石家庄市采暖季霾日气象特征及其心理健康效应

朱泽恩，马敏劲,2，朱安豹

(1. 甘肃省干旱气候变化与减灾重点试验室，甘肃　兰州　730020；2. 兰州大学大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃　兰州　730000)



石家庄市采暖季霾日气象特征及其心理健康效应

朱泽恩1，马敏劲1,2，朱安豹1

(1. 甘肃省干旱气候变化与减灾重点试验室，甘肃兰州730020；2. 兰州大学大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃兰州730000)

摘要：选取石家庄2001~2010年12月至翌年2月28次空气污染过程，结合海平面气压场和500 hPa高度场，总结出有利于霾发生的4种天气类型：槽脊型、纬向型、横槽后部型和鞍形气压场型。利用WRF模式对一次霾发展变化过程进行数值模拟，分析霾生消与气象要素间的关系，结果表明低层持续的均压场和逆温层结造成大气污染物持续累积，霾得以持续数日。在霾持续期间开展心理问卷调查，分析霾对成人心理健康的影响，结果表明持续一周的霾会对人体心理健康产生影响，其中对强迫、抑郁和焦虑3种症状影响最大。

关键词：霾；天气分型；数值模拟；心理健康

引言

近年来，全国范围内出现了不同程度的霾污染，河北地区是霾天气出现频繁的区域之一，石家庄的霾污染尤其严重。关于河北地区近年来空气污染特征及其形成机制，之前已有很多研究工作，如魏文秀[1]对1971~2007年河北霾的时空分布进行统计分析，发现了河北霾出现频数的地域性与月际分布特征，归纳出河北地区霾日500 hPa的5种环流形势；李国翠等[2]通过对石家庄地区典型污染日的统计分析，得出典型污染日的分布特点、对应的气象要素特征及3种天气型；王从梅等[3]对京津冀地区采暖季的大气污染日进行分析，把影响京津冀区域污染的天气形势划分为5种；杨晓亮等[4]通过对河北省持续雾霾天气期间气象因子与PM2.5浓度的关系进行统计分析，得出PM2.5是造成霾阶段水平能见度下降的主要原因，并分析了相对湿度与能见度之间的关系；苗爱梅等[5]指出地面弱的气压场和较小的风速以及PM2.5浓度的上升和相对湿度的增大为持续性雾霾天气过程的形成和发展提供了有利条件；张夏琨等[6]分析石家庄地区的气象条件与空气质量之间的关系，指出风向、适当风速、弱降水、稳定层结都是导致污染发生的重要因素。

随着霾污染的加重，霾对人体的危害也越来越引起关注。钟南山院士研究认为霾污染会对人体呼吸系统、脑神经系统、心血管系统等产生威胁，特别是会导致肺癌[7]。大量的流行病学显示大气污染与呼吸系统疾病、心肺疾病的门诊人数有密切关系。霾也会对心理健康产生影响，就环境、空气污染对心理健康的影响已经开展了一些研究，如曹行船等[8]从环境心理学的角度论证了环境污染可以通过作业环境、室内环境、生态环境对人的心理行为产生影响，也可以通过遗传变异导致出生缺陷，或直接损伤身体等方式对心理和行为产生影响，并且提出心理干预的应对措施；刘凯等[9]针对装修居室内空气污染对成人心理健康状态的影响进行分析，认为室内空气污染可能是影响居民心理健康的重要因素。

本文分析石家庄2001~2010年12月至翌年2月28次空气污染过程，对污染过程所对应的天气划分相应的环流型；对一次持续的霾过程进行数值模拟研究，探析河北地区霾生消特征和发展变化机制；并在霾持续过程中进行了心理问卷调查，分析霾生消变化过程对人体心理健康的影响，以帮助人们意识到霾天气对于自身心理健康的影响，从而有效地控制情绪、自觉地调整心理状态、提高工作效率和生活质量。

