沙塵與大霧天氣對京津石空氣質(zhì)量影響

師華定，史華偉,2，白鶴鳴，曹志會(huì),2

沙塵與大霧天氣對京津石空氣質(zhì)量影響

師華定1，史華偉1,2，白鶴鳴3，曹志會(huì)1,2

1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2. 河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050081；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051

采用北京、天津、石家莊2001—2010年沙塵與大霧天氣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及城市空氣污染指數(shù)（API），分析北京、天津、石家莊3市空氣污染指數(shù)變化特征及大霧和沙塵天氣下北京、天津、石家莊3市空氣質(zhì)量情況，進(jìn)而得出沙塵大霧天氣對京津石空氣質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：2001—2010年間北京、天津、石家莊3市API總體呈下降趨勢，天津、石家莊相對于北京空氣質(zhì)量改善較為明顯，且空氣質(zhì)量夏季＞秋季＞春冬季。沙塵天氣條件下，北京、天津、石家莊3市API平均值分別為255、179和167，空氣質(zhì)量出現(xiàn)良的比率天津?yàn)?4%，北京、石家莊為10%左右，出現(xiàn)重污染的比率北京高達(dá)50%以上，天津和石家莊均在20%左右；3市沙塵天氣高頻次均出現(xiàn)在3—5月份，但北京沙塵天氣發(fā)生次數(shù)遠(yuǎn)大于天津和石家莊。大霧天氣條件下，北京、天津、石家莊3市API平均值為185、130和167，空氣質(zhì)量出現(xiàn)優(yōu)或良的比率：天津＞石家莊＞北京，北京和石家莊出現(xiàn)重污染的比率均接近30%，天津不到10%，所以大霧天氣對3市空氣質(zhì)量影響較小，大霧天氣頻次的變化波動(dòng)并未對該地區(qū)空氣質(zhì)量的年際變化造成顯著影響，3市高頻次大霧天氣集中在10—12月份，對該時(shí)段內(nèi)空氣污染呈現(xiàn)加重趨勢有一定的貢獻(xiàn)。所以沙塵和大霧天氣均對北京、天津和石家莊空氣質(zhì)量存在不利影響，其中對北京影響最為嚴(yán)重，對天津影響最輕。整體上沙塵對3市的空氣質(zhì)量影響較大，大霧天氣影響較小。

沙塵；大霧；空氣污染指數(shù)；空氣質(zhì)量；影響

城市空氣污染以及大氣污染區(qū)域性分布是我國大氣污染的重要特征（HAO et al, 2007; 陳躍浩等, 2013）?？諝馕廴静粌H受排放源、復(fù)雜下墊面、理化過程的影響，同時(shí)也與氣象條件密切相關(guān)（白鶴鳴等，2013；蔣維楣等，2004；申沖等，2012），針對京津冀地區(qū)，沙塵與大霧天氣對該區(qū)域空氣質(zhì)量存在顯著影響（LUE et al，2010；高慶先等，2002；張光智等，2005）。高慶先等（高慶先等，2002，2005）近50年氣象臺站觀測資料，得到沙塵天氣對北京大氣環(huán)境有重要影響，王瑋等（2012）通過分析我國2006—2010年大霧天氣發(fā)生次數(shù)和時(shí)間，得出我國大霧天氣的空間氣候特征及對城市空氣質(zhì)量的影響?？諝馕廴局笖?shù)（API）是根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)污染物對人體健康和生態(tài)環(huán)境影響來確定污染指數(shù)的分級和相應(yīng)的污染物濃度限值，能夠清楚的反映城市空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢（KUO和SHEN，2010；張武平，2010）。該研究根據(jù)北京、天津、石家莊2001—2010年逐日API數(shù)據(jù)，分析了3市空氣質(zhì)量的時(shí)間變化特征，研究了沙塵和大霧天氣下API的分布情況，在此基礎(chǔ)上，揭示了沙塵、大霧天氣對3市空氣質(zhì)量的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

