Ведение
SO2 не входит в состав воздуха, но является загрязнителем атмосферы. Когда вулкан извергается, он выделяет SO2. В промышленных процессах при сжигании угля и нефти, содержащей серу, также образуется SO2. SO2 является основным фактором, вызывающим ряд проблем загрязнения окружающей среды, таких как кислотные дожди и дымка. В последние десятилетия Китай пережил ускоренную индустриализацию и урбанизацию. Массовое потребление нефти и угля привело к выбросам большого количества SO2. В результате Китай пострадал от сильных кислотных дождей, которые также привлекли внимание китайского правительства. Правительство Китая приняло ряд законов, постановлений и политик по снижению концентрации SO2. Китайский национальный стандарт качества окружающего воздуха (CNAAQS) GB3095-2012 (MEP 2012) включает двухуровневые ограничения для SO2. Среднегодовые концентрации для двух уровней составляют 20 и 60 мкг / м3, а средние концентрации за 24 часа - 50 и 150 мкг / м3 соответственно. Всемирная организация здравоохранения рекомендует, чтобы средняя концентрация SO2 за 24 часа не превышала 20 мкг / м3.
Как следствие, Китай добился хороших результатов в борьбе с загрязнением SO2, но загрязнение #SO2 все еще существует в некоторых областях. В более мелких городах загрязнение SO2 все еще существует из-за недостаточных инвестиций в очистку окружающей среды. Ранее в исследованиях установлено, что даже очень низкая концентрация SO2 по-прежнему оказывает множество вредных воздействий на здоровье человека. Он не только вызывает респираторные заболевания, но также увеличивает заболеваемость раком легких, ожирением и ишемической болезнью сердца. SO2 был включен в список канцерогенов, опубликованный Международным агентством по изучению рака Всемирной организации здравоохранения в 2017 году. Кроме того, многие существующие исследования показали, что распространенность COVID-19 связана с SO2. С точки зрения здоровья людей контроль за загрязнением SO2 в городах с низким уровнем доходов нельзя ослаблять. Пространственно-временной анализ SO2 имеет большое значение для низкоуровневых городов с точки зрения точного предотвращения и контроля загрязнения SO2 с небольшими затратами.
Существующие исследования характеристик пространственно-временной эволюции SO2 в основном включают исследования, основанные на инверсии дистанционного зондирования, и исследования, основанные на наземных станциях мониторинга. Первые обычно сосредоточены на больших территориях, таких как весь Китай , Северо-Китайская равнина и так далее. В свою очередь, наземный мониторинг имеет характеристики высокой частоты измерений, что способствует лучшему изучению сезонных и суточных изменений в масштабах города (например, малых и средних территорий) . Кроме того, данные наземного мониторинга намного надежнее и точнее, чем данные инверсии дистанционного зондирования. Материалы исследования, описываемого здесь, основаны на данных наземного мониторинга.
Существующие исследования, основанные на наземных станциях мониторинга, в основном сосредоточены на крупномасштабных областях для изучения состояния и пространственно-временных изменений целевых загрязнителей воздуха и их взаимосвязи с некоторыми факторами.
Например, для исследования качества воздуха в национальном масштабе использовали 1498 точек мониторинга для систематического анализа характеристик пространственного и временного распределения шести критериев загрязнителей воздуха (PM2,5, PM10, SO2, CO, NO2 и O3) и их рисков для здоровья. Среднегодовая концентрация других загрязнителей, кроме O3, выше с севера на юг, с самой высокой в Северном Китае и самой низкой на Цинхай-Тибетском плато.
Для детального изучения национальных тенденций загрязнения изучались ежечасные данные о качестве воздуха с более чем 1000 наземных станций мониторинга в Китае в сочетании с политикой контроля за загрязнением воздуха . При анализе почасовых данных о концентрации SO2 из 187 городов Китая было обнаружено что SO2 снижается, с самым высоким зимой и самым низким летом с 2014 по 2016 год. Среднесуточная концентрация SO2 в пяти крупных городах района Гуаньчжун и обнаружили, что среднегодовая концентрация снижалась год от года с 2014 по 2018 год. Rupakheti et al. [22] использовали почасовую концентрацию шести критериев загрязнителей воздуха в Синьцзяне с 2013 по 2019 год и обнаружили, что концентрация SO2 снизилась с 2015 по 2018 год. Большинство этих крупномасштабных исследований выявили пространственно-временные характеристики эволюции SO2 и влияние макроэкономической политики в отношении SO2 на макроуровне, но игнорирование мелкомасштабных пространственных различий и местных деталей.
