于弱化;2000年和2001年的振幅较大，冬季污染较严重，其他年份的振幅相对较小且峰值相差不大;2005年的峰值略微偏高，冬季污染相对严重．在主周期(300d)的时间尺度上(图4a)，污染特征与准1年(365d)时间尺度的污染特征基本一致，其周期性表现最明显．在准半年(180d)的时间尺度上，污染指数呈现稍弱的周期性震荡，2001年冬季至2002春季及2002年冬季污染较为严重;2003年和2004年震荡微弱，污染较轻;2005年、2006年振幅增大，冬季污染加剧，之后几年震荡比较平缓;小波系数曲线在冬季出现波峰后，还往往伴随出现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，说明这两年春季污染比较严重．在次周期(100d)和2个月(60d)的时间尺度上，小波系数曲线有相似的规律:具有强烈的波动性，震荡周期很短，频率较高;但前者在2000年和2006年的冬季振幅较大，其他年份震荡平缓，而后者开始2年振幅较大，之后3年震荡平缓，接着的2005年和2006年振幅加大，再后2年震荡又趋于平缓，2010年春季的振幅开始增大，对应的春季污染加重．在1个月(30d)的时间尺度上，震荡周期更短，频率更高，规律性更加明显:对应于冬季的振幅较大，夏季振幅较小，而部分年份次年春季的污染相对更加严重，如2000、2005、2008、2009以上各尺度的波峰(局部极大值，污染相对较重)大部分都出现在冬季，而波谷(局部极小值，污染相对较轻)则出现在夏季，这也表明冬季污染较重，夏季污染较轻;冬季污染高峰过后，往往伴随着春季污染的次高峰．以上分析还表明，兰州市大气污染状况总体好转，但局部有反弹，例如2005年、2006年的冬季，2010年春季污染相对较重。3.3气溶胶反演结果分析及验证图4兰州市大气气溶胶光学厚度反演结果分布图本文利用MODIS数据对兰州地区的气溶胶进行了监测。在反演结果中，以2007年8月15日的结果为例，见图4-2[100]，表明：北京市的大气气溶胶光学厚度从市区中心向周边逐渐减小，具体如下：气溶胶光学厚度的高值区基本分布在人口密集、交通和工商业活动频繁的地区，高分辨率卫星遥感结果对污染物的排放源分布监测具有潜在的应用价值，能够在一定程度上表征北京市空气质量的状况。夏季，由于北京大部分能被植被覆盖，能够满足暗像元的假定；根据AERONET（AerosolRoboticNetwork）气溶胶监测网的北京站和香河站气溶胶观测结果进行验证。结果发现，在夏季时，利用暗目标法从卫星监测数据中反演得到的大气气溶胶光学厚度与地基观测结果具有很好的一致性，这两种结果的相关系数都在0.9左右。4.城市热环境和空气质量分析研究4.1污染分析城市中人为排放的污染在大气中的扩散和稀释作用主要可以分为两类：水平扩散和垂直扩散。影响水平扩散的主要因子为水平风速，由于北京三面环山，山的阻挡使北京冬季水平风速很小，因此污染物的水平扩散效果不明显。污染物的垂直扩散强度主要决定于空气垂直对流的强度，它主要依赖地表对大气的加热。苗曼倩对夜间城市热岛效应对污染物扩散规律进行了数值模拟研究，指出热岛效应使近地面源所造成的地面污染物的浓度减小，这种减小以城市热岛中心最为明显，数量是无热岛效应时地面浓度的一半，并指出其原因是城市热岛改变了大气层结稳定度，使城市湍流扩散交换增强。又由于逆温层高度（其下为城市夜间混合层）增高扩大了污染物垂直扩散范围；对地面源来说，更多的污染物向上扩散稀释，地面浓度减小。这种解释也可以应用于北京城市的白天的状况，白天地表对大气的加热是近地面逆温层的破坏和混合层发展的主要原动力，城市混合层的发展会带来城市空气污染物的扩散稀释。地表温度与气温之差可以表示层结稳定度以及湍流交换能力的大小。冬季冷岛的存在，即城市地表温度低于郊区乡村的温度，表明城市对大气的加热要小于乡村，城市污染物的垂直扩散能力较低。这就造成了北京城市空气污染物的积累，加剧了近地面空气污染。同时由于城市上空污染物对太阳辐射的吸收形成的逆温层的存在，较低的地表加热使得污染很难穿过逆温层，加剧了污染物的积累。