祁棟林 李曉東 肖宏斌 肖蓮桂 魏鴻業(yè) 馬明亮 孔維強 金惠瑛

摘要 對2001～2012年青海省西寧和格爾木2個城市環(huán)境空氣中主要污染物SO2 、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）年際變化趨勢和負荷系數(shù)進行了分析。結果表明，2001～2012年期間西寧市PM10均超過國家二級標準，SO2和NO2均符合國家二級標準，PM10和NO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的下降趨勢，SO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢；格爾木市TSP均超過國家二級標準，SO2（2003～2012年）和NOX均符合國家二級標準，TSP和SO2濃度變化的下降趨勢顯著，NOX濃度變化下降趨勢不明顯。西寧和格爾木市大氣質量指數(shù)總體均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢；西寧市12年間大氣質量均達到中污染級別，處于警戒水平；格爾木市2008～2010年期間達到輕污染級別，符合空氣質量標準，2003～2007和2011～2012年為中污染程度，處于警戒水平，2001和2002年分別達極重和重污染級別，處于緊急和警報水平。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個城市主要污染物均是氣溶膠顆粒物，且進入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染負荷系數(shù)非常接近。西寧和格爾木2個城市大氣污染物與主要氣象因子均處于較高的關聯(lián)水平（0.55～0.78），同時也顯示出不同區(qū)域的差異性。

關鍵詞 大氣污染物；變化特征；氣象因子；灰色關聯(lián)分析；青海省

中圖分類號 S161；X651 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05162-04

城市的空氣質量水平不僅關系到城市環(huán)境質量水平，良好的空氣質量水平也是城市民眾健康生活工作學習的保證。因此探求城市環(huán)境質量變化趨勢是很有必要的。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)境質量逐步得到改善[1-3]，而有關格爾木市的大氣環(huán)境質量分析方面的文獻很少，如何正確評價分析西寧和格爾木2個城市的大氣環(huán)境質量和污染變化趨勢，對青海省的社會、經(jīng)濟、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)濟和城市建設高速發(fā)展，加之市區(qū)靜風天氣較多，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、干旱。隨著國家西部大開發(fā)的戰(zhàn)略發(fā)展，依托柴達木盆地豐富的鹽湖、石油、天然氣源而重點發(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)境空氣質量標準》（GB3095-2012）中的二級標準對2001～2012年青海省西寧和格爾木2個城市主要大氣污染物二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2或NOx）、PM10（或TSP）和大氣質量指數(shù)的變化特征和趨勢進行分析。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及評價標準

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)測站提供的數(shù)據(jù)為依據(jù)，執(zhí)行《環(huán)境空氣質量標準》（GB3095-2012）的二級標準。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資料進行線性回歸，對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氣象科學共享數(shù)據(jù)網(wǎng)提供，包括年平均本站氣壓、年平均氣溫、年平均風速、年平均相對濕度、年降水量和年平均總云量。

1.2 分析方法

1.2.1 污染物負荷系數(shù)和大氣質量指數(shù)計算。 以SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）為評價因子，根據(jù)年均污染分指數(shù)，確定大氣中首要污染物。污染負荷系數(shù)的評價公式為：Fi=Ci/Sini=1（Ci/Si）， 式中，F(xiàn)i為污染物的負荷系數(shù)；Ci為i項空氣污染物的均值，Si為i項空氣污染物的評價標準，n為污染物項數(shù)。大氣質量指數(shù)公式為[4]：I=MAX（CiSi）×（1nni=1CiIi），式中，I為大氣質量指數(shù)。大氣質量指數(shù)的分級標準如表1所示。

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

1.2.3 灰色關聯(lián)分析[6]。灰色關聯(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，表明序列之間的關聯(lián)度越大，反之越小。原始數(shù)據(jù)采用標準化方法進行變換。關聯(lián)系數(shù)計算公式2 結果與分析

2.1 大氣污染物的變化特征

2.1.1 質量濃度變化。

2.1.1.1 西寧市。從圖1可看出，西寧市2001～2012年期間，PM10質量濃度均值為0.130 mg/m3，超出國家環(huán)境空氣質量二級標準0.86倍，最大年均值為0.147 mg/m3，出現(xiàn)在2001年，超出國家環(huán)境空氣質量二級標準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年均超過國家二級標準；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年均符合國家二級標準；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年均符合國家二級標準；NO2同其他指標相比屬于污染較輕型污染物。從趨勢上看，NO2和PM10污染物呈逐年遞減趨勢，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。根據(jù)Spearman秩相關系數(shù)統(tǒng)計檢驗方法進行檢驗（表2），得到PM10、SO2和NO2的秩相關系數(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PM10和NO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的下降趨勢，SO2濃度變化呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢。

