河北省空氣質(zhì)量特征及其與氣候因子的關(guān)系

劉云溪

利用2014～2016年河北省11市的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）研究其時空分布特征，并與同期氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，河北省空氣質(zhì)量水平總體較差，冬春季節(jié)平均AQI較高，夏季最低值也達(dá)到80以上；空氣質(zhì)量指數(shù)在空間上呈現(xiàn)出中南部高、北部低的趨勢，張家口的空氣質(zhì)量水平全省最佳，3a內(nèi)優(yōu)良天數(shù)高達(dá)900d以上，污染天數(shù)最高的城市是位于河北東南部的衡水，石家莊嚴(yán)重污染比例最大；近3a來，河北省空氣質(zhì)量稍有改善，主要集中在1～3月，但效果并不明顯，12月AQI呈現(xiàn)逐步增高的趨勢；河北省AQI與氣溫、降水、氣壓、風(fēng)速、平均相對濕度等氣候因子關(guān)系密切，不同季節(jié)、不同地區(qū)受主要影響的氣候因子不同，具有不同的相關(guān)性。

AQI時空分布?xì)夂蛞蜃酉嚓P(guān)性一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高，空氣質(zhì)量問題受到廣泛關(guān)注。特別是城市化進(jìn)程加快，使得能源消耗量和機(jī)動車數(shù)目不斷增加，空氣污染程度也隨之增加，傳統(tǒng)的空氣污染指數(shù)（API）已經(jīng)不能準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)際空氣質(zhì)量情況。2012年，環(huán)保部門試用空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）來定義空氣質(zhì)量（HJ633-2012），AQI是從SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO六項污染物中選擇空氣質(zhì)量指數(shù)得分最高者為最終的空氣質(zhì)量指數(shù)，特別是近年來，以PM2.5為首要污染物的霾天氣現(xiàn)象日益增加，不僅導(dǎo)致能見度下降，而且對人體健康造成嚴(yán)重威脅。

國內(nèi)空氣質(zhì)量研究起步較晚，開始于20年代末期，學(xué)者多從氣象因子、天氣形勢、大氣穩(wěn)定度、地形地勢等方面對空氣質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)研究，程婷等指出不同氣壓對于南京霧霾天氣的影響不同，在1000～1030hPa的氣象條件下霧霾天氣最為嚴(yán)重；吳珊珊等表明空氣質(zhì)量與地面風(fēng)速、大氣逆溫、氣壓、降水量、相對濕度等都有關(guān)系。

近年來，在全國空氣質(zhì)量指數(shù)排名中，河北省多個地級市AQI一直居高不下，一方面與其不合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)類型及其發(fā)展進(jìn)程有關(guān)，另一方面受到特殊的自然地理環(huán)境特點(diǎn)的影響，雖然河北省政府近年來采取了多種空氣污染防治措施，但是效果并不顯著。因此，分析河北省空氣質(zhì)量時空分布特征及其與氣象因子的關(guān)系，提高空氣質(zhì)量預(yù)報的準(zhǔn)確性，對于河北省經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、人體健康，乃至全國霧霾天氣的認(rèn)識和治理都有一定的意義。

二、河北省概況

河北省位于華北地區(qū)的腹心地帶，東臨渤海、內(nèi)環(huán)京津，西倚太行山，北靠燕山和張北高原，全省地勢由西北向東南傾斜，西北部多山地、丘陵和高原，其間分布盆地和谷地，中部和東南部為廣闊的平原，地形條件復(fù)雜，主要包括壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元，氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Ъ撅L(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫和多雨，全省年平均氣溫在4～13℃之間，年均降水量484.5毫米，且集中在夏季，降水量自東南向西北遞減。河北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展以第二產(chǎn)業(yè)為主，其中鋼鐵和煤炭產(chǎn)量位居全國前列，石化、建材等大資源型產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中所占比重較大。

三、影響城市空氣質(zhì)量的主要因素

城市空氣質(zhì)量主要取決于污染源、氣象條件和下墊面等方面。污染源排放污染物的數(shù)量、組成、位置、密集程度等是影響空氣質(zhì)量的基礎(chǔ)，它決定了進(jìn)入空氣污染物的數(shù)量及所涉及的范圍，氣象條件和下墊面性質(zhì)是決定空氣質(zhì)量的重要條件。

