黃 毅，常志坤，張曉瑞，楊佳帥

(1.河北省人工影響天氣辦公室，石家莊 050021；2.滄州市氣象局，河北 滄州 061000)

引 言

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，近年來我國城市環(huán)境污染問題日益嚴重，尤其是華北地區(qū)的大氣污染問題。2013年京津冀地區(qū)就發(fā)生嚴重的持續(xù)性大氣污染事件，僅1月份就發(fā)生5次強霾天氣污染[1]。研究表明，大氣顆粒污染物逐漸成為我國許多大中城市空氣污染的首要污染物，這對地球輻射平衡、大氣能見度及人體健康等造成了重要影響[2]。北方冬季采暖期，化石燃料的燃燒使得AQI大幅上升，導致高頻次發(fā)生大氣重污染事件；且在同一區(qū)域內(nèi)大氣污染過程特征相似，京津冀地區(qū)首要污染物為可吸入顆粒物和二氧化硫(SO2)，且明顯受大氣環(huán)流場和下墊面的共同影響[3]。由此可以看出，研究AQI變化規(guī)律及其與氣象要素的相關性，對預防空氣重污染事件的發(fā)生、治理區(qū)域內(nèi)大氣污染具有重要的科學價值和指示意義。

關于華北地區(qū)的大氣污染特征的研究已經(jīng)開展很多。李文杰等[4]分析了京津石三個城市空氣污染指數(shù)的時間與空間的分布特征和空氣污染指數(shù)與氣象要素之間的關系。程叢蘭等[5]對北京發(fā)生的一次持續(xù)4天的大霧天氣過程進行分析，研究表明，高空持續(xù)偏西穩(wěn)定氣流的增加，且存在一定的逆溫層結，會導致污染物在局地堆積，不會及時隨大氣擴散，很容易造成重污染天氣。曲曉黎等[6]根據(jù)2005～2009年的空氣污染指數(shù)資料，分析了石家莊的空氣質(zhì)量時空分布特征，石家莊的空氣質(zhì)量以良為主，而出現(xiàn)輕度污染以上天數(shù)占研究時段內(nèi)總天數(shù)的19.1%，表明石家莊的大氣污染較為嚴重；并且污染特征呈現(xiàn)明顯季節(jié)規(guī)律，冬季最差，秋、春季次之，夏季最好。張建忠等[7]對2013年北京地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)從時間空間兩方面進行特征分析，分析結果顯示，北京地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)出自西北向東南遞增的分布趨勢。除此之外，國內(nèi)外很多專家學者也在針對大氣環(huán)境的影響因素方面進行了很多的研究與分析，但是專門針對河北省中南部五個城市的研究仍然欠缺。本文選取污染事件較為嚴重的河北省南部地區(qū)為研究對象，分析五年來這一地區(qū)AQI變化及其與當?shù)貧庀笠刂g的相關特性，為這一地區(qū)今后在大氣污染治理方面提供相關的理論依據(jù)。為便于后期分析，本文在開始研究分析之前，查閱了2014至2018年《河北省環(huán)境狀況公報》[8]和河北省南部五市各季度國控企業(yè)廢氣主要污染物監(jiān)督性監(jiān)測結果(數(shù)據(jù)來源于河北省生態(tài)環(huán)境廳官方網(wǎng)站，包含各企業(yè)每月大氣污染物排放量)，經(jīng)查表分析，各月之間大氣污染物排放量整體有波動，但上下浮動差異不大，因此可近似看做各月之間河北省南部五市大氣污染物排放量一致，后續(xù)研究均在此基礎之上開展。

1 資料與方法

本文利用《河北省環(huán)境氣象業(yè)務平臺》中環(huán)保部門環(huán)境監(jiān)測站測得的歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)開展分析研究。環(huán)境監(jiān)測資料以列表形式展現(xiàn)，觀測項目包括空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI) 、細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)等六項，其中，AQI 是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)。AQI分級計算參考標準為《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》HJ633-2012，最新AQI指標從2012年開始在我國推行,由此得到空氣質(zhì)量分級標準(表1)。本文所運用氣象資料取自《河北省氣象信息共享平臺》。資料包含研究區(qū)域內(nèi)地面氣象觀測資料以及其他氣象相關資料。