Есть также некоторые исследования, основанные на малых административных единицах. He et al. проанализировали характеристики загрязнения воздуха и их связь с многомасштабными метеорологическими условиями в период 2014–2015 гг. в столицах 31 провинции Китая. Наивысший уровень основного загрязнителя над Китаем составил PM2,5, за которым следовали PM10, O3, NO2, SO2 и CO. Метеорологические условия были основным фактором, определяющим ежедневные колебания концентраций загрязнителей, что объясняет более 70% отклонений среднесуточных концентраций загрязняющих веществ над Китаем. Kuang et al. использовали данные о среднесуточной концентрации различных загрязнителей с 23 наземных станций мониторинга в Чэнду, чтобы определить временные и пространственные изменения в загрязнителях и их влияющих факторах. Концентрация PM10, PM2,5, SO2 и CO снизилась с 2014 по 2016 год; концентрация SO2 была самой высокой зимой и самой низкой осенью. Wang et al. проанализировали характеристики пространственно-временной эволюции загрязнителей в городских районах Нанкина, используя данные мониторинга пяти станций с 2015 по 2017 год. Общая концентрация SO2 на каждой станции имеет очевидную тенденцию к снижению. Wang et al. использовали 13 контролируемых государством станций для анализа характеристик временных и пространственных изменений SO2 в Сиане с 2010 по 2018 год, и концентрация SO2 значительно снизилась за восемь лет. Донг и др. использовали статистику и методы ГИС для анализа загрязнителей воздуха в городе Сянъян на уровне города и округа на основе концентрации SO2 и других основных загрязнителей, а затем обсудили их характеристики, влияющие факторы и воздействие на здоровье. Wang et al. использовали три контролируемых государством объекта с января 2016 года по февраль 2018 года для изучения характеристик загрязнения воздуха в городе Цзяоцзуо. Lv et al. использовали среднесуточную концентрацию SO2 в городе Линьфэнь с 2016 по 2017 год, чтобы изучить влияние местных метеорологических условий на концентрацию загрязнения воздуха. Бо использовал почасовую концентрацию SO2 в районе Харбин-Чанчунь с 2013 по 2017 год в качестве объекта исследования, сопоставил текущую ситуацию с загрязнителями, временные и пространственные изменения и их взаимосвязь с метеорологическими факторами и обнаружил, что концентрация SO2 связана с образованием вторичных неорганических аэрозолей в годовом масштабе.
Существующие исследования SO2 на основе наземных станций мониторинга имеют следующие ограничения. Во-первых, многие предыдущие исследования были сосредоточены на индексе качества воздуха (AQI), PM2,5 и O3, но лишь немногие из них провели углубленные исследования SO2. Во-вторых, существующие исследования, основанные на малых административных единицах, были в основном сосредоточены в развитых городах Китая, таких как провинциальные столицы, в то время как инвестиции и строительство наземных станций мониторинга в городах более низкого уровня ограничены, что приводит к некоторым ограничениям в исследованиях. в городах нижнего уровня, например в следующих.
В менее крупных городах относительно мало станций мониторинга, что напрямую влияет на точность результатов анализа. Период времени исследований для таких города также относительно короткий. Чаще всего это 1-2 года или 5 лет, и существует лишь несколько исследований с периодом времени 10 или более лет, в то время как данные мониторинга за длительный период времени более надежны при анализе факторов, влияющих на загрязнение SO2, таких как деятельность человека. Кроме того, ранние исследования для небольших городов обычно основывались на суточных, а не на почасовых данных, что приводило к низкому временному разрешению и недостаточной детализации.
2. Материалы и методы
2.1. Область исследования
Вэйфан (35 ° 320 с.ш. – 37 ° 260 ° с.ш., 118 ° 100 ° –120 ° 010 в.д.), город третьего уровня, расположенный в центральной части полуострова Шаньдун на востоке Китая, примыкает к Дунъину на северо-западе , Цзыбо на западе, Линьи на юге, Циндао на востоке, залив Лайчжоу и Бохайское море на севере.
Он состоит из четырех районов, шести городов и двух округов общей площадью 16 000 км2. Рельеф высокий на юге и низкий на севере. В южной и западной частях преобладают невысокие холмы, а в северо-восточной части преобладают равнины, заливы и реки. Вэйфан - полувлажный район с умеренным континентальным и муссонным климатом. Вэйфан - один из самых быстрорастущих городов в провинции Шаньдун, с его ВВП, занимающим четвертое место в 2020 году. Согласно «Статистическому бюллетеню национального экономического и социального развития города Вэйфан в 2020 году», в то время как экономика сохраняет быстрый рост, окружающая среда также были значительно улучшены, особенно SO2. Объем сокращения SO2 в Вэйфане превысил предел «Тринадцатого пятилетнего плана» провинции. Однако исследований и отчетов о загрязнении SO2 в Вэйфане немного. Следовательно, исследование и анализ временных и пространственных характеристик SO2 имеют большое значение для дальнейшего снижения загрязнения SO2 в городе Вэйфан, а также могут служить справочным материалом для других городов о том, как координировать экономическое развитие и загрязнение SO2.
