对中国西北部城市群中严重空气污染传输的复杂网络分析

《Journal of Environmental Management》：A complex network analysis of heavy air pollution transport in NW China's urban agglomerations

　　杰马|张哲|陈泽伟|王国华
中国新疆大学地理与遥感科学学院，乌鲁木齐，830046

**摘要**
干旱和半干旱地区的城市聚集体面临着严峻的环境挑战。当空气质量指数（AQI）超过200时，就被定义为严重污染。为了分析这些地区空气污染的时空特征以及城市之间的相互作用，本研究构建了2015年至2024年中国西北部典型城市聚集体中严重空气污染事件的污染物传输网络。这些地区包括宁夏黄河流域、关中平原和兰州-西宁城市聚集体。该网络的构建基于复杂网络理论。在定义边权重时，模型考虑了污染物浓度的相关系数、风向和地理因素，克服了传统单一相关方法的局限性，提供了更真实的污染物传输过程表示。此外，通过研究两个不同的污染事件，证明了该模型能够准确反映风对城市间污染传输的影响。结果显示，在此期间共发生了89次严重污染事件，持续时间从1天到10天不等，主要发生在冬季和春季，PM2.5和PM10是主要污染物，并且污染水平呈逐年下降趋势。当城市间的距离在200公里以内、城市海拔在1000至1500米之间且海拔差小于500米时，不同城市间的污染物之间存在强相关性。根据PageRank算法，宁夏黄河流域的银川和吴忠被确定为关键的污染传输枢纽：银川主要受SO2（PR=2.4297）和CO（PR=2.3883）的影响，而吴忠则主要受PM2.5（PR=1.9642）、PM10（PR=1.9014）、O3（PR=2.1329）和NO2（PR=1.7413）的影响。在风速超过2米/秒的西北风作用下，吴忠的污染情况因上游的银川而加剧。Louvain社区检测显示，关中平原容易发生复杂的污染事件；宁夏黄河城市聚集体经常同时出现SO2和O3污染；兰州-西宁城市聚集体的污染频率较低，只有海东地区频繁出现CO污染。通过将复杂网络分析与多源地理和气象数据相结合，本研究为识别干旱和半干旱城市聚集体中的关键污染传输枢纽和传输路径提供了新的框架。这些发现为针对性减排控制、跨城市协同治理以及全球类似地区的可持续城市发展提供了可操作的见解。

**引言**
空气污染已成为全球最紧迫的环境挑战之一，对公共健康、生态系统稳定性和可持续发展构成重大威胁（He等人，2025；Yang等人，2020）。在这一全球性危机的各种表现中，区域尺度的空气污染传输特别受到关注，因为它能够跨越行政边界传播污染物，使缓解措施变得复杂（Wei等人，2025）。为了减轻空气污染的不利影响，世界各国都实施了严格的空气质量标准并加强了排放控制（Luo等人，2022；Yu等人，2025；Zhang等人，2025）。其中，中国建立了每小时测量污染物浓度的国家空气质量监测网络（Gao等人，2023；Kuerban等人，2020；Liu等人，2025），从而改进了空气污染事件的监测。随着“一带一路”倡议的推进，中国西北部经历了快速发展。然而，该地区自然环境恶劣，生态基础脆弱，污染事件频繁发生（He等人，2025；Ni等人，2023），其城市聚集体面临高水平的空气污染（Chen等人，2024；Luo等人，2020）。作为中国西北部的关键经济中心和交通枢纽，银川在春季和冬季遭受严重污染。春季的沙尘活动和冬季的燃煤取暖是该地区空气污染的主要来源（Yang等人，2025）。兰州是西北部的重要重工业城市，由于其独特的山谷和盆地地形以及大量的人为排放，其大气结构相对稳定，这导致污染物在城市大气中积累，加剧了空气质量问题（Meng等人，2024）。西安位于关中盆地，年平均风速为1.3-2.6米/秒（Wang等人，2020）。当地风的方向受到地形变化、地理位置和气候的显著影响，这些因素不利于污染物扩散，尤其是在春季和冬季（Wang等人，2020）。除了当地的人为排放外，区域间的污染物传输也是当地空气污染的重要来源（Duman等人，2023；Jain等人，2021）。由于PM2.5和O3等污染物在大气中的持久性（Liu等人，2018；Wang等人，2025；Wu等人，2022），它们在有利地理和气象条件下经常发生城市间传输（Du等人，2022；Yang等人，2023）。因此，明确空气污染事件的时空演变并研究不同城市间污染的贡献和相互关系是缓解空气污染事件的关键前提。

