我國霧霾天氣氣候特征及影響因素分析

劉家福 王鑫全++于茜++杜會石

摘要：根據(jù)2013年我國部分城市夏季、秋季、冬季的細顆粒物（PM2.5）質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，基于半變異函數(shù)理論，利用克里格插值方法對霧霾天氣各類主要大氣污染物進行空間特征分析，分析夏季、秋季、冬季PM2.5空氣質(zhì)量分指數(shù)。結(jié)果表明，6—12月，大氣中的PM2.5質(zhì)量分指數(shù)與能見度呈明顯負相關(guān)關(guān)系，PM2.5空間濃度分布均值差異明顯，我國大范圍霧霾天氣期間，大部分城市PM2.5濃度均嚴重超標。由結(jié)果可知，治理霧霾不能單純從一方面進行治理，要采取綜合治理措施。

關(guān)鍵詞：霧霾； PM2.5；空氣質(zhì)量；大氣污染

中圖分類號： X513文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0402-03

收稿日期：2015-11-09

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：40771020）；中國科學(xué)院重點部署項目（編號：KZZD-EW-08-02）；吉林省科技發(fā)展計劃（編號：20150204047SF、201215224、201201080）；吉林省高?？萍寂c“十二五”科研規(guī)劃（編號：吉教科合字[2015]第222號）。

作者簡介：劉家福（1975—），男，吉林敦化人，博士，副教授，主要從事遙感與GIS在資源環(huán)境、自然災(zāi)害等領(lǐng)域應(yīng)用研究。Tel：（0434）3296005； E-mail：liujiafu750506@126.com。

近年來，隨著我國城市化進程加快，空氣污染問題更加突出，霧霾災(zāi)害發(fā)生頻率不斷提高，霧霾災(zāi)害治理已經(jīng)成為當前我國環(huán)境保護的首要問題，霧霾氣候特征和影響因素的研究對于霧霾災(zāi)害防治具有重要意義[1-3]。國內(nèi)學(xué)者在早期研究中對霧霾形成的物理化學(xué)條件及如何區(qū)分霧和霾等作過細致分析，相關(guān)研究為準確觀測和判定霧霾天氣提供了重要參考[4-5]。研究表明，霧霾天氣能見度惡化主要與細顆粒物（PM2.5）關(guān)系較大[6-7]，正是由于大量極細微的污染性氣溶膠的存在，使得霾天氣對人類健康具有極大危害性。在全國范圍內(nèi)，研究重污染城市霧霾天氣氣候特征、分布特征以及影響因素，對于治理霧霾具有重要的現(xiàn)實意義。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)是2013年5、6、8、9、11、12月PM2.5監(jiān)控網(wǎng)收集的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)（5、6、8、9月記錄了76個城市，11、12月記錄了114個城市）。采用氣象學(xué)標準劃分季節(jié)：夏季（5—6月）、秋季（8—9月）、冬季（11—12月）。采用國家霧霾劃分等級標準劃分霧霾，分為優(yōu)、輕度污染、中度污染以及重度污染4個等級。根據(jù)全國PM2.5監(jiān)測網(wǎng)站提供的監(jiān)測點信息，選取全國范圍內(nèi)各個城市的空氣污染監(jiān)測點信息獲取數(shù)據(jù)[8-10]。分別收集2013年5—12月以上監(jiān)測點參與空氣質(zhì)量評價的主要污染物，即細顆粒物、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等物質(zhì)的空氣質(zhì)量濃度。

1.2方法

通過對數(shù)據(jù)進行整理計算，得到2013年5—12月各監(jiān)測點各類物質(zhì)的空氣質(zhì)量分指數(shù)，并以此為依據(jù)采用克里格空間插值法進行分析，通過已知地區(qū)的顆粒物濃度得到全國范圍內(nèi)顆粒物濃度空間分布特征。結(jié)合空間分布特征，以此來對比顆粒物濃度的區(qū)域差異，利用上述地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為基本統(tǒng)計單元進行環(huán)境安全性分析。

1.2.1污染物項目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)計算

空氣質(zhì)量分指數(shù)（AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，其數(shù)值越大、級別和類別越高、顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴重，對人體的健康危害也就越大。針對單項污染物，AQI還規(guī)定了空氣質(zhì)量分指數(shù)[11]。AQI共分為六級，其中一級優(yōu)，二級良，三級輕度污染，四級中度污染，五級重度污染，六級嚴重污染。相應(yīng)的空氣污染指數(shù)分別劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300。

