石家庄市灰霾天气变化规律研究

杨丽丽，冯　媛，周静博，贺林燕

(石家庄市环境监测中心，河北省石家庄　050022)



石家庄市灰霾天气变化规律研究

杨丽丽，冯媛，周静博，贺林燕

(石家庄市环境监测中心，河北省石家庄050022)

摘要：以研究石家庄市灰霾天气的变化规律及成因为目的，为石家庄市灰霾天气的防治提供技术支持，根据石家庄市2011年气象局的观测资料以及石家庄市环境监测中心梯度站污染物浓度的监测资料，对灰霾天气与气象条件以及污染物浓度的关系进行了分析。结果表明，石家庄市灰霾天气日数的年代际变化非常明显，20世纪60年代初是灰霾日数最少期，80年代和90年代是灰霾日数急剧上升期，2000年以后灰霾日数有所下降。灰霾天气季节变化很明显，呈现出秋、冬季多(分别占全年的20.5%和53.5%)，春、夏季少(分别占全年的15.2%和10.8%)的分布特征。静风、小风，低湿度以及连续的不降雨是造成灰霾天气的重要因素。石家庄市SO2，NOspan，PM2.5和PM10浓度的变化与灰霾日的变化有很好的一致性(相关系数分别为78.4%，70.9%，77.3%和73.8%)，灰霾日污染物浓度均明显高于非灰霾日，一年四季中以冬季灰霾日污染物浓度最高，秋季次之，夏季最低。

关键词：大气污染防治；石家庄市；灰霾天气；气象条件；大气污染物

E-mail: yanglili830116@126.com

杨丽丽，冯媛，周静博，等.石家庄市灰霾天气变化规律研究 [J].河北工业科技,2015,32(1):85-89.

YANG Lili，FENG Yuan，ZHOU Jingbo，et al.Research of haze change regularity in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(1):85-89.

近年来，持续灰霾天气给大气能见度及人类健康带来很大影响，广泛引起科学界、政府部门和社会公众的关注[1-2]。根据中国气象局2003年版《地面气象观测规范》定义[3]，霾是大量极细微尘粒，均匀地浮游在空中，使空气普遍浑浊，水平能见度小于10 000 m的现象[4]，远处光亮物微带黄、红色，黑暗物体微带蓝色。灰霾天气的形成有2方面原因[5]，一是不利的气象条件，二是大气颗粒物和气体污染物的增加。近些年来随着工业的发展，机动车辆的增多，污染物排放和城市悬浮物迅速增加，超过环境自净能力，产生灰霾天气[6]。

石家庄市位于华北平原城市群中，地处太行山东麓，地势西高东低，呈“避风港”式地形。受西部山脉屏障的影响，市区大风次数少，风速低，全年静风频率多，大气逆温现象发生频率较高。城市上空大气不易扩散，污染物聚积大气层底部，难以扩散，形成污染物不断循环的“城市污染谷”现象，加剧了市区的大气污染，城市灰霾现象较为严重[7-9]。

本文根据石家庄市2011年气象局的观测资料以及石家庄市环境监测中心梯度站污染物浓度的监测资料，对石家庄市灰霾天气的变化规律及成因、灰霾天气与气象条件以及污染物浓度的关系进行分析。

1资料来源和数据处理

1.1　资料来源

所用气象数据资料来源于石家庄市气象局监测资料，包括日均相对湿度、最小能见度、日均风速和天气现象等。大气污染物监测资料来源于石家庄市环境监测中心梯度站监测结果。石家庄市环境监测中心梯度站建立在世纪公园，共有4个层级的大气监测系统，分别是电视塔裙楼楼顶(20 m高度)、电视塔86，116和200 m平台，所用污染物数据资料为与人类活动最密切的20 m高度包括PM2.5，PM10，SO2，NO2和NO的时均浓度。所有污染物浓度数据为2011年全年数据，每小时采样一次。所用仪器分别为澳大利亚产ECOTECH EC9841B NOx监测仪，EC9850B SO2监测仪，EC9830B CO监测仪，EC9810B O3监测仪，运行温度为(25±5)℃，湿度为80%以下，运用1100气体校准仪进行周期性的零点检查和修正，基本消除了零点漂移；美国产THERMO TEOM1405D颗粒物自动监测仪，运行温度为8~25 ℃，仪器进行定期清洗维护。

1.2　数据处理

分析方法采用统计分析、对比分析和求平均的方法。以石家庄市的天气现象统计作为基础，2011年的气象资料和污染物资料对比出现的颗粒物浓度较大、能见度较低的天气形势进行归类整理。

