河北省雾霾波动变化特征及成因研究

2016-08-11于文金吴雁黄亦露于步云谢涛邱新发付杰

大气科学学报 2016年4期

关键词：能见度日数雾霾

于文金,吴雁,黄亦露,于步云,谢涛,邱新发,付杰

南京信息工程大学遥感学院,江苏南京 210044

河北省雾霾波动变化特征及成因研究

于文金*,吴雁,黄亦露,于步云,谢涛,邱新发,付杰

南京信息工程大学遥感学院,江苏南京 210044

2014-05-20收稿，2015-01-12接受

国家重大科学研究计划项目(2012CB955900;2013CB430202);国家自然科学基金资助项目(41276187);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

摘要利用气象、土地利用等资料,采用统计方法,对河北省雾霾的特征及诱因进行了研究,结果发现:1)河北省多年平均雾霾日数分布情况呈由西南往西北逐步递减的趋势;各季节雾霾天能见度的空间分布不同,秋冬雾霾较为严重,自西南向东北呈递减的趋势,夏季自西南向东北呈递增的趋势,春季则自东南向西北呈递增的趋势。2)河北省近几十年来雾霾日数增加明显,增长斜率为0.45,但低能见度日数并不随雾霾日数增加而增加,主要是因为雾日数持续减少。3)河北省雾霾与国内生产总值(Gross Domestic Product,GDP)、能源消耗总量呈正比关系,而与机动车数量相关性不大。

关键词

雾霾

特征

归因

控制因素

21世纪以来,在人类经济增长和气候变化双重压力下大气环境问题日益突出,雾霾天气作为大气污染的气象灾害已经引起社会的广泛关注。中国作为发展中国家面临着发展与环境的两难抉择(Seinfeld,1986;Kerminen et al.,2010;朱彤等,2010;丁一汇和柳艳菊,2014;刘端阳等,2014;王跃思等,2014;王自发等,2014;张人禾等,2014),其中中国的雾霾问题已经成为世界性研究热点,学界围绕雾霾的气象条件、组成成分、分布规律等方面展开研究并取得了系列成果(Pan et al.,2009;Mikko et al.,2010;史军等,2010;张晶等,2011;Zhang et al.,2011;Shi et al.,2012;刘端阳等,2014)。然而,由于各地雾霾的控制因素不同,雾霾的关键因素和形成主因尚不清晰。

本文以河北省雾霾为研究对象,分析雾霾的空间分布以及长时间波动规律并预测其未来变化趋势,探讨其成因和关键因子。

1　资料

图1　河北省气象站点分布Fig.1　Distribution of meteorological stations in Hebei Province

选用1961—2013年河北省98个站(包括基准站、基本站和一般站,具体站点见图1)的雾、霾、气温、风速和露点等数据(数据来源:河北省气象局气候中心和国家气象局气候中心),站点空缺资料和分年份站点迁移造成的影响均经过相应处理;同时采用1980年和2005年的土地利用数据(数据来源:中国科学院资源环境科学数据中心)及2000—2007年的MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)气溶胶光学厚度数据(数据来源:上海市卫星遥感与测量应用中心。该数据为对比检验后的NASA MODIS level2气溶胶产品,空间分辨率为10 km);此外,文中涉及的产业经济数据、能源数据以及汽车保有量数据均来源于河北省统计局,部分环境资料来自于国家环保部环评中心。能见度分级如表1所示。

图2　河北省年雾霾日数的空间分布特征　　a.1961—2013年河北省98个站点的多年平均雾霾日数分布;b.1980—2013年河北省11个站点的多年平均雾霾日数分布Fig.2　Spatial distribution of annual Hebei haze days:(a)distribution of average haze days at 98 sites in Hebei Province from 1961 to 2013;(b)distribution of average haze days at 11 sites in Hebei Province from 1980 to 2013

表1能见度等级划分

Table 1Visibility classification

等级能见度距离(L)/m0L<50150≤L<2002200≤L<5003500≤L<100041000≤L<200052000≤L<400064000≤L<10000710000≤L<20000820000≤L<50000950000≤L