2.2. Источник данных
Данные мониторинга SO2, использованные в этом исследовании, были получены из сети мониторинга городского воздуха в провинции Шаньдун и Управления по охране окружающей среды Вэйфан в Китае. Имеется 38 автоматических станций наблюдения, в том числе 5 национальных, 4 областных и 29 городских. Расположение станций мониторинга показано на Рисунке 1. Данные были получены с помощью автоматических стационарных мониторов качества воздуха в течение 24 часов непрерывного мониторинга. Анализаторы диоксида серы (SO2) Thermo 43i использовались для измерения концентрации SO2 в воздухе с помощью импульсной флуоресцентной технологии. Минимальный предел обнаружения этого прибора составляет 1,0 частей на миллиард (среднее время 60 с). Данные извлекаются мониторами каждые пять минут. Все данные по SO2, используемые в этой статье, выражены в часах. Метеорологические данные, используемые в этом документе за период с 2011 по 2020 годы, взяты с коммерческого веб-сайта погоды (https://tianqi.2345.com/ (доступ 18 ноября 2021 г.)), включая самую высокую температуру, самую низкую температуру, погоду, направление ветра и ветер. Уровень метеорологических данных, используемых в этом документе, выражен в днях. Период исследования длится с января 2008 года по декабрь 2020 года. Недействительные почасовые данные были заполнены или исправлены смежными соответствующими достоверными данными. На основе достоверных данных, средние уровни SO2 концентрации в пяти временных шкалах (час, день, месяц, квартал и год) были рассчитаны с пошаговым усреднением среднего арифметического. «Среднесуточное значение» означает среднее арифметическое значение 24-часового мониторинга в естественный день. «Среднемесячное значение» относится к среднему арифметическому среднего значения каждого дня месяца. «Сезонное среднее» означает среднее арифметическое среднего значения каждого дня в сезоне. В Вэйфане четыре сезона: весна (март, апрель, май) , лето (июнь, июль, август), осенью (сентябрь, октябрь, ноябрь) и зимой (декабрь, январь и февраль следующего года). «Среднегодовое значение» относится к среднему арифметическому среднесуточных значений в течение года. Следует отметить, что суточные концентрации SO2 составляют как минимум 20-часовые средние значения; ежемесячные концентрации SO2 составляют не менее 27 дней средних значений (25 дней в феврале); годовые концентрации SO2 составляют не менее 324 дней в среднем.
2.3. Методология
2.3.1. Модель интерполяции кригинга
Интерполяция кригинга может эффективно идентифицировать горячие точки загрязнения и завершить пространственное распределение с картографической поверхности всего региона. Многие существующие исследования использовали модель интерполяции Кригинга для получения карты пространственного распределения концентрации загрязнителя. Методы кригинговой интерполяции можно разделить на множество видов. Обычный метод кригинга использовался для получения пространственного распределения SO2 путем сравнения результатов перекрестной проверки пяти методов интерполяции кригинга (таблица 1). Правила сравнения следующие: среднее стандартизованное значение (MS) наиболее близко к 0, среднеквадратичная ошибка прогноза (RMS) является наименьшей, средняя средняя ошибка (AME) наиболее близка к RMS и среднеквадратичная ошибка -квадратная ошибка предсказания (RMSS) наиболее близка к 1. Учитывая фактический размер исследуемой области и несколько проведенных экспериментов, мы установили размер ячейки растра равным квадрату сетки размером 500 м × 500 м. Модель вариограммы, использованная для этого Кригинга, представляла собой сферическую модель. Основная формула обычной модели интерполяции Кригинга выглядит следующим образом:
где Z (si) обозначает концентрацию SO2 в точке наблюдения i, λi обозначает вес концентрации SO2 в точке наблюдения i, s0 обозначает прогнозируемое место, а N обозначает количество точек наблюдения.
2.3.2. Модель миграции центра тяжести SO2
Центр тяжести SO2 - это точка, в которой значение SO2 на всех станциях мониторинга в исследуемой области достигает равновесия в пространственной плоскости. Его можно получить путем расчета средневзвешенного центра тяжести всех станций мониторинга в исследуемой области, где значение веса представляет собой значение SO2 для каждой станции мониторинга. Формула расчета центра тяжести SO2 выглядит следующим образом:
где xt, yt представляют центр тяжести SO2 в момент времени t; Xi, Yi - координаты станции мониторинга i; и Vi представляет концентрацию SO2 на станции мониторинга i в момент времени t.