2灰霾的年际、月季变化及成因

石家庄市灰霾日数的年际变化非常明显[10]，它与石家庄的城市发展密切相关，20世纪60年代初是灰霾天最少期，主要原因是城市化发展速度较慢，工业和交通运输还不发达，环境的人为因素影响较轻，灰霾日数少且上升比较缓慢。20世纪80年代初期，石家庄市经济得到全面发展，工业、交通运输业兴旺发达，人为因素的影响与日俱增；90年代，机动车大量增加，机动车尾气污染严重，城市化、工业化进程加快，90年代是年灰霾日数急剧上升期；2000年以后石家庄市环境治理力度的不断加大，如推广低硫煤，拆迁高耗能、重污染的小锅炉和小水泥厂等一系列措施，随着大气污染的治理，灰霾日数有所下降。

石家庄市气象局2005年-2011年的气象观测资料显示石家庄市不同月份灰霾天气日数明显不同(见表1)，灰霾日数出现最多的是1月，其次是12月与来年2月，5月灰霾日最少，仅有2天，其次为9月份5天，8月份7天。

表1　2005年-2011年石家庄市各季节灰霾天气日数表

秋冬两季占全年灰霾日总数的74%，呈现出秋、冬季多(分别占全年的20.5%和53.5%)，春季、夏季少(分别占全年的15.2%和10.8%)的分布特征。主要是由于秋冬季节北方冷空气活动频繁，受其影响，空气干燥，降水偏少，风力弱，气压稳定，混合层厚度低，大气层界稳定，近地面常形成逆温层，烧煤取暖的烟灰[11-12]、近地面的细颗粒物、汽车尾气等难以扩散或稀释，导致灰霾天气出现；春夏季节石家庄雨水比较充沛，为降水相对集中期，锋面、低槽、切变线等降水系统活动频繁，时常形成阴湿多雨天气，雨水对空气中的灰尘等污染物起冲刷作用，大气中的尘埃、烟粒等污染物易随雨水降至地面，不利于灰霾天气形成。

3灰霾与气象条件以及大气污染物的关系

3.1　灰霾与气象条件的关系

3.1.1风速对灰霾的影响

风是边界层内影响大气污染物稀释扩散重要的动力因子[11]，风向决定大气污染物的输送方向，而风速决定大气中污染物的扩散稀释速度，因此风是影响灰霾天气的形成和发展的最直接、最重要的因素[13]。当风速增大时，污染物在垂直方向和水平方向的扩散和输送加快，同时也会使湍流变大，不利于霾形成；静小风时污染物则易积聚，霾天容易出现[14]。从2011年石家庄市灰霾日的日均风速统计来看，出现灰霾时的风速均比较小，灰霾日的日平均风速为1.1 m/s，最大为2.3 m/s。近年来随着城市化进程的加快，高楼大厦嶙次栉比，改变了风场的分布，增大了地面摩擦系数，使风流经城区时速度明显减弱，甚至出现静风，从而加剧的了灰霾天的产生。

3.1.2湿度对灰霾的影响

如果天气干旱少雨，光照强烈，污染物之间就容易发生各种光化学反应，形成灰霾。对石家庄市出现灰霾天气的日均相对湿度进行统计,结果表明,出现灰霾日时的日平均相对湿度为26.7%~73%，而相对湿度>90%时，灰霾日几乎不出现。灰霾的出现与相对湿度的变化密切相关，由于空气湿度变大时，对应的气压降低，风速变小，不利于污染物稀释扩散，因此湿度变大时灰霾出现最多，湿度变化不大时出现灰霾几率最小。

3.1.3降水对灰霾的影响

2011年石家庄市各月不降雨天数与灰霾日天数见表2。

表2　2011年石家庄市不降雨天数与灰霾日天数

由表2可知：春夏季节，降雨比较多，雨水对空气中的污染物起到了很好的冲刷作用，对应灰霾日较少；与之相反，秋冬季节，月最长连续无降雨日数逐月增大，2011年1月份最多达30天，与灰霾天气较多存在较好正相关，也正是秋冬季正好处于枯水期，降水量明显减少，空气中水分少，空气干燥导致的结果。

3.2　灰霾与大气污染物之间的关系

灰霾天气的形成除了与气象条件有关以外，还与大气污染物的浓度有着密切的关系[5,15-17]。随着石家庄市人口的急剧增加，经济迅速发展以及机动车数量的急剧增加，灰霾天气污染日益严重，而人类造成的污染物主要是SO2，NOx(主要包括NO和NO2)、PM2.5和PM10。根据2011年石家庄市环境监测中心梯度站的监测数据可知，石家庄SO2，NOx，PM2.5和PM10浓度的变化与灰霾日天数的变化有很好的一致性。通过对两者进行线性回归计算,可以得到污染物SO2，NOx，PM2.5和PM10浓度的月均值与灰霾日所在月份比例的相关系数分别为78.4%，70.9%，77.3%和73.8%，这说明石家庄市空气中SO2，NOx，PM2.5和PM10浓度与灰霾天气的形成有很大的相关性。由图1可以看出，灰霾严重月份的污染物浓度均明显高于灰霾日少的月份，一年四季中以冬季灰霾日污染物浓度最高，秋季次之，夏季最低。

