河北省霧霾波動變化特征及成因研究

于文金,吳雁,黃亦露,于步云,謝濤,邱新發,付杰

南京信息工程大學 遙感學院,江蘇 南京 210044

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河北省霧霾波動變化特征及成因研究

于文金*,吳雁,黃亦露,于步云,謝濤,邱新發,付杰

南京信息工程大學 遙感學院,江蘇 南京 210044

2014-05-20收稿，2015-01-12接受

國家重大科學研究計劃項目(2012CB955900;2013CB430202);國家自然科學基金資助項目(41276187);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

摘要利用氣象、土地利用等資料,采用統計方法,對河北省霧霾的特征及誘因進行了研究,結果發現:1)河北省多年平均霧霾日數分布情況呈由西南往西北逐步遞減的趨勢;各季節霧霾天能見度的空間分布不同,秋冬霧霾較為嚴重,自西南向東北呈遞減的趨勢,夏季自西南向東北呈遞增的趨勢,春季則自東南向西北呈遞增的趨勢。2)河北省近幾十年來霧霾日數增加明顯,增長斜率為0.45,但低能見度日數并不隨霧霾日數增加而增加,主要是因為霧日數持續減少。3)河北省霧霾與國內生產總值(Gross Domestic Product,GDP)、能源消耗總量呈正比關系,而與機動車數量相關性不大。

關鍵詞

霧霾

特征

歸因

控制因素

21世紀以來,在人類經濟增長和氣候變化雙重壓力下大氣環境問題日益突出,霧霾天氣作為大氣污染的氣象災害已經引起社會的廣泛關注。中國作為發展中國家面臨著發展與環境的兩難抉擇(Seinfeld,1986;Kerminen et al.,2010;朱彤等,2010;丁一匯和柳艷菊,2014;劉端陽等,2014;王躍思等,2014;王自發等,2014;張人禾等,2014),其中中國的霧霾問題已經成為世界性研究熱點,學界圍繞霧霾的氣象條件、組成成分、分布規律等方面展開研究并取得了系列成果(Pan et al.,2009;Mikko et al.,2010;史軍等,2010;張晶等,2011;Zhang et al.,2011;Shi et al.,2012;劉端陽等,2014)。然而,由于各地霧霾的控制因素不同,霧霾的關鍵因素和形成主因尚不清晰。

本文以河北省霧霾為研究對象,分析霧霾的空間分布以及長時間波動規律并預測其未來變化趨勢,探討其成因和關鍵因子。

1　資料

圖1　河北省氣象站點分布Fig.1　Distribution of meteorological stations in Hebei Province

選用1961—2013年河北省98個站(包括基準站、基本站和一般站,具體站點見圖1)的霧、霾、氣溫、風速和露點等數據(數據來源:河北省氣象局氣候中心和國家氣象局氣候中心),站點空缺資料和分年份站點遷移造成的影響均經過相應處理;同時采用1980年和2005年的土地利用數據(數據來源:中國科學院資源環境科學數據中心)及2000—2007年的MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)氣溶膠光學厚度數據(數據來源:上海市衛星遙感與測量應用中心。該數據為對比檢驗后的NASA MODIS level2氣溶膠產品,空間分辨率為10 km);此外,文中涉及的產業經濟數據、能源數據以及汽車保有量數據均來源于河北省統計局,部分環境資料來自于國家環保部環評中心。能見度分級如表1所示。

圖2　河北省年霧霾日數的空間分布特征　　a.1961—2013年河北省98個站點的多年平均霧霾日數分布;b.1980—2013年河北省11個站點的多年平均霧霾日數分布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能見度等級劃分

Table 1Visibility classification

等級能見度距離(L)/m0L<50150≤L<2002200≤L<5003500≤L<100041000≤L<200052000≤L<400064000≤L<10000710000≤L<20000820000≤L<50000950000≤L

2　結果分析

2.1河北省霧霾的空間分布特征

2.1.1年霧霾日數的空間分布特征

1961—2013年河北98個站點的多年平均霧霾日數分布情況呈西南往西北逐步遞減的趨勢(圖2a)。河北省長城以南大部分地區年均霧霾日數在5 d以上,太行山區及其山前平原區在10 d以上,石家莊和邢臺西部、邯鄲北部的年均霧霾日數最高,達30 d以上,部分地區超過40 d,在石家莊西南部的局部甚至超過50 d;河北省長城以北大部分地區霧霾日數小于5 d,張家口北部、承德北部和東部、秦皇島東北部霧霾日數最少,不足1 d。

近年來河北省霧霾天氣日趨嚴重,從11個站1980—2013年34 a霧霾日數的多年平均值來看(圖2b),各站點霧霾日數都有上升,但空間的分布仍然沒有改變原來的趨勢,只是西北部有加重的趨勢。在此期間,河北省霧霾日數最多的地市是邯鄲市,年均霧霾日數為202.8 d;其次是滄州站,年均霧霾日數為195.8 d;霧霾日數最少的是承德市,年均霧霾日數為26.1 d。可見即使霧霾日數最少的承德市也超出了20 d,接近了20世紀80年代初太行山區和山前平原的滄州站的水平,而邯鄲等西南部城市更加嚴重,全年一半的時間會出現霧霾。