1资料与方法

划分天气类型所用数据为NCEP再分析资料，污染物资料来自环保部发布的污染物监测数据。

相关研究表明，影响城市大气污染持续维持的因素主要有3方面：特殊的地形、相对固定的污染物排放量、稳定的气象条件[10]，针对某个地区某段时间，地形和污染物的排放都是固定的，影响污染发生和结束的主要因素就是气象条件。刘兴中等[11]对南京大气高浓度污染与气象条件的关系研究中，指出天气形势与大气污染程度密切相关；杨德保等[12]分析兰州市区大气边界层监测试验与污染物浓度资料，发现不同天气系统和气压系统对空气中污染物浓度的影响非常明显；王喜全等[13]利用北京空气质量监测资料与NCEP再分析资料，分析确定了2类北京PM10重污染的典型天气形势；郭立平等[14]分析了造成河北廊坊地区连续重污染天气过程最主要的2类配置类型。在不同天气形势控制下，同样的排放有不同的空气污染效果，产生的霾及其持续天数也就不同。近年来河北地区的霾污染不断加重，研究石家庄霾期间的天气形势，对治理、预测和控制霾污染都有很重要的意义。

石家庄的采暖季为每年的12月、1月和2月。因此对石家庄2001~2010年12月、1月及2月的逐日空气污染指数进行统计，将连续3 d以上空气污染指数>100，且首要污染物为可吸入颗粒物的污染过程作为一次连续污染过程[15]。利用NCEP再分析资料画出污染发生前和消散时的500 hPa高度场与海平面气压场，对影响区域污染的天气类型进行归类，找出对持续污染形成的有利天气条件。

2014年12月31日至2015年1月6日发生了一次持续时间近一周的严重霾污染过程，针对这次霾过程，利用中尺度气象模式(WRF)对其过程进行模拟，分析霾生消发展变化过程中风速、温度、气压以及其他边界层特征，探讨气象条件对霾生消发展变化的影响，了解造成此次持续性空气污染的气象场特征与气象因子特征。

研究霾持续期间对人体心理健康的影响采用问卷调查方法，考察持续的霾天气对人体心理健康是否会产生影响，探究持续性霾对人体心理健康的影响程度。设计2种实验：第一次在霾发生前和发生后分别对人群进行调查，前后对比得出霾天气是否对人体心理健康产生影响；第二次调查在霾发生一周后进行，并把调查所得结果与全国常模相比较，旨在研究持续霾天气对人体心理健康影响的严重程度，采用Derogatis氏90项症状自评量表(Symptom Checklist 90, SCL-90)进行心理健康调查。症状自评量表(SCL-90)包括反映躯体化、强迫症状、人际关系、抑郁症状、焦虑症状、敌对情绪、恐怖症状、偏执症状、精神病性、饮食睡眠等10个方面的因子，共包括90个症状，每项症状的严重程度从1(没有症状)到5(极严重)分为5级[8]。一般规定9个因子中的任一因子分值>3为阳性，表示有中等程度以上的心理健康问题，分值越高，表明其心理健康水平越低。

第一次调查选取的霾过程发生在2014年11月28日至12月6日，发放问卷50份，实际回收问卷48份，其中男性25人，女性23人，人群主要为公务员，也有一些私企员工与少量大学生，调查人群年龄主要分布在20~30岁，受教育程度均为大学本科及以上学历；第二次调查选取2015年1月15日，共发放问卷100份，回收问卷87份。调查地址选在河北省图书馆，调查人群主要是学生和图书馆工作人员，调查人群的年龄在18~40岁之间，在问卷中对一些最近一周发生过重大情绪波动或是具有某些呼吸道疾病的样本进行剔除，以保证调查群体是身体、心理健康的人群。

2空气污染过程的天气分型

通过对石家庄2001~2010年1月、2月和12月的逐日空气污染指数进行统计，共得到28次空气污染过程，对应其高空与低空形势，归纳出4种天气型见表1。其中1个个例没有入型，槽脊型天气形势又分为2槽1脊型、1槽1脊型、2槽2脊型和2脊1槽型。

表1　空气污染过程的天气分型

2.1槽脊型

(1)1槽1脊型

污染发生前，500 hPa高度场为1槽1脊形势。槽在我国东北地区至日本海一带，有时东北地区还有低涡存在，脊在贝加尔湖一带。污染持续期间，高空被纬向或西北气流所控制，一个槽过境后，污染会消散。相应的近地面低空形势，污染发生前河北地区处于蒙古高压后部。冷空气主体位于蒙古地区，高压不断向东移动，伴随冷空气到来，污染消散(图1)。

