青海省城市大气污染物变化特征及与气象因子的灰色关联分析

祁栋林 李晓东 肖宏斌 肖莲桂 魏鸿业 马明亮 孔维强 金惠瑛

摘要 对2001～2012年青海省西宁和格尔木2个城市环境空气中主要污染物SO2 、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）年际变化趋势和负荷系数进行了分析。结果表明，2001～2012年期间西宁市PM10均超过国家二级标准，SO2和NO2均符合国家二级标准，PM10和NO2浓度变化呈现极显著的下降趋势，SO2浓度变化呈现极显著的上升趋势；格尔木市TSP均超过国家二级标准，SO2（2003～2012年）和NOX均符合国家二级标准，TSP和SO2浓度变化的下降趋势显著，NOX浓度变化下降趋势不明显。西宁和格尔木市大气质量指数总体均呈现显著的下降趋势；西宁市12年间大气质量均达到中污染级别，处于警戒水平；格尔木市2008～2010年期间达到轻污染级别，符合空气质量标准，2003～2007和2011～2012年为中污染程度，处于警戒水平，2001和2002年分别达极重和重污染级别，处于紧急和警报水平。西宁市主要污染物分指数的排列顺序是PM10>NO2>SO2，而格尔木主要污染物分指数的排列顺序是TSP>SO2>NOX，2个城市主要污染物均是气溶胶颗粒物，且进入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染负荷系数非常接近。西宁和格尔木2个城市大气污染物与主要气象因子均处于较高的关联水平（0.55～0.78），同时也显示出不同区域的差异性。

关键词 大气污染物；变化特征；气象因子；灰色关联分析；青海省

中图分类号 S161；X651 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05162-04

城市的空气质量水平不仅关系到城市环境质量水平，良好的空气质量水平也是城市民众健康生活工作学习的保证。因此探求城市环境质量变化趋势是很有必要的。近年来，西宁市在大气污染治理方面取得了显著效果，大气环境质量逐步得到改善[1-3]，而有关格尔木市的大气环境质量分析方面的文献很少，如何正确评价分析西宁和格尔木2个城市的大气环境质量和污染变化趋势，对青海省的社会、经济、环境可持续发展具有重要意义。

西宁市位于青藏高原东北部，平均海拔为2 261.2 m，市区周围四面环山，座落于十字河川谷地，属于典型的高原内陆半干旱性气候。近年来经济和城市建设高速发展，加之市区静风天气较多，受逆温层的影响，使市区空气中的污染物不易稀释扩散。格尔木市地处青藏高原腹地，属于荒漠、半荒漠的戈壁滩，自然条件恶劣，少雨、多风、干旱。随着国家西部大开发的战略发展，依托柴达木盆地丰富的盐湖、石油、天然气源而重点发展的盐化工业和石油化工逐渐成为资源开发型的新兴工业城市。笔者根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中的二级标准对2001～2012年青海省西宁和格尔木2个城市主要大气污染物二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2或NOx）、PM10（或TSP）和大气质量指数的变化特征和趋势进行分析。

1 资料与方法

1.1 数据来源及评价标准

1.1.1 环境资料。以西宁市和格尔木市（2001～2012年为SO2 、NOx和TSP年平均值）环境监测站提供的数据为依据，执行《环境空气质量标准》（GB3095-2012）的二级标准。其中，西宁市2001～2005年为SO2 、NO2 、TSP年平均值，2006～2012年为SO2 、NO2 和PM10年平均值，根据2006～2007年同期TSP和PM10资料进行线性回归，对2001～2005年的TSP资料订正为PM10浓度值。

1.1.2 气象资料。西宁二十铺气象站（36°43′ N、101°46′ E，2 295 m）和格尔木气象站（36°25′ N、94°54′ E，2 807.6 m）的气象资料来源于中国气象科学共享数据网提供，包括年平均本站气压、年平均气温、年平均风速、年平均相对湿度、年降水量和年平均总云量。

1.2 分析方法

1.2.1 污染物负荷系数和大气质量指数计算。 以SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）为评价因子，根据年均污染分指数，确定大气中首要污染物。污染负荷系数的评价公式为：Fi=Ci/Sini=1（Ci/Si）， 式中，Fi为污染物的负荷系数；Ci为i项空气污染物的均值，Si为i项空气污染物的评价标准，n为污染物项数。大气质量指数公式为[4]：I=MAX（CiSi）×（1nni=1CiIi），式中，I为大气质量指数。大气质量指数的分级标准如表1所示。

1.2.2 采用Daniel[5]趋势检验。其公式为γs=1-6ni=1diN3-N，式中，γs 为Spearman秩相关系数；N为时间周期（年）；di 为变量Xi 和变量Yi 之差；Xi对应各时间周期按浓度值从小到大排列的序号；Yi 对应各时间周期按时间排列的序号。γs为负，呈下降趨势；反之则为上升趋势。若|γs | ≥Wp（秩相关系数统计表中的临界值），表明变化趋势有显著意义。

1.2.3 灰色关联分析[6]。灰色关联分析方法根据序列曲线几何形状的相似程度来判断目标序列与影响因素之间联系是否紧密。曲线越接近，表明序列之间的关联度越大，反之越小。原始数据采用标准化方法进行变换。关联系数计算公式2 结果与分析

