石家庄市雾霾时空特征及影响因子研究

2017-06-10刘征崔泽嘉

湖北农业科学 2017年9期

刘征++崔泽嘉

摘要：分析了石家庄市2015年全年空气质量监测点位所统计的PM2.5和PM10浓度数据的时空分布特征，并研究了PM2.5和PM10浓度与风速、降水量、气温、气压等气象因子以及社会经济之间的相关程度。结果表明，石家庄市PM2.5、PM10在时间上具有周期性演变规律，主要集中在秋冬季节，在空间上具有分布不均衡的现象；影响PM2.5、PM10时空分布规律的因素包括自然气象和社会经济两大因素，气象要素是雾霾集聚、转移与扩散的重要影响因子，而社会经济要素是影响石家庄市雾霾频发的根本性原因。因此，治理雾霾的根本在于能源结构的调整。

关键词：雾霾；时空分布特征；自然因素；社会因素；PM2.5；PM10；石家庄市

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）09-1652-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.09.013

Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Haze and Its Influencing Factors in Shijiazhuang City

LIU Zheng， CUI Ze-jia

（Department of Resources and Environment Science， Shijiazhuang University， Shijiazhuang 050035， China）

Abstract： Temporal and spatial distribution characteristics of PM2.5 and PM10 concentration that derived from air quality monitoring stations of Shijiazhuang city in the whole year of 2015 were analyzed， and the relation between fine particulate matter and each of meteorological factors， such as wind speed， rainfall， temperature， pressure， and social economy was studied. The results showed that PM2.5 and PM10 presented a periodic trend， mainly concentrated in autumn and winter season， and their spatial distribution was not balanced. The factors affecting the temporal and spatial distribution of PM2.5 and PM10 included natural meteorological elements and social economic factors， meteorological elements were important impact factors that led to smog concentration， transfer and diffusion， and social and economic elements were fundamental factors affecting the frequent haze in Shijiazhuang. So， the management of haze lies in the adjustment of energy structure.

Key words： haze；temporal and spatial distribution characteristics；natural factors；social factors；PM2.5；PM10；Shijiazhuang city

霾是由氣溶胶和气体污染物造成的一种城市和区域性空气污染现象[1]。雾霾天气主要是因为空气中含有可吸入颗粒物、SO2、氮氧化物等，其中衡量雾霾指标的污染物是可吸入颗粒物，即粒径小于2.5 μm的细颗粒物。PM2.5、PM10浓度增加时直接导致雾霾天气的产生，致使大量有害污染物产生，其发生时能见度明显降低，空气质量恶化，威胁人体健康，严重阻碍人们的日常生活。

从国外来讲，西方工业发达的国家在20世纪已经经历过现阶段中国的雾霾天气，尤其是20世纪50年代的伦敦雾霾事件酿成灾难，英国人自此大力整治环境，并实现产业转型，打造生态社会[2]。时至今日，伦敦蜕变为蓝天白云的“生态之城”。其污染治理分为3个阶段，第一阶段为20世纪50年代至80年代治理工业污染和取暖污染，主要措施有关闭城内电厂；工业企业建造高大的烟囱；大规模改造城市居民的传统炉灶等[3]。第二阶段为20世纪80年代至90年代，交通污染取代工业污染成为伦敦空气质量的首要威胁，因此主要是抑制交通污染[4]。此外，伦敦市在城市外围建设大型环形绿地，在街道使用钙基黏合剂治理空气污染，微粒下降了14%。第三阶段为20世纪90年代至今，英国制定了国家空气质量战略，近一步提升空气质量[5]。

从国内来看，研究多关注区域和城市范围的霾变化趋势、形成机制、时空变化特征以及低能见度天气的主要成因及其与气候的关系等[6-8]。且雾霾形成方面的研究多集中在气象因素，而关于社会经济因素的影响涉及较少。近年来，关于石家庄市雾霾天气的研究有所增加[9-13]，但对于其时空分布特征及其影响因素研究较少。本研究分析了石家庄市雾霾的时空分布特征，进而从自然、社会、经济方面分析其影响因素，提高对雾霾的认知度，以期为防治雾霾提供参考依据。

