保定市霾特征與成因分析

馬雙忱，于偉靜,柴 峰，張立男，楊 靜，華繼洲

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003)

保定市霾特征與成因分析

馬雙忱，于偉靜,柴 峰，張立男，楊 靜，華繼洲

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003)

選取京津冀典型地區(qū)——保定市作為研究對(duì)象，分析了保定市霾特征并且從污染物與氣象因素角度對(duì)保定市霾的成因進(jìn)行探究。首先，通過(guò)對(duì)2005～2013期間年均霾日數(shù)以及2013年月均霾日數(shù)的整理，發(fā)現(xiàn)保定市年均霾日數(shù)達(dá)到100天左右，且冬季月份霾日數(shù)最多，春節(jié)月份最少。其次，結(jié)合2014年2月、3月常規(guī)污染物(CO、SO2、NO2、PM10、PM2.5)數(shù)據(jù)與能見(jiàn)度數(shù)值的分析，發(fā)現(xiàn)與低能見(jiàn)度(<10 km)相關(guān)的4種污染物(CO與能見(jiàn)度不具有相關(guān)性)濃度閾值分別為75 ug/m3，60 ug/m3，200 ug/m3，100 ug/m3。當(dāng)污染物濃度高于此值時(shí)，能見(jiàn)度變化不明顯；當(dāng)污染物濃度低于此值時(shí)，能見(jiàn)度變化明顯。另外，通過(guò)分析2013年全年氣象因素(相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速、氣壓、雨量)與能見(jiàn)度的變化，發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度、風(fēng)速對(duì)能見(jiàn)度的影響最大，而小雨可以加重霾污染。最后，通過(guò)對(duì)比2013年1、2月霾形成因素與往年的變化，表明相對(duì)濕度增加是此時(shí)期霾污染加重的主要原因。

保定市；霾天氣；污染物；氣象因素

0 引言

霾是指排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪和雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙后，能見(jiàn)度小于10.0 km，相對(duì)濕度<80 %或是能見(jiàn)度小于10.0 km，相對(duì)濕度為80 %～95 %，PM2.5質(zhì)量濃度大于75 ug/m3的天氣現(xiàn)象。[1]霾的厚度比較厚，可達(dá)1～3 km左右，一般霾的日變化不明顯。霾與霧和云不一樣，與晴空區(qū)之間沒(méi)有明顯的邊界，霾粒子的分布比較均勻，因而在霾中能見(jiàn)度非常均勻；而且霾粒子的尺度比較小，其值在0.003～10 um范圍內(nèi)，平均直徑大約在0.3～1 um左右，肉眼看不到空中飄浮的顆粒物。由于礦物塵、硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)碳?xì)浠衔?、黑碳、硫酸和硝酸微滴等粒子組成的霾，其散射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)光比較多，因而霾看起來(lái)呈黃色或橙灰色[2]。

霾的頻繁發(fā)生不僅對(duì)人類(lèi)的健康造成了重大的威脅，增加患病及死亡概率[3,4]，而且會(huì)加速金屬腐蝕[5]，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此開(kāi)展霾的形成機(jī)理以及防控措施研究顯得十分重要。

吳兌等[6]研究了1951～2005年半個(gè)世紀(jì)來(lái)我國(guó)霾的時(shí)空變化，結(jié)果表明：20世紀(jì)80年代以后霾天氣日數(shù)明顯增加；霾天氣日數(shù)偏多是在12月和1月而9月最少；并且霾發(fā)生日數(shù)較多的地區(qū)主要集中在遼寧中部、四川盆地、華北平原和關(guān)中平原地區(qū)以及受沙塵暴影響較多的南疆地區(qū)。此外，對(duì)于北京及華北地區(qū)而言，其霾日的季節(jié)性分布的突出特點(diǎn)是，除采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節(jié)霾日也明顯偏多[7]。

對(duì)于霾的形成，研究發(fā)現(xiàn)：高頻發(fā)生的城市霾天氣現(xiàn)象主要是由于光化學(xué)污染所引起。光化學(xué)污染隨著城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大而日趨嚴(yán)重，形成霾天氣，且大氣污染物的源排放是內(nèi)因，氣象條件是外因[8]。