由于本文主要分析內(nèi)容為AQI與氣象要素之間的相關性，因為采用統(tǒng)計方法為線性相關分析[9]。其中，AQI和氣象要素間的Pearson相關系數(shù)是運用軟件SPSS20.0 計算得到的。

表1 空氣質(zhì)量分級標準Tab.1 Air quality classification standards

2014～2018年河北省南部地區(qū)平均AQI、氣溫、氣壓、相對濕度及風速序列分別為滄州、衡水、石家莊、邢臺、邯鄲5市AQI、2m氣溫、2m相對濕度及10m風速的日數(shù)據(jù)紀錄。數(shù)據(jù)處理方法為：1～12月為1年、3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季和12～次年2月為冬季。本文研究區(qū)域河北省南部5市分布情況見圖1。

注：本文統(tǒng)計分析因氣象資料以及環(huán)境監(jiān)測資料部分缺失，故剔除缺測數(shù)據(jù)，此次統(tǒng)計分析是在剔除部分缺測數(shù)據(jù)后開展的。

圖1 河北省南部地區(qū)5市分布Fig.1 Distribution of 5 cities in the southern region of Hebei Province

2 結果與討論

2.1 AQI時空分布特征

2.1.1 AQI地域分布特征

河北南部五市邢臺、石家莊、邯鄲、衡水、滄州近5年AQI平均值分別為136.87、136.50、129.53、126.87、107.05，均處于輕度污染狀態(tài)，其中滄州近5年AQI平均值最低僅為107.05。河北省南部地區(qū)5市的AQI五年年均分布特征見圖2，在整體分布上呈現(xiàn)出研究區(qū)域內(nèi)AQI平均值東部地區(qū)<西部地區(qū)。

圖2 2014～2018年河北省南部地區(qū)5市空氣 質(zhì)量指數(shù)年平均值分布圖Fig.2 Distribution of annual average AQI of 5 cities in the southern region of Hebei Province, 2014～2018

2.1.2 AQI時間分布特征

從AQI的年度分布看，2014～2018年河北南部年平均AQI總體呈下降趨勢(見圖3)。尤其在2014年至2015年期間，研究區(qū)域內(nèi)五個城市AQI均大幅下降。究其原因，這與京津冀在2014年采取的冬季大氣污染聯(lián)合防治等一系列措施密不可分的，使得2015年至今，河北南部5市AQI一直保持在較低水平，河北南部大氣質(zhì)量明顯改善[10]。雖然近三年河北南部5市AQI出現(xiàn)一定幅度的波動，但城市間AQI差距日趨減小。

圖3 2014～2018年河北省南部地區(qū)5市年 平均空氣質(zhì)量指數(shù)變化趨勢Fig.3 Annual average AQI change trend of 5 cities in the southern region of Hebei Province, 2014～2018

就各市的平均AQI而言，邢臺近5年平均AQI最大(136.87)但2014～2016年邢臺AQI持續(xù)下降，之后保持較低水平，這與邢臺近年來關閉大型污染企業(yè)，加大了大氣環(huán)境綜合治理力度是分不開的。石家莊雖然自2014年至2015年石家莊AQI下降幅度最大，但近3年(2016年、2017年、2018年)AQI仍為最高，石家莊作為省會城市，城市的快速發(fā)展帶來人口與機動車的高速增長，這在一定程度上使得京津冀地區(qū)實施的大氣污染聯(lián)合防治措施的作用有所降低[10]。滄州近5年平均AQI最低(107.05)，雖然滄州也擁有眾多污染型企業(yè)，但滄州屬沿海城市，大氣污染物在海陸風的作用下，其水平輸送和擴散強度更大，因此滄州地區(qū)AQI要明顯低于研究區(qū)域內(nèi)其他4個城市[10]。邯鄲和衡水雖非人口大市，但城市經(jīng)濟結構主要以污染行業(yè)為主，鋼鐵、玻璃、礦產(chǎn)這些都是污染大戶，因此AQI年平均值一致，維持在一個相對較高的水平。