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，2001～2008年下降趨勢明顯，進入2008年以后TSP濃度保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)；TSP在2001～2012年期間均值為0.423 mg/m3，超出國家環(huán)境空氣質量二級標準1.1倍，最大年均值1.055 mg/m3，出現(xiàn)在2001年，超出國家環(huán)境空氣質量二級標準4.3倍，最小年均值0.234 mg/m3，出現(xiàn)在2008年，12年均超過國家二級標準；SO2均值為0.054 mg/m3，最大年均值0.114 mg/m3，出現(xiàn)在2001年，超出國家環(huán)境空氣質量二級標準0.9倍，最小年均值0.025 mg/m3，出現(xiàn)在2010年，2001～2002年超過國家二級標準，2003～2012年均符合國家二級標準；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年均符合國家二級標準，NOX同其他指標相比屬于污染較輕型污染物。從整體趨勢上看，TSP污染物呈逐年遞減趨勢，以0.052 mg/（m3·a）的速率下降；SO2呈逐年波動下降趨勢，以0.006 mg/（m3·a）的速率呈現(xiàn)下降趨勢；NOX總體呈下降趨勢，2001～2007年緩慢下降，下降速率為0.004 mg/（m3·a），進入2008年以后轉入增長趨勢，且以0.009 mg/（m3·a）的速率呈現(xiàn)上升趨勢。根據(jù)Spearman秩相關系數(shù)統(tǒng)計檢驗方法進行檢驗（表2），得到TSP、SO2和NOX的秩相關系數(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顯著，NOX濃度的下降趨勢不明顯，2001～2008和2008～2012年分階段NOX的秩相關系數(shù)分別為-0.94和1.00，|r|>W0.01臨界值（0.727），說明2個階段NOX的下降和上升趨勢均極顯著。

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

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

2.1.3 污染負荷系數(shù)變化。根據(jù)公式計算出2001～2012年西寧和格爾木2個城市大氣中SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）的污染負荷系數(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個城市主要污染物是氣溶膠顆粒物，且進入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染負荷系數(shù)非常接近。根據(jù)Spearman秩相關系數(shù)統(tǒng)計檢驗方法進行檢驗，西寧SO2、NO2和PM10污染負荷系數(shù)的秩相關系數(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污染負荷系數(shù)呈極顯著的上升趨勢，PM10污染負荷系數(shù)呈顯著的下降趨勢，NO2污染負荷系數(shù)變化趨勢不明顯；而格爾木市SO2、NOX和TSP污染負荷系數(shù)的秩相關系數(shù)分別為0.14、0.49和-0.49，|r|

2.2 SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）濃度之間的相關性分析 對SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）濃度年均值進行相關分析，結果（表4）顯示，西寧市PM10與SO2及SO2與NO2均呈現(xiàn)負相關，PM10與NO2呈正相關，相關系數(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；而格爾木SO2、NOX和TSP三者均呈現(xiàn)正相關，TSP和SO2相關系數(shù)達0.81，通過0.01的顯著性檢驗。2個城市三者的相關性分析結果表明，不同污染物的貢獻源及貢獻大小有所不同。

2.3 大氣污染物與氣象因子的灰色關聯(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，更與氣象條件的變化密不可分，氣象要素對大氣中污染物濃度值影響較復雜，而通過運用灰色關聯(lián)分析的方法，可以確定影響當?shù)卮髿馕廴疚锏闹饕痛我獨庀笠亍L速、溫度、相對濕度、降水量、氣壓和總云量與SO2、NO2（或NOX）、PM10（或TSP）濃度和大氣質量指數(shù)年均值進行灰色關聯(lián)度分析（表5）。從西寧和格爾木2個城市大氣污染物與主要氣象因子的灰色關聯(lián)分析結果（表5）可以看出，西寧和格爾木2個城市大氣污染物與主要氣象因子均處于較高的關聯(lián)水平（0.55～0.78），同時也顯示出不同區(qū)域的差異性。西寧市SO2與總云量的關系較密切，是影響SO2的主要氣候因子，其次是風速和相對濕度，氣壓和降水對SO2的影響相對較小；NO2和PM10與氣壓、氣溫及相對濕度關系較密切，風速對NO2和PM10影響較弱；而格爾木市SO2與氣壓和總云量的發(fā)展趨勢最為接近，對SO2的影響較大，NOx與相對濕度和氣壓關系密切，TSP與氣壓和總云量關系密切，SO2、NOX和TSP與風速關系均較弱。 從主要污染物與氣象因子的灰色關聯(lián)結果反映出不同地區(qū)、不同氣候條件下各氣象因子對2個城市空氣質量特征影響的明顯差異。

3 結論

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

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

（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個城市主要污染物均是氣溶膠顆粒物，且進入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染負荷系數(shù)非常接近。

（4）西寧和格爾木2個城市大氣污染物與主要氣象因子均處于較高的關聯(lián)水平（0.55～0.78），同時也顯示出不同區(qū)域的差異性。

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