1 数据来源

针对石家庄市2015年全年进行分析研究。研究数据空气质量指数（AQI）和PM2.5、PM10浓度为连续24 h在线监测，来源于石家庄市的8个监测点位，分别为世纪公园、西南高教、化工学校、人民会堂、高新区、西北水源、职工医院和封龙山。研究区域涵盖石家庄市区所有区，封龙山位于鹿泉区，作为数据参考点，从而分析石家庄的3指标在时间上的分布规律。本研究通过环保监测网站统计2015年全年石家庄市气象等自然因素数据（包括日均相对湿度、气温、风速等），并统计社会经济影响因素数据（包括地区生产总值、总人口、民用汽车拥有量等），来分析研究雾霾天气的时空分布规律及其影响因素。

通过各监测点位PM2.5、PM10实时浓度计算出的各监测点位PM2.5、PM10日均、月均浓度，采用GIS空间插值的方法做出PM2.5、PM10浓度在石家庄市区空间上的分布规律。根据2015年石家庄市全年气象日均湿度、气温、风速等数据以及2015年社会经济数据，再结合2015年PM2.5、PM10浓度数据，采用SPSS软件分析其与各要素的相关程度，研究石家庄市雾霾天气的形成机理。

2 结果与分析

2.1 石家庄市雾霾时空分布特征

根据2015年全年气象资料，统计出石家庄市雾霾出现的月平均天数（图1），从中得出石家庄市雾天、霾天常年都有分布，其中霾天多分布在1-3月和11-12月，即秋冬季节。

2.1.1 PM2.5、PM10时间分布特征据石家庄市各监测点实时发布的污染物PM2.5、PM10浓度数值，求算出各监测点位污染物的月平均浓度，绘制污染物PM2.5、PM10浓度随月份变化的曲线图，如图2、图3所示。各监测点位PM2.5和PM10浓度全年分布相似，其中污染物浓度在12月增长率最高，在次年3月急剧下降，分析得出两者的浓度在秋冬季较高，春夏季浓度较低。

图4和图5分别是石家庄市PM2.5、PM10月均、日均浓度曲线分布图，是各监测点的综合，以此分析整个石家庄市的污染物在时间上的分布状态。由图4和图5知，石家庄市影响雾霾形成的可吸入颗粒物浓度在时间上主要分布在秋冬两季。

2.1.2 PM2.5、PM10空间分布特征 PM2.5、PM10空间分布规律与石家庄市土地利用现状有关，利用遥感解译分析出石家庄市区的土地利用现状，如图6所示，石家庄市用地类型分为建设用地、耕地、水域及水利设施用地、林地和其他用地[14]，其中8个监测点位除西北水源和封龙山分布在市区中心外，其他均分布在市区中心内，即建设用地范围内。且石家庄市建设用地以“摊大饼”的形式逐渐向外扩张，与PM2.5、PM10空间分布规律相符合。

根据石家庄市2015年全年统计的PM2.5、PM10浓度来分析该年春、夏、秋、冬4个季节的颗粒物浓度的空间分布状态。图7、图8是依据石家庄市8个监测点位2015年全年的有关雾霾天气的污染颗粒物PM2.5、PM10浓度的季度平均值采用GIS空间插值做出的，两组图分别给出了石家庄市PM2.5、PM10春、夏、秋、冬4个季度各自的浓度值在空间上的分布情况。由图7、图8可知，同一个季度颗粒物的浓度值在空间分布上具有區域分布不均的现象，分析石家庄市土地利用现状得污染性颗粒物浓度值由石家庄市中心向市郊呈散射状逐渐降低；同一种污染颗粒物所处的季度不同，其分布同样不同，春夏季度污染颗粒物整体浓度值普遍较低，秋冬季污染颗粒物整体浓度普遍较高，整体还是污染颗粒物浓度值由石家庄市中心向市郊呈散射状逐渐降低；不同污染颗粒物PM2.5、PM10浓度值分布趋势随着季度的不同而变化，但相同季度其分布状态相似，同时与雾霾天气分布状态保持相似。

综上，污染颗粒物在空间上具有分布不均衡的现象，经济越发达的地域，污染物浓度值越高，反之，较低；时间上呈现周期性变化，且主要集中在秋冬季节。

2.2 石家庄市雾霾变化的影响因素分析

结合雾霾污染物PM2.5、PM10的时空分布规律，对石家庄市影响雾霾变化的因素进行分析研究，主要从气象、地形、社会经济3个方面进行研究。

2.2.1 气象因素采用SPSS软件对2015年全年雾霾直接因子可吸入颗粒物浓度与各气象因子间进行相关性分析，结果见表1。

1）气温。由表1可知，气温与PM2.5、PM10日均浓度呈极显著负相关，相关指数分别为-0.463、 -0.437。这是因为春夏季气温高，白天受太阳直射作用，地面升温较快，温度升高促进空气中水蒸气上升，有利于空气污染物扩散，降低空气中的污染物浓度。反之，秋冬季降水量小，大气层空气稀薄，太阳的辐射使得城市上空出现逆温层现象，石家庄市天气系统比较稳定，而稳定的天气更有助于逆温现象产生，导致大量空气污染物难以扩散，聚集在城市上空，随着污染物浓度的增加，空气质量变差，最终导致PM2.5、PM10浓度偏高，极易形成雾霾。