2.1.3 AQI季節(jié)分布特征

從AQI的季節(jié)分布看，圖4中河北省南部5市冬季AQI整體高于春、夏、秋季，且各市夏季AQI較其他三個季節(jié)明顯偏低。華北地區(qū)地處北溫帶，夏季空氣對流旺盛，降水多，對大氣顆粒物的沖刷作用強，使得大氣中污染物得到一定的沉降；而冬、秋季干燥少雨，且采暖季化石燃料燃燒，這都增加了大氣中固體顆粒物含量；春季氣溫回升，化石燃料使用相應減少，大氣顆粒物隨之減少，AQI 相應降低。而在春季干旱少雨及冷鋒過境等天氣系統(tǒng)的氣候背景下，受西北地區(qū)沙塵暴，特別是毛烏素沙地、庫布齊沙漠影響，春季大氣中沙塵含量增加，并在一定程度上抵消了氣溫回升、化石燃料燃燒量下降所帶來的AQI 下降。值得注意的是，下圖中2016年冬季除衡水、滄州外，其他3個城市都出現(xiàn)明顯峰值，均為太行山東麓城市。在2016年河北省年平均霧日數(shù)為34.5d，較常年值(21.6d)偏多12.9d，霧日數(shù)增多最為顯著的區(qū)域為邢臺北部和邯鄲石家莊等地[11]。

圖4 2014～2018年河北省南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)各季節(jié)變化趨勢Fig.4 Seasonal Change Trend of AQI in Five Cities in Southern Hebei Province, 2014～2018

2.2 空氣質(zhì)量指數(shù)>100出現(xiàn)天數(shù)

2014～2018 年，河北南部5市中年平均污染天數(shù)最少的城市是滄州，僅為152.8d；污染天數(shù)最多的城市是邢臺和邯鄲，分別為215.8d與208.6d(見表2)。邢臺作為河北南部5市年平均AQI>100d數(shù)最多的城市，這與邢臺當?shù)劁撹F深加工、煤化工、裝備制造業(yè)、紡織服裝作為其第二大經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)分不開的。而滄州較低的年平均污染天數(shù)則得益于其有利的區(qū)域位置，毗鄰渤海灣，海陸風對大氣顆粒物的清除和擴散作用更強[10]。近年來河北南部地區(qū)AQI>100的天數(shù)雖然存在一定波動，但整體成呈下降趨勢，空氣質(zhì)量逐漸變好。這有賴于河北各地方政府對污染企業(yè)治理與監(jiān)管，在污染企業(yè)治理、重點污染排放源治理、機動車尾氣防控、揚塵污染治理、餐飲油煙污染治理等領域加大治理力度取得的顯著效果[11]。

表2 河北省南部地區(qū)5市近5年AQI>100(輕微污染及以上級別)天數(shù)統(tǒng)計Tab.2 Number of days with AQI> 100 (light pollution and above) in 5 cities in the southern region of Hebei Province in the past 5 years (d)

由于2016年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)大量缺失，因此本節(jié)相應計算結果與其他年份存在一定的差異。但本文采用統(tǒng)計計算方法，整體趨勢結果不受其大的影響。

2.3 氣象要素與AQI相關性

基本氣象要素對大氣污染物的擴散、累積和稀釋具有一定的影響作用，在一定條件下，大氣污染物的濃度、空氣質(zhì)量直接取決于當時的氣象條件[12-13]。而對大氣污染物的擴散、累積和稀釋具有影響的氣象要素很多，作用最為明顯當屬風速、風向、降水和大氣層結穩(wěn)定度、逆溫層等。故本文選取相同研究時段內(nèi)氣象要素中的氣溫、氣壓、相對濕度及風速與對應AQI月平均值進行相關性分析。

2.3.1 氣溫與AQI的相關性

2014～2018年河北南部5市月平均氣溫分布與月平均AQI大致呈反相位(見圖5)，各市月平均AQI與月平均氣溫負相關，且均在0.01水平上通過顯著性檢驗(見表3)。可見，河北南部5市月平均AQI與氣溫存在負相關關系。究其原因在于，地面氣溫升高，空氣受熱產(chǎn)生向上的運動，大氣垂直運動加強，使得近地面污染物在垂直方向上擴散加強，有利于污染物的擴散，同時大氣的上升運動又容易造成當?shù)氐慕邓?，濕沉降將污染物帶向地面，使得觀測到的AQI值降低；反之亦然。