圖3　河北霧霾的季節空間分布　　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霧霾天氣下四季能見度的空間分布

根據河北省的氣候特點,分別以4月、7月、10月和1月四個月的月平均能見度代表春、夏、秋、冬四個季節的能見度分布,可見河北省1980—2013年霧霾天能見度各個季節的空間分布不同(圖3)。秋冬霧霾較為嚴重,呈由西南向東北遞減的趨勢。春夏變化沒有秋冬的時空分布差異那樣明顯,夏季和秋季、冬季的趨勢一致,由西南向東北呈低值—高值的分布;春季則由東南到西北呈現低值—高值的分布。由此可見,河北省不同季節霧霾的嚴重程度和空間分布呈現出不同的特點,應分季節探討霧霾的特征和誘因。

2.2河北省霧霾的統計特征

2.2.1霧霾能見度趨勢

霧是指由于浮游在近地面空氣中的大量微小水滴或冰晶(合稱霧粒)對可見光的散射作用使測站能見度小于1 km的天氣現象;霾則是指大量極細微的塵粒、煙粒、鹽粒等均勻地浮游在空中,導致空氣普遍混濁,水平能見度小于10 km的天氣現象。霧霾能見度范圍在1～10 km之間(張運英等,2009;趙桂香等,2011;黃文彥,2015)。研究發現,近幾十年來河北省霧霾日數增加,增長斜率為0.45(圖4a),特別是1981年以來,霧霾日數持續高位,2001年后經歷短暫小幅下降后又快速回升,同期低能見度日數(能見度<6 km)卻呈現出降低的趨勢(圖4c)。同時發現,同期霧日數呈現出持續下降的趨勢(圖4b),可見造成低能見度日數并不隨霧霾日數增加的主要原因是霧日數(能見度<1 km)的持續減少。

圖4　1971—2013年河北省霧霾能見度變化　　a.霧霾日數;b.霧日數;c.低能見度日數Fig.4　Hebei haze visibility changes from 1971 to 2013:(a)haze days;(b)fog days;(c)low visibility days

圖5　河北省各年代年均霧霾日數a.20世紀60年代;b.20世紀70年代;c.20世紀80年代;d.20世紀90年代;e.21世紀00年代;f.2011—2012年Fig.5　Annual haze days of Hebei Province:(a)1960s;(b)1970s;(c)1980s;(d)1990s;(e)2000s;(f)2011—12

2.2.2霧霾日數年代際變化

河北省各年代年均霧霾日數如圖5所示。20世紀60年代,河北全省(除1個站點外)各地年均霧霾日數均在2 d以下,且大部分地區不足1 d;70年代,中南大部分地區年均霧霾日數在1 d以上,太行山前部分地區超過5 d,局部超過10 d;80年代,年均霧霾日數超過1 d的范圍有所擴大,尤其5 d以上的范圍增加明顯;90年代,5 d以上的范圍繼續擴大,涉及太行山中南部及其山前平原大部分地區和唐山的部分地區,其中石家莊、邢臺、邯鄲三市的部分地區達10 d以上,局部超過20 d;21世紀10年代,石家莊和邢臺兩市的霧霾日數在5 d以上的范圍比90年代有所減小,但保定和邯鄲兩市的范圍增加;2011—2012年,太行山中南部及其山前平原的霧霾日數在1 d以上,局部3～4 d,其他區域均不足1 d。

總體上1980—2013年河北省的年均霧霾現象日數高達111.9 d。最多霧霾現象日數發生在2013年,為166.1 d;最少霧霾日數出現在1986年,為76.6 d。在過去34 a期間霧霾日數以18.3 d/(10 a)的速率增加,波動性增加趨勢非常明顯。

2.3河北霧霾關鍵因子分析

2.3.1霧霾與溫度、濕度分析

由表2可見,在霧霾天氣下,石家莊、邢臺、張家口、承德、廊坊、唐山和保定幾個站里面濕度與能見度成正相關,邯鄲、秦皇島、滄州、衡水則反之。除石家莊、廊坊兩地外其余個站點的霧霾日數與溫度呈正相關。除衡水之外的十個站濕度越高,霧霾日數越低。

從貢獻率來看,濕度的貢獻率均高于溫度。可見在霧霾天氣下,能見度和濕度的相關性不明顯,與溫度呈現出較高的正相關;霧霾日數與濕度呈現負相關,與溫度呈現正相關,且霧霾天日數受濕度的影響更大。故可通過增加空氣濕度來減少或控制霧霾。

以石家莊市為例,對比不同日均相對濕度與霧霾天氣出現的頻次變化情況,發現隨著日均相對濕度的逐漸增大,霧霾天氣的出現概率呈先增大后減小的趨勢。當日均相對濕度小于20%時,霧霾發生概率很小,僅占0.3%;日均相對濕度增至70～79%區間時,霧霾出現所占概率達到峰值,為23.9%,之后霧霾出現的概率隨日均相對濕度的增大呈下降趨勢。