對(duì)于污染物對(duì)霾形成的影響，Kang等[9]研究了韓國(guó)霾期間酸性氣體與PM2.5的化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)霾期間PM2.5濃度很高并且二次無(wú)機(jī)離子(SO42-，NO3-，NH4+)和有機(jī)物是PM2.5的主要組成成分。Chen等[10]研究了大西洋中部夏季霾形成機(jī)制, 結(jié)果表明SO42-對(duì)霾的形成起著重要的作用。Sisler 等[11]對(duì)細(xì)粒子成分進(jìn)行了研究，提出高濕伴生的高濃度硫酸鹽是影響能見(jiàn)度的最大因素，硝酸鹽和有機(jī)物是第二大因素。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)對(duì)不同城市典型霾期間的污染物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)微顆粒物對(duì)霾的形成起著重要的作用[12～14]。

對(duì)于霾的形成與氣象因素之間的關(guān)系，通過(guò)研究能見(jiàn)度與氣象條件之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速和相對(duì)濕度是影響能見(jiàn)度最主要的兩個(gè)因素[15]。針對(duì)2013年1月爆發(fā)的全國(guó)性的霾天氣，研究分析了相對(duì)濕度等對(duì)霾形成的影響，證實(shí)了氣象因素對(duì)霾形成所起到的作用[16,17]。

盡管不同學(xué)者從不同角度對(duì)霾的形成進(jìn)行了細(xì)致的研究，但是對(duì)于霾成因、機(jī)理、二次污染物的轉(zhuǎn)化、重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)處置措施等還缺乏深入了解。由于不同地區(qū)霾的形成機(jī)理有所區(qū)別，所以針對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行特定研究對(duì)于霾的治理顯得尤為重要。

本研究選取京津冀典型地區(qū)——保定為研究對(duì)象，以能見(jiàn)度作為霾嚴(yán)重程度的表征，通過(guò)對(duì)保定市污染物數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)的整理，分析了保定市霾天氣特征，并且得到了保定市氣態(tài)污染物污染狀況，發(fā)現(xiàn)SO2、NO2、PM10、PM2.5對(duì)應(yīng)低能見(jiàn)度的閾值濃度以及4種污染物與能見(jiàn)度的非線性關(guān)系、驗(yàn)證保定市霾天氣與氣象因素的關(guān)系、探究出保定2013年1月、2月霾嚴(yán)重的原因是相對(duì)濕度明顯增加，希望研究結(jié)果為本地區(qū)霾防治提供有價(jià)值信息。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文記錄的2005年～2013年日均濕度、能見(jiàn)度等氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)站http://www.wunderground.com/global/stations/54602.html，并依據(jù)此統(tǒng)計(jì)出年度霾日數(shù)的變化以及月度霾日數(shù)的變化。此外通過(guò)全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://113.108.142.147:20035/emcpublish/)，作者提取了2014年2月、3月保定6個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(接待中心、華電二區(qū)、膠片廠、監(jiān)測(cè)站、游泳館、地表水廠)5種污染物(SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5)濃度以及空氣質(zhì)量指數(shù)每隔3 h的數(shù)值。除此之外，為了探究污染物濃度變化期間氣象因素的變化，作者利用中國(guó)氣象視頻網(wǎng)(http://mywtv.weathercn.com/live/0306.shtml)獲取了污染物變化同時(shí)刻溫度、濕度等氣象條件的變化情況。

2 保定霾天氣特征

對(duì)霾歷史資料的整理，霾日的確定遵循以下幾點(diǎn)原則[18]：(1)日均能見(jiàn)度小于10 km；(2)日均相對(duì)濕度小于90%；(3)排除降水、吹雪、雪暴、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他能導(dǎo)致低能見(jiàn)度事件的情況。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)整理篩選，得到了保定市2005年～2013年霾日數(shù)年均變化圖(圖1)、2013年霾日數(shù)月均變化圖(圖2)。

從圖1可以看出保定市近幾年霾日數(shù)處于波動(dòng)期，且2008年霾日數(shù)達(dá)到最大值125天及2010年達(dá)到最小值72天。但是保定市總體霾日數(shù)偏多并在100天上下波動(dòng)，說(shuō)明保定霾污染嚴(yán)重。

圖1 保定市霾日數(shù)年均變化圖

從圖2可以看出，2013年霾日數(shù)最多的月份出現(xiàn)在1月、12月(冬季月份)，霾日數(shù)最少的月份出現(xiàn)在5月份(春季月份)，且6月份(夏季月份)霾日同樣偏多，這與吳兌等的研究結(jié)果[7]相似。