IAQIP=（IAQIHI-IAQILO/BPHI-BPLO）×（CP-BPLO）+IAQILO。[JY]（1）

式中：IAQIP為污染物項目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)；CP為污染物項目P的質(zhì)量濃度值；BPHI為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項目濃度指數(shù)表中與CP相近的污染物濃度限值的高位值；BPLO為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項目濃度指數(shù)表中與CP相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHI為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項目濃度指數(shù)表中與BPHI對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQILO為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項目濃度指數(shù)表中與BPLO對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

1.2.2半變異函數(shù)

選擇不同的半變異函數(shù)理論模型，經(jīng)過多次擬合計算機和對比分析，發(fā)現(xiàn)指數(shù)模型較好地描述了全國PM2.5含量的空間變異規(guī)律。半變異函數(shù)模型是克里格空間插值的前提條件，同時又受隨機性因素的影響，因此是典型的區(qū)域化變量[12]。其變異函數(shù)的具體形式如下：

[JZ（]r（h）=[JB（{]0，h=0C0+C（1-eh2/a2），h>0[JB）]。[JZ）][JY]（2）

式中：r（h）為在距離h處的半變異；C0為在距離0處的半變異；C為總基臺值，或者表示在a處的半變異。

2霧霾天氣氣候特征及影響因素分析

2.1霧霾時空變化特征分析

基于半變異函數(shù)及克里格空間插值方法得到2013年夏季、秋季、冬季主要月份PM2.5含量空間分布圖（圖1），對影響霧霾天氣的PM2.5含量分布情況進行分析。

大氣中的PM2.5質(zhì)量分指數(shù)與能見度呈明顯負相關(guān)關(guān)系，在3個季度圖（圖1）中，華中地區(qū)的PM2.5質(zhì)量分指數(shù)集中偏高，華中地區(qū)能見度較其他地區(qū)偏低。因為大氣中的顆粒物較多，能見度降低是霾和霧的共性，二者的主要區(qū)別在于含水量的差異。夏季過渡到秋季，西藏、新疆地區(qū)的PM2.5污染加劇，這主要是由于這些地區(qū)沙塵、大風、沙暴等災(zāi)害性天氣較多，使得大氣中的顆粒物質(zhì)擴散速度放慢，隨著顆粒物質(zhì)的積聚，能見度較低，形成霧霾天氣。

[JP2]對全國各城市PM2.5含量進行插值計算，采用半變異函數(shù)計算方法進行統(tǒng)計，從圖1可以看出，以北京市為中心向周圍擴散的城市霧霾情況最為嚴峻，其PM2.5含量最高。夏季，新疆烏魯木齊市PM2.5含量由優(yōu)級變化為重度污染狀態(tài)，由此可以推斷出，夏季新疆地區(qū)空氣質(zhì)量急劇下降，可能由于此地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，由于降水量減少，空氣中的顆粒物質(zhì)無法分解，導(dǎo)致空氣塵埃粒子大面積殘留，PM2.5含量迅速增加，形成霧霾天氣。秋季，全國范圍內(nèi)霧霾均極為嚴重，隨著季節(jié)變化，青海省西寧市、甘肅省蘭州市等地區(qū)的PM2.5含量逐漸降低，然而沿海地區(qū)城市PM2.5含量卻逐漸增長。冬季，全國范圍內(nèi)空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，烏魯木齊地區(qū)極為明顯，長江中下游地區(qū)空氣質(zhì)量也由原來的中度、重度污染轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)，吉林省長春市、黑龍江省哈爾濱市受霧霾影響較為明顯；在3個季節(jié)變化對比中，可以明顯看出，以北京市為中心向四周擴散的華北地區(qū)霧霾狀況最為嚴重，而且并沒有隨著季節(jié)變化有所好轉(zhuǎn)，因此應(yīng)集中治理以北京市為中心的區(qū)域范圍內(nèi)的重度污染城市，逐漸

[FK（W36][TPLJF1.tif]

