邢臺市霧霾與氣象條件的相關性研究

李 猛，國 慧，宋曉奎

（邢臺學院數(shù)學與信息技術學院，河北 邢臺 054001）

霧霾主要是由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物等大氣污染物組成，這些污染物與霧氣一起形成了影響人們生活霧霾天氣，對人體健康極為不利[1]。在中國乃至全球，霧霾導致的危害已經給人類的生存帶來嚴重地威脅，因此治理霧霾刻不容緩。霧霾是一種籠統(tǒng)的說法，其本質仍是大氣污染物，因此研究霧霾與氣象條件的相互關系，其主要任務就是研究大氣污染物與氣象條件的關系。本文以邢臺市為例，通過對2016～2018年逐日的大氣污染數(shù)據與氣象條件的數(shù)據進行分析研究，以厘清大氣污染物與各氣象條件的關聯(lián)，為霧霾的治理提供參考依據。

1 研究區(qū)域概況

邢臺市地處華北地區(qū)，位于河北省南部，市區(qū)面積214.84 km2，常住人口739.52萬，是重要的交通樞紐。由于緊靠太行山脈，污染物難以擴散，近些年邢臺市的霧霾天數(shù)較多，空氣質量在國內城市中位居末流，急需治理。本文的數(shù)據來源于中國氣象科學數(shù)據共享服務網，選取的監(jiān)測站位于東經114°30’，北緯37°4’，海拔77.3 m。通過對2016-2018年監(jiān)測站的氣象數(shù)據進行統(tǒng)計，日平均氣溫14.6 ℃，平均風速3.3 m/s，相對濕度的平均值57%，日照時數(shù)5.37，平均氣壓994.9 hPa.

空氣質量指數(shù)是根據五種大氣污染物計算得出的評價指數(shù)，能夠刻畫污染程度的宏觀走勢，而且這些污染物均為霧霾的主要污染成分。邢臺市2016～2018年逐日的空氣質量指數(shù)曲線如圖1所示，重度污染與嚴重污染天數(shù)總計達120天，污染情況較為嚴重，每年的峰值出現(xiàn)在12月、1月和2月，在5月至9月期間較為平緩，數(shù)值相對較低，因此整體來看冬季污染最為嚴重，也是霧霾的高發(fā)季節(jié)，夏季污染程度較低，季節(jié)性變化趨勢明顯。

圖1 邢臺市2016-2018年空氣質量指數(shù)

2 大氣污染物與各氣象因素的相關性分析

2.1 數(shù)據的預處理

獲取的氣象污染物數(shù)據包括2016～2018年邢臺市的逐日數(shù)據，包括PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3六類污染物。氣象數(shù)據包括平均氣溫、平均氣壓、平均風速、相對濕度、累計降水與日照時數(shù)。相關性計算使用MATLAB軟件進行，導入數(shù)據后進行無量綱化處理和一致性處理。

2.2 相關性計算結果分析

影響大氣污染的因素較多，氣象條件對于大氣污染物的成因沒有決定作用，但對于擴散和傳輸起了主要作用，因此它們之間會存在一定的相關性。相關性計算基于MATLAB軟件進行，使用函數(shù)corrcoef完成計算，計算結果如表1所示，從計算結果可以看出各項數(shù)據的相關性并不強，但呈現(xiàn)一定的規(guī)律，主要是由于氣象條件影響了污染物的擴散和傳輸[1]。

表1 大氣污染物與氣象因素的相關性

2.2.1 氣溫

從表1的計算結果可以得出，氣溫與PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2這5種大氣污染物均呈現(xiàn)較明顯的負相關，與PM2.5相關性最高，其次是NO2、SO2、CO、PM10，而且相關性差距較小。氣溫較高會影響大氣層結穩(wěn)定度，加速對流，能夠使得大氣污染物向上運動，降低近地層的污染濃度[2]，改善空氣質量。冬季氣溫低，大氣擴散與傳輸能力相對較差，加劇了空氣污染。

