河北省空气质量特征及其与气候因子的关系

2017-10-30刘云溪

中国校外教育(下旬) 2017年8期

刘云溪

利用2014～2016年河北省11市的空气质量指数（AQI）研究其时空分布特征，并与同期气候数据进行相关性分析，结果表明，河北省空气质量水平总体较差，冬春季节平均AQI较高，夏季最低值也达到80以上；空气质量指数在空间上呈现出中南部高、北部低的趋势，张家口的空气质量水平全省最佳，3a内优良天数高达900d以上，污染天数最高的城市是位于河北东南部的衡水，石家庄严重污染比例最大；近3a来，河北省空气质量稍有改善，主要集中在1～3月，但效果并不明显，12月AQI呈现逐步增高的趋势；河北省AQI与气温、降水、气压、风速、平均相对湿度等气候因子关系密切，不同季节、不同地区受主要影响的气候因子不同，具有不同的相关性。

AQI时空分布气候因子相关性一、引言

随着我国经济的发展和居民生活水平的提高，空气质量问题受到广泛关注。特别是城市化进程加快，使得能源消耗量和机动车数目不断增加，空气污染程度也随之增加，传统的空气污染指数（API）已经不能准确表达实际空气质量情况。2012年，环保部门试用空气质量指数（AQI）来定义空气质量（HJ633-2012），AQI是从SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO六项污染物中选择空气质量指数得分最高者为最终的空气质量指数，特别是近年来，以PM2.5为首要污染物的霾天气现象日益增加，不仅导致能见度下降，而且对人体健康造成严重威胁。

国内空气质量研究起步较晚，开始于20年代末期，学者多从气象因子、天气形势、大气稳定度、地形地势等方面对空气质量进行相关研究，程婷等指出不同气压对于南京雾霾天气的影响不同，在1000～1030hPa的气象条件下雾霾天气最为严重；吴珊珊等表明空气质量与地面风速、大气逆温、气压、降水量、相对湿度等都有关系。

近年来，在全国空气质量指数排名中，河北省多个地级市AQI一直居高不下，一方面与其不合理的产业结构类型及其发展进程有关，另一方面受到特殊的自然地理环境特点的影响，虽然河北省政府近年来采取了多种空气污染防治措施，但是效果并不显著。因此，分析河北省空气质量时空分布特征及其与气象因子的关系，提高空气质量预报的准确性，对于河北省经济可持续发展、人体健康，乃至全国雾霾天气的认识和治理都有一定的意义。

二、河北省概况

河北省位于华北地区的腹心地带，东临渤海、内环京津，西倚太行山，北靠燕山和张北高原，全省地势由西北向东南倾斜，西北部多山地、丘陵和高原，其间分布盆地和谷地，中部和东南部为广阔的平原，地形条件复杂，主要包括坝上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌单元，气候属于典型的温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温和多雨，全省年平均气温在4～13℃之间，年均降水量484.5毫米，且集中在夏季，降水量自东南向西北递减。河北省经济发展以第二产业为主，其中钢铁和煤炭产量位居全国前列，石化、建材等大资源型产业在产业结构中所占比重较大。

三、影响城市空气质量的主要因素

城市空气质量主要取决于污染源、气象条件和下垫面等方面。污染源排放污染物的数量、组成、位置、密集程度等是影响空气质量的基础，它决定了进入空气污染物的数量及所涉及的范围，气象条件和下垫面性质是决定空气质量的重要条件。

河北省产业结构并不合理，钢铁、建材、电力等行业比较集中，能源消费量较高，工业生产中以排放煤烟型、颗粒物为特征的废气较多，氮氧化物、烟（粉）尘、二氧化硫排放量较高，形成点状或面状污染源，进而影响城市空气质量；此外，随着经济和交通运输业的发展，河北省作为华北地区的交通咽喉之地，来往京津和东北地区的车辆不断增多，机动车排放的废气也成了空气的主要污染源。

影响城市空气质量的气象条件主要包括风和湍流、大气温度层结、大气稳定度、逆温和降水等。通常在高压控制之下，大气层结稳定，污染物不易扩散，从而导致污染物聚集，空气质量恶化；降水对AQI的影响主要表现在雨滴会吸附空气中悬浮物质和颗粒物并将之携带到地面，对空气有净化作用；此外，风和湍流也对空气质量有重要的作用：风对空气中污染物有输送和冲淡稀释的作用，它决定了污染物迁移运动的方向，风速越大，单位时间内清洁的空气量就越大，稀釋效果越好。

不同的下垫面通过气象条件间接地对城市空气质量产生影响，而且下垫面本身也会影响到气流的运动。例如山谷地区昼夜交替形成山谷风，夜晚大气层结稳定，常出现逆温现象，导致空气中污染物积聚，AQI不断升高；废热废气排放使城市形成“热岛效应”，加之高层建筑物和复杂的下垫面阻碍气流的运行，不利于污染物的扩散，都会加剧城市空气质量的恶化。