在氣候變暖條件下,由于溫度和飽和比濕增加,導致近地面相對濕度減少,對霧和霾的生成環境條件可能產生影響。日均相對濕度降低,意味著霾粒子更不易向霧滴轉換,這可能是導致霧日減少的一個氣象因素。大氣環流背景場以及氣象場的逐日演變,都對河北地區的持續性強霧霾事件產生了重要影響。從2013年1月的大氣環流背景場來看(圖略),東亞冬季風明顯偏弱,我國東部區域風速減弱、風的垂直切變減小、對流層大氣溫度偏高、對流層低層垂直逆溫加強,這些背景氣象場有利于強霧霾天氣的出現及其持續維持。

2.3.2霧霾誘因分析

研究發現,隨著河北省經濟不斷增長,霧霾日數呈現出增加趨勢,能見度呈現降低趨勢。霧霾日數、能見度與國內生產總值(Gross Domestic Product,GDP)相關顯著(圖6a),相關系數分別為0.390 7和-0.623 0。可見,快速的經濟增長對河北省霧霾具有一定的貢獻,兩者之間關系密切。

分析1980年以來河北省霧霾日數及能見度與能源消耗總量之間的關系發現(圖6b),河北省能源消耗與霧霾日數呈正相關、與能見度呈反相關,相關系數分別為0.232 0和-0.860 7,其中能源消耗與能見度的相關關系十分顯著。可見,造成河北省霧霾天氣能見度降低的重要因素是能源消耗(主要為化石能源)的急劇上升,其中包括生產生活用能源消耗的增長和機動車能耗的增長。所以改變能源結構、控制化石能源消耗總量對于減輕霧霾具有現實意義。

進入21世紀,河北省機動車數量明顯增加,而霧霾日數和能見度均呈現下降趨勢(圖6c)。可見機動車對河北霧霾的貢獻率不大。據此可推測,機動車保有量的增加對河北霧霾的相關性不強。

表2河北省各個站點霧霾能見度、日數分別與濕度、溫度的相關系數

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

能見度&濕度能見度&溫度日數&濕度日數&溫度濕度貢獻率/%溫度貢獻率/%石家莊0.40-0.45-0.510.403.480.69邢臺0.030.18-0.430.642.550.52邯鄲-0.240.24-0.660.857.631.07張家口0.25-0.36-0.670.017.132.35承德0.390.27-0.41-0.7721.188.00秦皇島-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滄州-0.260.54-0.700.2021.6280.81衡水-0.170.270.36-0.195.320.87

圖6　河北省霧霾日數和能見度與GDP(a)、能源消耗(b)及機動車數量(c)的關系Fig.6　Relationship between the number of haze days in Hebei Province and (a)GDP,(b)energy consumption and (c)number of motor vehicles

綜上,河北省霧霾與GDP、能源消耗總量呈正比關系,而與機動車數量相關性不強,說明影響河北省霧霾天氣的關鍵因素為當地的大氣環流、大氣性質、工業增長污染物排放以及生活燃料排放。生產和生活排放的氣態污染物在細顆粒表面的非均相反應可改變大氣顆粒物的粒徑及化學組分,促使顆粒物中的二次無機鹽的比例逐漸增大,導致顆粒物吸濕性顯著增強,從而對強霾污染形成起到了促進作用。數值模式的模擬結果表明(王自發等,2014),在典型地點(如北京、天津、秦皇島和滄州),來自京津冀區域外跨城市群的輸送和區域內的輸送之和與局地污染源貢獻相當,氣象—大氣污染雙向反饋機制對強霾的形成也有非常重要影響。

3　結論

1)河北省多年平均霧霾日數分布情況呈現出由西南往西北逐步遞減的趨勢,河北省長城以南大部分地區年均霧霾日數在5 d以上,太行山區及其山前平原區在10 d以上,石家莊和邢臺西部、邯鄲北部霧霾日數最高,在30 d以上。

2)1980—2013年河北省霧霾天能見度各季節的空間分布不同,秋冬霧霾較為嚴重,呈現出由西南向東北遞減的趨勢。春夏變化沒有秋冬的時空分布差異那樣明顯,夏季、秋季、冬季的趨勢一致,自西南向東北呈由低值—高值的分布;春季則呈現由東南到西北呈現低值—高值的分布。

3)近幾十年來河北省的霧霾日數增加,增長斜率為0.45,同期低能見度日數(能見度<6 km)卻呈現出降低的趨勢,低能見度日數并不隨著霧霾日數增加的主要原因是因為霧日數持續減少。

4)河北省霧霾與GDP、能源消耗總量呈正比關系,但與機動車數量的相關性不強。調整工業產業結構,提升生活方式和燃料結構是當前減輕河北霧霾的有效途徑。

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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

(責任編輯：孫寧)

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,吳雁,黃亦露,等,2016.河北省霧霾波動變化特征及成因研究[J].大氣科學學報,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).

*聯系人，E-mail:yuwj@nuist.edu.cn