圖2 2013年霾日數(shù)月均變化圖

3 保定市霾成因分析

3.1 空氣污染現(xiàn)狀

霾是一種復(fù)雜的氣溶膠污染，因此了解保定市幾種常規(guī)污染物污染現(xiàn)狀對(duì)于了解霾的形成十分重要。本文選取2014年2.20～2.28的污染物監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，繪制出SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5等污染物的變化圖(圖3～圖7)，對(duì)比國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[19]可以看出：在統(tǒng)計(jì)期間大部分時(shí)段保定市污染物濃度都超過(guò)了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，特別是顆粒物污染(PM10、PM2.5)不僅全部在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上，而且有的時(shí)間段濃度是二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的4～5倍，說(shuō)明保定市氣態(tài)污染物中顆粒物污染最為嚴(yán)重。

圖3 SO2污染狀況

圖4 NO2污染狀況

圖5 CO污染狀況

圖6 PM10污染狀況

圖7 PM2.5污染狀況

3.2 各類(lèi)污染物對(duì)霾的影響

本文以能見(jiàn)度作為霾嚴(yán)重程度的表征，選取從2月20日到3月22日中每隔3 h記錄一次的污染物數(shù)據(jù)以及能見(jiàn)度的數(shù)據(jù)，并整理繪制擬合成圖形，且為了消除霧引起能見(jiàn)度的變化的影響，剔除數(shù)據(jù)中相對(duì)濕度大于90 %的相關(guān)數(shù)據(jù)。從圖8～12可以看出，在各類(lèi)常規(guī)污染物中，除CO外，SO2、NO2、PM10、PM2.5與能見(jiàn)度都存在明顯的相關(guān)性，說(shuō)明霾期間能見(jiàn)度下降與SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度過(guò)高有關(guān)。此研究結(jié)果與魏哲對(duì)邯鄲2013年1月霾污染的研究結(jié)果[13]相符。

此外，SO2、NO2、PM10、PM2.5與低能見(jiàn)度(<10 km)存在閾值濃度，其分別為75 ug/m3、60 ug/m3、200 ug/m3、100 ug/m3，且污染物濃度與能見(jiàn)度存在非線性關(guān)系，當(dāng)污染濃度高于此值時(shí)，能見(jiàn)度變化不明顯；當(dāng)污染物濃度低于此值時(shí)，能見(jiàn)度變化明顯。這與Xuejiao Deng 等的研究方法及結(jié)論(2005年珠江三角洲PM10與能見(jiàn)度的閾值濃度為120 ug/m3)[20]相似。

圖8 SO2濃度與能見(jiàn)度的關(guān)系

圖9 NO2濃度與能見(jiàn)度的關(guān)系

圖10 PM10濃度與能見(jiàn)度的關(guān)系

圖11 PM10濃度與能見(jiàn)度的關(guān)系

圖12 PM2.5與能見(jiàn)度的關(guān)系

3.3 氣象因素對(duì)霾的影響

以能見(jiàn)度作為霾嚴(yán)重程度的表征，提取2013年全年每天相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、溫度、氣壓數(shù)據(jù)，分別做出其與能見(jiàn)度的關(guān)聯(lián)圖(圖13～圖16)。從圖中可以看出4種氣象因素中對(duì)能見(jiàn)度影響最大的是相對(duì)濕度，且相對(duì)濕度越大，能見(jiàn)度越低，霾越嚴(yán)重；其次風(fēng)速的影響也比較大，風(fēng)速越大，能見(jiàn)度越好，霾越輕；溫度與氣壓對(duì)能見(jiàn)度的影響不大，沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

此外，降雨會(huì)對(duì)空氣污染物起到?jīng)_刷作用，但是降雨同時(shí)也會(huì)增加空氣濕度，造成空氣污染加重。對(duì)于大雨，由于沖刷作用明顯，會(huì)緩解空氣污染；但是小雨會(huì)加重空氣污染，其原因是雨滴蒸發(fā)粒子再懸浮過(guò)程使氣溶膠濃度增加。

