蘭州市SO2時(shí)空動(dòng)態(tài)分布特征及其與城市生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系

王青青,巨天珍,*,王培玉,溫 飛,石 垚,馬 成,常 鋒

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院, 蘭州 730030 3 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所, 北京 100190 4 張掖市生態(tài)環(huán)境局,張掖 734000

大氣污染對(duì)氣候變化和區(qū)域生態(tài)健康的影響日益加劇,如發(fā)生在我國(guó)的霧霾、酸雨、和光化學(xué)煙霧[1-3]等不僅會(huì)影響人類的身體健康還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)紊亂,多年來(lái)大氣環(huán)境污染一直都是社會(huì)高度關(guān)注和急需解決的環(huán)境問(wèn)題[4]。隨著我國(guó)大氣污染防治工作的深入,當(dāng)前工程減排的空間日益縮小,那么從技術(shù)和監(jiān)管方面如何提升和持續(xù)保障區(qū)域與城市大氣環(huán)境質(zhì)量,將是未來(lái)我國(guó)大氣環(huán)境管理需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。另外,除人類各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)外,植被、氣象等自然要素也是城市生態(tài)系統(tǒng)的主體,在區(qū)域物質(zhì)和能量循環(huán)中起到重大作用[5],辨識(shí)大氣污染物時(shí)空演變規(guī)律及其與城市生態(tài)系統(tǒng)各要素間的相互關(guān)系,也可為城市大氣環(huán)境質(zhì)量綜合管控提供科學(xué)依據(jù)[6]。我國(guó)二氧化硫(SO2)排放體量大,在大氣污染中一直是國(guó)家的約束性指標(biāo)之一。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)以其空間覆蓋范圍大、時(shí)間周期長(zhǎng)、觀測(cè)空間連續(xù)和可實(shí)時(shí)快捷的獲得區(qū)域SO2數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),彌補(bǔ)地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)在空間覆蓋小和數(shù)據(jù)獲取時(shí)間長(zhǎng)等方面的不足[7-8],在闡明大氣污染和氣象要素的交互影響中發(fā)揮重要作用,而結(jié)合城市植被覆蓋、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值、社會(huì)發(fā)展指數(shù)等數(shù)據(jù)更能進(jìn)一步的研究城市生態(tài)系統(tǒng)對(duì)SO2濃度變化的影響[9-10]。

國(guó)外多位學(xué)者如Khokhar等[11]利用GOME、Carn等[12]和Prata等[13]AIRS數(shù)據(jù)反演了高精度的SO2柱濃度,用以研究火山爆發(fā)軌跡和污染源演變規(guī)律。多位學(xué)者通過(guò)設(shè)計(jì)算法反演污染源及其污染物分布,如Lee等[14]基于SCIMACHY發(fā)展了一種權(quán)函數(shù)算法、Krotkov等[15]基于OMI數(shù)據(jù)反演了SO2柱濃度,趙軍等[16]開(kāi)發(fā)了大氣邊界層SO2數(shù)據(jù)總量的獲取方法和SO2離散面狀分布模式。Li等[17]利用 OMI 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),得出在2008年奧運(yùn)會(huì)期間內(nèi)蒙古、陜西和山西等地的火電廠及其附近SO2的濃度比以往同期有著顯著的下降,從而證明燃煤電廠脫硫政策能有效降低 SO2的人為排放量。王剛等[18]利用衛(wèi)星反演SO2的BRD算法得出中國(guó)SO2濃度高值地區(qū)主要是華北、華東以及四川盆地。Zhang 等[19]用 SCIAMACHY 衛(wèi)星傳感器,評(píng)估了中國(guó)地區(qū) 2004—2009 年人為活動(dòng)排放SO2含量,西部呈逐年增加的變化趨勢(shì),東部呈逐年下降的變化趨勢(shì)。姜杰[20]通過(guò)2005—2010年衛(wèi)星(OMI)遙感數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)了中國(guó)大氣SO2濃度,認(rèn)為西部地區(qū)季節(jié)變化幅度不大,但其變化趨勢(shì)與東部地區(qū)相反,表現(xiàn)為夏季濃度高,冬季濃度比較低。李兵等[21]利用OMI數(shù)據(jù)得出2006—2013 年甘肅省天水市大氣SO2柱濃度明顯增加與人為活動(dòng)、自然條件和外域大氣傳輸?shù)年P(guān)系。王彥[22]解譯遙感數(shù)據(jù)指出甘肅省白銀市2011年到2013年大氣邊界層SO2濃度的時(shí)空分布并估算了SO2的排放總量。張斌才[23]利用OMI傳感器結(jié)合遙感圖像處理技術(shù)和地理信息系統(tǒng)分析所得的大氣邊界層(PBL)SO2數(shù)據(jù)產(chǎn)品指出,蘭(州)白(銀)金(昌)地區(qū)SO2季節(jié)差異大,冬季SO2柱濃度最高,夏季最低,以及污染源的移動(dòng)規(guī)律。巨天珍等[24]利用OMISO2數(shù)據(jù)解譯了甘肅省蘭州市城區(qū)2009—2010年采暖期和非采暖期SO2空間分布情況。