Модель миграции центра тяжести SO2 - это модель для изучения пространственных изменений загрязнения SO2, основанная на миграции центра тяжести SO2 в течение определенного периода времени. Он может интуитивно и количественно отражать направление и скорость движения загрязнения SO2. Скорость движения рассчитывается по расстоянию движения центра тяжести SO2. Модель миграции центра тяжести SO2 S и скорость движения (DL) могут быть установлены следующим образом:
где (xt, yt) обозначает центр тяжести SO2 в момент времени t. DL обозначает скорость движения центра тяжести SO2 от момента времени t до момента времени t + 1. Очистка исходных данных и расчет концентрации SO2 в различных временных масштабах (час, день, месяц, сезон, год, и т. д.) были выполнены с помощью программирования на языке C ++. Пространственно-временная интерполяция, траектория центра тяжести и тематическая карта были выполнены с помощью программного обеспечения ArcGIS 10.3 (Environmental Systems Research Institute, Inc., Редлендс, Калифорния, США). Кроме того, все статистические диаграммы в этом исследовании были составлены с использованием программного обеспечения Origin 9.1 (OriginLab Corporation, Нортгемптон, Массачусетс, США).
2.3.3. Модель регрессии
Пространственная разница в концентрации SO2 в Вэйфане значительна, и факторы ее влияния разнообразны. В этом исследовании обсуждались влияющие факторы SO2 с точки зрения метеорологических факторов. Уравнение линейной регрессии для SO2 было следующим:
где Y обозначает значение концентрации SO2. x1, x2, x3, x4 и x5 обозначают наивысшую температуру, самую низкую температуру, погоду, направление ветра и уровень ветра соответственно. b0 представляет собой точку пересечения; b1, b2, b3, b4 и b5 - коэффициенты факторов, влияющих на распределение концентрации SO2, а значение ε - случайная ошибка. Коэффициент расширения дисперсии используется для анализа влияния мультиколлинеарности на оценку модели.
3. Результаты и обсуждение
3.1. SO2 Пространственно-временные характеристики
3.1.1. Годовые пространственно-временные изменения SO2
Среднегодовые концентрации SO2 за каждый год показаны на Рисунке 2.
Среднегодовое значение концентрации SO2 в городе Вэйфан с 2008 по 2020 год имели тенденцию к снижению. Концентрация SO2 в 2008 году составляла около 92,7 мкг/м3, тогда как она достигла своего пика (104,9 мкг/м3) в 2009 году. С 2008 по 2013 год концентрация SO2 превышала стандарт CNAAQS Grade II (60 мкг/м3). С 2014 по 2017 год концентрация SO2 превышала стандарт CNAAQS Grade I (20 мкг/м3). С 2018 года концентрация SO2 соответствует стандарту CNAAQS Grade I. К 2020 году концентрация SO2 составляла около 10,4 мкг/м3. В период с 2008 по 2020 год концентрация SO2 снизилась примерно на 82,3 мкг/м3. Кроме того, с 2008 по 2013 год концентрация SO2 колебалась, с медленными темпами снижения примерно на 2,42 мкг/год. После 2013 года колебания концентрации SO2 исчезли и продемонстрировали непрерывную тенденцию к снижению со скоростью примерно 10,03 мкг/ год.
На Рисунке 2 колебания концентрации SO2 с 2008 по 2013 годы могут быть связаны с надзором за контролем за загрязнением, который временами является сильным, а иногда - слабым. Другими словами, это результат совместной игры между экономическим развитием и защитой окружающей среды до успешного преобразования промышленности в Вэйфане. До модернизации и преобразования промышленности в Вэйфане все еще преобладали традиционные отрасли с высоким энергопотреблением и высоким уровнем загрязнения, такие как химическая промышленность и производство бумаги. Контроль за загрязнением воздуха оказал большое влияние на местное экономическое развитие и финансовые доходы. Некоторые предприятия с высоким уровнем загрязнения начали производство после ослабления контроля за загрязнением. С 2013 года колебания исчезли. Это объясняется тем, что в соответствии с требованиями национальной политики город Вэйфан придерживался принципа абсолютного приоритета экологии, организовал и реализовал акцию по защите окружающей среды «386», а также применил правоохранительные органы и надзор в качестве гарантия. Строгие меры по сокращению выбросов, принятые городом Вэйфан, включали ликвидацию транспортных средств, загрязняющих окружающую среду, ликвидацию небольших котлов, работающих на угле, установку оборудования для мониторинга выхлопных газов, разграничение зон горения, закрытие предприятий, загрязняющих окружающую среду, и запрет сжигание соломы и т. д. С тех пор город Вэйфан добился замечательных результатов в борьбе с загрязнением воздуха. Под влиянием эпидемии COVID-19, разразившейся в конце 2019 года, среднегодовая концентрация SO2 в Вэйфане в 2020 году была значительно ниже, чем 20 мкг/м3.
