近30年邢臺地區(qū)霧霾天氣的空間分布特征及其影響因子的分析

賈秋蘭，梁春旺，楊麗娜，王小娟，于海磊

(1.邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000；2.中國氣象局邢臺大氣環(huán)境野外科學(xué)試驗基地，河北 邢臺 054000；3.衡水市氣象局，河北 衡水 053000)

前 言

霧霾是霧和霾的混合物，霧是懸浮與近地面氣層中水汽凝結(jié)成水滴或冰晶使能見度小于1km的天氣現(xiàn)象，霾是一種大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地懸浮在空中，使得能見度小于10km的天氣現(xiàn)象，而現(xiàn)在不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報，統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。近年來，隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，機(jī)動車輛的不斷增加，空氣中懸浮顆粒物的增加[1-2]，直接導(dǎo)致了霧霾天氣的不斷增多。霧霾天氣的出現(xiàn)，對社會經(jīng)濟(jì)，人類的健康[3]，安全出行以及農(nóng)作物的生長都有重大影響，這也引起了大眾的普遍關(guān)注。早在2014年中國已經(jīng)把霧霾天氣視為了自然災(zāi)害，2015年召開的“兩會”上，霧霾再次成為了熱點話題。

隨著霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者開始從多方面對霧霾進(jìn)行了研究分析，劉巖磊等[4]認(rèn)為霧霾天氣對神經(jīng)心血管、呼吸等系統(tǒng)均可產(chǎn)生直接傷害，孫維哲等[5]提出了對霧霾天氣的防范措施，而大部分學(xué)者則關(guān)注霧霾天氣的形成機(jī)制[6～9]，河北省作為霧霾重災(zāi)區(qū)，引起了不少學(xué)者的關(guān)注，吳雁等[10]根據(jù)1960～2013年河北省11個氣象站資料，分析了霧霾的演變特征和高空環(huán)流形勢進(jìn)行分析，得出環(huán)流形勢利于霧霾天氣的形成和維持，孫翠英等[11]利用1981～2013年河北南部各氣象站點資料對霧霾的氣象要素特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

邢臺位于河北南部，西依太行山與山西省毗鄰，東鄰京杭大運河與山東省相望，北連石家莊、衡水，南接邯鄲，屬于華北平原的腹地，對于河北經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到重大作用，霧霾也成為當(dāng)前較嚴(yán)峻的問題，但是對邢臺霧霾的研究文章還比較少，本文筆者從邢臺霧霾的時空分布以及影響因子進(jìn)行討論，為防治霧霾提供一些可行性的依據(jù)。

1 資料與方法

選用1990～2018年邢臺地區(qū)17個站點(基本站、一般站)及高空探測站的資料(數(shù)據(jù)來源:河北省氣象局氣候中心，2014年7月之前的數(shù)據(jù)來自A文件，7月之后數(shù)據(jù)來自MDOS觀測資料數(shù)據(jù)庫)，利用線性趨勢分析，空間插值，相關(guān)系數(shù)間的顯著性進(jìn)行分析。

2 分析結(jié)果

2.1 霧霾日數(shù)月變化線形圖

從圖1、圖2中可以看出霧霾日數(shù)的變化趨勢是一致的，整體就是六月最少，平均日數(shù)不足1日，十二月最多，平均日數(shù)達(dá)到7日，六月氣溫高，加速空氣中水汽蒸發(fā)，便于污染物的消散，十

圖1 近30年霧霾各月平均日數(shù)Fig.1 Monthly average number of haze days in recent 30 years

圖2 近30年霧霾年際平均日數(shù)圖Fig.2 Annual average number of haze days in recent 30 years

二月空氣寒冷，風(fēng)速較小，污染物易聚集不易消散；年際變化圖可以直觀的發(fā)現(xiàn)2014年的霧霾有一個突變，平均日數(shù)達(dá)到200多日，對人們的健康、出行造成了很大的影響，也是這一年中國已經(jīng)把霧霾天氣視為了自然災(zāi)害。

2.2 霧霾平均日數(shù)四季空間分布圖

圖3～圖6顯示邢臺1990～2018年不同季節(jié)霧霾天[12～14]的空間分布不同，秋冬季是霧霾最為嚴(yán)重的季節(jié)，由西北和東南方向中心發(fā)展，其次是春秋季，趨勢和秋冬一致。由此可得出，邢臺地區(qū)不同季節(jié)的霧霾空間分布和嚴(yán)重程度呈現(xiàn)出不同的特點。

邢臺所處地理位置特殊，又是一個老工業(yè)區(qū)，高耗能高排放，資源利用率低的鋼鐵，煤礦，電力，建材等一直是邢臺的支柱產(chǎn)業(yè)，尤其是一些小企業(yè)，污染物根本沒有經(jīng)過凈化處理直接排放出來，給空氣環(huán)境質(zhì)量造成重大的影響，而冬季出現(xiàn)較多的逆溫現(xiàn)象，空氣的水平、垂直方向交換流通能力變?nèi)?，空氣中排放的污染物被限制在淺層大氣中，并逐漸集聚成霧霾，導(dǎo)致空氣污染。

圖3 近30年春季霧霾平均日數(shù)空間分布圖Fig.3 spatial distribution of average days of haze in spring in recent 30 years