2）平均风速。平均风速是大气水平扩散能力的主要指标，直接决定大气稀释扩散能力的大小[9]。由表1可知，风速与PM2.5、PM10日均浓度呈极显著负相关，相关系数分别为-0.331、-0.278。

石家庄市气候属温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，全年冬春季节以北风为主，市区内由于高层建筑比较密集，致使摩擦系数升高，风速较低，造成城市静风现象[10]。石家庄市日均风速在1.5 m/s，从而使得空气中的污染物不利于扩散，聚集在城市上空形成雾霾天。平均风速处于三级的时候，PM2.5高浓度的天数明显增多，平均风速处于三级以上时，PM2.5高浓度天数较少。由此可见，三级风是PM2.5浓度开始积累的界限值。当风速低于三级时，PM2.5浓度开始积累，并向周围转移，出现大范围雾霾天气。当风速高于三级时，PM2.5会迅速扩散，浓度降低，雾霾减弱[15]。石家庄市盛行风力多集中在二级和三级，正好处于雾霾积累的风力级别，因此石家庄市出现严重的雾霾与风力有着很大的关联性。

3）降雨量。图9为2015年石家庄市雨雪天数月均分布图，对照雾霾天数月均分布图来看，雾霾多形成在降水量小的天气。因为降水对雾霾天气中污染物起到很好的冲刷作用，削减污染物的浓度。进一步利用SPSS软件对2015年全年PM2.5、PM10日均浓度与年降水量做相关性分析，得出年降水量与PM2.5、PM10浓度呈负相关，相关系数分别为-0.073、-0.076，相关性不显著。

4）湿度。相对湿度较高有利于雾霾的形成，气溶胶粒子中含水溶性成分时，相对湿度大时，可溶性气溶胶更易吸收水汽而变大，从而使散射作用增加，能见度降低，加剧霾的产生。由表1可知，湿度与PM2.5日均浓度呈显著正相关，与PM10日均浓度呈正相关，但不显著，表明湿度的增加有利于提高小粒径污染物的产生。

5）大气压。由表1可知，大气压与PM2.5、PM10日均浓度呈极显著正相关，相关系数分别为0.334、0.297，说明大气压也是影响石家庄市雾霾天气形成的原因之一。冬季冷空气下沉，地表空气相对增多，即气压升高，不利于城市上空空气的流动，进而使得污染物无法扩散，空气中的微小颗粒聚集，漂浮在空气中，增加了可吸入颗粒物的浓度，此情况下，雾霾天气极易形成。

综上可知，石家庄市形成雾霾的直接因子PM2.5、PM10的浓度受自然气象因子平均风速、气温、大气压的影响较大，湿度对PM2.5有一定的影响，降水量对雾霾的产生影响不大。

2.2.2 地形因素图10是石家庄市的地形，可以看出石家庄市西依太行山脉有两条明显的输风带，一条是从邯郸市磁县到石家庄市的汇聚风带，另外一条是从天津市到石家庄市的汇聚风带[16]，而两条汇聚风带的交汇正好处在石家庄市。受此影响，石家庄市上空的污染物浓度非但没有降低，输风带还给石家庄市上空带来了新的污染物，使得污染物浓度增加，空气质量下降，易形成雾霾天气。因此，地形也是影响石家庄市雾霾天气形成的因子之一。

2.2.3 社会经济因素石家庄市是新型工业城市，随着经济的发展，人口逐渐增多，城市规模逐渐扩大，工矿企业入驻也越来越多，致使空气质量下降。

1）产业布局。石家庄是以钢铁产业为主，同时还兼有制药、化工、冶金、印染、纺织等的新型工业城市。石家庄市的工业区主要分布在东北、西北、南部和西南，部分产业靠近市中心，甚至还有的在石家庄市常年风向的上风向，布局的不合理是导致石家庄市雾霾天气形成的主要原因之一[9]。