圖5 2014～2018年河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與氣溫的年際變化Fig.5 Interannual changes of AQI and temperature in 5 cities in southern Hebei from 2014 to 2018

表3 河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與氣溫的相關系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between AQI and temperature in 5 cities in southern Hebei

一般情況下，Pearson相關系數(shù)分級為：絕對值在0.0～0.2為極弱相關或無相關、0.2～0.4為弱相關、0.4～0.6為中等程度相關、0.6～0.8為強相關、0.8～1.0為極強相關。Pearson相關系數(shù)的顯著性檢驗中，如果顯著性的值小于0.01，即說明該事件的發(fā)生至少有99%的把握，如果顯著性的值小于0.05(并且大于0.01)則說明該事件的發(fā)生至少有95%的把握。我們一般認為當顯著性的值小于0.05且大于等于0的時候，說明水平顯著[14]。

由此我們可以發(fā)現(xiàn)，顯著性回答的問題是他們兩者之間是否有關系，說明得到的結果是不是偶然因素導致的(具有統(tǒng)計學意義)；相關系數(shù)回答的問題是相關程度強弱。

2.3.2 氣壓與空氣質(zhì)量指數(shù)的相關性

2014～2018年河北南部5市月平均氣壓分布與月平均AQI大致呈正相位(見圖6)。各市月平均AQI與月平均氣壓負相關，且均在0.01水平上通過顯著性檢驗(見表4)。究其原因，當某地受低壓系統(tǒng)控制時，低層大氣輻合上升，低層大氣中的污染物也就隨之被帶到高空，近地面污染物濃度降低。當受高壓控制時，例如到冬季，大氣層結穩(wěn)定，大氣垂直運動減弱，污染物在垂直方向上很難擴散。

表4 河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與氣壓的相關系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient between AQI and air pressure in 5 cities in southern Hebei

圖6 2014～2018年河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與氣壓的年際變化Fig.6 Interannual Changes of AQI and Air Pressure in 5 Cities in Southern Hebei from 2014 to 2018

2.3.3 相對濕度與空氣質(zhì)量指數(shù)的相關性

2014～2018年河北南部5市月平均相對濕度分布格局與月平均AQI大致呈反相位(圖7)。通過統(tǒng)計計算，邯鄲、石家莊、邢臺月平均AQI與月平均相對濕度呈中等負相關，衡水月平均AQI與月平均相對濕度呈弱負相關，但5市相關系數(shù)均未通過顯著性檢驗(表5)。究其原因，1～3月河北大氣處于西北氣流控制，空氣干燥，相對濕度降低。且這段時間取暖季逐漸結束，大氣污染物濃度降低，因此出現(xiàn)這段時間AQI與空氣相對濕度同時降低的情況。河北處于北溫帶，4～8月正值由春季轉(zhuǎn)夏季時節(jié)，盛行夏季風，西南氣流以及夏季風將更多的水汽從渤海灣和南方帶到河北，自然降水增加，促進了空氣中顆粒污染物的濕沉降。9～12月，華北地區(qū)轉(zhuǎn)為冬季風，相對濕度相應減少，同期河北省逐步進入取暖季，AQI增加，空氣質(zhì)量降低。

表5 河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與相對濕度的相關系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between AQI and relative humidity in 5 cities in southern Hebei

圖7 2014～2018年河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與相對濕度的年際變化Fig.7 Interannual changes of AQI and relative humidity in 5 cities in the south of Hebei Province from 2014 to 2018

2.3.4 10m風速與空氣質(zhì)量指數(shù)的相關性

2014～2018年河北南部5市10m月平均風速分布格局與月平均AQI大致呈反相位(圖8)。但是通過統(tǒng)計計算，河北南部5市AQI與10m風速的Pearson相關均展現(xiàn)出負值較低的弱相關情況。這個計算結果在一定程度上表明，AQI指數(shù)的大小與10m風速有一定負相關性，但未通過顯著性檢驗(表6)。說明10m高度風速對于低層大氣污染物的輸送與擴散可以起到一定的稀釋以及加速其水平擴散的作用。但當風速過高時，大風帶來的沙塵天氣同樣更會加重大氣的污染狀況。

表6 河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與10m風速的相關系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient of AQI and wind speed of 10 meters in 5 cities in southern Hebei