河北省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)并不合理，鋼鐵、建材、電力等行業(yè)比較集中，能源消費(fèi)量較高，工業(yè)生產(chǎn)中以排放煤煙型、顆粒物為特征的廢氣較多，氮氧化物、煙（粉）塵、二氧化硫排放量較高，形成點(diǎn)狀或面狀污染源，進(jìn)而影響城市空氣質(zhì)量；此外，隨著經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，河北省作為華北地區(qū)的交通咽喉之地，來往京津和東北地區(qū)的車輛不斷增多，機(jī)動車排放的廢氣也成了空氣的主要污染源。

影響城市空氣質(zhì)量的氣象條件主要包括風(fēng)和湍流、大氣溫度層結(jié)、大氣穩(wěn)定度、逆溫和降水等。通常在高壓控制之下，大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散，從而導(dǎo)致污染物聚集，空氣質(zhì)量惡化；降水對AQI的影響主要表現(xiàn)在雨滴會吸附空氣中懸浮物質(zhì)和顆粒物并將之?dāng)y帶到地面，對空氣有凈化作用；此外，風(fēng)和湍流也對空氣質(zhì)量有重要的作用：風(fēng)對空氣中污染物有輸送和沖淡稀釋的作用，它決定了污染物遷移運(yùn)動的方向，風(fēng)速越大，單位時間內(nèi)清潔的空氣量就越大，稀釋效果越好。

不同的下墊面通過氣象條件間接地對城市空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，而且下墊面本身也會影響到氣流的運(yùn)動。例如山谷地區(qū)晝夜交替形成山谷風(fēng)，夜晚大氣層結(jié)穩(wěn)定，常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，導(dǎo)致空氣中污染物積聚，AQI不斷升高；廢熱廢氣排放使城市形成“熱島效應(yīng)”，加之高層建筑物和復(fù)雜的下墊面阻礙氣流的運(yùn)行，不利于污染物的擴(kuò)散，都會加劇城市空氣質(zhì)量的惡化。

四、數(shù)據(jù)來源及分析方法

本文使用的地面氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)為2014～2016年河北省11市AQI日平均值，依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》利用Excel軟件對河北省2014—2016年空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）進(jìn)行分級和統(tǒng)計，借以分析AQI時空分布特征，并選取有代表性的地級市與同時段相對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)相對應(yīng)，利用SPSS.19進(jìn)行相關(guān)性分析，探討不同條件下河北省空氣質(zhì)量與各個氣象因子的關(guān)系。

五、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

1.AQI時空分布特征

（1）AQI空間分布特征

對河北省2014～2016年各市空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)AQI具有明顯的空間分布特征。河北省空氣質(zhì)量指數(shù)總體呈現(xiàn)出南部高于北部的趨勢，地處河北省北部的張家口、承德和位于東北部的秦皇島AQI優(yōu)良比例明顯高于其他地區(qū)，均占總天數(shù)的70%以上，三年Ⅱ級以上天數(shù)達(dá)到700d以上，其中張家口空氣質(zhì)量水平位居全省最高，3a內(nèi)優(yōu)良天數(shù)高達(dá)936d，一方面，它位于河北省北部，接近西北風(fēng)發(fā)源地，風(fēng)力強(qiáng)勁，利于污染物的輸送與擴(kuò)散。另一方面，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后，重工業(yè)所占產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的比重較小，排放的廢水廢氣相對較少，特殊的自然地理位置和經(jīng)濟(jì)環(huán)境，使其空氣質(zhì)量明顯優(yōu)于其他地區(qū)。位于河北省東南部的衡水優(yōu)良天數(shù)最低，僅為332d。污染最嚴(yán)重的城市為石家莊市，3a內(nèi)嚴(yán)重污染天數(shù)達(dá)到99d，且有16d的空氣質(zhì)量指數(shù)爆表（AQI為500），石家莊位于太行山背風(fēng)坡，焚風(fēng)效應(yīng)明顯，污染物易積聚在近地面，不利于擴(kuò)散，并且石家莊作為省會城市，重工業(yè)較為發(fā)達(dá)，較多的機(jī)動車數(shù)量所排放的碳?xì)浠衔?、氮氧化合物等廢氣都使得AQI指數(shù)不斷升高，空氣質(zhì)量水平較低（表2）。endprint