蘭州市曾經(jīng)發(fā)生光化學(xué)污染事件[25],2013年是蘭州步入空氣質(zhì)量改善的轉(zhuǎn)折期與加速期,如今的蘭州與曾經(jīng)全國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量倒數(shù)第一形象相差甚遠(yuǎn),為了檢驗(yàn)治理效果,本文基于2006—2016年共11期遙感數(shù)據(jù)對(duì)蘭州市全境對(duì)流層SO2柱濃度的時(shí)空變化特征及影響因素進(jìn)行了回顧性的分析研究,并對(duì)蘭州市大氣SO2的凈化途徑,以及NDVI、工業(yè)總產(chǎn)值、汽車保有量等城市自然經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)要素的結(jié)構(gòu)變化與城市SO2濃度變化的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

蘭州市(北緯36°07′,東經(jīng)103°82′)位于中國(guó)西北部,甘肅省中部,為甘肅省省會(huì)。地處黃土高原河谷地帶,市區(qū)位于盆地內(nèi),兩山夾一河(圖1),明顯的盆地地形使得該區(qū)大氣層結(jié)穩(wěn)定,形成逆溫層,加之風(fēng)速較小,靜風(fēng)率較高,冬季穩(wěn)定類天氣占70%以上,靜風(fēng)率達(dá)80%,不利于大氣污染物的湍流擴(kuò)散。又因常年干旱少雨,年均降雨量不足300毫米,蒸發(fā)量較高,植被覆蓋率低,沙塵暴和浮塵天氣容易形成和波及,加劇了蘭州市大氣污染。作為老工業(yè)基地,蘭州的工業(yè)結(jié)構(gòu)以能源、石油化工、有色冶金等原材料上游工業(yè)為主,重化工業(yè)占整個(gè)工業(yè)的比重近80%,能源結(jié)構(gòu)單一,80%的能耗以煤為主。近年來(lái)機(jī)動(dòng)車年均增幅超過(guò)10%,而且每天過(guò)境車輛超過(guò)11萬(wàn)輛,目前全市機(jī)動(dòng)車擁有量達(dá)到90萬(wàn)輛,機(jī)動(dòng)車低速或怠速行駛,尾氣排放也成為了主要污染物之一。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 傳感器及數(shù)據(jù)格式

研究所采用的SO2的數(shù)據(jù)產(chǎn)品來(lái)自于美國(guó)國(guó)家航天局Aura衛(wèi)星上搭載的OMI傳感器,OMI 傳感器于2004年7月升空[26-27], 是繼 GOME 和 SCIAMACHY 后的新一代大氣成分探測(cè)傳感器[28-29],用于 O3、NO2、SO2、HCHO、 BrO 和 OClO 等組分的光譜反演,其軌道掃描幅寬為2600 km,空間分辨率13 km×24 km,有3個(gè)通道,波長(zhǎng)覆蓋范圍270—500 nm,平均光譜分辨率為0.5 nm,每天覆蓋全球一次。OMI能夠以較高的空間及時(shí)間分辨率獲取大氣污染的空間分布的動(dòng)態(tài)變化。