API是將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染（SO2，PM10和NO2）濃度簡化成為單一的數(shù)值形式，并分級表征空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況（薛志鋼等，2011）。該指數(shù)越大表明城市空氣污染越嚴(yán)重，反之則表示空氣質(zhì)量相對越好。北京、天津和石家莊2001—2010年逐日API數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)保部數(shù)據(jù)中心發(fā)布的重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量日（http://datacenter.mep.gov.cn/report/air_daily/air_dair y.jsy）。

天氣現(xiàn)象日歷資料由中國氣象局北京城市氣象研究所提供，該資料包括各氣象站點(diǎn)沙塵、大霧等天氣現(xiàn)象發(fā)生的具體日期。受數(shù)據(jù)資料的影響，針對沙塵天氣，北京統(tǒng)計(jì)分析的是2001—2008年，天津和石家莊統(tǒng)計(jì)分析的是2001—2010年，對大霧天氣，北京、天津和石家莊統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)間段分別為2001—2008年、2001—2009年和2001—2010年。

圖1 2001—2010年北京、天津和石家莊API年均值變化Fig.1 Annual API change trends at Beijing, Tianjin and Shijiazhuang from 2001 to 2010

圖2 北京、天津和石家莊API月均值變化Fig.2 Monthly API change trends at Beijing, Tianjin and Shijiazhuang from 2001 to 2010

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量時(shí)間變化特征

2.1.1 年變化特征

圖1為北京、天津和石家莊在2001—2010年期間的年均API變化，從圖1可以看到3個(gè)城市的年均API近10年呈下降趨勢，其中天津和石家莊下降較為明顯。

北京年均API在本世紀(jì)初較高。2001年和2002年API分別高達(dá)113和112，此后基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，從圖1可以看出，北京在2006年后大氣環(huán)境質(zhì)量顯著改善，API降低趨勢更加明顯，在2009年和2010年分別降低到85和86，2006年北京API明顯偏高，達(dá)到110，主要是由于該年份春季沙塵天氣較為嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致該年春季API值較高。北京在上述10年間API整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢的原因主要是由于北京城市發(fā)展對空氣質(zhì)量的影響程度大，其中北京市的人口和機(jī)動(dòng)車急劇增加，城市規(guī)模膨脹在上述3座城市中最為明顯，因此一定程度上抵消了改善大氣環(huán)境政策和措施（段海霞等，2013）。

天津年均API呈明顯降低趨勢，2001年API高達(dá)115，而2010年僅為76。相較于北京，天津10年中年均API降低更為顯著，表明天津空氣質(zhì)量改善較為明顯，這一方面與當(dāng)?shù)卣h(huán)境保護(hù)政策的執(zhí)行及大氣污染治理實(shí)施有關(guān)；另一方面，天津緊鄰渤海，海陸風(fēng)對大氣污染物的運(yùn)移、清除能力較強(qiáng)，即大氣環(huán)境自凈能力在3個(gè)城市中最強(qiáng)。

石家莊相較于其他2個(gè)城市，年均API下降趨勢最為明顯，其年均API值在2001—2003年較高，高達(dá)137、124和115，此后基本呈降低趨勢，近幾年降低趨勢尤其明顯，2010年API降低至74。石家莊曾是全國聞名的大氣污染城市，近些年隨著舊城改造、煤改氣和企業(yè)大氣污染排放治理等措施的實(shí)施，空氣質(zhì)量大為改善（張小曳等，2013；曾令建等，2011）。

2.1.2 月變化特征

對北京、天津和石家莊在2001—2010年期間的各月份API均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到3市API月均值在不同月份的變化圖，如圖2所示。從該圖可以看出，3市API均值逐月變化趨勢整體一致，均呈現(xiàn)4個(gè)階段：1—2月為下降階段，該階段空氣質(zhì)量上升，天津和石家莊比北京下降趨勢明顯；2—3月為上升階段，該階段空氣污染加重，天津和石家莊API均值上升緩慢，隨后2市在3—4月份期間有較小幅度的下降，北京在該階段內(nèi)有較大幅度的上升，同時(shí)上升趨勢持續(xù)至4月份；4—8月為顯著下降階段，該階段空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，3市在8月均出現(xiàn)API最小值，北京、天津和石家莊最小值分別為80、69和75。8—12月為上升階段，空氣污染加重。總之，3市API月均值變化整體呈現(xiàn)2谷1峰的特征，3市在8月份均出現(xiàn)最小值，北京、天津和石家莊月均API出現(xiàn)最大值分別在4、1和12月，其API月均值分別為120、103和123，這與3市API的季節(jié)變化特征一致。值得注意的是，北京在3—5月份API月均值明顯比其他2個(gè)城市偏高，這是由于北京在3—5月份沙塵天氣較為活躍，對該地區(qū)空氣質(zhì)量帶來較大負(fù)面影響。