图1　1槽1脊型(a,b)、2脊1槽型(c,d)、2槽1脊型(e,f)、2槽2脊型(g,h)

(2)2脊1槽型

污染发生前高空为2脊1槽形势，贝加尔湖地区有一低压中心。污染发生过程中，低压向东北方向移动，河北地区上空开始为纬向气流，当低涡到达我国东北地区时河北上空转为西北气流，当低涡经过河北地区后，污染减轻。污染过程中有一次明显的高空冷槽过境，近地面低空形势污染发生前河北地区处于均压场中，新疆北部有一高压，高压不断向东移动，当高压移动到蒙古地区时污染消散(图1)。

(3)2槽1脊型

污染发生前，巴尔喀什湖和日本海一带有2槽，贝加尔湖以东有1脊。贝加尔湖以西有一低涡存在。随着污染持续，低涡不断向前移动，河北上空受纬向气流控制，当低涡到达新疆北部时，河北地区污染消散。低空污染发生前河北地区处于高压均压场中，污染持续过程中一直受均压场控制，直到一次冷锋过境导致污染消散(图1)。

(4)2脊2槽型

此类天气型比较特殊，污染发生前500 hPa高度场呈现2槽2脊形势，随着污染持续，新疆地区形成一低涡，低涡向前移动，当低涡到达河北地区时污染消散。相应的低空形势，与以上几种情况类似，污染发生前河北地区处于均压场控制之下(图1)。

2.2鞍型气压场

污染过程发生前，500 hPa高度场河北地区处于鞍型气压场后的西北气流中，东北地区和巴尔喀什湖上方分别存在一低压，东北地区的低压移动到太平洋上消失，巴尔喀什湖附近的低压移动到新疆北部时，河北地区高空被西北气流控制，此时污染过程消散。相应的低空形势，污染发生前河北地区处于高压区内或高压后部。低空形势受高空形势影响，巴尔喀什湖以西形成一高压，并不断向东移动，污染随之消散。此种污染过程一般持续5 d左右(图2)。

2.3纬向型

污染发生时，河北地区处于纬向气流或是西北气流控制之下，在其上游，一般有低涡存在，低涡不断向东移动，同时有冷空气从低涡中分裂出来影响下游，伴随着污染消散。或是伴随一次槽过境导致污染消散。地面图上，污染发生前地面一般处在高压后部的槽中或是被均压场控制，通常伴随一次冷锋过境，污染迅速消散(图3)。

图2　鞍形气压场型500 hPa(a)及1 000 hPa(b)高度场(单位:gpm)

图3　纬向型500 hPa(a)、1 000 hPa(b)高度场(单位:gpm)

2.4横槽后部型

污染发生前，东北地区有一横槽，贝加尔湖地区有脊存在。横槽转化为一低涡向东北移动，贝加尔湖附近的脊加深，脊线经过河北地区，高空冷空气侵入，污染开始消散。污染发生前，低空高压处在蒙古地区，河北地区位于高压后部，高压不断向东南移动，当高压中心进入我国蒙古境内时，污染消散，污染持续过程中河北地区被均压场控制(图4)。

图4　横槽后部型500 hPa(a)及1 000 hPa(b)高度场 (单位:gpm)

3一次霾过程的数值模拟

3.1霾持续过程

2014年12月31日至2015年1月6日发生了一次持续时间近一周的严重霾污染过程，由图5可以看出，1月1~2日API增量为70，2日API达到190，为中度污染。2~3日增量高达120，3~4日增量为177，污染物浓度在4日累积达到最高，API达到487，属于严重污染，5日API下降至333，6日API降至79，空气质量为良。

根据污染物变化特征，将这次污染过程分为3个阶段：第1阶段为污染物的逐步积累阶段，持续2 d；第2阶段为1月3~4日，污染物浓度迅速增大，4日浓度达到最大，属于重度污染；第3阶段5~6日为污染物浓度下降阶段。