На рисунке 3 показано пространственное распределение среднегодовых концентраций SO2 с 2008 по 2020 год в Вэйфане. Данные, используемые для интерполяции Кригинга на Рисунке 3, представляют собой среднегодовые значения для каждой станции мониторинга. Как показано на картах, в 2008 году загрязнение SO2 было в основном сосредоточено в городских районах. С 2009 г. загрязненные территории сместились из центра на периферию; особенно в 2013 году на городской окраине образовались два сильно загрязненных района (Хантинг и Гаоми). К 2020 году, хотя общая концентрация SO2 в регионе продолжала снижаться, были сформированы три субрегиона с плохими показателями: Шугуан, Чанъи и Гаоми. С 2016 года концентрация SO2 была высокой на северо-западе и низкой на юго-востоке. Есть две основные причины. (1) Это связано с выбросами SO2. Согласно выводам Guo et al. и Wang et al. , плотность населения положительно коррелирует с масштабами промышленного производства и потреблением энергии, что приводит к увеличению выбросов SO2. По шкале населения и ВВП западный регион (например, округ Шоугуан и округ Цинчжоу) и восточный регион (например, Гаоми) входят в пятерку лучших в городе Вэйфан, что показывает, что эти регионы имеют большие выбросы SO2.
В значительной степени это связано с местностью города Вэйфан. Юг Вэйфана - это в основном невысокие горы и холмы с высокой растительностью, которая может эффективно поглощать загрязняющие вещества в воздухе и снижать концентрацию SO2. Однако северо-западная часть Вэйфана плоская и граничит с городом Дунъин, традиционным промышленным городом с более серьезным загрязнением воздуха. Масштабная диффузия SO2 из города Дунъин в эти относительно плоские районы легко может происходить.
3.1.2. Сезонные и месячные пространственно-временные изменения SO2
На рисунке 4 показаны сезонные и ежемесячные изменения концентрации SO2 в Вэйфане с 2008 по 2020 гг. Месячная кривая была получена путем усреднения ежемесячных наблюдений с 2008 по 2020 год, а сезонное значение было получено путем усреднения сезонных наблюдений с 2008 по 2020 год.
Концентрация SO2 сформировала U-образный тренд. Типичная U-образная точка перегиба появилась в июле (25,9 мкг/м3), что означает, что концентрация SO2 в июле была самой низкой за весь год. Концентрация SO2 упала с января по июль, тогда как с августа по декабрь она выросла. Концентрация SO2 была выше в январе (98,4 мкг/м3) и декабре (94,2 мкг/м3).
Как показано на Рисунке 4, изменение концентрации SO2 в городе Вэйфан имеет очевидную сезонность. Он характеризуется самым высоким зимой, затем осенью и весной и самым низким летом. С 2008 по 2020 год средние концентрации SO2 весной, летом, осенью и зимой составляли 46,7 мкг/м3, 31,0 мкг/м3, 48,7 мкг/м3 и 88,5 мкг/м3 соответственно. Разница концентраций зимой и летом составляла около 57,5 мкг/м3.
Рельеф и зимние метеорологические условия приводят к высокому уровню загрязнения зимой в Вэйфане. Обычно низкая температура, слабый воздушный поток и малое количество осадков зимой не способствуют диффузии загрязняющих веществ и стали важными естественными факторами серьезного загрязнения зимой. Зимой преобладает северо-западный ветер, а холмистая местность на юге не способствует распространению загрязняющих веществ. Кроме того, из-за холодной погоды отопление на угле вызывает большое количество выбросов SO2, а выхлопные газы, выбрасываемые частными автомобилями, содержат SO2, что вызывает повышение концентрации SO2. И наоборот, летом высокая температура и сильный воздушный поток, способствующие диффузии, снижают уровень загрязнения воздуха, а сильные осадки и влажность склонны к разбавлению загрязняющих веществ и влажному осаждению. Летом преобладает юго-восточный ветер, а плоский северо-западный регион ускоряет распространение загрязняющих веществ. Весной и осенью загрязнение воздуха усугубляется сжиганием соломы сельскохозяйственных культур, что приводит к промежуточным уровням загрязнения.
Всемирная организация здравоохранения рекомендует, чтобы среднесуточная концентрация SO2 не превышала 20 мкг/м3. Поскольку загрязнение SO2 было наиболее серьезным зимой, количество дней, в течение которых среднесуточная концентрация SO2 превышала 20 мкг/м3 зимой 2020 года, было подсчитано с использованием регионального статистического метода. Результат показан на Рисунке 5.