2　结果分析

2.1河北省雾霾的空间分布特征

2.1.1年雾霾日数的空间分布特征

1961—2013年河北98个站点的多年平均雾霾日数分布情况呈西南往西北逐步递减的趋势(图2a)。河北省长城以南大部分地区年均雾霾日数在5 d以上,太行山区及其山前平原区在10 d以上,石家庄和邢台西部、邯郸北部的年均雾霾日数最高,达30 d以上,部分地区超过40 d,在石家庄西南部的局部甚至超过50 d;河北省长城以北大部分地区雾霾日数小于5 d,张家口北部、承德北部和东部、秦皇岛东北部雾霾日数最少,不足1 d。

近年来河北省雾霾天气日趋严重,从11个站1980—2013年34 a雾霾日数的多年平均值来看(图2b),各站点雾霾日数都有上升,但空间的分布仍然没有改变原来的趋势,只是西北部有加重的趋势。在此期间,河北省雾霾日数最多的地市是邯郸市,年均雾霾日数为202.8 d;其次是沧州站,年均雾霾日数为195.8 d;雾霾日数最少的是承德市,年均雾霾日数为26.1 d。可见即使雾霾日数最少的承德市也超出了20 d,接近了20世纪80年代初太行山区和山前平原的沧州站的水平,而邯郸等西南部城市更加严重,全年一半的时间会出现雾霾。

图3　河北雾霾的季节空间分布　　a.春;b.夏;c.秋;d.冬Fig.3　Distribution of Hebei haze visibility by season and by area:(a)spring;(b)summer;(c)autumn;(d)winter

2.1.2雾霾天气下四季能见度的空间分布

根据河北省的气候特点,分别以4月、7月、10月和1月四个月的月平均能见度代表春、夏、秋、冬四个季节的能见度分布,可见河北省1980—2013年雾霾天能见度各个季节的空间分布不同(图3)。秋冬雾霾较为严重,呈由西南向东北递减的趋势。春夏变化没有秋冬的时空分布差异那样明显,夏季和秋季、冬季的趋势一致,由西南向东北呈低值—高值的分布;春季则由东南到西北呈现低值—高值的分布。由此可见,河北省不同季节雾霾的严重程度和空间分布呈现出不同的特点,应分季节探讨雾霾的特征和诱因。

2.2河北省雾霾的统计特征

2.2.1雾霾能见度趋势

雾是指由于浮游在近地面空气中的大量微小水滴或冰晶(合称雾粒)对可见光的散射作用使测站能见度小于1 km的天气现象;霾则是指大量极细微的尘粒、烟粒、盐粒等均匀地浮游在空中,导致空气普遍混浊,水平能见度小于10 km的天气现象。雾霾能见度范围在1～10 km之间(张运英等,2009;赵桂香等,2011;黄文彦,2015)。研究发现,近几十年来河北省雾霾日数增加,增长斜率为0.45(图4a),特别是1981年以来,雾霾日数持续高位,2001年后经历短暂小幅下降后又快速回升,同期低能见度日数(能见度<6 km)却呈现出降低的趋势(图4c)。同时发现,同期雾日数呈现出持续下降的趋势(图4b),可见造成低能见度日数并不随雾霾日数增加的主要原因是雾日数(能见度<1 km)的持续减少。

图4　1971—2013年河北省雾霾能见度变化　　a.雾霾日数;b.雾日数;c.低能见度日数Fig.4　Hebei haze visibility changes from 1971 to 2013:(a)haze days;(b)fog days;(c)low visibility days

2.2.2雾霾日数年代际变化

河北省各年代年均雾霾日数如图5所示。20世纪60年代,河北全省(除1个站点外)各地年均雾霾日数均在2 d以下,且大部分地区不足1 d;70年代,中南大部分地区年均雾霾日数在1 d以上,太行山前部分地区超过5 d,局部超过10 d;80年代,年均雾霾日数超过1 d的范围有所扩大,尤其5 d以上的范围增加明显;90年代,5 d以上的范围继续扩大,涉及太行山中南部及其山前平原大部分地区和唐山的部分地区,其中石家庄、邢台、邯郸三市的部分地区达10 d以上,局部超过20 d;21世纪10年代,石家庄和邢台两市的雾霾日数在5 d以上的范围比90年代有所减小,但保定和邯郸两市的范围增加;2011—2012年,太行山中南部及其山前平原的雾霾日数在1 d以上,局部3～4 d,其他区域均不足1 d。

总体上1980—2013年河北省的年均雾霾现象日数高达111.9 d。最多雾霾现象日数发生在2013年,为166.1 d;最少雾霾日数出现在1986年,为76.6 d。在过去34 a期间雾霾日数以18.3 d/(10 a)的速率增加,波动性增加趋势非常明显。