四、数据来源及分析方法

本文使用的地面气象数据来源于中国气象数据网，空气质量指数数据来源于中华人民共和国环境保护部数据中心，数据为2014～2016年河北省11市AQI日平均值，依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》利用Excel软件对河北省2014—2016年空气质量指数（AQI）进行分级和统计，借以分析AQI时空分布特征，并选取有代表性的地级市与同时段相对应的气象数据相对应，利用SPSS.19进行相关性分析，探讨不同条件下河北省空气质量与各个气象因子的关系。

五、数据分析与结果讨论

1.AQI时空分布特征

（1）AQI空间分布特征

对河北省2014～2016年各市空气质量指数进行统计，发现AQI具有明显的空间分布特征。河北省空气质量指数总体呈现出南部高于北部的趋势，地处河北省北部的张家口、承德和位于东北部的秦皇岛AQI优良比例明显高于其他地区，均占总天数的70%以上，三年Ⅱ级以上天数达到700d以上，其中张家口空气质量水平位居全省最高，3a内优良天数高达936d，一方面，它位于河北省北部，接近西北风发源地，风力强劲，利于污染物的输送与扩散。另一方面，其经济发展相对滞后，重工业所占产业结构的比重较小，排放的废水废气相对较少，特殊的自然地理位置和经济环境，使其空气质量明显优于其他地区。位于河北省东南部的衡水优良天数最低，仅为332d。污染最严重的城市为石家庄市，3a内严重污染天数达到99d，且有16d的空气质量指数爆表（AQI为500），石家庄位于太行山背风坡，焚风效应明显，污染物易积聚在近地面，不利于扩散，并且石家庄作为省会城市，重工业较为发达，较多的机动车数量所排放的碳氢化合物、氮氧化合物等废气都使得AQI指数不断升高，空气质量水平较低（表2）。endprint

利用表1对2014～2016年河北省地市每一天的空气质量数据进行统计，可以看出，河北省空气质量水平总体较差，大部分地区空气质量以中轻度污染为主，其中7个地级市AQI污染比例超过了优良比例。衡水市污染天数所占比例最高，为69.7%，其次是保定和邢台，分别达到66.2%和64.2%。张家口市空气质量最好，优良比例达到81.5%，Ⅵ级天数仅占1%，其次是秦皇岛和承德，优良比例均达到70%以上。重度污染以上天数，保定和石家庄居高，其中石家庄的严重污染比例为全省最高，占7.6%（图1）。

（2）AQI时间分布特征

河北省2014～2016年11市各月的AQI平均值，除承德和张家口外，其他各地市AQI均具有明显的季节变化特征（图2a），河北省平均空气质量指数从1月到12月呈现出先降低后升高的趋势（图2b），12月AQI指数月平均值最高（149），最低值出现在9月（82）。冬季平均空气质量指数最高，轻度污染以上（AQI大于100）天数，冬季占30.4%，春季次之，夏季最低，占21.5%，其中仅8月和9月AQI低于100，达到二级以上标准，从而看出河北省整体空气质量不容乐观。河北地区冬季受西伯利亚高压控制，降水稀少，大气层结比较稳定，对流层的中低层常有逆温现象，不利于污染物扩散，并且冬季取暖以煤炭为主，燃烧的化石燃料释放出的二氧化硫、氮氧化物和烟尘等颗粒物使AQI不断升高，空气质量水平不断下降；3月河北省仍处于供暖期，且春季局地扬沙天气的多发也使得空气质量变差；而夏季湍流作用较强，空气对流旺盛，降水较多，都有利于污染物的稀释与扩散，因此空气质量较好。此结果与赵妙文等的研究具有很好的一致性。

对2014～2016年各月地市平均值进行时间分布分析，见图2。

2014～2016年，全省空气质量指数变化不大，略有下降的趋势，其中2014年仅9月平均值达到Ⅱ级空气质量标准，2015～2016年均有5个月份AQI均值达到Ⅱ级空气质量标准，表明近3a来河北省空气质量水平有所改善，特别是2015～2016年多数月份AQI均低于3a的均值。其中3a中12月AQI呈现出上升趋势，而1～3月AQI却有明显下降的趋势，5～9月AQI变化不明显（图3）。随着政府治理空气质量力度的加大，如机动车尾号限行、关闭高耗能高污染小型企业等，近3a来河北省空气质量水平稍有提升，但治理效果并不明显。