2.2 研究方法

本文選取的SO2數(shù)據(jù)是2006—2016年日OMI數(shù)據(jù)產(chǎn)品,OMISO2產(chǎn)品是以HDF-EOS條帶格式存儲(chǔ),用VISAN軟件對(duì)研究區(qū)的柱量數(shù)據(jù)讀入、讀出、過(guò)濾和提取。為保證研究區(qū)邊界地區(qū)的插值精度,實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí)將提取邊界擴(kuò)大0.5°,再用HDF-view軟件將所選取的“Lat”、“Lon”、“SO2-column”值粘貼出來(lái)。利用ArcGIS10.0軟件地統(tǒng)計(jì)模塊中的克里金插值法,對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,再使用地圖代數(shù)工具進(jìn)行柵格計(jì)算,得到并繪制出蘭州市2006—2016年SO2的時(shí)空分布圖。蘭州市植被數(shù)據(jù)(NDVI)來(lái)自于美國(guó)國(guó)家航空航天NASA的EOS/MODIS數(shù)據(jù)(https:// ladsweb nascom.nasa.gov),選取2006—2016年的 MOD13Q1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品,時(shí)間分辨率為31 d,空間分辨率為1000 m。并使用MRT(MODIS Reprojection Tools) 工具將下載的 MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、重投影等,得到并繪制出蘭州市植被覆蓋度(NDVI)時(shí)空分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 11年蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度空間變化特征

3.1.1蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度值的空間分布

圖2 對(duì)流層SO2柱濃度多年平均值空間分布圖Fig.2 Tropospheric SO2 column concentration multi-year average spatial distribution map

圖2為蘭州市2006—2016年11年對(duì)流層SO2柱濃度多年平均值空間分布圖。為研究需要,將蘭州市SO2柱濃度值分為八個(gè)等級(jí)(多布森單位),依次為：一級(jí)(0—0.06)、二級(jí)(0.06—0.12)、三級(jí)(0.12—0.18)、四級(jí)(0.18—0.24)、五級(jí)(0.24—0.30)、六級(jí)(0.30—0.36)、七級(jí)(0.36—0.42)、八級(jí)(0.42—0.48)。由圖2結(jié)合圖1蘭州市高程分布可知,蘭州市對(duì)流層SO2空間分布的梯度明顯,呈現(xiàn)出以河谷低海拔(皋蘭縣)為中心的高濃度分布,向西北、東南兩側(cè)較高海拔SO2濃度遞減的帶狀規(guī)律分布,即蘭州市SO2空間呈倒“U”字型分布。其中,七級(jí)、八級(jí)(高值區(qū))主要分布在皋蘭縣和永登縣的東南部,占總面積的13.5%；六級(jí)(較高值區(qū))主要分布在蘭州市市轄區(qū)的西固區(qū)、安寧區(qū)、城關(guān)區(qū)和七里河區(qū)的西北部地區(qū),占總面積的20.3%；三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)(中值區(qū))主要分布在各個(gè)縣的過(guò)渡地帶,分別占總面積的9.4%、21.5%和28.1%。而一級(jí)和二級(jí)(低值區(qū))主要分布在高海拔的區(qū)域,如永登縣的西北部、榆中縣的東南部和東部地區(qū),分別占總面積的2.2%、4.9%。近11年的SO2分布模式對(duì)蘭州市SO2空氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)將提供參考。

3.1.2蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度年際空間分布

通過(guò)對(duì)蘭州市2006年至2016年逐年的OMI反演的對(duì)流層SO2柱濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格計(jì)算,為方便說(shuō)明問(wèn)題,將柱濃度值也劃分為八個(gè)等級(jí)(多布森單位),分別為：一級(jí)(0—0.06)、二級(jí)(0.06—0.12)、三級(jí)(0.12—0.18)、四級(jí)(0.18—0.24)、五級(jí)(0.24—0.3)、六級(jí)(0.3—0.36)、七級(jí)(0.36—0.42)和八級(jí)(0.42—0.48),繪制成SO2柱濃度的逐年平均值空間分布圖(圖3),從空間分布來(lái)看,蘭州市SO2柱濃度年際分布動(dòng)態(tài)趨勢(shì)明顯。從2006年到2010年蘭州市“十一五”期間,SO2高值區(qū)以面狀紅色分布,具有從中部河谷低海拔區(qū)域向著東西兩側(cè)高海拔山地逐漸低值化擴(kuò)散分布的趨勢(shì),2010年減排效果最為明顯；從2011年到2015年“十二五”期間,SO2在2011年皋蘭縣離散面狀分布向永登縣西南半部、紅古區(qū)擴(kuò)散,2012年除榆中縣西南部、永登縣中北部以外,SO2中值區(qū)的面狀分布擴(kuò)大,2013—2014年在波動(dòng)中緩慢收縮減少,2015年中值區(qū)擴(kuò)大,污染加重；2016年主要污染區(qū)域位于永登縣全境和紅古區(qū)部分地段即蘭州市西北半部中高海拔區(qū)域,與“十一五”和“十二五”污染區(qū)集中在低海拔的規(guī)律不同。此變化和2010年蘭州市政府與國(guó)家環(huán)境科學(xué)院達(dá)成合作框架協(xié)議,即蘭州大氣污染及防治對(duì)策研究項(xiàng)目啟動(dòng)有關(guān),環(huán)境保護(hù)政府部門協(xié)同相關(guān)企業(yè)做到了“全天候、全過(guò)程、全方位”的監(jiān)管,因而取得了從2011年至2016年間蘭州市對(duì)流層SO2在波動(dòng)下降的重要成果。

