河北省空氣質量特征及其與氣候因子的關系

劉云溪

利用2014～2016年河北省11市的空氣質量指數（AQI）研究其時空分布特征，并與同期氣候數據進行相關性分析，結果表明，河北省空氣質量水平總體較差，冬春季節平均AQI較高，夏季最低值也達到80以上；空氣質量指數在空間上呈現出中南部高、北部低的趨勢，張家口的空氣質量水平全省最佳，3a內優良天數高達900d以上，污染天數最高的城市是位于河北東南部的衡水，石家莊嚴重污染比例最大；近3a來，河北省空氣質量稍有改善，主要集中在1～3月，但效果并不明顯，12月AQI呈現逐步增高的趨勢；河北省AQI與氣溫、降水、氣壓、風速、平均相對濕度等氣候因子關系密切，不同季節、不同地區受主要影響的氣候因子不同，具有不同的相關性。

AQI時空分布氣候因子相關性一、引言

隨著我國經濟的發展和居民生活水平的提高，空氣質量問題受到廣泛關注。特別是城市化進程加快，使得能源消耗量和機動車數目不斷增加，空氣污染程度也隨之增加，傳統的空氣污染指數（API）已經不能準確表達實際空氣質量情況。2012年，環保部門試用空氣質量指數（AQI）來定義空氣質量（HJ633-2012），AQI是從SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO六項污染物中選擇空氣質量指數得分最高者為最終的空氣質量指數，特別是近年來，以PM2.5為首要污染物的霾天氣現象日益增加，不僅導致能見度下降，而且對人體健康造成嚴重威脅。

國內空氣質量研究起步較晚，開始于20年代末期，學者多從氣象因子、天氣形勢、大氣穩定度、地形地勢等方面對空氣質量進行相關研究，程婷等指出不同氣壓對于南京霧霾天氣的影響不同，在1000～1030hPa的氣象條件下霧霾天氣最為嚴重；吳珊珊等表明空氣質量與地面風速、大氣逆溫、氣壓、降水量、相對濕度等都有關系。

近年來，在全國空氣質量指數排名中，河北省多個地級市AQI一直居高不下，一方面與其不合理的產業結構類型及其發展進程有關，另一方面受到特殊的自然地理環境特點的影響，雖然河北省政府近年來采取了多種空氣污染防治措施，但是效果并不顯著。因此，分析河北省空氣質量時空分布特征及其與氣象因子的關系，提高空氣質量預報的準確性，對于河北省經濟可持續發展、人體健康，乃至全國霧霾天氣的認識和治理都有一定的意義。

二、河北省概況

河北省位于華北地區的腹心地帶，東臨渤海、內環京津，西倚太行山，北靠燕山和張北高原，全省地勢由西北向東南傾斜，西北部多山地、丘陵和高原，其間分布盆地和谷地，中部和東南部為廣闊的平原，地形條件復雜，主要包括壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元，氣候屬于典型的溫帶季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫和多雨，全省年平均氣溫在4～13℃之間，年均降水量484.5毫米，且集中在夏季，降水量自東南向西北遞減。河北省經濟發展以第二產業為主，其中鋼鐵和煤炭產量位居全國前列，石化、建材等大資源型產業在產業結構中所占比重較大。

三、影響城市空氣質量的主要因素

城市空氣質量主要取決于污染源、氣象條件和下墊面等方面。污染源排放污染物的數量、組成、位置、密集程度等是影響空氣質量的基礎，它決定了進入空氣污染物的數量及所涉及的范圍，氣象條件和下墊面性質是決定空氣質量的重要條件。

河北省產業結構并不合理，鋼鐵、建材、電力等行業比較集中，能源消費量較高，工業生產中以排放煤煙型、顆粒物為特征的廢氣較多，氮氧化物、煙（粉）塵、二氧化硫排放量較高，形成點狀或面狀污染源，進而影響城市空氣質量；此外，隨著經濟和交通運輸業的發展，河北省作為華北地區的交通咽喉之地，來往京津和東北地區的車輛不斷增多，機動車排放的廢氣也成了空氣的主要污染源。

影響城市空氣質量的氣象條件主要包括風和湍流、大氣溫度層結、大氣穩定度、逆溫和降水等。通常在高壓控制之下，大氣層結穩定，污染物不易擴散，從而導致污染物聚集，空氣質量惡化；降水對AQI的影響主要表現在雨滴會吸附空氣中懸浮物質和顆粒物并將之攜帶到地面，對空氣有凈化作用；此外，風和湍流也對空氣質量有重要的作用：風對空氣中污染物有輸送和沖淡稀釋的作用，它決定了污染物遷移運動的方向，風速越大，單位時間內清潔的空氣量就越大，稀釋效果越好。