污染物的吸收和散射作用有效地降低了到达城市上空的太阳辐射，这是形成冬季白天城市冷岛的一个重要原因。冷岛同时又加剧了城市空气污染物的积累，这就形成了一个恶性循环。4.2温度与可吸入颗粒物关系分析为了更精确的表征温度与可吸入颗粒物之间的关系，本文综合了2008年夏季使用HandyLaserParticleCounter仪器在北京的水平和垂直采样点数据。去除异常点数据，可以看到不同等级可吸入颗粒物PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM3.0、PM5.0与温度之间的关系。图52001年夏季PM2.5与温度之间的关系2000年夏季PM0.5与温度之间的关系由图我们可以看到，PM0.3，PM0.5，PM1.0，PM3.0，PM5.0与温度之间相关性比较弱。从微观上对温度和可吸入颗粒物进行分析，发现城市环境中温度与可吸入颗粒物个数关联影响不大。从温度的变化来看，可吸入颗粒物的个数随着温度的升高反而减少，也就是说，温度高，可吸入颗粒物个数反而少，这可能是高温时地面湍流强烈，大气垂直方向输送较大，垂直方向有利于可吸入颗粒物的扩散，所以空气中的可吸入颗粒物个数偏少。5.讨论与结论5.1讨论兰州市近10年空气污染指数的变化明显受其复杂地形条件的影响．兰州市处于青藏高原东北侧典型的河谷盆地中，是一个半封闭的哑铃状河谷盆地．特殊的地形条件(张强，2001)是兰州市空气污染“冬重夏轻”的重要原因之一;另外，兰州市冬季燃煤取暖也加重了该季节的大气污染．冬季兰州市上空存在的逆温层是导致污染较重的首要原因，而春季河西走廊频繁的沙尘暴活动则造成了污染的次高峰．研究表明(陶健红等，2007)，春季甘肃河西走廊较大范围的沙尘天气会导致兰州市TSP浓度的显著升高，沙尘发生次数与同期兰州市空气污染指数呈显著正相关。从20世纪80年代起，兰州市就开始了大气污染治理，如“蓝天工程”、“123计划”等．一系列措施的实施对于治理兰州市大气污染起到了很大作用，使得兰州市近10年来大气污染状况总体有所好转．但另一方面兰州市大气污染物的排放一直高居不下。兰州市工业的发展，以燃煤为主的能源结构和近几年汽车尾气排放量增加等因素使得其大气污染治理措施效果受到影响，大气污染反弹现象时有发生，大气污染的彻底治理仍需努力。5.2结论（1）兰州市近10年空气污染指数呈现多尺度的变化特征，在各时间尺度上具有不同的变化规律，且以300d左右的变化为主周期，100d左右的变化为次周期，主周期和次周期可很好地帮助分析空气污染指数的变化趋势。（2）兰州市近10年空气污染主要受地形条件的影响，呈现“冬重夏轻”的格局，受河西走廊沙尘活动的影响，春季往往出现空气污染的次高峰，春分和秋分前后是1年中大气污染轻重状况转换的拐点。（3）兰州市近10年来大气污染状况总体有所好转，但由经济发展而产生的污染因素使得其大气污染治理措施效果受到影响，局部时段大气污染反弹并趋重的现象时有发生．（4）小波分析方法能够很好地分析信号的多时间尺度变化和局部特征，即在对任意时间尺度上大气污染变化精确详细的频率，以及对各尺度上大气污染变化的周期、局部极值等特征的刻画方面，都较其它分析方法具有独特优势．这对于识别大气污染的周期特征，进行大气污染检测和浴霸基友重要的参考价值。参考文献[1]刘玉洁，杨忠东等.MODIS遥感信息处理原理与算法，北京：科学出版社，2001.[2]李成才，毛节泰，刘启汉.利用MODIS遥感大气气溶胶及气溶胶产品的应用.北京大学学报.2003-12，39（增）.[3]刘新罡，吕达仁，肖稳安等.北京晴天紫外波段气溶胶光学厚度反演与分析.南京气象学院学报，2005-2，28（1）：51-57.[4]刘强，王明星等.大气气溶胶研究现状和发展趋势.中国粉体技术，1999，5(3)：17~23.[5]赵柏林，张梵菲，高国明.我国大气气溶胶光学厚度的特性[J].气象学报，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