Из Рисунка 5 видно, что среднесуточная концентрация SO2, превышающая 20 мкг/м3, чаще встречается в северном регионе, чем в южном. В частности, Shouguang и Changyi были самыми высокими, за ними следовали Qingzhou, Weicheng и Gaomi; Хантинг, Куйвен и Фангзи были ниже; Линьцю, Чанлэ, Аньцю и Чжучэн были самыми низкими. Хотя концентрация SO2 в Вэйфане снижалась год от года, среднесуточная концентрация SO2 зимой, превышающая 20 мкг/м3, по-прежнему сохраняется, особенно на севере.
3.1.3. Еженедельные пространственно-временные изменения в SO2
Как показано на Рисунке 6, среднесуточная концентрация SO2 в течение недели в городе Вэйфан представляла закон колебаний периодической S-образной кривой с 2008 по 2020 год. Концентрация SO2 была выше в понедельник (53,7 мкг/м3) и субботу (54,3 мкг/м3) и ниже в четверг (52,1 мкг/м3). Это имеет значительный «эффект выходных». Причины такого результата следующие. После работы в пятницу многие люди выходят отдохнуть и поприветствовать предстоящие выходные. Повышенная деятельность человека увеличивает концентрацию SO2. В субботу многие люди выходят на улицу в развлекательных целях или навещают родственников и друзей, что приводит к чрезмерной активности людей и транспортных средств, что приводит к увеличению концентрации SO2. В воскресенье некоторые люди предпочитают оставаться дома, количество людей, выходящих на улицу, уменьшается, и, таким образом, концентрация SO2 немного падает. В понедельник, когда люди возвращаются на работу, деятельность человека уменьшается, поэтому концентрация SO2 продолжает снижаться, достигнув минимума в четверг. Сравнивая концентрацию SO2 в будние дни (с понедельника по пятницу) и выходные (суббота и воскресенье), можно увидеть, что концентрация SO2 тесно связана с поведением человека, работой и отдыхом.
На рисунке 7 показано пространственное распределение загрязнения SO2 в будние и выходные дни в 2020 году. Данные, используемые в интерполяции Кригинга, представляют собой среднесуточные концентрации на каждой станции мониторинга в будние и выходные дни в течение 2008–2020 годов. Из рисунка 7 видно, что концентрации SO2 в Шугуане, Чанъи и Гаоми были выше, чем в других регионах, как в будние, так и в выходные дни, что также соответствовало общим пространственным изменениям в 2020 году (Рисунок 3). Кроме того, концентрация SO2 в районе Вэйчэн значительно увеличилась в выходные дни. Причина может заключаться в том, что район Вэйчэн, являясь центральным районом, более процветает с точки зрения культуры, туризма и покупок, что привлекает людей к посещению в выходные дни, что приводит к увеличению концентрации SO2.
3.1.4. Почасовые изменения SO2
На Рисунке 8 показано почасовое изменение концентрации SO2 в городе Вэйфан с 2008 по 2020 год.
На Рисунке 8 треугольниками показаны средние почасовые концентрации в период 2008–2020 годов, а звездочками - средние почасовые концентрации в 2020 году. Среднее почасовое пиковое значение Концентрация SO2 составляла 89 мкг/м3 в положении «9 часов», а значение впадины составляло 58 мкг/м3 в положении «16 часов» с разницей в 31 мкг/м3.
Почасовая концентрация SO2 меняется в разные сезоны, а пик почасовой концентрации SO2 менялся в зависимости от сезона (см. Рисунок 9).
В частности, утренний пик концентрации SO2 весной произошел в 8:00, в то время как утренний пик концентрации SO2 летом, осенью и зимой произошел примерно в 9:00. Летом жители склонны вставать рано, поэтому утренний пик для работы и учебы наступил раньше, в результате чего утренний пик концентрации SO2 весной был на час раньше. Следует отметить, что зимой концентрация SO2 демонстрировала вечерний пик, который приходился на 20:00, тогда как в другие сезоны не было значительного вечернего пика. После 16:00 родители забирают своих детей из школы, и люди постепенно заканчивают работу, и наступает вечерний пик отдыха и учебы. Зимой из-за холодов люди часто берут машины, когда заканчивают работу или забирают детей из школы; интенсивное движение вызывает рост концентрации SO2. Однако в другое время года, кроме зимы, вечерняя температура комфортна, особенно летом и осенью; люди предпочитают гулять или кататься на велосипеде, когда заканчивают работу или забирают своих детей, поэтому концентрация SO2 существенно не повысилась в вечерние часы пик.
3.2 Траектория миграции центра тяжести SO2
Траектория движения центра тяжести SO2 с 2008 по 2020 год показана на рисунке 10.