图5　2014年12月31日至2015年

3.2地面天气形势

500 hPa高度场呈1槽1脊型，污染物持续增加阶段(2014年12月31日至2015年1月3日)，高空为西北气流。由海平面气压场(图6)可知，12月31日，自我国蒙古一带到贝加尔湖为高压均压带，内蒙古和山西一带有一高压中心，河北地区位于高压边缘，此后高压不断向东南移动，控制着河北地区，河北地区位于均压区，在东北地区一低压阻挡下，高压连续2 d停滞在河北地区。高压均压出现时，地面和低空风速较小，有时地面出现静风，伴有较强的辐射逆温和下沉逆温，逆温层厚度大、强度高，低层大气层结稳定，不利于空气中污染物的扩散和稀释[16]。由于这次高压带控制时间长，造成污染物长时间累积。5日高空转为西南气流，有冷锋入境，河北地区等压线密集，气压梯度力大，地面北风风力达到4级，污染物向南部输送，石家庄空气质量转好，霾消散。

3.3数值模拟结果

3.3.1边界层气象要素特征

利用WRF模式对石家庄地区此次典型霾过程开展数值模拟。由图7a可知，2014年12月31日风速很大，最高可达到6.9 m/s，至2015年1月1日风速逐渐下降，1月2~3日风速呈不规则波动，但仍在4 m/s以下，为污染物的积累提供了有利的风场条件。4日水平风速最小(<3 m/s)，污染物累积最为严重，5日河北地区风速增大，污染迅速散去。2 m温度场模拟结果(图7b)显示：1月1日和3日气温日较差较大，导致夜间出现强辐射逆温层，利于夜间污染物积累，日出时分容易出现霾天气，如果次日层结稳定，污染状况将持续下去。1月5日由于冷锋过境，温度下降明显。边界层高度一定程度上表征着大气扩散能力，由模拟结果(图7c)可见，1月1日起，夜晚边界层高度较低，2日夜晚边界层厚度<50 m，低混合层高度为污染物在夜间累积提供了良好条件，但日出后太阳辐射造成对流层湍流运动加强，污染物在白天得以扩散，1~3日边界层高度均<600 m，4日边界层高度最低，白天边界层高度不足200 m。

图6　1 000 hPa高度场(单位:gpm)

图7　2014年12月31日至2015年1月6日

大气污染物的扩散主要在大气边界层内进行，气温垂直分布决定污染物在垂直方向的扩散程度，若气温随高度递增，则气流难以在垂直方向运动，从而抑制大气对流和湍流形成，污染物不能及时得到扩散、稀释，容易在近地面形成大气污染[17-19]。图8为2015年1月4日和6日石家庄温度垂直剖面，可以看出4日有很厚的逆温层，6日随冷空气过境，温度降低、逆温层消散，霾消散。

3.3.2水平风场

由图9可知，重污染期间，石家庄地区的水平风场较为一致，1月4日主要受高压脊影响为西南风，风场走向与高压脊走向一致。此时污染物的水平积累是造成霾天气的主要原因，污染物的平流输送较弱。6日受低压槽影响，风速明显增大且转为西北风，造成污染物在近地面层的平流输送，石家庄地区的污染状况迅速得到缓解。

图8　2015年1月4日00时(a)与6日06时(b)模拟的石家庄温度垂直剖面

图9　2015年1月4日(a)及6日(b)模拟的850 hPa水平风场(单位：m/s)

4霾天气对人体心理健康的影响

4.1霾发生前后的心理健康变化

在霾发生前针对市民进行的问卷调查回收50份，霾发生一周后进行调查回收问卷48份。计算问卷调查中，每一项因子对应题目的总分值，并计算其平均值和标准差，结果见表2。霾发生前，5项因子的平均得分介于1.94~2.36，其中恐慌因子平均得分最低，生活作息平均得分最高。霾发生后，5项因子的平均得分介于1.89~2.46，敌对因子平均得分最低。对2组人群得分进行比较可得，除敌对因子外，其余因子在霾发生前的得分大于霾发生后的得分，且2组人群在抑郁和焦虑2个因子上的差异具有统计学意义，说明霾持续一周时已经对人体的心理健康产生了不良影响，霾对人体心理影响最大的症状为抑郁和焦虑。