2.3河北雾霾关键因子分析

2.3.1雾霾与温度、湿度分析

由表2可见,在雾霾天气下,石家庄、邢台、张家口、承德、廊坊、唐山和保定几个站里面湿度与能见度成正相关,邯郸、秦皇岛、沧州、衡水则反之。除石家庄、廊坊两地外其余个站点的雾霾日数与温度呈正相关。除衡水之外的十个站湿度越高,雾霾日数越低。

从贡献率来看,湿度的贡献率均高于温度。可见在雾霾天气下,能见度和湿度的相关性不明显,与温度呈现出较高的正相关;雾霾日数与湿度呈现负相关,与温度呈现正相关,且雾霾天日数受湿度的影响更大。故可通过增加空气湿度来减少或控制雾霾。

以石家庄市为例,对比不同日均相对湿度与雾霾天气出现的频次变化情况,发现随着日均相对湿度的逐渐增大,雾霾天气的出现概率呈先增大后减小的趋势。当日均相对湿度小于20%时,雾霾发生概率很小,仅占0.3%;日均相对湿度增至70～79%区间时,雾霾出现所占概率达到峰值,为23.9%,之后雾霾出现的概率随日均相对湿度的增大呈下降趋势。

在气候变暖条件下,由于温度和饱和比湿增加,导致近地面相对湿度减少,对雾和霾的生成环境条件可能产生影响。日均相对湿度降低,意味着霾粒子更不易向雾滴转换,这可能是导致雾日减少的一个气象因素。大气环流背景场以及气象场的逐日演变,都对河北地区的持续性强雾霾事件产生了重要影响。从2013年1月的大气环流背景场来看(图略),东亚冬季风明显偏弱,我国东部区域风速减弱、风的垂直切变减小、对流层大气温度偏高、对流层低层垂直逆温加强,这些背景气象场有利于强雾霾天气的出现及其持续维持。

2.3.2雾霾诱因分析

研究发现,随着河北省经济不断增长,雾霾日数呈现出增加趋势,能见度呈现降低趋势。雾霾日数、能见度与国内生产总值(Gross Domestic Product,GDP)相关显著(图6a),相关系数分别为0.390 7和-0.623 0。可见,快速的经济增长对河北省雾霾具有一定的贡献,两者之间关系密切。

分析1980年以来河北省雾霾日数及能见度与能源消耗总量之间的关系发现(图6b),河北省能源消耗与雾霾日数呈正相关、与能见度呈反相关,相关系数分别为0.232 0和-0.860 7,其中能源消耗与能见度的相关关系十分显著。可见,造成河北省雾霾天气能见度降低的重要因素是能源消耗(主要为化石能源)的急剧上升,其中包括生产生活用能源消耗的增长和机动车能耗的增长。所以改变能源结构、控制化石能源消耗总量对于减轻雾霾具有现实意义。

进入21世纪,河北省机动车数量明显增加,而雾霾日数和能见度均呈现下降趋势(图6c)。可见机动车对河北雾霾的贡献率不大。据此可推测,机动车保有量的增加对河北雾霾的相关性不强。

表2河北省各个站点雾霾能见度、日数分别与湿度、温度的相关系数

Table 2Correlation coefficients among haze visibility,haze days,humidity and temperature at Hebei meteorological stations

能见度&湿度能见度&温度日数&湿度日数&温度湿度贡献率/%温度贡献率/%石家庄0.40-0.45-0.510.403.480.69邢台0.030.18-0.430.642.550.52邯郸-0.240.24-0.660.857.631.07张家口0.25-0.36-0.670.017.132.35承德0.390.27-0.41-0.7721.188.00秦皇岛-0.220.41-0.810.323.430.94廊坊0.45-0.32-0.30.8518.560.63唐山0.260.09-0.76-0.123.141.56保定0.290.38-0.700.476.050.55沧州-0.260.54-0.700.2021.6280.81衡水-0.170.270.36-0.195.320.87

图6　河北省雾霾日数和能见度与GDP(a)、能源消耗(b)及机动车数量(c)的关系Fig.6　Relationship between the number of haze days in Hebei Province and (a)GDP,(b)energy consumption and (c)number of motor vehicles