Можно увидеть, что в направлении север-юг центр тяжести SO2 в целом сместился к северу, что указывает на то, что загрязнение SO2 на юге было постепенно снижается. Миграцию с севера на юг можно разделить на три этапа: 2008–2012 гг. - первый этап, 2013–2017 гг. - второй этап и 2018–2020 гг. - третий этап. В направлении восток-запад центр тяжести SO2 сначала сместился на запад, а затем на восток. В частности, с 2008 по 2014 год он в основном сместился на запад, а с 2014 по 2020 год - в основном на восток.
В целом с 2008 по 2020 год центр тяжести SO2 сместился на северо-восток. Особенно в 2017-2018 годах сдвиг на северо-восток был очевиден, с удалением около 3 км, что указывает на то, что загрязнение SO2 в северо-восточном регионе более серьезно, чем в других регионах. Это может быть связано с быстрым развитием зоны экономического развития Биньхай, расположенной в северо-восточной прибрежной зоне после 2017 года.
3.3. Корреляционный анализ между SO2 и ветром
Результаты регрессионной модели показаны в таблице 2.
Поскольку самая высокая и самая низкая температура не прошли тест на коллинеарность, мы исключили самую низкую температуру. Как показано в Таблице 2, направление и уровень ветра оказывают значительное влияние на концентрацию SO2. Направление ветра в модели отрицательное (-7,49454), а уровень ветра положительный (6,97515).
Результаты регрессионной модели согласуются с Chen et al., где выявлено, что основным метеорологическим движущим фактором концентрации загрязняющих веществ в Северном Китае является ветер. На рисунке 11a показана взаимосвязь между концентрацией SO2 и направлением ветра, где концентрация SO2 была общим средним значением с 2011 по 2020 годы.
Радиус представляет концентрацию; чем больше радиус, тем выше концентрация. Как видно из рисунка 11a, когда ветер дул с запада, концентрация SO2 в Вэйфане была высокой, а когда ветер дул с востока, концентрация SO2 в Вэйфане была низкой. В зависимости от направления ветра концентрация SO2 была следующей: северо-западный ветер> западный ветер> северный ветер> южный ветер> юго-западный ветер> восточный ветер> северо-восточный ветер> юго-восточный ветер. Когда преобладали северо-западный ветер и западный ветер, концентрация SO2 в городе Вэйфан была явно выше, что указывает на то, что северо-западный ветер и западный ветер оказывают загрязняющее воздействие на SO2 в городе Вэйфан. Когда преобладали юго-восточный ветер и северо-восточный ветер, концентрация SO2 в городе Вэйфан была значительно ниже, что указывает на то, что юго-восточный ветер и северо-восточный ветер оказывают очищающее воздействие на SO2 в городе Вэйфан. Причины следующие.
(1) Рельеф на западе Вэйфана является самым высоким, что препятствует ветру с запада, что приводит к ослаблению ветра. Северо-восток Вэйфана находится недалеко от залива, и слабый западный ветер затрудняет распространение загрязняющих веществ в морскую зону.
(2) Когда преобладают северо-западный и западный ветер, в Вэйфане, вероятнее всего зима; температура низкая, что не способствует диффузии, и существует множество источников выбросов SO2, таких как угольное отопление. Когда преобладает юго-восточный ветер, в Вэйфане, вероятнее всего лето, а температура летом высокая, что способствует распространению загрязняющих веществ.
На рисунке 11b показана частотная карта направления ветра в Вэйфане с 2011 по 2020 год. Наибольшая доля приходилась на северный ветер, около 43%, а на южный ветер - около 24%. Кроме того, чистое направление ветра (юго-восточный ветер, северо-восточный ветер) составляло около 19%, в то время как направление загрязненного ветра (северо-западный ветер, западный ветер) составляло около 7%.
4. Выводы
В этой переведенной статье представлены временные и пространственные характеристики загрязнения SO2 в различных временных масштабах (год, сезон, месяц, день и час) на основе данных, собранных с почасовых наземных станций мониторинга, контролируемых государством и провинциями в городе Вэйфан. Кроме того, обсуждалась траектория загрязнения SO2 и взаимосвязь между концентрацией SO2 и метеорологическими факторами. На основании проведенного исследования в основном были сделаны следующие выводы:
(1) Средняя концентрация SO2 демонстрировала тенденцию к снижению с 2008 г. (92,7 ± 50,9 мкг / м3) по 2020 г. (10,4 ± 6,5 мкг / м3). До 2014 года концентрация SO2 имела неустойчивую тенденцию к снижению и превышала стандарт CAAQS Grade II (60 мкг / м3). С 2014 года концентрация SO2 постоянно снижается. В 2018 году концентрация SO2 была ниже стандарта CAAQS Grade I (20 мкг / м3). Это способствовало строгим мерам, принятым правительством Китая, и мерам по защите окружающей среды, реализованным правительством города Вэйфан, таким как устранение загрязняющих транспортных средств, ликвидация небольших угольных котлов, установка оборудования для мониторинга выхлопных газов, определение границ запретных зон. зоны горения и так далее.