表2　霾发生前后调查问卷中各因子得分平均值

4.2持续性霾对心理健康的影响

采用Derogatis氏90项症状自评量表在霾持续一周后对石家庄市民进行一次测试，回收问卷87份。计算问卷中的每一项因子所对应题目得分的平均值和标准差，结果见表3。霾持续一周后，被调查者各项因子的平均得分介于1.29~1.74。除躯体化、人际关系和偏执3个因子外，其他因子得分均高于全国常模，其中强迫、抑郁和焦虑3个因子得分与全国常模相比有统计学意义，得分明显高于全国水平。

表3　被调查者各因子得分与全国常模比较

5结论

(1)2001~2010年石家庄采暖期28次持续性污染过程发生时的天气形势分为4种类型：槽脊型、纬向型、横槽后部型及鞍形气压场型，其中槽脊型占所有天气类型的50%。

(2)河北地区持续性污染过程一般对应一次高空环流的调整过程，污染区域通常处于高压均压场控制中，直到高空槽过境，伴随冷空气到来污染过程结束。持续污染的形成还与大气层结及动力条件有关，小风速和低层逆温阻碍污染物在水平和垂直方向扩散，在稳定的天气形势下污染物不断累积造成持续性污染。

(3)心理健康调查结果显示，在霾持续一周时，人体抑郁、焦虑2个因子得分在霾发生前后的差异具有统计学意义，表明霾天气对人体的心理健康产生了不良影响；通过与全国常模比较，霾在持续一周以上时，焦虑、抑郁和强迫3项因子大于全国常模且有明显差异。人体持续生存在严重的霾环境中，会产生烦闷、忧郁的心情，霾造成的严重视程障碍现象会使人产生焦虑的心情；另外，空气中含有许多刺激性污染物质，人体吸入后也会对人体的神经系统产生影响，进而影响人的心理健康。

致谢:感谢君政基金等项目为该项调查研究提供支持和资助，感谢马敏劲副教授、陈舜文教授对本工作指导和帮助.

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Meteorological Characterization of Haze During Heating Period and Effect on Mental Health in Shijiazhuang

ZHU Zeen1, MA Minjin1,2, ZHU Anbao1

(1.KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince,Lanzhou730020,China;2.CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeoftheMinistryofEducation,Lanzhou730000,China)

Abstract:Based on the air pollution processes during heating seasons from 2001 to 2010 in Shijiazhuang, and associated with the sea-level pressure fields and 500 hPa geopotential height fields, the synoptic patterns for air pollution weather were divided into four types including troughs and ridges pattern, zonal circulation pattern, transverse trough pattern and the saddle pattern. Based on the conventional observations and numerical simulation results simulated by the Weather Research and Forecasting model (WRF), relationships between growing and disappearing of haze and meteorological factors were analyzed, it came to the fact that the stable stratification and calm winds controlled by an uniform pressure field led to the continuance of the haze weather. The influence of haze on psychological health was analyzed on the basis of psychological questionnaires during the period of haze growing and disappearing. It was found that the haze affected adult mental health when it continued more than a weak, especially on compulsive, depression and anxiety.

Key words:haze; synoptic patterns; numerical simulation; psychological health

中图分类号：P421.1

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0136-09

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0136

作者简介：朱泽恩(1993-)，男，河北石家庄人，本科在读. E-mail：zhuze11@lzu.edu.cn通讯作者：马敏劲，男，云南昭通人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为大气边界层、空气污染和数值模拟. E-mail：minjinma@lzu.edu.cn

基金项目：国家自然科学青年基金(41205008)、中国气象局兰州干旱气象研究所干旱气象科学研究基金项目(IAM201209)、中央高校小额探索项目(2022014zr0120)和莙政基金共同资助

收稿日期：2015-07-23；改回日期：2015-09-11

朱泽恩，马敏劲，朱安豹.石家庄市采暖季霾日气象特征及其心理健康效应[J].干旱气象，2016，34(1)：136-144, [ZHU Zeen, MA Minjin, ZHU Anbao. Meteorological Characterization of Haze During Heating Period and Effect on Mental Health in Shijiazhuang[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):136-144], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0136