圖3 對(duì)流層SO2柱濃度年平均值空間分布圖Fig.3 Tropospheric SO2 column concentration annual average spatial distribution map

3.1.3蘭州市SO2季節(jié)空間分布

圖4為11年間蘭州市對(duì)流層SO2季節(jié)空間分布圖,季節(jié)分布明顯不均,呈冬高夏低的特點(diǎn),具有冬季>春季>秋季>夏季的分布規(guī)律。冬季均值為0.24(多布森),有明顯的高值區(qū),主要分布在皋蘭縣的中部和永登縣的中東部等低海拔地區(qū)。中值區(qū)分布在永登縣中部大部分中高海拔、蘭州市市區(qū)和榆中縣的西部中海拔區(qū)域。低值區(qū)主要分布在榆中縣高海拔的東南部。冬季SO2分布與采暖期和冬季盛行風(fēng)有關(guān)。春季0.14(多布森),無(wú)明顯的高值區(qū),中值區(qū)分布在河谷低海拔的皋蘭縣中大部區(qū)域,及其周邊高海拔的永登縣東部、榆中縣西北部、和蘭州市城關(guān)區(qū)北部。低值區(qū)主要分布在永登縣西部山地和榆中東南部山地；秋季0.11(多布森),蘭州市中值區(qū)呈面狀離散收縮,分布在永登中部、皋蘭局部低海拔地區(qū),蘭州市區(qū)除東南部外,西南半部大部分地區(qū)為低值區(qū)；夏季0.065(多布森)低值的SO2污染物向西北擴(kuò)散,沒(méi)有中高值的SO2污染,這主要與我國(guó)夏季盛行東風(fēng)有關(guān)。

圖4 對(duì)流層SO2柱濃度季節(jié)空間分布圖Fig.4 Seasonal spatial distribution of tropospheric SO2 Concentration

3.2 11年蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度時(shí)間變化特征

3.2.1蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度年際分布

圖5為遙感數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析圖,地面SO2數(shù)據(jù)來(lái)自中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的2006—2016年空氣質(zhì)量年報(bào),與遙感數(shù)據(jù)SO2柱濃度的相關(guān)性系數(shù)約為0.61,說(shuō)明兩數(shù)據(jù)強(qiáng)相關(guān),可以利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反映蘭州區(qū)域大氣SO2的污染狀況。圖6表示蘭州市2006—2016 年SO2柱濃度年際變化圖,11年來(lái)蘭州市年均SO2柱濃度年均值處于不斷波動(dòng)狀態(tài),但總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中2008年和2012年有兩次小的回升。SO2柱濃度值介于0.03—0.25(多布森)之間變化范圍,濃度值的降幅為14%,下降速度為0.02(多布森) 。降低的主要原因是當(dāng)?shù)卣恢敝匾昐O2大氣污染的治理,確定了減排、壓煤、除塵、控車、增容等重點(diǎn)治污工作,聚焦關(guān)鍵過(guò)程的管理與控制,實(shí)施聯(lián)動(dòng)化、科學(xué)化、目標(biāo)化、工程化、法制化管理等方面,把工業(yè)排污、二次揚(yáng)塵污染、機(jī)動(dòng)車尾氣污染和生產(chǎn)燃煤污染作為大氣污染防治的重中之重,實(shí)施全過(guò)程、全員、全網(wǎng)格的實(shí)時(shí)監(jiān)管,取得了良好的結(jié)果。蘭州市大氣污染得到明顯的控制也說(shuō)明SO2污染與經(jīng)濟(jì)特征的密切關(guān)系在強(qiáng)有力的環(huán)境管理下可以被打破。