综上,河北省雾霾与GDP、能源消耗总量呈正比关系,而与机动车数量相关性不强,说明影响河北省雾霾天气的关键因素为当地的大气环流、大气性质、工业增长污染物排放以及生活燃料排放。生产和生活排放的气态污染物在细颗粒表面的非均相反应可改变大气颗粒物的粒径及化学组分,促使颗粒物中的二次无机盐的比例逐渐增大,导致颗粒物吸湿性显著增强,从而对强霾污染形成起到了促进作用。数值模式的模拟结果表明(王自发等,2014),在典型地点(如北京、天津、秦皇岛和沧州),来自京津冀区域外跨城市群的输送和区域内的输送之和与局地污染源贡献相当,气象—大气污染双向反馈机制对强霾的形成也有非常重要影响。

3　结论

1)河北省多年平均雾霾日数分布情况呈现出由西南往西北逐步递减的趋势,河北省长城以南大部分地区年均雾霾日数在5 d以上,太行山区及其山前平原区在10 d以上,石家庄和邢台西部、邯郸北部雾霾日数最高,在30 d以上。

2)1980—2013年河北省雾霾天能见度各季节的空间分布不同,秋冬雾霾较为严重,呈现出由西南向东北递减的趋势。春夏变化没有秋冬的时空分布差异那样明显,夏季、秋季、冬季的趋势一致,自西南向东北呈由低值—高值的分布;春季则呈现由东南到西北呈现低值—高值的分布。

3)近几十年来河北省的雾霾日数增加,增长斜率为0.45,同期低能见度日数(能见度<6 km)却呈现出降低的趋势,低能见度日数并不随着雾霾日数增加的主要原因是因为雾日数持续减少。

4)河北省雾霾与GDP、能源消耗总量呈正比关系,但与机动车数量的相关性不强。调整工业产业结构,提升生活方式和燃料结构是当前减轻河北雾霾的有效途径。

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Based on meteorological data and land-use data,statistical research methods,the genesis of haze in Hebei Province,as well as the spatial distribution and variation of haze during 1980—2013 and its long-term trend,are analyzed in this paper.The statistical analysis results can be summarized as follows:

(1)There is a gradual decreasing trend in the multi-year average number of haze days from the southwest to the northwest.It is more than 5 days in most areas south of the Great Wall in Hebei Province,and more than 10 days in the Taihang Mountain area and Piedmont Plain area,with a maximum of 30 days or more in Shijiazhuang,West Xingtai and North Handan.The spatial distribution of visibility on haze days depends on the season.Visibility is better on haze days in winter than in spring,summer and autumn,with a decreasing trend from high values in the southwest to low values in the northeast in summer,autumn and winter,while a distribution of low values in the southeast to high values in the northwest in spring.

(2)In recent decades,the number of haze days has an increasing trend(slope:0.45),especially since 1981.Furthermore,for years after 2001,there is a brief decreasing trend after a rapid rise in the number of haze days in Hebei Province.However,the number of low-visibility days does not increase as the number of haze days increases,mainly due to the decrease in fog days.

(3)The number of haze days and meteorological factors are significantly correlated.The contribution rate of humidity is higher than that of temperature,meaning we can reduce or control fog and haze by increasing the air humidity to a certain extent.With the economic growth in Hebei Province,the number of fog and haze days shows an increasing trend,and the visibility shows a decreasing trend.Haze days,visibility and GDP are significantly correlated.There is positive correlation between haze and GDP,population growth,and energy consumption,but negative correlation between visibility and GDP and energy consumption in Hebei.The increase in the number of motor vehicles affects the number of haze days in Hebei Province very weakly.Therefore,to alleviate haze in Hebei Province,effective methods include industrial restructuring,changing the traditional heating system,as well as adjusting the structure of the fuel.

haze;characteristics;attribution;control factors

(责任编辑：孙宁)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140520002

The variation and genesis of haze in Hebei Province

YU Wenjin,WU Yan,HUANG Yilu,YU Buyun,XIE Tao,QIU Xinfa,FU Jie

NanjingUniversityofInformationScience&Technology,InstituteofRemoteSensing,Nanjing210044,China

引用格式：于文金,吴雁,黄亦露,等,2016.河北省雾霾波动变化特征及成因研究[J].大气科学学报,39(4):554-561.

Yu W J,Wu Y,Huang Y L,et al.,2016.The variation and genesis of haze in Hebei Province[J].Trans Atmos Sci,39(4):554-561.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140520002.(in Chinese).

*联系人，E-mail:yuwj@nuist.edu.cn