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中国重点城市 NO2和PM2.5的空间分布特征及影响因素研究

文献类型:学位论文

作者张淑平
学位类别硕士
答辩日期2015-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师周伟奇
关键词NO2 PM2.5 空气污染 空间格局 气象因素 人口规模
其他题名Spatial Pattern of Typical Air Pollutants and Their Driving factors in Major Cities of China
学位专业生态学
中文摘要    目前我国众多城市在快速的城市化进程中,面临日益严峻的城市大气污染问题,引起各级政府和城市居民的广泛关注。二氧化氮(NO2)和细颗粒物(PM2.5)分别是城市传统光化学污染和新型污染(雾霾)的典型代表,尤其在污染较为严重的冬季,是评价城市大气污染程度的典型指标。本研究以 NO2和  PM2.5为研究对象,采用全国 114个重点城市在冬季的实时监测数据,分析了这两种典型污染物浓度的空间分布特征,明确了重点防治区域。并从人为因素和自然因素两方面,探讨影响 NO2和  PM2.5浓度的驱动机制,揭示了城市人口规模与气象因素对大气污染物浓度的影响。研究结果可为城市人口发展规模的规划管理与城市大气污染的防治提供决策提供科学依据,具有重要的科学和现实意义。主要结果如下:
    (1)我国城市冬季 NO2和PM2.5污染严重,区域分异特征显著。仅有21%的城市NO2浓度达到世界卫生组织(World  Health Organization  (WHO))的城市年均浓度标准(40 μg/m3),所有城市的 PM2.5浓度均高于  WHO年均浓度标准(10μg/m3)。污染物的空间分布具有明显的区域特征:NO2的空间分布相对比较分散,PM2.5的空间分布有明显的“北高南低、内高外低”趋势。NO2的重点防治区域为天津、河北东南部和山东中部地区,PM2.5的重点防治区域为河北西南部和山东西部。
   (2)城市人口规模对 NO2和  PM2.5的浓度影响显著,城市常住人口规模与NO2和PM2.5浓度呈倒“U”型关系。人口规模在1000到  1200万的城市,冬季平均 NO2和  PM2.5浓度最高(NO2:  69.28 μg/m3; PM2.5: 119.58 μg/m3)。人口规模小于1200万的城市,冬季NO2和PM2.5浓度随着城市规模的增加而显著升高(NO2:r=0.44, P<0.01; PM2.5: r=0.43, P<0.01);人口规模大于 1200万的城市,NO2浓度与城市规模呈显著负相关关系(r=0.91, P<0.05),PM2.5浓度随城市规模增加有逐渐降低趋势,但统计上不显著。
    (3)气象条件显著影响 NO2和  PM2.5浓度的日变化,且污染程度不同的城市,其影响因子的种类不同。影响石家庄市冬季NO2浓度的主要气象因素为降雨量;北京是相对湿度、平均风速和最低温;上海是日均温、相对湿度、平均风速、最高温和降雨量;深圳是日均温、相对湿度、平均风速和最高温;拉萨是平均风速、最高温和最低温。影响石家庄市冬季 PM2.5浓度的主要气象因素为湿度和风速;西安是湿度和平均风速;北京是湿度、日均温度、风速和最低温;太原市是日均温、湿度、最高温、最低温和最大持续风速;广州是日均温、湿度、风速和最低温。
    (4)PM2.5浓度越高的地区,气象因素能够解释的PM2.5浓度变异越小。污染最严重的石家庄市,气象因素多元回归分析的 R2为  0.19,即气象因素可以解释 19%的  PM2.5日浓度变异;重污染区的西安市,多元回归分析  R2为0.24;中污染区的北京市气象因素多元回归分析 R2为  0.46;受到污染的太原市多元回归分析 R2为  0.52;污染程度最低的广州市象因素可以解释  40%的 PM2.5日浓度变异。气象因素对 PM2.5日浓度变异的解释能力有限。
英文摘要      With  the accelerated  urbanization,  many of  the  Chinese cities  are  increasingly facing  serious  problems   of  air  pollutions.   NO2  and  PM2.5  are   the  two  primary pollutants  in  many Chinese  cities,  particularly  in  winter.  Here,  we  used  real-time (every hour)  ground measured  NO2 and PM2.5concentration  datasets collected  in the winter of  2013 for 114  Chinese major  cities to investigate  the spatial  distribution of these two  pollutants. We also  examined the relationships  between the concentrations of air pollutants and the total population of the cities, as well as meteorological factors. We found:
      (1)   The   spatial   distributions   of   the  two   pollutants   had   distinct   regional characteristics. Only 21% (23 cities) of  cities which have NO2 concentration meet the air quality guideline of World Health Organization (AQG of WHO; 40 μg/m3), and no city had PM2.5 concentration lower than the AQG of WHO (10 μg/m3). Concentrations of PM2.5  in Northern  China were  higher than that  in south  of China,  and the  inland was higher than the east coastal areas.  In particular, concentrations of PM2.5 were very high  in   the  southwest  of   Hebei  province  and   the  west  of   Shandong  province. Concentrations  of  NO2  pollutant  were relatively  high  in  Tianjin,  the  southeast  of Hebei province and the middle of Shandong province.