圖5 SO2柱濃度值與地面監(jiān)測(cè)值趨勢(shì)圖Fig.5 Comparison of remote sensing SO2 column concentration with ground monitoring value

圖6 2006—2016年SO2柱濃度年際變化趨勢(shì)圖Fig.6 Annual mean value change of SO2 column concentration during 2006—2016

3.2.2蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度季節(jié)變化特征

圖7 2006—2016年SO2垂直柱濃度季節(jié)變化特征圖Fig.7 Seasonal variation of SO2 vertical column concentration, 2006—2016

圖7為2006—2016年蘭州市不同季節(jié)(春季：3—5月、夏季：6—8月、秋季：9—11月、冬季：12—2月)SO2柱濃度分布圖。由圖7可以看出,蘭州市SO2柱濃度始終表現(xiàn)為冬季高于其他3個(gè)季節(jié),11年季節(jié)均值由大到小依次為：冬季(0.24多布森)>春季(0.14多布森)>秋季(0.11多布森)>夏季(0.065多布森)。2006—2016年,蘭州市SO2在冬季值為0.065—0.5多布森,最高值出現(xiàn)于2007年,最低值出現(xiàn)于2014年,11年來(lái)冬季SO2下降速度為0.03多布森；春季SO2柱濃度的變化范圍為0.035—0.26多布森,2008年出現(xiàn)最大值,2016年達(dá)到最小值,十一年SO2柱濃度/(多布森)春季的下降速度為0.008多布森；秋季的SO2柱濃度總體上略呈下降趨勢(shì),秋季最大值出現(xiàn)于2006年,為0.33多布森,最小值出現(xiàn)于2014年,為0.03多布森,11年秋季 SO2下降速度為0.013多布森 ；夏季最高值出現(xiàn)于2006年,為0.18多布森,最低值出現(xiàn)于2016年,為0.035多布森,11年間夏季蘭州市SO2呈下降速度為0.012多布森。綜合圖6和圖7可見(jiàn),2008年SO2的升高與春、冬季節(jié)持續(xù)較高的排放有關(guān),2012年SO2的提升也來(lái)源于冬季的較高排放,可見(jiàn)重視冬季SO2排放的環(huán)境管理、凈化和減排是關(guān)鍵。

3.3 蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度與城市生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系

3.3.1城市自然生態(tài)系統(tǒng)要素分析

對(duì)照?qǐng)D1蘭州市數(shù)字高程模型(DEM)和圖2蘭州市SO2空間分布圖,可以看出蘭州市兩山夾一河的特殊地理地貌與SO2沿河谷高值區(qū)向東西兩側(cè)遞減分布的空間格局一一對(duì)應(yīng)。這種分布與氣象條件如各縣區(qū)的風(fēng)向(圖8)密切相關(guān)。氣候因素對(duì)區(qū)域大氣運(yùn)動(dòng)起到了重要作用。通過(guò)統(tǒng)計(jì)氣象局網(wǎng)站上蘭州市市轄區(qū)(城區(qū))、皋蘭縣、榆中縣以及永登縣的風(fēng)向數(shù)據(jù)繪制出圖8,即蘭州市(縣區(qū))風(fēng)向頻率玫瑰圖。由圖可知,蘭州市城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),其次為東風(fēng)；皋蘭縣、榆中縣和永登縣的主導(dǎo)風(fēng)向分別為北風(fēng)、東南風(fēng)和北風(fēng)。蘭州市城區(qū)為某一風(fēng)向時(shí),其所在區(qū)域大范圍風(fēng)向未必和城區(qū)一致。據(jù)趙敬國(guó)等學(xué)者研究[30-31],當(dāng)蘭州市區(qū)為東北風(fēng)時(shí),其郊區(qū)主要為西北風(fēng)和西南風(fēng),這是因?yàn)樘m州市區(qū)處于山谷盆地,東西長(zhǎng),南北狹窄,風(fēng)在山谷中間形成回旋,改變了風(fēng)向。可見(jiàn)風(fēng)向尤其是冬季風(fēng)向及氣候地形等因素的綜合作用導(dǎo)致了蘭州市大氣SO2“倒U型”空間分布格局。