不同的下墊面通過氣象條件間接地對城市空氣質量產生影響，而且下墊面本身也會影響到氣流的運動。例如山谷地區晝夜交替形成山谷風，夜晚大氣層結穩定，常出現逆溫現象，導致空氣中污染物積聚，AQI不斷升高；廢熱廢氣排放使城市形成“熱島效應”，加之高層建筑物和復雜的下墊面阻礙氣流的運行，不利于污染物的擴散，都會加劇城市空氣質量的惡化。

四、數據來源及分析方法

本文使用的地面氣象數據來源于中國氣象數據網，空氣質量指數數據來源于中華人民共和國環境保護部數據中心，數據為2014～2016年河北省11市AQI日平均值，依據《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》利用Excel軟件對河北省2014—2016年空氣質量指數（AQI）進行分級和統計，借以分析AQI時空分布特征，并選取有代表性的地級市與同時段相對應的氣象數據相對應，利用SPSS.19進行相關性分析，探討不同條件下河北省空氣質量與各個氣象因子的關系。

五、數據分析與結果討論

1.AQI時空分布特征

（1）AQI空間分布特征

對河北省2014～2016年各市空氣質量指數進行統計，發現AQI具有明顯的空間分布特征。河北省空氣質量指數總體呈現出南部高于北部的趨勢，地處河北省北部的張家口、承德和位于東北部的秦皇島AQI優良比例明顯高于其他地區，均占總天數的70%以上，三年Ⅱ級以上天數達到700d以上，其中張家口空氣質量水平位居全省最高，3a內優良天數高達936d，一方面，它位于河北省北部，接近西北風發源地，風力強勁，利于污染物的輸送與擴散。另一方面，其經濟發展相對滯后，重工業所占產業結構的比重較小，排放的廢水廢氣相對較少，特殊的自然地理位置和經濟環境，使其空氣質量明顯優于其他地區。位于河北省東南部的衡水優良天數最低，僅為332d。污染最嚴重的城市為石家莊市，3a內嚴重污染天數達到99d，且有16d的空氣質量指數爆表（AQI為500），石家莊位于太行山背風坡，焚風效應明顯，污染物易積聚在近地面，不利于擴散，并且石家莊作為省會城市，重工業較為發達，較多的機動車數量所排放的碳氫化合物、氮氧化合物等廢氣都使得AQI指數不斷升高，空氣質量水平較低（表2）。endprint

利用表1對2014～2016年河北省地市每一天的空氣質量數據進行統計，可以看出，河北省空氣質量水平總體較差，大部分地區空氣質量以中輕度污染為主，其中7個地級市AQI污染比例超過了優良比例。衡水市污染天數所占比例最高，為69.7%，其次是保定和邢臺，分別達到66.2%和64.2%。張家口市空氣質量最好，優良比例達到81.5%，Ⅵ級天數僅占1%，其次是秦皇島和承德，優良比例均達到70%以上。重度污染以上天數，保定和石家莊居高，其中石家莊的嚴重污染比例為全省最高，占7.6%（圖1）。

（2）AQI時間分布特征

河北省2014～2016年11市各月的AQI平均值，除承德和張家口外，其他各地市AQI均具有明顯的季節變化特征（圖2a），河北省平均空氣質量指數從1月到12月呈現出先降低后升高的趨勢（圖2b），12月AQI指數月平均值最高（149），最低值出現在9月（82）。冬季平均空氣質量指數最高，輕度污染以上（AQI大于100）天數，冬季占30.4%，春季次之，夏季最低，占21.5%，其中僅8月和9月AQI低于100，達到二級以上標準，從而看出河北省整體空氣質量不容樂觀。河北地區冬季受西伯利亞高壓控制，降水稀少，大氣層結比較穩定，對流層的中低層常有逆溫現象，不利于污染物擴散，并且冬季取暖以煤炭為主，燃燒的化石燃料釋放出的二氧化硫、氮氧化物和煙塵等顆粒物使AQI不斷升高，空氣質量水平不斷下降；3月河北省仍處于供暖期，且春季局地揚沙天氣的多發也使得空氣質量變差；而夏季湍流作用較強，空氣對流旺盛，降水較多，都有利于污染物的稀釋與擴散，因此空氣質量較好。此結果與趙妙文等的研究具有很好的一致性。

對2014～2016年各月地市平均值進行時間分布分析，見圖2。

2014～2016年，全省空氣質量指數變化不大，略有下降的趨勢，其中2014年僅9月平均值達到Ⅱ級空氣質量標準，2015～2016年均有5個月份AQI均值達到Ⅱ級空氣質量標準，表明近3a來河北省空氣質量水平有所改善，特別是2015～2016年多數月份AQI均低于3a的均值。其中3a中12月AQI呈現出上升趨勢，而1～3月AQI卻有明顯下降的趨勢，5～9月AQI變化不明顯（圖3）。隨著政府治理空氣質量力度的加大，如機動車尾號限行、關閉高耗能高污染小型企業等，近3a來河北省空氣質量水平稍有提升，但治理效果并不明顯。