擴大治理范圍，逐漸向長江下游和新疆地區(qū)蔓延開來。

[JP2]綜合3個季度全國范圍PM2.5含量分布情況，以北京市為中心向四周擴散的城市污染狀況最為嚴重，根據(jù)我國經(jīng)濟發(fā)展和人口遷移分布情況來看，北京地區(qū)經(jīng)濟開發(fā)較為頻繁，工廠企業(yè)較多，人口遷移量也較高，陜西省西安市、湖北省武漢市、重慶市、[JP3]四川省成都市、吉林省長春市等是我國經(jīng)濟發(fā)展水平相對較高的區(qū)域，人口分布密集，由此可以推斷出影響霧霾分布的主要因素是經(jīng)濟發(fā)展水平、生產(chǎn)力水平以及人口分布密度等。

2.2時空變化規(guī)律

分析霧霾的時空變化特征有助于了解霧霾產(chǎn)生、發(fā)展以及消除規(guī)律，同時也可以了解區(qū)域性污染對大范圍霧霾形成的影響。

由圖2可知，9月之前，除了北京市，其他5個城市PM2.5濃度變化幅度均較??；9月之后，6個城市PM2.5濃度均不斷增加，長沙市、烏魯木齊市、重慶市、深圳市PM2.5濃度開始攀升，持續(xù)嚴重超標，9—11月尤其嚴重，北京市、大連市PM2.5濃度變化幅度較??；11—12月烏魯木齊市PM2.5濃度下降明顯。由此可知，霧霾產(chǎn)生及發(fā)展過程具有區(qū)域性特征，污染物質(zhì)的遷移是導(dǎo)致區(qū)域污染的重要原因。

[TPLJF2.tif]

2.3霧霾影響因素分析

霧霾天氣的影響因素主要包括污染排放、氣象條件2個方面。如果空氣中有污染物，就有可能形成霾，但如果此時氣象條件為暴風天氣或晴空萬里，污染物消散速度加快，不會形成霾天氣。由于氣象條件為不可控因素，因此在治理霾天氣的過程中應(yīng)加強對污染物排放的控制[13-14]。造成霧霾天氣的大氣氣溶膠主要來源于自然排放和人為排放，一段時期內(nèi)，無論是自然排放還是人為排放，氣溶膠顆?？偭看笾路€(wěn)定。目前我國各地都在推廣節(jié)能減排活動，空氣中的二氧化硫含量逐漸降低，趨于穩(wěn)定，但機動車越來越多，機動車尾氣逐漸成為造成大氣污染的主要來源，雖然目前機動車尾氣排放量在大氣污染物含量中比例并不是特別高，但是機動車尾氣會增加大氣氧化性，形成更多二次氣溶膠，導(dǎo)致霧霾天氣頻發(fā)[15-16]。一段時間內(nèi)，形成霧霾天氣的控制性因素取決于氣象條件。發(fā)生霧霾天氣時通常伴隨著小風、低濕度和強日照；另一方面，城市化發(fā)展造成下墊面屬性改變，也造成城市大氣邊界層物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[17]。最新研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)種植中濫用化肥農(nóng)藥等會加重霧霾。盡管我國耕地面積只占全球的7%，但我國消耗的氮肥量卻占全球1/3以上，大量施用氮肥導(dǎo)致我國的土壤、水和空氣受到大規(guī)模污染，也是形成霧霾天氣的主要因素；在東北地區(qū)，霧霾形成也受秸稈焚燒的影響。

3結(jié)論與討論

[JP2]通過對霧霾天氣發(fā)生時大氣相對濕度、風速、氣溫等氣象特征以及能見度和PM2.5濃度等環(huán)境特征的變化情況進行分析，發(fā)現(xiàn)霧霾天氣由氣象要素和環(huán)境要素共同作用形成。我國大范圍霧霾天氣期間，全國大部分城市PM2.5濃度均嚴重超標，最大的污染源是交通污染，主要包括北京市、上海市、深圳市、武漢市等經(jīng)濟發(fā)達城市，以北京市為中心的區(qū)域污染最為嚴重。治理霧霾不能單純從一方面進行治理，要采取綜合治理措施。首先要從控制污染源入手，淘汰現(xiàn)有的高污染企業(yè)及設(shè)備，鼓勵發(fā)展低污染項目及替代產(chǎn)品，從源頭上控制污染物的產(chǎn)生。其次要采用先進高效的污染治理設(shè)備，加強汽車尾氣治理，對擬排放的污染物進行治理，確保達標排放。再次要對排放后的大氣污染物進行吸收穩(wěn)定化治理，防止遇風攜帶成為二次污染源。

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