邢台市雾霾与气象条件的相关性研究

李 猛，国 慧，宋晓奎

（邢台学院数学与信息技术学院，河北 邢台 054001）

雾霾主要是由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物等大气污染物组成，这些污染物与雾气一起形成了影响人们生活雾霾天气，对人体健康极为不利[1]。在中国乃至全球，雾霾导致的危害已经给人类的生存带来严重地威胁，因此治理雾霾刻不容缓。雾霾是一种笼统的说法，其本质仍是大气污染物，因此研究雾霾与气象条件的相互关系，其主要任务就是研究大气污染物与气象条件的关系。本文以邢台市为例，通过对2016～2018年逐日的大气污染数据与气象条件的数据进行分析研究，以厘清大气污染物与各气象条件的关联，为雾霾的治理提供参考依据。

1 研究区域概况

邢台市地处华北地区，位于河北省南部，市区面积214.84 km²，常住人口739.52万，是重要的交通枢纽。由于紧靠太行山脉，污染物难以扩散，近些年邢台市的雾霾天数较多，空气质量在国内城市中位居末流，急需治理。本文的数据来源于中国气象科学数据共享服务网，选取的监测站位于东经114°30’，北纬37°4’，海拔77.3 m。通过对2016-2018年监测站的气象数据进行统计，日平均气温14.6 ℃，平均风速3.3 m/s，相对湿度的平均值57%，日照时数5.37，平均气压994.9 hPa.

空气质量指数是根据五种大气污染物计算得出的评价指数，能够刻画污染程度的宏观走势，而且这些污染物均为雾霾的主要污染成分。邢台市2016～2018年逐日的空气质量指数曲线如图1所示，重度污染与严重污染天数总计达120天，污染情况较为严重，每年的峰值出现在12月、1月和2月，在5月至9月期间较为平缓，数值相对较低，因此整体来看冬季污染最为严重，也是雾霾的高发季节，夏季污染程度较低，季节性变化趋势明显。

图1 邢台市2016-2018年空气质量指数

2 大气污染物与各气象因素的相关性分析

2.1 数据的预处理

获取的气象污染物数据包括2016～2018年邢台市的逐日数据，包括PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3六类污染物。气象数据包括平均气温、平均气压、平均风速、相对湿度、累计降水与日照时数。相关性计算使用MATLAB软件进行，导入数据后进行无量纲化处理和一致性处理。

2.2 相关性计算结果分析

影响大气污染的因素较多，气象条件对于大气污染物的成因没有决定作用，但对于扩散和传输起了主要作用，因此它们之间会存在一定的相关性。相关性计算基于MATLAB软件进行，使用函数corrcoef完成计算，计算结果如表1所示，从计算结果可以看出各项数据的相关性并不强，但呈现一定的规律，主要是由于气象条件影响了污染物的扩散和传输[1]。

表1 大气污染物与气象因素的相关性

2.2.1 气温

从表1的计算结果可以得出，气温与PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2这5种大气污染物均呈现较明显的负相关，与PM2.5相关性最高，其次是NO2、SO2、CO、PM10，而且相关性差距较小。气温较高会影响大气层结稳定度，加速对流，能够使得大气污染物向上运动，降低近地层的污染浓度[2]，改善空气质量。冬季气温低，大气扩散与传输能力相对较差，加剧了空气污染。

气温与O3的相关系数为0.7 813，呈现较明显的正相关。挥发性有机物如醛酮类物质，会在高温和光照下催化生成O3[3]，因此夏季O3污染压力最大。

2.2.2 气压

与气温的影响正相反，气压与PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2这5种大气污染物均呈现较明显的正相关关系。当低压系统主导时，气流上升且对流加剧，有益于大气污染物的扩散和传输[4]，当高压系统主导时所起的作用相反。以上的分析基于2016～2018三年数据进行，值得一提的是，如果分别对各个季节进行讨论，所得结果可能有所不同。例如，在夏季气压与这5种大气污染物就不是正相关，而是呈负相关或者不相关，说明其他气象条件同时对大气污染物的浓度产生了影响，并非单一作用。

气压与O3的相关系数为-0.7 041，呈现出较明显的负相关，但气压与O3的产生没有直接关联，主要与气温有关，夏季气压较低但气温较高，因此出现了较为明显的负相关关系。

2.2.3 风速

风速与PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2这5种大气污染物同样是负相关，相关系数数值较低，与邢台市平均风速较小有关。风速对PM2.5和NO2相关性最明显，与SO2相关性最弱。随着风速的增强，有利于污染物的疏散[5]。风速对于O3也应具有影响，但O3与温度的关系更为显著，造成风速与O3呈现较弱的正相关。邢台冬季风速较小，不利于污染物的扩散和稀释，污染严重，但冬季气温较低，O3含量低，受风速影响较小。

2.2.4 相对湿度和降水量

相对湿度与SO2和NO2负相关，与其他污染物相关系数较小。SO2和NO2易溶于水，湿度较大会对这2种污染物进行稀释，浓度会减少。湿度增加时，水汽会对大气污染物有一定的吸附作用，起到改善空气质量效果。邢台市天气干燥天数较长，冬春雨雪少，而在湿度较高的夏季空气污染物相对较少，因此相对湿度与各污染物的相关性并不明显。

与相对湿度情况类似，降水量与各污染物相关性更低，均小于0.05，降水量可以对大气污染起到很好的稀释作用，但邢台市降水偏少，因此与各污染物的相关性较弱。

2.2.5 日照时数

从表1可以得出，日照时数与PM2.5、PM10、CO、NO2呈负相关，但相关系数不大。日照时数较长时，地面温度相对较高，有利于对流运动，大气污染物可以更好的扩散出去。与O3呈明显的正相关，日照时数较长，气温高，正是O3含量较高的夏季。

3 结论

综上所述，在邢台市，除O3外，气温与大气污染物呈明显的负相关，气压与大气污染物呈明显的正相关，其他气象条件与大气污染物多数呈负相关，但相关性数值较低。理论上风速、相对湿度和降水量对于大气污染物也应该有较大影响，但由于邢台市平均风速较低、降水量不高、空气干燥的特点，因此并未产生明显关联。而O3的产生与气温和光照时数相关性最强，受其他气象条件的影响不大。

各气象条件对于大气污染均有影响，只是影响程度存在差异，这种影响不是单一作用的结果，需要多种气象条件相互作用和综合反应才能产生作用。更多情况下，气象条件主要决定大气污染物的稀释扩散和传输途径，并非产生的根本原因。在实际治理中，应结合气象条件对于大气污染的影响，从污染源下手，减少污染物的排放，科学预防和治理，才能从根本上解决邢台市环境污染严重的问题。