石家庄市PM2.5浓度的高低与第二产业具有较大的关系，尤其是第二产业中的工业。通过对规模以上工业企业产值和能耗进行分析，排名前十的行业占了全部规模以上工业总产值的70.5%，但是平均产值能耗也较高，为0.535 t（标准煤）/万元，高于全市平均水平0.221 t（标准煤）/万元。

由于石家庄市排污量较大的企业在市区的空间分布不尽合理，外加石家庄市地形的影响，部分市中产业新建厂区已经外迁至三环外，但是位于市区内的老厂区仍然没有停产，依然会加剧市区空气的污染。

2）扬尘。扬尘是石家庄市雾霾污染物的主要来源之一，是PM10的首要来源。据有关资料显示，其对PM10和PM2.5来源的分担率分别为0.375和0.225[17]。随着石家庄市城市规模的扩大，各种建筑施工、道路施工以及机动车扬尘量剧增，也成为大气的主要污染源之一。

3）机动车尾气。在造成石家庄市大气污染的各因子中，机动车排放的尾气也是造成雾霾的重要因素之一。汽车排放尾气主要污染成分有CO、CH、NOx、SO2、HCO及可吸入颗粒物[16]，其中，可吸入颗粒物所占百分比为48.9%，占污染物总量将近一半。随着经济的发展，人们的生活水平逐渐提高，机动车的数量也在逐年提升，据统计，石家庄市民用汽车保有量为107.52万辆，尾气的排放量随着机动车数量的增加而上升，每天向大气中排放污染物量（CO）在7 500 t左右[15]。

4）城市能耗。石家庄市是一座“煤烟型”城市，主要燃料是燃煤。据历年统计资料显示，能源消费燃煤6 100万t，其中冬季采暖和热电厂发电仍然是煤炭消耗的主要途径。燃煤会产生大量的SO2及颗粒物，对石家庄市的雾霾天气有一定影响，而且燃煤的利用率不高，低效的除尘、脱硫设备以及低效燃煤工艺都是促成雾霾天气形成的原因。

3 讨论

3.1 自然因素

石家庄市是河北省雾霾严重的区域之一，特殊的地形和气象条件是石家庄市雾霾天气形成的自然因素。西依太行山脉，东边是华北平原，地势西高东低，呈现“马蹄形”避风港地形，从东面过来的大气污染物遇上太行山脉不利于扩散，淤积在石家庄城市上空。此外，两大输风带无疑给石家庄市大气输送了更多的大气污染物，再加上石家庄市常年风速低，降水量小，干燥的气候以及城市热岛效应导致市区各种大气污染物淤积而不扩散，最终使得石家庄市空气质量状况降低，给雾霾天气的形成创造了条件[12]。

3.2 社会因素

石家庄市经济的迅速发展带来的污染是雾霾形成的根本原因。石家庄市雾霾天气已经逐步由自然现象演变为一种城市灾害性天气。

石家庄市的工业区主要分布在东北、西北、南部和西南，部分产业靠近市中心，甚至还有的在石家庄市常年風向的上风向，不合理的产业布局以及污染物的高排放是石家庄雾霾天气形成最主要的污染源头；外来工矿企业的加入、城市生态建设的先天不足、城市交通运输业的发展迅速等也是石家庄市雾霾形成的因素。

石家庄市的雾霾形成的三大因子[6]分别为燃料燃烧、工业生产过程、交通运输。通过对石家庄市年消耗燃料量、工业生产环保措施效率以及机动车保有量和其年排放总量的分析，得出大气污染的三大因子所占比例分别为70%、20%与10%，对石家庄市雾霾的空间分布及雾霾强度有着根本性的影响。

4 小结

石家庄市PM2.5、PM10在时间上具有演变规律，主要集中在秋冬季节，在空间上具有分布不均衡的现象，分析其时空变化规律有助于其成因分析。根据对石家庄市雾霾天气影响因素的分析，得出石家庄市雾霾天气形成的因素主要包括自然气象和社会经济两大因素，其中，燃煤、交通、工业生产是石家庄市污染的主要来源，气象要素是雾霾集聚、转移与扩散的重要影响因子，而社会经济要素是影响石家庄市雾霾频发的根本性原因。

应对雾霾天气，需要采取相应的应急措施，提高空气质量的监测力度，大力整改污染企业，优化绿化设施、生态系统，提高空气质量状况。本研究成果对石家庄市乃至全国空气污染治理、雾霾天气的形成与防治有理论借鉴和实践意义。

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