圖8 2014～2018年河北南部5市空氣質(zhì)量指數(shù)與10m風速的年際變化Fig.8 Interannual changes of AQI and wind speed of 10 meters in 5 cities in southern Hebei from 2014 to 2018

3 其他相關研究對比

經(jīng)過與其他省市關于AQI與氣象要素之間的相關性的對比發(fā)現(xiàn)，總體表現(xiàn)出一致的情況(見表7)。AQI的分布情況與氣溫、風速變化方面呈現(xiàn)出明顯的負相關關系，這與本文的統(tǒng)計結果一致；其他相關研究中AQI分布情況與氣壓的變化呈現(xiàn)正相關，這一點和本文統(tǒng)計結果也是一致的。僅相對濕度方面表現(xiàn)出現(xiàn)差異，南寧市與石家莊市在AQI與相對濕度的相關性上表現(xiàn)出了正相關的情況。在王云霞等[15]對石家莊市2016～2018年采暖期的空氣質(zhì)量變化特征研究中，由于其僅僅研究的是采暖期內(nèi)，也就是相當于樣本僅僅為11月～次年3月。而本文所研究的是全年的月平均AQI與月相對濕度之間相關性，因此是存在一定差異性的。

圖7中也可以發(fā)現(xiàn)，在1～3月月平均AQI與月相對濕度之間確實是表現(xiàn)出正相關的情況，因此這與王云霞等[15]研究結果是一致的，也正是因為這一段的正相關性的存在，進而抵消了本文4～12月的負強相關性，最終使得河北南部5市月平均AQI與月平均相對濕度呈現(xiàn)較低的負相關情況。

表7 其他地區(qū)所研究空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象要素的相關情況Tab.6 Correlation between AQI and meteorological elements studied in other regions

4 結 論

4.1 2014～2018年河北南部5市年平均AQI大致呈波動下降趨勢，表明過去五年河北南部地區(qū)空氣質(zhì)量總體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢。這有賴于河北各地方政府對污染企業(yè)治理與監(jiān)管，在污染企業(yè)治理、重點污染排放源治理、機動車尾氣防控、揚塵污染治理、餐飲油煙污染治理等領域加大治理力度取得的顯著效果。

4.2 AQI季節(jié)差異顯著，整體來看冬季>秋季>春季>夏季，呈現(xiàn)這一情況的主要原因為華北地區(qū)冬、秋季干燥少雨，采暖季化石燃料燃燒增加了大氣中固體顆粒物含量；春季氣溫回升，化石燃料使用相應減少，大氣顆粒物隨之減少，AQI相應降低。加之河北地處北溫帶，夏季空氣對流旺盛，降水多，對大氣顆粒物的沖刷作用強，使得大氣中污染物受到一定的沉降，大氣污染物含量降低，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

4.3 從統(tǒng)計特征相關性來看， AQI月平均值與氣象要素之間關系復雜：月平均AQI與月平均2m氣溫呈顯著負相關，月平均AQI與月平均氣壓呈顯著正相關；邯鄲、石家莊、邢臺月平均AQI與月平均相對濕度呈中等負相關，衡水月月平均AQI與平均相對濕度呈弱負相關；河北南部5市AQI與10m風速均展現(xiàn)出負值較低的弱相關情況。說明10m高度風速對于低層大氣污染物的輸送與擴散可以起到一定的稀釋以及加速其水平擴散的作用。但當風速過高時，大風帶來的沙塵天氣同樣更會加重大氣的污染狀況。

4.4 本文僅僅是從統(tǒng)計學的角度分析了河北南部5市近五年月平均AQI與氣象要素的相關性。事實上，氣象要素尤其是風向、風速對AQI以及污染事件的發(fā)生影響非常復雜。數(shù)學統(tǒng)計的相關性分析能在一定程度上通過對氣象條件的預測，進而根據(jù)大氣污染狀況與氣象要素之間的相關性，進行更有針對性的環(huán)境治理。當然，各地針對重污染事件的治理還需要根據(jù)各地不同的實際情況開展，并結合各地方不同的下墊面情況以及經(jīng)濟發(fā)展水平等綜合評估，最終再以氣象要素作為參考去進行大氣污染防治工作。