我國霧霾天氣氣候特征及影響因素分析

劉家福 王鑫全++于茜++杜會石

摘要：根據2013年我國部分城市夏季、秋季、冬季的細顆粒物（PM2.5）質量濃度數據，基于半變異函數理論，利用克里格插值方法對霧霾天氣各類主要大氣污染物進行空間特征分析，分析夏季、秋季、冬季PM2.5空氣質量分指數。結果表明，6—12月，大氣中的PM2.5質量分指數與能見度呈明顯負相關關系，PM2.5空間濃度分布均值差異明顯，我國大范圍霧霾天氣期間，大部分城市PM2.5濃度均嚴重超標。由結果可知，治理霧霾不能單純從一方面進行治理，要采取綜合治理措施。

關鍵詞：霧霾； PM2.5；空氣質量；大氣污染

中圖分類號： X513文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0402-03

收稿日期：2015-11-09

基金項目：國家自然科學基金（編號：40771020）；中國科學院重點部署項目（編號：KZZD-EW-08-02）；吉林省科技發展計劃（編號：20150204047SF、201215224、201201080）；吉林省高校科技與“十二五”科研規劃（編號：吉教科合字[2015]第222號）。

作者簡介：劉家福（1975—），男，吉林敦化人，博士，副教授，主要從事遙感與GIS在資源環境、自然災害等領域應用研究。Tel：（0434）3296005； E-mail：liujiafu750506@126.com。

近年來，隨著我國城市化進程加快，空氣污染問題更加突出，霧霾災害發生頻率不斷提高，霧霾災害治理已經成為當前我國環境保護的首要問題，霧霾氣候特征和影響因素的研究對于霧霾災害防治具有重要意義[1-3]。國內學者在早期研究中對霧霾形成的物理化學條件及如何區分霧和霾等作過細致分析，相關研究為準確觀測和判定霧霾天氣提供了重要參考[4-5]。研究表明，霧霾天氣能見度惡化主要與細顆粒物（PM2.5）關系較大[6-7]，正是由于大量極細微的污染性氣溶膠的存在，使得霾天氣對人類健康具有極大危害性。在全國范圍內，研究重污染城市霧霾天氣氣候特征、分布特征以及影響因素，對于治理霧霾具有重要的現實意義。

1材料與方法

1.1數據來源

本研究所用數據是2013年5、6、8、9、11、12月PM2.5監控網收集的實時監控數據（5、6、8、9月記錄了76個城市，11、12月記錄了114個城市）。采用氣象學標準劃分季節：夏季（5—6月）、秋季（8—9月）、冬季（11—12月）。采用國家霧霾劃分等級標準劃分霧霾，分為優、輕度污染、中度污染以及重度污染4個等級。根據全國PM2.5監測網站提供的監測點信息，選取全國范圍內各個城市的空氣污染監測點信息獲取數據[8-10]。分別收集2013年5—12月以上監測點參與空氣質量評價的主要污染物，即細顆粒物、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等物質的空氣質量濃度。

1.2方法

通過對數據進行整理計算，得到2013年5—12月各監測點各類物質的空氣質量分指數，并以此為依據采用克里格空間插值法進行分析，通過已知地區的顆粒物濃度得到全國范圍內顆粒物濃度空間分布特征。結合空間分布特征，以此來對比顆粒物濃度的區域差異，利用上述地理空間基礎數據作為基本統計單元進行環境安全性分析。

1.2.1污染物項目P的空氣質量分指數計算

空氣質量分指數（AQI）是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數，其數值越大、級別和類別越高、顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴重，對人體的健康危害也就越大。針對單項污染物，AQI還規定了空氣質量分指數[11]。AQI共分為六級，其中一級優，二級良，三級輕度污染，四級中度污染，五級重度污染，六級嚴重污染。相應的空氣污染指數分別劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300。

IAQIP=（IAQIHI-IAQILO/BPHI-BPLO）×（CP-BPLO）+IAQILO。[JY]（1）

式中：IAQIP為污染物項目P的空氣質量分指數；CP為污染物項目P的質量濃度值；BPHI為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與CP相近的污染物濃度限值的高位值；BPLO為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與CP相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHI為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與BPHI對應的空氣質量分指數；IAQILO為相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表中與BPLO對應的空氣質量分指數。

1.2.2半變異函數

選擇不同的半變異函數理論模型，經過多次擬合計算機和對比分析，發現指數模型較好地描述了全國PM2.5含量的空間變異規律。半變異函數模型是克里格空間插值的前提條件，同時又受隨機性因素的影響，因此是典型的區域化變量[12]。其變異函數的具體形式如下：

[JZ（]r（h）=[JB（{]0，h=0C0+C（1-eh2/a2），h>0[JB）]。[JZ）][JY]（2）

式中：r（h）為在距離h處的半變異；C0為在距離0處的半變異；C為總基臺值，或者表示在a處的半變異。

2霧霾天氣氣候特征及影響因素分析

2.1霧霾時空變化特征分析

基于半變異函數及克里格空間插值方法得到2013年夏季、秋季、冬季主要月份PM2.5含量空間分布圖（圖1），對影響霧霾天氣的PM2.5含量分布情況進行分析。

大氣中的PM2.5質量分指數與能見度呈明顯負相關關系，在3個季度圖（圖1）中，華中地區的PM2.5質量分指數集中偏高，華中地區能見度較其他地區偏低。因為大氣中的顆粒物較多，能見度降低是霾和霧的共性，二者的主要區別在于含水量的差異。夏季過渡到秋季，西藏、新疆地區的PM2.5污染加劇，這主要是由于這些地區沙塵、大風、沙暴等災害性天氣較多，使得大氣中的顆粒物質擴散速度放慢，隨著顆粒物質的積聚，能見度較低，形成霧霾天氣。