      (2) An inverse  “U” type relationship between air  pollutant and urban population. Cities  with   population  between  10-12   million  had   the  highest   NO2  and  PM2.5 concentration  of  69.28  μg/m3  and 119.58  μg/m3,  respectively.  Significant  positive correlations  between   urban   population  and   the  concentrations   of  NO2   (r=0.35,P<0.01),  and  PM2.5  (r=0.39, P<0.05)  for  cities  with  total population  less  than  12 million. In addition, for  cities with population more than 12 million, the  size of urban population  had  a  significantly negative  correlation  with  the  concentration  of  NO2 (r=0.58,  P<0.05)   and   PM2.5.   While  concentrations   of   NO2   and   PM2.5  had   a significantly  positive correlation  with  population  density for  cities  with population density less than 1000  person per sq. kilometer (NO2: r=0.23, P<0.05;  PM2.5: r=0.36,P<0.01), concentrations  of NO2  and  PM2.5 were  negatively correlated  to population density for  cities with  population  density more  than 1000  person per  sq. km  (NO2:r=-0.61, P<0.05; PM2.5: r=0.63, P<0.01).
      (3)  Meteorological  factors   had  significant  impacts  on   daily  NO2  and  PM2.5 concentrations,  and the  effects  of  meteorological  variables  on PM2.5 concentration varied by  cities  with different  pollution  levels. We  found: (a)  significantly  positive correlations  of  PM2.5  concentrations with  humidity  (r=0.45,  P<0.01),  but  negative with   wind  speed   (r=-0.31,   P<0.01)   in  Shijiazhuang;   (b)   significantly  positive correlations  of  PM2.5  concentrations with  humidity  (r=0.44,  P<0.01),  but  negative with wind speed  (r=-0.29, P<0.01) in  Xi’an; (c) significantly  positive correlations of PM2.5  concentrations with  humidity (r=0.62,  P<0.01), temperature  (r=0.28,P<0.05),minimum  temperature  (r=0.43,  P<0.01), but  negative  with  wind  speed    (r=-0.28,P<0.01) in Beijing; (d) significantly positive correlations of PM2.5 concentrations  with humidity  (r=0.29,  P<0.01),   temperature  (r=0.50,  P<0.01),  minimum  temperature (r=0.43,  P<0.01),  and  maximum temperature  (r=0.53,  P<0.01),  but  negative  with maximum  sustained   wind  speed  (r=-0.39,   P<0.01)  in  Taiyuan;   (e)  significantly positive   correlations  of   PM2.5  concentrations   with   humidity  (r=-0.31,   P<0.01),temperature  (r=0.33,  P<0.01),   and  minimum  temperature  (r=-0.35,  P<0.01),   but negative with wind speed (r=-0.34, P<0.01) in Guangzhou.
     (4)Variations    in  daily   PM2.5  concentrations   that  could  be   explained  by meteorological factors varied by cities. In general,  more variations could be explained by meteorological factors in  cities with lower concentrations of PM2.5 concentrations.For  example,  in  the   most  heavily  polluted  city,  Shijiazhuang,   only  19%  of  the variations in daily PM2.5 concentrations could  be explained by meteorological factors. However,  52% of  the  variations  could be  explained  in  the lightly  polluted  city of Taiyuan.
      The results  can greatly  improve our understanding  on the  spatial distribution of NO2 and PM2.5  in winter, and the driving factors,  and thus provide important  insights on air pollution control for major cities in China.
源URL[http://localhost/handle//34471]  
专题生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
张淑平. 中国重点城市 NO2和PM2.5的空间分布特征及影响因素研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015.

入库方式: OAI收割

来源:生态环境研究中心

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