圖8 蘭州市及各縣風(fēng)向頻率圖Fig.8 Lanzhou City area and county wind direction

圖9 蘭州市2008—2016年NDVI多年均值分布圖和SO2與NDVI分布圖Fig.9 Distribution of NDVI, distribution of SO2 and NDVI from 2008 to 2016 in Lanzhou City

本文使用遙感數(shù)據(jù)生成的植被覆蓋指數(shù)(NDVI)產(chǎn)品反映暴露在SO2下蘭州市植被覆蓋情況。NDVI在反映一個(gè)地區(qū)植被覆蓋度方面有優(yōu)勢(shì),過(guò)去只能利用植物群落學(xué)的樣方調(diào)查法得到調(diào)查區(qū)樣地的數(shù)據(jù),植被類型不同覆蓋度的調(diào)查方法不同,不同類型的覆蓋度無(wú)法統(tǒng)一計(jì)算,尤其是大尺度下的植被覆蓋度的計(jì)算問(wèn)題。采用遙感方法計(jì)算很容易就解決了此類問(wèn)題,植被數(shù)據(jù)與大氣遙感數(shù)據(jù)之間也可建立對(duì)比關(guān)系,暴露在SO2下的植被葉面可見(jiàn)傷害率增長(zhǎng)速度為不暴露的0.33—1.0倍[32]。如圖9為蘭州市2008—2016年NDVI多年均值分布圖(2006—2007年無(wú)NDVI數(shù)據(jù)),分別選擇三個(gè)在植被分布和大氣污染方面具有特色的典型代表如皋蘭縣、榆中縣和蘭州市植被覆蓋分布圖,分別比較三個(gè)地段植被覆蓋度的可以看出,榆中縣植被覆蓋度最高,皋蘭縣植被覆蓋度最低,蘭州市城區(qū)植被覆蓋度較高。

如圖10表示SO2與NDVI的季節(jié)分布圖,夏秋季節(jié)NDVI較高,SO2柱濃度較低；冬季NDVI較低,SO2柱濃度較高,由此可見(jiàn)在蘭州市SO2與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān),這與浙江省大氣SO2與植被關(guān)系相似[33]。多項(xiàng)研究[34-35]表明,一方面植被對(duì) SO2有較強(qiáng)的滯留和吸附作用,另一方面利用植物體內(nèi)SO2含量可以監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中大氣中SO2的濃度。蘭州市四季中大氣SO2與四季植被之間也反映了這樣規(guī)律。

蘭州地區(qū)自然植被為干草原,植被覆蓋度低。隨著蘭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展,城市綠化環(huán)境建設(shè)步伐加快,蘭州市政府成立蘭州市南北兩山指揮部,各縣也加大投資建設(shè)園林城市。自2010年以來(lái)蘭州市平均氣溫逐年升高,加之灌溉條件的改善和綠化力度的加大,植被覆蓋度也持續(xù)增加。作者建議,創(chuàng)新思路,利用基因工程技術(shù),研究將抗凍基因載入蘭州市闊葉樹(shù)種或常綠針葉樹(shù)中,培植抗凍藤本、灌木和草本植物,在空曠地、建筑物不同側(cè)面通過(guò)布滿立體植被覆蓋量,來(lái)增加冬季蘭州市植被體量,加大吸收污染物質(zhì)的力度[36-37],以此作為“十三五”甚至“十四五”期間蘭州市污染減排的途徑之一。

3.3.2城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)要素分析

選取蘭州市2006年至2016年的生產(chǎn)總值和工業(yè)產(chǎn)值兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析(圖11),生產(chǎn)總值以及工業(yè)產(chǎn)值與對(duì)流層SO2柱濃度量呈顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.68,證明蘭州市對(duì)流層SO2柱濃度中工業(yè)排放占據(jù)較大的比重,原因主要是蘭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展以重工業(yè)為主[38],長(zhǎng)期依賴高能耗、髙污染、高排放行業(yè)的發(fā)展且能源供應(yīng)以大量消耗煤炭的火力發(fā)電為主。

選取蘭州市2006年至2016年的汽油產(chǎn)量、汽車保有量為主要因素,探究能源消耗對(duì)對(duì)流層SO2柱濃度的影響。圖12表明,兩個(gè)影響因素與對(duì)流層SO2柱濃度值均呈相關(guān)關(guān)系,這說(shuō)明能源消耗和汽車保有量的增加會(huì)加大大氣中SO2柱濃度值。