目前对中国区域空气污染传输的研究主要集中在经济发达和人口密集的东部和南部地区（Feng等人，2023；Tseng等人，2024）。相比之下，对中国西北部干旱和半干旱地区的区域空气污染传输的研究仍然较少。中国西北部位于欧亚大陆上，处于亚洲季风和西风带的过渡地带，冬季盛行寒冷干燥的西风，而温暖的湿润亚洲夏季季风很少到达该地区，导致气候以干旱为主（Chen和Zhang，2024；Liu等人，2024a；Qin等人，2021）。此外，中国西北部地形复杂，这会显著改变局部和区域气流模式，导致风速降低、温度逆温增强以及污染物扩散受限（Zhang等人，2019）。这些地形特征常常造成气象条件停滞，使污染物在近地面积聚并二次形成。准确描述复杂地形中的空气污染物扩散的挑战并非中国独有。在卢旺达基加利的复杂地形研究中也类似地强调了地形高度和局部气象对颗粒物扩散的强烈影响（Irankunda和T?r?k，2025；Irankunda等人，2024）。作为东亚地区沙尘气溶胶的重要来源地和传输路径，中国西北部对区域乃至全球气候和环境有显著影响（Zhang等人，2023；Zhou等人，2024）。因此，对该地区进行了大量研究。例如，Filonchyk等人（2019）估计了2014年至2017年中国西北部的沙尘排放通量，报告称每日平均PM2.5和PM10峰值分别超过了380微克/立方米和1500微克/立方米。值得注意的是，PM2.5浓度远超过中国国家环境空气质量标准75微克/立方米。Zhu等人（2025）利用遥感和再分析数据分析了2000年至2023年兰州-西宁城市聚集体中气溶胶光学厚度（AOD）的时空变化和分类。他们的结果显示兰州聚集体内部存在明显的空间分布特征，以沙尘气溶胶为主，并表明城市间AOD存在显著相互影响。Su等人（2023）对2016年至2020年中国西北部35个关键城市的工业大气排放进行了全面评估，发现这些城市的大气污染物处于“低聚集-高污染”状态，这与东部沿海地区的模式形成对比。这些研究表明，中国西北部的城市不仅面临恶劣的自然环境，还面临严重的工业污染问题，城市间的空气污染相互影响明显。然而，以往的研究主要集中在沙尘的影响上（Chen等人，2025；Gao等人，2024；Zhang等人，2023），对西北部城市间污染传输问题的关注不足。这种缺乏关注阻碍了有效空气污染预防和控制措施的实施。生态脆弱的干旱和半干旱地区是“一带一路”倡议的重要组成部分（Zhang等人，2021）。随着全球气候变化的加剧和人类活动的增加，这些地区未来将面临许多严峻的环境挑战（Yan等人，2022）。因此，深入研究中国西北部城市间空气污染传输的动态演变机制对于实施精确的区域预防和控制策略至关重要。这可以为“一带一路”沿线生态脆弱地区的空气污染管理提供科学依据。

**研究区域**
中国西北部干旱和半干旱地区位于欧亚大陆内陆，远离海洋，年降水量不足400毫米，具有典型的温带大陆性气候。该地区蒸发强烈，陆地干燥，风沙活动频繁，是中国面临复杂空气污染、沙尘传输和区域协同治理挑战最严重的地区之一。本研究重点关注三个方面：

**严重污染事件的演变特征和主要污染物**
根据2015年至2024年严重污染事件的识别和统计，共识别出89起此类事件。其中，关中平原城市聚集体发生的频率最高，占事件总数的75%以上，主要集中在西安、咸阳和渭南。这种模式很可能是由于关中地区相对封闭的地形造成的，在这种地形条件下，天气状况容易停滞不前。根据复杂网络理论并结合时间序列空气质量污染物数据，本研究分析了中国西北部干旱和半干旱地区显著的地形起伏。根据中国的国家环境空气质量标准（GB 3095-2012），严重污染事件被定义为空气质量指数（AQI）超过200的日子。在这些事件期间，每日平均PM2.5和PM10浓度经常达到120–250 μg/m3和130–350 μg/m3。

本研究由中国新疆维吾尔自治区重点实验室开放项目（2023D04066）和中国国家自然科学基金（项目编号42061066）资助。

作者贡献声明：
- Jie Ma：概念化、数据管理、形式分析、方法论、软件开发、可视化、初稿撰写。
- Zhe Zhang：资金筹集、调查、项目管理、监督、验证、审稿与编辑。
- Zewei Chen：数据管理、调查。
- Guohua Wang：数据管理、调查。

利益冲突声明：
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Zhe Zhang表示获得了中国国家自然科学基金的财政支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢：
本研究由中国新疆维吾尔自治区重点实验室开放项目（2023D04066）和中国国家自然科学基金（项目编号42061066）资助。