2.AQI与气候因子的关系

根据以往的研究，在污染物排放数量一定的强情况下，污染物浓度在很大程度上取决于气象条件，空气质量的特征与气象因子密切相关，但是对于不同季节、不同地域来说影响不同。风速对于AQI的影响具有双重作用，一方面，风向和风速影响着大气污染物输送与扩散，风速较大时，污染物水平输送能力较强，可以有效减少地区工业和家庭排放的废气，对于降低AQI有重要作用。另一方面，风速所引起的沙尘等天气又会使AQI上升，导致空气质量的恶化。降水对于稀释大气中污染物有重要作用，连续的强降水、会导致空气质量好转，AQI指数下降，但也有研究表明，阵性降水或弱降水对污染物的净化作用不大，反而会增加空气中的相对湿度，导致PM2.5浓度上升，进而提高AQI指数，使空气质量恶化。较低气温使得地区气压升高，高压天气通常与反气旋和高压脊相伴，两者使得对流层中低层的空气辐散下沉，容易把高空污染物垂直输送到近地面，近地面大气层结稳定，使得AQI不断升高，近地面环流输送继而影响周边地区的空气质量。

（1）不同季节AQI与气候因子的关系

根据2014～2015年AQI和气象数据，对两者关系利用SPSS.19进行相关性分析（表3），不同季节的AQI与平均气温、降水量、平均风速、平均相对湿度、平均气压等气象要素关系不同。河北省各季节AQI与平均气压均有良好的相关性，并且均通过0.01的显著性检验。春季AQI与降水量、平均风速具有极显著负相关关系，Pearson相关系数分别为0.422、0.431，且通过0.01的显著性检验，河北省春季风速越大、AQI越低，空气质量越好；夏季AQI与平均气温和气压具有显著正相关关系，相关系数分别为0.553、0.403，说明温度、气压是影响河北省夏季AQI的重要气象因素，温度越高、气压越高、空气质量水平越差；秋季AQI与平均气温和降水量呈负相关关系，相关系数分别为0.258和0.369，与平均气压极显著正相关，表明秋雨和气温的升高对于秋季空气质量改善有重要作用；冬季与平均气温、平均相对湿度、平均气压均呈正相关关系，与风速呈显著负相关，冬季气温和气压偏高，容易出现逆温层，冷空气过境带来大风降温天气，使逆温层消散，有利于污染物的扩散，空气质量好转。

（2）不同城市AQI与气象因子的关系

AQI指数与气象因素的关系还受到地理位置的影响，选取河北省不同方位中4个有代表性的城市，对AQI与气象因素进行相关性分析（表4），结果表明：总体来说，除张家口外，各市AQI指数均与平均气温，降水量呈负相关关系，并且相关系数较高，相关性较大，对于张家口来说，平均相对湿度對其影响较大，Pearson相关系数为0.59；石家庄、保定和沧州主要与气温、降水量、气压的关系较为密切，即温度越高、气压越低，越不易形成逆温层，降水量越多，对污染物的冲洗能力越强，相对空气质量越好。

五、结论

（1）河北省AQI具有明显的季节变化特征，冬春季节平均AQI值偏高，尤以12月最高，占统计总天数的11.1%，夏秋季AQI均值较低，9月达到最低值。

（2）河北省AQI空间分布不均，整体上呈现中南高、北部低的趋势，AQI高值区出现在衡水、石家庄等中南部地区，低值区位于河北省北部，包括张家口、承德、秦皇岛。

（3）河北省近3a来AQI变化趋势总体不明显，稍呈下降趋势，其中1～3月AQI下降趋势相对明显，5～9月变动不大，表明河北省在改善冬季和早春空气质量方面起到了一定的效果。但由于数据原因，并未做出长时间序列AQI变化趋势。

（4）AQI与降水量、气温、气压、平均相对湿度、风速等气候因素关系密切，并且不同季节、不同地区主要影响的气候影响因子不同。通常情况下，AQI与气压呈正相关，与降水量、气温呈负相关，与风速、平均相对湿度的相关性不明显。

AQI是多种因素综合作用的结果，本文重点讨论了典型气候因子与AQI的关系，对多个气象因子对AQI的综合作用未作探讨。另外，产业结构特征、地理因素，也是影响AQI的重要因素，将来后续研究中加以讨论。

参考文献：

[1]环境保护部.中华人民共和国国家环境保护标准HJ633-2012（试行）.2012.

[2]程婷，魏晓弈，翟伶俐，朱宝.近50年南京雾霾的气候特征及影响因素分析[J].环境科学与技术，2014，（06）：55-60.

[3]吴珊珊，章毅之，胡菊芳.江西省霾天气气候特征及其与气象条件的关系[J].气象与环境学报，2014，（03）：71-76.

[4]王卫，冯忠江，陈辉.河北地理.北京：北京师范大学出版社，2012.

[5]陈玮，刘玲.芜湖市环境空气质量时空变化特征分析[J].安徽师范大学学报，2011，（06）：574-578.