2.1 大气污染物的变化特征

2.1.1 质量浓度变化。

2.1.1.1 西宁市。从图1可看出，西宁市2001～2012年期间，PM10质量浓度均值为0.130 mg/m3，超出国家环境空气质量二级标准0.86倍，最大年均值为0.147 mg/m3，出现在2001年，超出国家环境空气质量二级标准1.1倍，最小年均值为0.105 mg/m3，出现在2011年，与2001年相比，2011年西宁市PM10浓度下降了28.6%，12年均超过国家二级标准；SO2均值为0.029 mg/m3，最大年均值为0.043 mg/m3，出现在2011年，最小年均值为0.019 mg/m3，出现在2001年，12年均符合国家二级标准；NO2在2001～2012年期间均值为0.030 mg/m3，最大年均值为0.035 mg/m3，出现在2002年，最小年均值为0.026 mg/m3，出现在2010～2012年，12年均符合国家二级标准；NO2同其他指标相比属于污染较轻型污染物。从趋势上看，NO2和PM10污染物呈逐年递减趋势，分别以0.004和0.001 mg/（m3·a）的速率下降，SO2以0.002 mg/（m3·a）的速率呈现上升趋势。根据Spearman秩相关系数统计检验方法进行检验（表2），得到PM10、SO2和NO2的秩相关系数分别为-0.84、0.88和-0.77，|r|>W0.01临界值（0.727），说明西宁市2001～2012年PM10和NO2浓度变化呈现极显著的下降趋势，SO2浓度变化呈现极显著的上升趋势。

2.1.1.2 格尔木市。2001～2012年期间格尔木市TSP浓度呈逐年下降趋势，2001～2008年下降趋势明显，进入2008年以后TSP浓度保持在一个相对稳定的范围内；TSP在2001～2012年期间均值为0.423 mg/m3，超出国家环境空气质量二级标准1.1倍，最大年均值1.055 mg/m3，出现在2001年，超出国家环境空气质量二级标准4.3倍，最小年均值0.234 mg/m3，出现在2008年，12年均超过国家二级标准；SO2均值为0.054 mg/m3，最大年均值0.114 mg/m3，出现在2001年，超出国家环境空气质量二级标准0.9倍，最小年均值0.025 mg/m3，出现在2010年，2001～2002年超过国家二级标准，2003～2012年均符合国家二级标准；NOX在2001～2012年期间均值为0.024 mg/m3，最大年均值为0.038 mg/m3，出现在2012年，最小年均值0.004 mg/m3，出现在2008年，12年均符合国家二级标准，NOX同其他指标相比属于污染较轻型污染物。从整体趋势上看，TSP污染物呈逐年递减趋势，以0.052 mg/（m3·a）的速率下降；SO2呈逐年波动下降趋势，以0.006 mg/（m3·a）的速率呈现下降趋势；NOX总体呈下降趋势，2001～2007年缓慢下降，下降速率为0.004 mg/（m3·a），进入2008年以后转入增长趋势，且以0.009 mg/（m3·a）的速率呈现上升趋势。根据Spearman秩相关系数统计检验方法进行检验（表2），得到TSP、SO2和NOX的秩相关系数r分别为-0.86、-0.73和-0.22，TSP和SO2的|r|>W0.01临界值（0.727），说明格尔木市2001～2012年TSP和SO2浓度变化的下降趋势显著，NOX浓度的下降趋势不明显，2001～2008和2008～2012年分阶段NOX的秩相关系数分别为-0.94和1.00，|r|>W0.01临界值（0.727），说明2个阶段NOX的下降和上升趋势均极显著。

2.1.2 大气质量指数变化。为了更综合、更科学地表示西宁和格尔木2个城市大气污染程度，以SO2、 NO2（或NOX）和PM10（或TSP）为评价因子，采用大气质量指数来分析环境空气的污染程度。从青海省2个城市2001～2012年大气质量指数的年际变化（图2）可以看出，西宁市大气质量指数总体呈现下降趋势；2001～2007年大气质量指数缓慢下降，2007～2009年有所回升，2009年大气质量数达最大值1.56，以后进入明显的下降阶段；12年大气质量均达到中污染级

2001～2012年西宁市（a）和格尔木市（b）大气质量指数年际变化别，处于警戒水平。格尔木市大气质量指数总体呈现下降趋势；2001年开始大气质量指数缓慢下降，2006年有所回升，2008年大气质量指数达最小值0.87，以后开始缓慢的上升阶段；2008～2010年期间达到轻污染级别，符合空气质量标准，2003～2007和2011～2012年为中污染程度，处于警戒水平，2001和2002年大气质量分别达到极重污染和重污染级别，处于紧急和警报水平。根据Spearman秩相关系数统计检验方法进行检验，西宁大气质量指数的秩相关系数为r=-0.69，|r|>W0.05 临界值（0.587），说明西宁市2001～2012年大气质量指数呈显著的下降趋势；而格尔木市大气质量指数的秩相关系数为r=-0.82，|r|>W0.01临界值（0.727），说明格尔木市2001～2012年大气质量指数呈极显著的下降趋势。