(2) Пространственная картина загрязнения SO2 показывает, что концентрация SO2 представляет очевидную пространственную неоднородность. В частности, концентрация SO2 была выше на севере, чем на юге, и выше на западе, чем на востоке. В 2008 году концентрация SO2 в центральной части города была значительно выше, чем в прилегающих районах. С 2009 года загрязнение SO2 сместилось из центра города за пределы города. К 2013 году на окраине образовались две сильно загрязненные территории (Хантинг и Гаоми). В настоящее время наиболее серьезное загрязнение SO2 наблюдается в Шугуане, Чанъи и Гаоми. Мы рекомендуем оптимизировать промышленную структуру этих трех регионов, чтобы контролировать загрязнение SO2.
(3) В сезонном масштабе концентрация SO2 была зимой> осенью> весной> летом. Зимой 2020 года среднесуточная концентрация SO2 в северной части Вэйфана все еще превышала 20 мкг / м3, в то время как Всемирная организация здравоохранения рекомендует, чтобы среднесуточная концентрация SO2 не превышала 20 мкг / м3.
Причиной этого явления стали погодные условия зимой и угольное отопление. Рекомендуется, чтобы соответствующие департаменты в Вэйфане приняли меры по снижению концентрации SO2 в северном регионе зимой, такие как центральное отопление, отопление на природном газе и предприятия, загрязняющие окружающую среду, чтобы временно приостановить производство.
(4) В дневном масштабе концентрация SO2 в выходные дни была выше, чем в будние дни, а концентрация SO2 была самой высокой в субботу. На выходных концентрация SO2 в районе Вэйчэн, центральном районе Вэйфана, значительно увеличилась. Характеристики суточных колебаний концентрации SO2 тесно связаны с поездками и работой человека. Жителям Вэйфана рекомендуется путешествовать по выходным экологичнее и нестабильнее.
(5) На почасовой шкале пик концентрации SO2 приходился на 9 часов утра, а в долине - около 16 часов. Пиковое значение менялось в зависимости от сезона. В частности, пик весной приходился на 8 часов утра, тогда как пик в другие сезоны приходился на 9 часов утра. Это явление показывает, что почасовые изменения шкалы тесно связаны с тем, как жители добираются на работу. В городе Вэйфан можно внедрять поэтапные поездки и продвигать автомобили на новой энергии. Кроме того, мы также можем активно развивать общественный транспорт, чтобы в краткосрочной перспективе избежать чрезмерной концентрации SO2, которая угрожает здоровью людей.
(6) Центр тяжести SO2 в целом переместился на северо-восток. Это показывает, что загрязнение SO2 на северо-востоке Вэйфана более серьезное, чем в других районах, особенно в период с 2017 по 2018 год. Этот результат может быть связан со строительством зоны экономического развития Биньхай, расположенной в северо-восточной прибрежной зоне. Мы можем уменьшить загрязнение SO2 в этих областях, оптимизировав промышленную модель зоны экономического развития Биньхай.
(7) Согласно корреляционному анализу между SO2 и ветром, порядок концентрации SO2 от высокого к низкому таков: северо-западный ветер> западный ветер> северный ветер> южный ветер> юго-западный ветер> восточный ветер> северо-восточный ветер> юго-восточный ветер. Направление чистого ветра (юго-восточный ветер, северо-восточный ветер) составляло около 19%, в то время как направление загрязненного ветра (северо-западный ветер, западный ветер) составляло около 7%. Это исследование имеет важное практическое значение для глубокого понимания временных и пространственных изменений SO2 в городе Вэйфан с 2008 года. В качестве загрязнителя, который успешно обеспечивает сокращение выбросов, изучение его временных и пространственных характеристик имеет огромное значение для последующей обработки SO2. загрязнение и очистка окружающей среды от других загрязнителей. В этом документе основное внимание уделяется временным и пространственным характеристикам загрязнения SO2 в различных масштабах. В будущей работе будет подробно проанализирована корреляция между загрязнением воздуха и множественными источниками, включая природные и антропогенные воздействия.
Найти текст исследования в оригинале можно здесь:
Цитирование:
Zhu, L., Zhang, Y., Wu, Z., & Zhang, C. (2021). Spatio-Temporal Characteristics of SO2 across Weifang from 2008 to 2020. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18.
Больше публикаций о научных исследованиях в области качества воздуха по тегу #airon_lit
#экология #Китай #загрязнение воздуха #наука #исследования