2.2 沙塵與大霧天氣對空氣質(zhì)量的影響

2.2.1 沙塵天氣對空氣質(zhì)量的影響

沙塵天氣是我國北方重要的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之一，按強(qiáng)度和影響分為浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴3種[13]。圖3為北京、天津和石家莊在沙塵天氣條件下空氣質(zhì)量等級分布圖，其中天津和石家莊統(tǒng)計(jì)的是2001—2010年，而北京統(tǒng)計(jì)的是2001—2008年的沙塵天氣情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述3市在沙塵天氣條件下，空氣質(zhì)量普遍較差，均未出現(xiàn)空氣質(zhì)量為優(yōu)的情況，北京、天津和石家莊發(fā)生沙塵天氣時(shí)API平均值分別為255、179和167。從圖3可以看出，3市在沙塵天氣下空氣質(zhì)量出現(xiàn)良的比率都低于25%，該比率按照大小排序?yàn)椋禾旖颍颈本臼仪f，其中北京和石家莊二者都在10%左右，而天津則相對較高為24%，說明天津空氣質(zhì)量受沙塵天氣影響較?。ㄅc北京、石家莊相比）。在沙塵天氣下，石家莊空氣質(zhì)量狀況主要以輕微污染或輕度污染（即空氣質(zhì)量等級為Ⅲ級）為主，該市空氣質(zhì)量等級在沙塵天氣下出現(xiàn)Ⅲ級的比率最高，天津次之，北京最低。另外從該圖還可以看出，北京在沙塵天氣下出現(xiàn)重污染（API指數(shù)大于200（孫丹等，2012），即Ⅳ或Ⅴ級）的比率最大，高達(dá)50%以上，天津和石家莊則較小，均在20%左右，說明北京受沙塵天氣影響較大。

圖3 北京、天津和石家莊沙塵天氣下空氣質(zhì)量等級分布Fig.3 Air quality grade distribution in dust-sand weather at Beijing, Tianjin and Shijiazhuang

相比天津和石家莊在2001—2010年期間發(fā)生沙塵天氣的次數(shù)（分別為29和21），北京雖然統(tǒng)計(jì)時(shí)期為2001—2008年，但是沙塵天氣次數(shù)卻為85次。圖4為北京在2001—2008年期間沙塵天氣的頻次變化圖，從圖4可以看出，北京在2001、2002和2006年發(fā)生沙塵天氣的次數(shù)較高，這3年對應(yīng)的年均API也明顯偏高。從圖1可知，北京在2003—2008年期間API年均值基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但在2006年出現(xiàn)API異常偏高值，對比北京該時(shí)期沙塵天氣次數(shù)的變化特征，說明2006年的高頻次沙塵天氣對北京空氣質(zhì)量造成了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響。需要指出的是，天津和石家莊在2001—2010期間發(fā)生沙塵天氣總頻次均較小（與北京相比），但在2006年沙塵天氣都較為嚴(yán)重，對比前文的API年均變化特征，說明2006年沙塵天氣對京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量存在較為嚴(yán)重的區(qū)域。

圖4 2001—2008年北京發(fā)生沙塵天氣頻次變化圖Fig.4 Frequency change of dust-sand at Beijing from 2001—2008

圖5 2001—2008年北京沙塵天氣逐月分布Fig.5 Monthly distribution of dust-sand weather at Beijing from 2001—2008