[JP2]對全國各城市PM2.5含量進行插值計算，采用半變異函數計算方法進行統計，從圖1可以看出，以北京市為中心向周圍擴散的城市霧霾情況最為嚴峻，其PM2.5含量最高。夏季，新疆烏魯木齊市PM2.5含量由優級變化為重度污染狀態，由此可以推斷出，夏季新疆地區空氣質量急劇下降，可能由于此地區屬于溫帶大陸性干旱氣候，由于降水量減少，空氣中的顆粒物質無法分解，導致空氣塵埃粒子大面積殘留，PM2.5含量迅速增加，形成霧霾天氣。秋季，全國范圍內霧霾均極為嚴重，隨著季節變化，青海省西寧市、甘肅省蘭州市等地區的PM2.5含量逐漸降低，然而沿海地區城市PM2.5含量卻逐漸增長。冬季，全國范圍內空氣質量好轉，烏魯木齊地區極為明顯，長江中下游地區空氣質量也由原來的中度、重度污染轉變為優，吉林省長春市、黑龍江省哈爾濱市受霧霾影響較為明顯；在3個季節變化對比中，可以明顯看出，以北京市為中心向四周擴散的華北地區霧霾狀況最為嚴重，而且并沒有隨著季節變化有所好轉，因此應集中治理以北京市為中心的區域范圍內的重度污染城市，逐漸

[FK（W36][TPLJF1.tif]

擴大治理范圍，逐漸向長江下游和新疆地區蔓延開來。

[JP2]綜合3個季度全國范圍PM2.5含量分布情況，以北京市為中心向四周擴散的城市污染狀況最為嚴重，根據我國經濟發展和人口遷移分布情況來看，北京地區經濟開發較為頻繁，工廠企業較多，人口遷移量也較高，陜西省西安市、湖北省武漢市、重慶市、[JP3]四川省成都市、吉林省長春市等是我國經濟發展水平相對較高的區域，人口分布密集，由此可以推斷出影響霧霾分布的主要因素是經濟發展水平、生產力水平以及人口分布密度等。

2.2時空變化規律

分析霧霾的時空變化特征有助于了解霧霾產生、發展以及消除規律，同時也可以了解區域性污染對大范圍霧霾形成的影響。

由圖2可知，9月之前，除了北京市，其他5個城市PM2.5濃度變化幅度均較小；9月之后，6個城市PM2.5濃度均不斷增加，長沙市、烏魯木齊市、重慶市、深圳市PM2.5濃度開始攀升，持續嚴重超標，9—11月尤其嚴重，北京市、大連市PM2.5濃度變化幅度較小；11—12月烏魯木齊市PM2.5濃度下降明顯。由此可知，霧霾產生及發展過程具有區域性特征，污染物質的遷移是導致區域污染的重要原因。

[TPLJF2.tif]

2.3霧霾影響因素分析

霧霾天氣的影響因素主要包括污染排放、氣象條件2個方面。如果空氣中有污染物，就有可能形成霾，但如果此時氣象條件為暴風天氣或晴空萬里，污染物消散速度加快，不會形成霾天氣。由于氣象條件為不可控因素，因此在治理霾天氣的過程中應加強對污染物排放的控制[13-14]。造成霧霾天氣的大氣氣溶膠主要來源于自然排放和人為排放，一段時期內，無論是自然排放還是人為排放，氣溶膠顆粒總量大致穩定。目前我國各地都在推廣節能減排活動，空氣中的二氧化硫含量逐漸降低，趨于穩定，但機動車越來越多，機動車尾氣逐漸成為造成大氣污染的主要來源，雖然目前機動車尾氣排放量在大氣污染物含量中比例并不是特別高，但是機動車尾氣會增加大氣氧化性，形成更多二次氣溶膠，導致霧霾天氣頻發[15-16]。一段時間內，形成霧霾天氣的控制性因素取決于氣象條件。發生霧霾天氣時通常伴隨著小風、低濕度和強日照；另一方面，城市化發展造成下墊面屬性改變，也造成城市大氣邊界層物理結構發生變化[17]。最新研究發現，農業種植中濫用化肥農藥等會加重霧霾。盡管我國耕地面積只占全球的7%，但我國消耗的氮肥量卻占全球1/3以上，大量施用氮肥導致我國的土壤、水和空氣受到大規模污染，也是形成霧霾天氣的主要因素；在東北地區，霧霾形成也受秸稈焚燒的影響。

3結論與討論

[JP2]通過對霧霾天氣發生時大氣相對濕度、風速、氣溫等氣象特征以及能見度和PM2.5濃度等環境特征的變化情況進行分析，發現霧霾天氣由氣象要素和環境要素共同作用形成。我國大范圍霧霾天氣期間，全國大部分城市PM2.5濃度均嚴重超標，最大的污染源是交通污染，主要包括北京市、上海市、深圳市、武漢市等經濟發達城市，以北京市為中心的區域污染最為嚴重。治理霧霾不能單純從一方面進行治理，要采取綜合治理措施。首先要從控制污染源入手，淘汰現有的高污染企業及設備，鼓勵發展低污染項目及替代產品，從源頭上控制污染物的產生。其次要采用先進高效的污染治理設備，加強汽車尾氣治理，對擬排放的污染物進行治理，確保達標排放。再次要對排放后的大氣污染物進行吸收穩定化治理，防止遇風攜帶成為二次污染源。

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