利用表1對2014～2016年河北省地市每一天的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，可以看出，河北省空氣質(zhì)量水平總體較差，大部分地區(qū)空氣質(zhì)量以中輕度污染為主，其中7個地級市AQI污染比例超過了優(yōu)良比例。衡水市污染天數(shù)所占比例最高，為69.7%，其次是保定和邢臺，分別達(dá)到66.2%和64.2%。張家口市空氣質(zhì)量最好，優(yōu)良比例達(dá)到81.5%，Ⅵ級天數(shù)僅占1%，其次是秦皇島和承德，優(yōu)良比例均達(dá)到70%以上。重度污染以上天數(shù)，保定和石家莊居高，其中石家莊的嚴(yán)重污染比例為全省最高，占7.6%（圖1）。

（2）AQI時間分布特征

河北省2014～2016年11市各月的AQI平均值，除承德和張家口外，其他各地市AQI均具有明顯的季節(jié)變化特征（圖2a），河北省平均空氣質(zhì)量指數(shù)從1月到12月呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢（圖2b），12月AQI指數(shù)月平均值最高（149），最低值出現(xiàn)在9月（82）。冬季平均空氣質(zhì)量指數(shù)最高，輕度污染以上（AQI大于100）天數(shù)，冬季占30.4%，春季次之，夏季最低，占21.5%，其中僅8月和9月AQI低于100，達(dá)到二級以上標(biāo)準(zhǔn)，從而看出河北省整體空氣質(zhì)量不容樂觀。河北地區(qū)冬季受西伯利亞高壓控制，降水稀少，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，對流層的中低層常有逆溫現(xiàn)象，不利于污染物擴(kuò)散，并且冬季取暖以煤炭為主，燃燒的化石燃料釋放出的二氧化硫、氮氧化物和煙塵等顆粒物使AQI不斷升高，空氣質(zhì)量水平不斷下降；3月河北省仍處于供暖期，且春季局地?fù)P沙天氣的多發(fā)也使得空氣質(zhì)量變差；而夏季湍流作用較強(qiáng)，空氣對流旺盛，降水較多，都有利于污染物的稀釋與擴(kuò)散，因此空氣質(zhì)量較好。此結(jié)果與趙妙文等的研究具有很好的一致性。

對2014～2016年各月地市平均值進(jìn)行時間分布分析，見圖2。

2014～2016年，全省空氣質(zhì)量指數(shù)變化不大，略有下降的趨勢，其中2014年僅9月平均值達(dá)到Ⅱ級空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，2015～2016年均有5個月份AQI均值達(dá)到Ⅱ級空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，表明近3a來河北省空氣質(zhì)量水平有所改善，特別是2015～2016年多數(shù)月份AQI均低于3a的均值。其中3a中12月AQI呈現(xiàn)出上升趨勢，而1～3月AQI卻有明顯下降的趨勢，5～9月AQI變化不明顯（圖3）。隨著政府治理空氣質(zhì)量力度的加大，如機(jī)動車尾號限行、關(guān)閉高耗能高污染小型企業(yè)等，近3a來河北省空氣質(zhì)量水平稍有提升，但治理效果并不明顯。

2.AQI與氣候因子的關(guān)系

根據(jù)以往的研究，在污染物排放數(shù)量一定的強(qiáng)情況下，污染物濃度在很大程度上取決于氣象條件，空氣質(zhì)量的特征與氣象因子密切相關(guān)，但是對于不同季節(jié)、不同地域來說影響不同。風(fēng)速對于AQI的影響具有雙重作用，一方面，風(fēng)向和風(fēng)速影響著大氣污染物輸送與擴(kuò)散，風(fēng)速較大時，污染物水平輸送能力較強(qiáng)，可以有效減少地區(qū)工業(yè)和家庭排放的廢氣，對于降低AQI有重要作用。另一方面，風(fēng)速所引起的沙塵等天氣又會使AQI上升，導(dǎo)致空氣質(zhì)量的惡化。降水對于稀釋大氣中污染物有重要作用，連續(xù)的強(qiáng)降水、會導(dǎo)致空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，AQI指數(shù)下降，但也有研究表明，陣性降水或弱降水對污染物的凈化作用不大，反而會增加空氣中的相對濕度，導(dǎo)致PM2.5濃度上升，進(jìn)而提高AQI指數(shù)，使空氣質(zhì)量惡化。較低氣溫使得地區(qū)氣壓升高，高壓天氣通常與反氣旋和高壓脊相伴，兩者使得對流層中低層的空氣輻散下沉，容易把高空污染物垂直輸送到近地面，近地面大氣層結(jié)穩(wěn)定，使得AQI不斷升高，近地面環(huán)流輸送繼而影響周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量。