圖4 近30年夏季霧霾平均日數(shù)空間分布圖Fig.4 spatial distribution of average days of haze in summer in recent 30 years

圖5 近30年秋季霧霾平均日數(shù)空間分布圖Fig.5 spatial distribution of average days of haze in autumn in recent 30 years

圖6 近30年冬季霧霾平均日數(shù)空間分布圖Fig.6 spatial distribution of average days of haze in winter in recent 30 years

2.3 實例分析

2019年12月7日～12月11日邢臺地區(qū)出現(xiàn)一次明顯的霧霾天氣過程，從7日地面觀測資料顯示從7日18時開始相對濕度由59迅速上升至91，能見度下降到754m，達(dá)到了大霧的標(biāo)準(zhǔn)，從圖7可以看出相對濕度達(dá)到94，相對溫度曲線有一個明顯的逆溫層，此時地面顯示的風(fēng)速為1.2m/s，20時能見度持續(xù)下降，風(fēng)速一直維持在1m/s左右，逆溫現(xiàn)象也處于不斷發(fā)展過程中。

圖7 12月7日19時高空探測曲線圖Fig.7 High altitude detection curve at 19∶00 on December 7

圖8 12月8日07時高空探測曲線圖Fig.8 High altitude detection curve at 07∶00 on December 8

圖9 12月8日19時高空探測曲線圖Fig.9 High altitude detection curve at 19∶00 on December 8

圖10 12月11日07時高空探測曲線圖Fig.10 High altitude detection curve at 07∶00 on December 11

圖8、圖9中顯示逆溫層高度一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，相對濕度維持在99，風(fēng)速1m/s，一直到10日19時相對濕度到了55，風(fēng)速達(dá)到3.6m/s，能見度4 320m，隨著風(fēng)速的加大，能見度逐漸好轉(zhuǎn)，到了11日01時，能見度達(dá)到15 901m，圖10中可以看出此次霧霾過程趨于結(jié)束。此次過程顯示，霧霾的天氣與逆溫層的形成、發(fā)展、消散有著直接的關(guān)系[15～21]，當(dāng)?shù)孛鏈囟乳_始下降時，且相對于大氣下降速度較快，為逆溫現(xiàn)象開始，此時霧霾開始形成，能見度開始下降，此后逆溫現(xiàn)象加劇，圖8、圖9逆溫層的高度增高，為中期，而后太陽輻射是地面增溫，逆溫現(xiàn)象慢慢消失。圖10為消散期。

2.4 霧霾期間污染物分布情況

圖11為2019年12月7日～2019年12月12日PM2.5、PM10日均濃度分布圖，通過監(jiān)測站點PM2.5、PM10實時濃度計算出2019年12月7日～2019年12月12日的PM2.5、PM10的日平均濃度，從圖11中可以看出，8～9日PM2.5、PM10濃度最高，結(jié)合地面氣象要素，這段時間的風(fēng)速平均為1.5m/min，溫度一直在-3℃左右，穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)使得大量的污染物難以擴(kuò)散，能見度最低達(dá)到了34m，10日以后隨著風(fēng)速的加大，溫度的持續(xù)上

圖11 PM2.5、PM10日均濃度分布圖Fig.11 the daily average distribution of PM2.5 and PM10

升，PM2.5、PM10濃度也呈現(xiàn)一個下降的趨勢，高溫使得地面空氣上升，高空空氣下降，形成的對流運動加速了污染物的擴(kuò)散，能見度變好。

2.5 相關(guān)氣象要素分析

為了更好的分析此次霧霾過程，運用spss對溫度，相對濕度，能見度及風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，由下表可以看出，能見度與相對濕度的相關(guān)系數(shù)最大-0.769，呈負(fù)相關(guān)，相對濕度越大空氣中的污染物吸收水分變的越大，能見度越低，其次是溫度，地面溫度越高，加劇水汽蒸發(fā)，易于空氣中污染物的消散，能見度越好；風(fēng)速是大氣水平擴(kuò)散能力的主要指標(biāo)，風(fēng)速與能見度是0.525，正相關(guān)，風(fēng)速的大小決定了大氣稀釋擴(kuò)散能力的大小。

表 各氣象要素的相關(guān)性分析Tab. Correlation analysis of meteorological elements

3 結(jié) 論

3.1 通過空間分布圖，線性趨勢圖發(fā)現(xiàn)1990～2018年邢臺地區(qū)的霧霾不同季節(jié)霧霾的嚴(yán)重程度和空間分布呈現(xiàn)不同的特點，秋冬最為嚴(yán)重，其中12月份霧霾日數(shù)最多，夏季最少，月平均霧日和霾日變化趨勢一致。

3.2 2019年12月7日～11日的霧霾過程非常明顯，結(jié)合高空及地面的氣象要素變化分析得出，霧霾天氣與能見度，逆溫層，風(fēng)速，相對濕度都有顯著相關(guān)性，而逆溫層的存在是霧霾天氣形成的一個關(guān)鍵因素。

3.3 PM2.5、PM10濃度增加可以直接導(dǎo)致霧霾天氣的形成，使得能見度下降，空氣質(zhì)量變差，影響人們的健康，而風(fēng)速和溫度則與霧霾的消散有直接關(guān)系。