圖13 相對(duì)濕度與能見(jiàn)度關(guān)系圖

圖14 風(fēng)速與能見(jiàn)度的關(guān)系圖

圖15 溫度與能見(jiàn)度的關(guān)系圖

圖16 氣壓與能見(jiàn)度的關(guān)系圖

3.4 1～2月霾頻繁發(fā)生原因

2013年1、2月包括保定在內(nèi)的全國(guó)大多數(shù)城市集中性爆發(fā)大規(guī)模霾天氣，引發(fā)全民關(guān)注。霾的形成是氣象因素、污染物排放共同作用的結(jié)果，但是與往年1、2月份相比，2013年1、2月份保定市污染源并沒(méi)有太大的變化，所以氣象因素的變化被著重考慮。為此，作者統(tǒng)計(jì)了近幾年1、2月與霾關(guān)聯(lián)性最大的兩種氣象因素—相對(duì)濕度、風(fēng)速的變化，做出變化折線圖(圖17、圖18)。

如圖17、18所示，2013年1、2月的平均風(fēng)速以及最快風(fēng)速與往年相比并沒(méi)有太大變化，但是相對(duì)濕度有了明顯增加(從往年30 %、40 %左右增加至2013年的66 %)。所以2013年1、2月保定市霾頻繁發(fā)生的原因是保定地區(qū)相對(duì)濕度的增加。這與楊欣等對(duì)北京2013年1月霾嚴(yán)重的分析得到的結(jié)論，即相對(duì)濕度較大時(shí)，細(xì)微顆粒物吸濕增長(zhǎng)造成能見(jiàn)度下降的結(jié)論[21]相似；此外，吳兌等的研究也表明，高濕度背景下氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)會(huì)使得消光明顯增加導(dǎo)致能見(jiàn)度明顯惡化[7]。

圖17 平均風(fēng)速、最快風(fēng)速變化圖

圖18 相對(duì)濕度變化圖

4 結(jié)論

(1)近幾年保定市霾日數(shù)處于波動(dòng)期，但總體霾日數(shù)偏多；全年霾日數(shù)最多月份集中在冬季，最少月份集中在春季，此外夏季月份霾日數(shù)也相對(duì)偏多。

(2)統(tǒng)計(jì)的氣態(tài)污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)，其中顆粒物的污染最為嚴(yán)重。

(3)在各類(lèi)常規(guī)污染物中，出CO外，SO2、NO2、PM10、PM2.5與能見(jiàn)度存在著明顯的相關(guān)性，說(shuō)明保定市能見(jiàn)度的下降與SO2、NO2、PM10、PM2.5等污染物有關(guān)。

(4)SO2、NO2、PM10、PM2.5與低能見(jiàn)度(小于10 km)存在閾值濃度，其濃度分別為75 ug/m3、60 ug/m3、200 ug/m3、100 ug/m3，當(dāng)污染物濃度超過(guò)閾值濃度，隨著污染物濃度的增加，能見(jiàn)度下降不明顯；當(dāng)污染物濃度低于閾值濃度，隨著污染物濃度的減少，能見(jiàn)度改善明顯。

(5)幾種氣象因素中相對(duì)濕度以及風(fēng)速對(duì)霾的影響最大，溫度及氣壓對(duì)霾的影響不明顯；大雨對(duì)霾有一定的緩解作用，但是小雨會(huì)加重霾污染。

(6)2013年1、2月份霾嚴(yán)重主要是相對(duì)濕度明顯增加引起的，高濕度情況下，氣溶膠吸濕增長(zhǎng)造成能見(jiàn)度下降。

[1]QX/T 113-2010, 霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)[S].

[2]吳兌. 霾與霧的識(shí)別和資料分析處理[J]. 環(huán)境化學(xué),2008,27(3):327-330.

[3]白志鵬,蔡斌彬,董海燕,等. 灰霾的健康效應(yīng)[J]. 環(huán)境污染與防治,2006,28(3):198-201.

[4]謝元博,陳娟,李巍. 霧霾重污染期間北京居民對(duì)高濃度PM_(2.5)持續(xù)暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)及其損害價(jià)值評(píng)估[J]. 環(huán)境科學(xué),2014,35(1):1-8.

[5]陳穎敏,趙潔,冉玉倩,等. 霧霾天氣對(duì)鐵塔的腐蝕影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電力科學(xué)與工程,2014,30(12):35-38.

[6]吳兌,吳曉京,李菲,等. 1951—2005年中國(guó)大陸霾的時(shí)空變化[J]. 氣象學(xué)報(bào),2010,68(5):680-688.