從圖5可知，北京發(fā)生沙塵天氣主要集中在3—5月份，同時(shí)期內(nèi)API月均值較高，說明沙塵天氣在該時(shí)期內(nèi)對北京的空氣污染有顯著影響。天津和石家莊在2001—2010年期間沙塵天氣的逐月分布特征與北京相同，高頻次均集中發(fā)生在3—5月份（圖略），但是2市發(fā)生的次數(shù)均小于北京，并且有較大差距，由此導(dǎo)致北京在3—5月份API月均值明顯高于天津和石家莊。

2.2.2 大霧天氣對空氣質(zhì)量的影響

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是近地層空氣中水汽凝結(jié)（或凝華）的產(chǎn)物（李令軍等，2012；劉永紅等，2011；馬志強(qiáng)等，2012）。圖6為北京、天津和石家莊在大霧天氣條件下空氣質(zhì)量等級分布圖，北京統(tǒng)計(jì)年限2001—2008年，天津統(tǒng)計(jì)年限為2001—2009年，石家莊統(tǒng)計(jì)年限為2001—2010年。從圖6可知，3市在大霧天氣條件下，均未出現(xiàn)空氣質(zhì)量為優(yōu)的情況，主要集中在空氣質(zhì)量狀況為Ⅱ級和Ⅲ級，北京、天津和石家莊在大霧天氣條件下API均值分別為185、130和167。3市按照在霧天氣下空氣質(zhì)量出現(xiàn)優(yōu)或良的比率大小排序：天津＞石家莊＞北京，其中天津最高，接近40%，北京和石家莊則相對較小，說明天津空氣質(zhì)量狀況受大霧天氣影響較?。ㄅc北京和石家莊相比）。同時(shí)，在大霧天氣條件下，北京和石家莊出現(xiàn)重污染的比率相近，均接近30%，而天津則不到10%。綜上，大霧天氣對3市空氣質(zhì)量均存在不利影響，其中對北京影響最為嚴(yán)重，石家莊次之，天津最輕。

圖6 北京、天津和石家莊大霧天氣下空氣質(zhì)量等級分布Fig.6 Air quality grade distribution in fog weather at Beijing, Tianjin and Shijiazhuang

圖7 為北京、天津和石家莊發(fā)生大霧天氣次數(shù)的逐年變化圖。從圖7可知，北京和石家莊發(fā)生大霧天氣的頻次其年變化趨勢基本一致，天津明顯比北京和石家莊偏高。北京、天津和石家莊在各自統(tǒng)計(jì)的年限內(nèi)其年平均霧日分別為11、18和12日。從圖7可以看出，3市年際變化波動(dòng)較大，總體無規(guī)律可循，但是3市波動(dòng)的峰谷有趨于一致的趨勢。相比沙塵天氣，大霧天氣對該地區(qū)空氣質(zhì)量影響較小，對比3市API年均變化，大霧天氣頻次的變化波動(dòng)并未對該地區(qū)空氣質(zhì)量的年際變化造成顯著影響。

圖7 北京、天津和石家莊發(fā)生大霧天氣頻次變化Fig.7 Frequency change of fog weather at Beijing,Tianjin and Shijiazhuang

北京、天津和石家莊在不同月份發(fā)生大霧天氣次數(shù)的變化特征基本一致，圖8為北京、天津和石家莊發(fā)生大霧天氣的頻次在不同月份的分布圖，其中北京統(tǒng)計(jì)的是2001—2008年，天津統(tǒng)計(jì)的是2001—2009年，石家莊統(tǒng)計(jì)的是2001—2010年。從圖8可知，天津發(fā)生大霧天氣主要集中在10—12月份，其中12月份發(fā)生大霧的次數(shù)最多，北京和石家莊也同樣變現(xiàn)出相同的特征。對比圖2中月均API變化特征，上述3市在10—12月份期間空氣污染呈現(xiàn)加重趨勢，高頻次的大霧天氣可能對該地區(qū)污染狀況有一定的貢獻(xiàn)。

圖8 北京、天津和石家莊大霧天氣逐月分布Fig.8 Monthly distribution of fog weather at Beijing, Tianjin and Shijiazhuang