蘭州市由過(guò)去的“污染名城”到現(xiàn)在的空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)城市,據(jù)報(bào)道其治理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為“重點(diǎn)遏制、難點(diǎn)突破、整體改善、逐步好轉(zhuǎn)”,以上的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果也說(shuō)明了經(jīng)濟(jì)發(fā)展污染增加的規(guī)律[39-42]在蘭州市并沒(méi)有出現(xiàn)。

4 結(jié)論

基于衛(wèi)星的遙感監(jiān)測(cè)在反映污染物的長(zhǎng)時(shí)間和大尺度空間分布及污染源動(dòng)態(tài)方面有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),這是地面監(jiān)測(cè)無(wú)法替代的技術(shù)手段。對(duì)于全方位掌握污染物的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、與影響因素之間的關(guān)系對(duì)制定和調(diào)整未來(lái)大氣污染的防治意義重大。

(1)從空間上看,蘭州市2006—2016年對(duì)流層SO2柱濃度的空間分布梯度明顯,呈倒“U”字型。形成以河谷盆地高濃度的SO2柱濃度為中心,向東西兩側(cè)山地的低濃度呈階梯狀遞減的分布格局。首次繪制的蘭州市SO2空間分布圖,對(duì)今后SO2研究和政府管理提供空間參考。

(2)從時(shí)間上看,蘭州市SO2柱濃度在“十一五”期間逐年小幅均勻降低,“十二五”期間在波動(dòng)中下降,以2015年SO2升高為結(jié)尾,在“十三五”又下降的時(shí)間分布格局。與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)相似,SO2柱濃度值變化范圍在0.033—0.25(多布森)之間,11年來(lái)濃度值的年均降幅為14%,年均下降速度為0.02 (多布森)。蘭州市SO2量值始終表現(xiàn)為冬季高于其他3個(gè)季節(jié),11年間由大到小為：冬季(0.24 (多布森))>春季(0.14(多布森))>秋季(0.11(多布森))>夏季(0.065(多布森))。

圖10 蘭州市2008—2016年SO2與NDVI四季對(duì)比圖Fig.10 Seasonal map of SO2 and NDVI in Lanzhou City from 2008 to 2016

圖11 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與對(duì)流層SO2柱濃度的相關(guān)性Fig.11 Correlation between economic development and tropospheric SO2 column concentration

圖12 能源消耗與對(duì)流層SO2柱濃度的相關(guān)性Fig.12 Correlation between energy consumption and tropospheric SO2 column concentration

(3)從城市自然生態(tài)系統(tǒng)要素上看,地形、氣候特征和植被覆蓋度影響著蘭州市SO2柱濃度分布,在海拔較低、植被覆蓋度低和人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域,SO2柱濃度偏高；在地勢(shì)較高、植被覆蓋度高和人類活動(dòng)較少的區(qū)域,SO2柱濃度偏低。

(4)從城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)要素上看,蘭州市 SO2柱濃度的時(shí)空變化受到多方面因素的復(fù)合影響,其中最主要的因素為人類活動(dòng),提取生產(chǎn)總值、工業(yè)產(chǎn)值、能源消耗和汽車保有量四個(gè)指標(biāo)與蘭州市SO2柱濃度做相關(guān)性分析,結(jié)果表明,生產(chǎn)總值、工業(yè)產(chǎn)值、汽油產(chǎn)量和機(jī)動(dòng)車保有量與對(duì)流層SO2柱濃度量呈顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.68、0.43和0.68。這說(shuō)明SO2體量的減少與工業(yè)減排和蘭州市政府大力度有效治理和針對(duì)性的監(jiān)管措施息息相關(guān)。

(5)開(kāi)展跨學(xué)科的研究,全面提升治污手段。植被體量和大氣SO2的凈化有密切的關(guān)系,在嚴(yán)格控制區(qū)域SO2排放總量基礎(chǔ)上,通過(guò)調(diào)控城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并適當(dāng)采用基因工程等科學(xué)技術(shù),利用各種地表空間增加蘭州市植被覆蓋量,是下一步城市環(huán)境質(zhì)量管理的重要舉措之一。