2.AQI與氣候因子的關系

根據以往的研究，在污染物排放數量一定的強情況下，污染物濃度在很大程度上取決于氣象條件，空氣質量的特征與氣象因子密切相關，但是對于不同季節、不同地域來說影響不同。風速對于AQI的影響具有雙重作用，一方面，風向和風速影響著大氣污染物輸送與擴散，風速較大時，污染物水平輸送能力較強，可以有效減少地區工業和家庭排放的廢氣，對于降低AQI有重要作用。另一方面，風速所引起的沙塵等天氣又會使AQI上升，導致空氣質量的惡化。降水對于稀釋大氣中污染物有重要作用，連續的強降水、會導致空氣質量好轉，AQI指數下降，但也有研究表明，陣性降水或弱降水對污染物的凈化作用不大，反而會增加空氣中的相對濕度，導致PM2.5濃度上升，進而提高AQI指數，使空氣質量惡化。較低氣溫使得地區氣壓升高，高壓天氣通常與反氣旋和高壓脊相伴，兩者使得對流層中低層的空氣輻散下沉，容易把高空污染物垂直輸送到近地面，近地面大氣層結穩定，使得AQI不斷升高，近地面環流輸送繼而影響周邊地區的空氣質量。

（1）不同季節AQI與氣候因子的關系

根據2014～2015年AQI和氣象數據，對兩者關系利用SPSS.19進行相關性分析（表3），不同季節的AQI與平均氣溫、降水量、平均風速、平均相對濕度、平均氣壓等氣象要素關系不同。河北省各季節AQI與平均氣壓均有良好的相關性，并且均通過0.01的顯著性檢驗。春季AQI與降水量、平均風速具有極顯著負相關關系，Pearson相關系數分別為0.422、0.431，且通過0.01的顯著性檢驗，河北省春季風速越大、AQI越低，空氣質量越好；夏季AQI與平均氣溫和氣壓具有顯著正相關關系，相關系數分別為0.553、0.403，說明溫度、氣壓是影響河北省夏季AQI的重要氣象因素，溫度越高、氣壓越高、空氣質量水平越差；秋季AQI與平均氣溫和降水量呈負相關關系，相關系數分別為0.258和0.369，與平均氣壓極顯著正相關，表明秋雨和氣溫的升高對于秋季空氣質量改善有重要作用；冬季與平均氣溫、平均相對濕度、平均氣壓均呈正相關關系，與風速呈顯著負相關，冬季氣溫和氣壓偏高，容易出現逆溫層，冷空氣過境帶來大風降溫天氣，使逆溫層消散，有利于污染物的擴散，空氣質量好轉。

（2）不同城市AQI與氣象因子的關系

AQI指數與氣象因素的關系還受到地理位置的影響，選取河北省不同方位中4個有代表性的城市，對AQI與氣象因素進行相關性分析（表4），結果表明：總體來說，除張家口外，各市AQI指數均與平均氣溫，降水量呈負相關關系，并且相關系數較高，相關性較大，對于張家口來說，平均相對濕度對其影響較大，Pearson相關系數為0.59；石家莊、保定和滄州主要與氣溫、降水量、氣壓的關系較為密切，即溫度越高、氣壓越低，越不易形成逆溫層，降水量越多，對污染物的沖洗能力越強，相對空氣質量越好。

五、結論

（1）河北省AQI具有明顯的季節變化特征，冬春季節平均AQI值偏高，尤以12月最高，占統計總天數的11.1%，夏秋季AQI均值較低，9月達到最低值。

（2）河北省AQI空間分布不均，整體上呈現中南高、北部低的趨勢，AQI高值區出現在衡水、石家莊等中南部地區，低值區位于河北省北部，包括張家口、承德、秦皇島。

（3）河北省近3a來AQI變化趨勢總體不明顯，稍呈下降趨勢，其中1～3月AQI下降趨勢相對明顯，5～9月變動不大，表明河北省在改善冬季和早春空氣質量方面起到了一定的效果。但由于數據原因，并未做出長時間序列AQI變化趨勢。

（4）AQI與降水量、氣溫、氣壓、平均相對濕度、風速等氣候因素關系密切，并且不同季節、不同地區主要影響的氣候影響因子不同。通常情況下，AQI與氣壓呈正相關，與降水量、氣溫呈負相關，與風速、平均相對濕度的相關性不明顯。

AQI是多種因素綜合作用的結果，本文重點討論了典型氣候因子與AQI的關系，對多個氣象因子對AQI的綜合作用未作探討。另外，產業結構特征、地理因素，也是影響AQI的重要因素，將來后續研究中加以討論。

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