氣溫與O3的相關系數(shù)為0.7 813，呈現(xiàn)較明顯的正相關。揮發(fā)性有機物如醛酮類物質，會在高溫和光照下催化生成O3[3]，因此夏季O3污染壓力最大。

2.2.2 氣壓

與氣溫的影響正相反，氣壓與PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2這5種大氣污染物均呈現(xiàn)較明顯的正相關關系。當?shù)蛪合到y(tǒng)主導時，氣流上升且對流加劇，有益于大氣污染物的擴散和傳輸[4]，當高壓系統(tǒng)主導時所起的作用相反。以上的分析基于2016～2018三年數(shù)據進行，值得一提的是，如果分別對各個季節(jié)進行討論，所得結果可能有所不同。例如，在夏季氣壓與這5種大氣污染物就不是正相關，而是呈負相關或者不相關，說明其他氣象條件同時對大氣污染物的濃度產生了影響，并非單一作用。

氣壓與O3的相關系數(shù)為-0.7 041，呈現(xiàn)出較明顯的負相關，但氣壓與O3的產生沒有直接關聯(lián)，主要與氣溫有關，夏季氣壓較低但氣溫較高，因此出現(xiàn)了較為明顯的負相關關系。

2.2.3 風速

風速與PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2這5種大氣污染物同樣是負相關，相關系數(shù)數(shù)值較低，與邢臺市平均風速較小有關。風速對PM2.5和NO2相關性最明顯，與SO2相關性最弱。隨著風速的增強，有利于污染物的疏散[5]。風速對于O3也應具有影響，但O3與溫度的關系更為顯著，造成風速與O3呈現(xiàn)較弱的正相關。邢臺冬季風速較小，不利于污染物的擴散和稀釋，污染嚴重，但冬季氣溫較低，O3含量低，受風速影響較小。

2.2.4 相對濕度和降水量

相對濕度與SO2和NO2負相關，與其他污染物相關系數(shù)較小。SO2和NO2易溶于水，濕度較大會對這2種污染物進行稀釋，濃度會減少。濕度增加時，水汽會對大氣污染物有一定的吸附作用，起到改善空氣質量效果。邢臺市天氣干燥天數(shù)較長，冬春雨雪少，而在濕度較高的夏季空氣污染物相對較少，因此相對濕度與各污染物的相關性并不明顯。

與相對濕度情況類似，降水量與各污染物相關性更低，均小于0.05，降水量可以對大氣污染起到很好的稀釋作用，但邢臺市降水偏少，因此與各污染物的相關性較弱。

2.2.5 日照時數(shù)

從表1可以得出，日照時數(shù)與PM2.5、PM10、CO、NO2呈負相關，但相關系數(shù)不大。日照時數(shù)較長時，地面溫度相對較高，有利于對流運動，大氣污染物可以更好的擴散出去。與O3呈明顯的正相關，日照時數(shù)較長，氣溫高，正是O3含量較高的夏季。

3 結論

綜上所述，在邢臺市，除O3外，氣溫與大氣污染物呈明顯的負相關，氣壓與大氣污染物呈明顯的正相關，其他氣象條件與大氣污染物多數(shù)呈負相關，但相關性數(shù)值較低。理論上風速、相對濕度和降水量對于大氣污染物也應該有較大影響，但由于邢臺市平均風速較低、降水量不高、空氣干燥的特點，因此并未產生明顯關聯(lián)。而O3的產生與氣溫和光照時數(shù)相關性最強，受其他氣象條件的影響不大。

各氣象條件對于大氣污染均有影響，只是影響程度存在差異，這種影響不是單一作用的結果，需要多種氣象條件相互作用和綜合反應才能產生作用。更多情況下，氣象條件主要決定大氣污染物的稀釋擴散和傳輸途徑，并非產生的根本原因。在實際治理中，應結合氣象條件對于大氣污染的影響，從污染源下手，減少污染物的排放，科學預防和治理，才能從根本上解決邢臺市環(huán)境污染嚴重的問題。