3 結(jié)論

1）北京、天津和石家莊在2001—2010年期間API年均值均呈現(xiàn)下降趨勢，其中天津和石家莊下降幅度較大，說明天津和石家莊空氣質(zhì)量改善較為明顯（相對北京）。北京、天津和石家莊空氣質(zhì)量具有明顯的月變化特征，夏季月份空氣質(zhì)量最好，秋季月份次之，春冬季月份最差。

2）沙塵和大霧天氣均對北京、天津和石家莊空氣質(zhì)量存在不利影響，其中對北京影響最為嚴(yán)重，對天津影響最輕。

3）北京、天津和石家莊2006年的高頻次沙塵天氣對該年的API年均值存在顯著影響，同時(shí)北京、天津和石家莊高頻次沙塵天氣均集中在3—5月份，天津和石家莊在3—5月發(fā)生的次數(shù)均小于北京，并且有較大差距，由此導(dǎo)致北京在該階段API月均值明顯高于天津和石家莊。

4）相比沙塵天氣，大霧天氣對3市空氣質(zhì)量影響較小，大霧天氣頻次的變化波動(dòng)并未對該地區(qū)空氣質(zhì)量的年際變化造成顯著影響，3市高頻次大霧天氣集中在10—12月份，對該時(shí)段內(nèi)空氣污染呈現(xiàn)加重趨勢有一定的貢獻(xiàn)。

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Influence of dust storms and fog on air quality of Beijing, Tianjin and Shijiazhuang

SHI Huading1, SHI Huawei1,2, BAI Heming3, CAO Zhihui1,2
1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China; 2. Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China; 3. Inner Mongolia Autonomous Region Climate Center, Hohhot 010051, China

Paper discussed and analyzed the effect of dust storms and fog on air quality on the basis of statistical data of dust storms and fog and the air pollution index(API) data of Beijing, Tianjin and Shijiazhuang from 2001—2010. The results of the analysis show that the API of the three cities is on the decline as a whole. Relative to Beijing, Tianjin and Shijiazhuang`s air quality improvement is more obvious, and air quality in summer ＞ autumn ＞ Spring Festival. The effect of dust storms and fog weather on three cities` air quality is negative, the most affected in Beijing, the lightest influence on Tianjin. On the whole, air quality is greatly influenced by dust storm and less influenced by fog. Under dust weather condition, the average API of Beijing, Tianjin, Shijiazhuang is 255, 179 and 167 respectively; the ratio of good weather in Tianjin is 24% and 10% approximately in two other cities; the prevalence of heavy pollution in Beijing is as high as 50% above, Tianjin and Shijiazhuang all around 20%; dust weather occurred in high frequency from March to May, but Beijing dust weather occurred more frequently than Tianjin and Shijiazhuang. Unser heavy fog weather condition, the average API of Beijing, Tianjin and Shijiazhuang is 185, 130 and 167; The proportion of excellent or good air quality: Tianjin ＞ Shijiazhuang ＞Beijing; the ratio of Beijing and Shijiazhuang in heavy pollution are close to 30%, and Tianjin`s less than 10%; the fog weather frequency changes in volatility is not impact on the interannual variation of the air quality in the region; high frequency of heavy fog weather is focused from October to December that contribute to the tendency of increase of air pollution in the period so heavy fog weather is less impact on air quality. Thus dust and fog weather all have negative effects on the air quality of Beijing, Tianjin and Shijiazhuang, the most affected on Beijing and the lightest influence on Tianjin. On the whole, dust weather have greater impact on air quality and heavy fog weather have less influence.

dust storm; fog; air pollution index(API); air quality; influence

X16

A

1674-5906（2014）02-0262-05

師華定，史華偉，白鶴鳴，曹志會(huì). 沙塵與大霧天氣對京津石空氣質(zhì)量影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(2): 262-266. SHI Huading, SHI Huawei, BAI Heming, CAO Zhihui. Influence of dust storms and fog on air quality of Beijing, Tianjin and Shijiazhuang [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(2): 262-266.

國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201109065）

師華定（1979年生），男，副研究員，博士，主要從事氣候變化和大氣環(huán)境、氣候變化風(fēng)險(xiǎn)評估、溫室氣體核算與管理、低碳經(jīng)濟(jì)研究。E-mail：shihd@craes.Org.cn

2013-07-30