2.1.3 污染负荷系数变化。根据公式计算出2001～2012年西寧和格尔木2个城市大气中SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）的污染负荷系数（表3），由表3可见，西宁市大气中

的主要污染物分指数的排列顺序是PM10>NO2>SO2，而格尔木大气的主要污染物分指数的排列顺序是TSP>SO2>NOX，可见青海省2个城市主要污染物是气溶胶颗粒物，且进入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染负荷系数非常接近。根据Spearman秩相关系数统计检验方法进行检验，西宁SO2、NO2和PM10污染负荷系数的秩相关系数分别0.95、-0.49和-0.87，且SO2和PM10的|r|>W0.01 临界值（0.727），说明2001～2012年西宁市SO2污染负荷系数呈极显著的上升趋势，PM10污染负荷系数呈显著的下降趋势，NO2污染负荷系数变化趋势不明显；而格尔木市SO2、NOX和TSP污染负荷系数的秩相关系数分别为0.14、0.49和-0.49，|r|

2.2 SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）浓度之间的相关性分析 对SO2、NO2（或NOX）和PM10（或TSP）浓度年均值进行相关分析，结果（表4）显示，西宁市PM10与SO2及SO2与NO2均呈现负相关，PM10与NO2呈正相关，相关系数为0.72，SO2与NO2及PM10与NO2分别通过0.05和0.01的显著性检验；而格尔木SO2、NOX和TSP三者均呈现正相关，TSP和SO2相关系数达0.81，通过0.01的显著性检验。2个城市三者的相关性分析结果表明，不同污染物的贡献源及贡献大小有所不同。

2.3 大气污染物与气象因子的灰色关联分析 环境空气中污染物浓度不仅与污染源的排放有关，更与气象条件的变化密不可分，气象要素对大气中污染物浓度值影响较复杂，而通过运用灰色关联分析的方法，可以确定影响当地大气污染物的主要和次要气象要素。将风速、温度、相对湿度、降水量、气压和总云量与SO2、NO2（或NOX）、PM10（或TSP）浓度和大气质量指数年均值进行灰色关联度分析（表5）。从西宁和格尔木2个城市大气污染物与主要气象因子的灰色关联分析结果（表5）可以看出，西宁和格尔木2个城市大气污染物与主要气象因子均处于较高的关联水平（0.55～0.78），同时也显示出不同区域的差异性。西宁市SO2与总云量的关系较密切，是影响SO2的主要气候因子，其次是风速和相对湿度，气压和降水对SO2的影响相对较小；NO2和PM10与气压、气温及相对湿度关系较密切，风速对NO2和PM10影响较弱；而格尔木市SO2与气压和总云量的发展趋势最为接近，对SO2的影响较大，NOx与相对湿度和气压关系密切，TSP与气压和总云量关系密切，SO2、NOX和TSP与风速关系均较弱。 从主要污染物与气象因子的灰色关联结果反映出不同地区、不同气候条件下各气象因子对2个城市空气质量特征影响的明显差异。

3 结论

（1）2001～2012年期间，西宁市PM10均超过国家二级标准，SO2和NO2均符合国家二级标准，PM10和NO2浓度变化呈现极显著的下降趋势，SO2浓度变化呈现极显著的上升趋势。格尔木市TSP均超过国家二级标准，SO2（2003～2012年）和NOX均符合国家二级标准，TSP和SO2浓度变化的下降趋势显著，NOX浓度变化下降趋势不明显。

（2）西宁和格尔木2个城市大气质量指数总体均呈现显著的下降趋势。西宁市12年大气质量均达到中污染级别，处于警戒水平；格尔木市2008～2010年期间达到轻污染级别，符合空气质量标准，2003～2007和2011～2012年为中污染程度，处于警戒水平，2001和2002年大气质量分别达极重污染和重污染级别，处于紧急和警报水平。

（3）西宁市主要污染物分指数的排列顺序是PM10>NO2>SO2，而格尔木主要污染物分指数的排列顺序是TSP>SO2>NOX，2个城市主要污染物均是气溶胶颗粒物，且进入2010年以后SO2和NO2（或NOX）污染负荷系数非常接近。

（4）西宁和格尔木2个城市大气污染物与主要气象因子均处于较高的关联水平（0.55～0.78），同时也显示出不同区域的差异性。

参考文献

[1] 郭建芳.西宁市主城区大气环境质量变化分析及对策研究[J].青海环境，2009，19（3）：103-106

[2] 樊萍，刘海青.西宁市大气环境污染现在及治理对策[J].青海环境，2000，10（3）：140-142

[3] 孔维强，祁栋林，李晓东，等.西宁市大气环境质量变化趋势分析[J].青海环境，2013，23（3）：113-118

[4] 蒋维楣，曹文俊，蒋瑞宾.空气污染气象学教程[M].北京：气象出版社，1993：535-536

[5] 中国环境监测总站.环境资料汇编[G].北京：科学出版社，1998：98-99

[6] 邓聚龙.灰色理论系统教程[M].武汉：华中理工大学出版社，1990.