（1）不同季節(jié)AQI與氣候因子的關(guān)系

根據(jù)2014～2015年AQI和氣象數(shù)據(jù)，對兩者關(guān)系利用SPSS.19進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），不同季節(jié)的AQI與平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速、平均相對濕度、平均氣壓等氣象要素關(guān)系不同。河北省各季節(jié)AQI與平均氣壓均有良好的相關(guān)性，并且均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。春季AQI與降水量、平均風(fēng)速具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.422、0.431，且通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，河北省春季風(fēng)速越大、AQI越低，空氣質(zhì)量越好；夏季AQI與平均氣溫和氣壓具有顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.553、0.403，說明溫度、氣壓是影響河北省夏季AQI的重要?dú)庀笠蛩?，溫度越高、氣壓越高、空氣質(zhì)量水平越差；秋季AQI與平均氣溫和降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.258和0.369，與平均氣壓極顯著正相關(guān)，表明秋雨和氣溫的升高對于秋季空氣質(zhì)量改善有重要作用；冬季與平均氣溫、平均相對濕度、平均氣壓均呈正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，冬季氣溫和氣壓偏高，容易出現(xiàn)逆溫層，冷空氣過境帶來大風(fēng)降溫天氣，使逆溫層消散，有利于污染物的擴(kuò)散，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)。

（2）不同城市AQI與氣象因子的關(guān)系

AQI指數(shù)與氣象因素的關(guān)系還受到地理位置的影響，選取河北省不同方位中4個有代表性的城市，對AQI與氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析（表4），結(jié)果表明：總體來說，除張家口外，各市AQI指數(shù)均與平均氣溫，降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且相關(guān)系數(shù)較高，相關(guān)性較大，對于張家口來說，平均相對濕度對其影響較大，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.59；石家莊、保定和滄州主要與氣溫、降水量、氣壓的關(guān)系較為密切，即溫度越高、氣壓越低，越不易形成逆溫層，降水量越多，對污染物的沖洗能力越強(qiáng)，相對空氣質(zhì)量越好。

五、結(jié)論

（1）河北省AQI具有明顯的季節(jié)變化特征，冬春季節(jié)平均AQI值偏高，尤以12月最高，占統(tǒng)計總天數(shù)的11.1%，夏秋季AQI均值較低，9月達(dá)到最低值。

（2）河北省AQI空間分布不均，整體上呈現(xiàn)中南高、北部低的趨勢，AQI高值區(qū)出現(xiàn)在衡水、石家莊等中南部地區(qū)，低值區(qū)位于河北省北部，包括張家口、承德、秦皇島。

（3）河北省近3a來AQI變化趨勢總體不明顯，稍呈下降趨勢，其中1～3月AQI下降趨勢相對明顯，5～9月變動不大，表明河北省在改善冬季和早春空氣質(zhì)量方面起到了一定的效果。但由于數(shù)據(jù)原因，并未做出長時間序列AQI變化趨勢。

（4）AQI與降水量、氣溫、氣壓、平均相對濕度、風(fēng)速等氣候因素關(guān)系密切，并且不同季節(jié)、不同地區(qū)主要影響的氣候影響因子不同。通常情況下，AQI與氣壓呈正相關(guān)，與降水量、氣溫呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速、平均相對濕度的相關(guān)性不明顯。

AQI是多種因素綜合作用的結(jié)果，本文重點(diǎn)討論了典型氣候因子與AQI的關(guān)系，對多個氣象因子對AQI的綜合作用未作探討。另外，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征、地理因素，也是影響AQI的重要因素，將來后續(xù)研究中加以討論。

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