图1　2011年石家庄市各种污染物变化曲线图Fig.1　Monthly mass concentration change tendency of SO2，NOx，PM2.5and PM10 in Shijiazhuang City in 2011

对比灰霾日与灰霾日所在月份月均浓度(见图2)可以发现，SO2，NOx，PM2.5和PM10浓度平均值分别高出月均值的27.8%，42.9%，36.3%和31.9%。可见，空气中SO2，NOx，PM2.5和PM10是造成大气能见度下降而产生灰霾天气的重要原因，灰霾天气使近地面空气污染程度加剧，特别是颗粒状污染物的污染程度加剧。城市雾霾出现时，市区空气质量处于对人体健康十分有害的恶劣状态。

图2　2011年石家庄市灰霾日与灰霾日所在月份SO2，NOx，PM2.5 和PM10月均质量浓度对比图Fig.2　Comparation of SO2 , NOx , PM2.5 and PM10 monthly average mass concentration 　in haze days and the corresponding months in Shijiazhuang City in 2011

4结论

1)石家庄市灰霾天气日数的年际变化非常明显，20世纪60年代初是灰霾天最少期，改革开放初期和90年代是灰霾日数急剧上升期，2000年以后灰霾日数有所下降。

2)石家庄市灰霾天气季节变化很明显，呈现出秋、冬季多(分别占全年的20.5%和53.5%)，春、夏季少(分别占全年的15.2%和10.8%)的分布特征。

3)灰霾日的出现使大气的能见度降低，静风、小风，低湿度以及连续的不降雨是造成灰霾天气的重要因素。

4)石家庄SO2，NOx，PM2.5和PM10浓度的变化与灰霾日的变化有很好的一致性，污染物SO2，NOx，PM2.5和PM10浓度的月均值与灰霾日所在月份比例的相关系数分别为78.4%，70.9%，77.3%和73.8%;灰霾日污染物浓度均明显高于非灰霾日，SO2，NOx，PM2.5和PM10质量浓度平均值分别高出月均值的27.8%，42.9%，36.3%和31.9%。一年四季中以冬季灰霾日污染物浓度最高，秋季次之，夏季最低。

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《河北工业科技》《河北科技大学学报》影响力再次大幅提升

2014年12月16日，2014中国最具国际影响力学术期刊暨中国学术期刊国际、国内引证报告发布会在清华大学召开。据该会发布的中国学术期刊影响因子年报(自然科学与工程技术2014版)，《河北科技大学学报》《河北工业科技》的复合影响因子和排名均达到历史新高。《河北科技大学学报》的复合影响因子为0.853，在403种综合性科学技术类期刊中位列第38名，比2013年上升28位。《河北工业科技》的复合影响因子为0.701，继2013年由第274名上升到第166名后，再次上升101名进入前百，跃居第65位。

(本刊编辑部)

Research of haze change regularity in Shijiazhuang City

YANG Lili， FENG Yuan， ZHOU Jingbo， HE Linyan

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang， Hebei 050022, China)

Abstract:In order to analyze haze change regularity and the origin of the haze weather and provide technical support for its prevention, the correlation between the haze and meteorological condition and pollutants concentration are discussed based on the surface meteorological observation data and the pollutants concentration monitoring data from the step station of Shijiazhuang environmental monitoring center. It is proved that the haze days during the 1960s is minimal; the haze days rises sharply during the initial stages for reform and opening-up and the 1990s; the haze days obviously decreases after the 2000s．The haze occurs more frequently in autumn (20.5%) and winter (53.5%), and less in spring(15.2%) and summer(10.8%). Quiet wind, lower humidity and continuous no-rain days are the important causes of the haze. The mass concentration change regularity of SO2, NOspan, PM2.5and PM10(the correlation coefficients are 78.4%,70.9%,77.3% and 73.8%, respectively) is coherence with the haze days of Shijiazhuang City. Their mass concentration is obviously higher in haze days than in the normal days. Their mass concentration is highest in winter, lower in autumn and lowest in summer.

Keywords:air pollution prevention; Shijiazhuang City; haze; meteorological condition; air pollutants

作者简介：杨丽丽(1983—)，女，河北藁城人，工程师，硕士，主要从事环境监测方面的研究。

基金项目：河北省科技支撑计划项目(13273702D)

收稿日期：2014-05-30;修回日期：2014-06-30；责任编辑：张军

中图分类号：X517

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01015

文章编号：1008-1534(2015)01-0085-05