[7]吳兌,廖碧婷,吳蒙,等. 環(huán)首都圈霾和霧的長(zhǎng)期變化特征與典型個(gè)例的近地層輸送條件[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(1):1-11.

[8]吳兌. 近十年中國(guó)灰霾天氣研究綜述[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,32:257-269.

[9]Kang C M,Lee H S,Kang B W,et al. Chemical characteristics of acidic gas pollutants and PM2.5 species during hazy episodes in Seoul, South Korea[J].Atmospheric Environment,2004,38(28):4749-4760.

[10]Chen L W A,Chow JC,Doddridge B G,et al. Analysis of a summertime PM2.5 and haze episode in the mid-Atlantic region[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2003, 53(8): 946-956.

[11]Sisler J F, Malm W C. The relative importance of soluble aerosols to spatial and seasonal trends of impaired visibility in the united states [J]. Atmospheric Environment,1994,28(5):851-862.

[12]常清,楊復(fù)沫,李興華,等. 北京冬季霧霾天氣下顆粒物及其化學(xué)組分的粒徑分布特征研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(2):363-370.

[13]魏哲,楊晶,王麗濤,等. 2013年1月邯鄲市嚴(yán)重霾天氣的污染特征分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(5):1118-1124.

[14]邊瑋瓅,董海燕,元潔等. 天津市秋季一次典型灰霾過(guò)程中顆粒物污染及化學(xué)成分特征分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,(13):195-198.

[15]Baik N,Kim Y P,Moon K C.Visibility Study in Seoul,1993[J].Atmospheric Environment,1996,30(13): 2319-2328.

[16]張人禾,李強(qiáng),張若楠. 2013年1月中國(guó)東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析[J]. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014,44(1):27-36.

[17]王躍思,姚利,王莉莉,等. 2013年元月我國(guó)中東部地區(qū)強(qiáng)霾污染成因分析[J]. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014,44(1):15-26.

[18]吳兌.霾與霧的識(shí)別和資料分析處理[J].環(huán)境化學(xué),2008,27(3):327-330.

[19]GB3095-2012.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.

[20]Deng X L,Shi C E,Wu B W,et al.Analysis of aerosol characteristics and their relationships with meteorological parameters over Anhui province in China[J].Atmospheric Research,2012,(109):52-63

[21]]楊欣,陳義珍,劉厚鳳,等. 北京2013年1月連續(xù)強(qiáng)霾過(guò)程的污染特征及成因分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué),2014,34(2):282-288.

Analysis of Haze Characteristics and Formation Causes in Baoding City

Ma Shuangchen, Yu Weijing, Chai Feng, Zhang Linan, Yang Jing, Hua Jizhou

(School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

This paper chooses Baoding City, a typical city in Beijing-Tianjin-Hebei region, as the research object and analyzes its haze characteristics and formation causes from the aspects of pollutants and meteorological factors. First, the annual haze days between 2005 and 2013 and monthly haze days in 2013 were analyzed, indicating that the haze pollution in Baoding City is serious (about 100 days per year) and that the maximum and minimum values in a year occur in winter and spring respectively. Then, the data of normal pollutants(CO, SO2, NO2, PM10, PM2.5) in February and March of 2014 and visibility were analyzed, and the results showed that the pollutants' (CO excluded due to irrelevance) threshold concentration corresponding to the low visibility (<10 km) are about 100ug/m3, 50ug/m3, 250ug/m3, and 150ug/m3 respectively. Further analysis indicates that the relationship between pollutants concentrations and visibility appears in a non-linear correlation. When pollutants concentrations are very high (above threshold concentrations), the change in visibility is not noticeable. By contrast, when pollutants concentrations are lower than threshold concentrations, the change in visibility is very sensitive to pollutants concentrations. In addition, the study shows that RH and wind speed have a significant effect on visibility, and small rain can make haze worse. Finally, by comparing haze formation causes in January and February of 2013 with those in previous years, it was found that the severity of haze in January and February of 2013 was caused by the increase of RH.

Baoding City; haze; pollutants; meterological factors

2015-07-06。

北京市自然科學(xué)基金(3142017)。

馬雙忱(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事大氣污染控制理論與技術(shù)研究， E-mail：msc1225@163.com。

X513

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.005