石家莊市灰霾天氣變化規(guī)律研究

楊麗麗，馮　媛，周靜博，賀林燕

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北省石家莊　050022)

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石家莊市灰霾天氣變化規(guī)律研究

楊麗麗，馮媛，周靜博，賀林燕

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北省石家莊050022)

摘要：以研究石家莊市灰霾天氣的變化規(guī)律及成因?yàn)槟康模瑸槭仪f市灰霾天氣的防治提供技術(shù)支持，根據(jù)石家莊市2011年氣象局的觀測(cè)資料以及石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心梯度站污染物濃度的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)灰霾天氣與氣象條件以及污染物濃度的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，石家莊市灰霾天氣日數(shù)的年代際變化非常明顯，20世紀(jì)60年代初是灰霾日數(shù)最少期，80年代和90年代是灰霾日數(shù)急劇上升期，2000年以后灰霾日數(shù)有所下降。灰霾天氣季節(jié)變化很明顯，呈現(xiàn)出秋、冬季多(分別占全年的20.5%和53.5%)，春、夏季少(分別占全年的15.2%和10.8%)的分布特征。靜風(fēng)、小風(fēng)，低濕度以及連續(xù)的不降雨是造成灰霾天氣的重要因素。石家莊市SO2，NOspan，PM2.5和PM10濃度的變化與灰霾日的變化有很好的一致性(相關(guān)系數(shù)分別為78.4%，70.9%，77.3%和73.8%)，灰霾日污染物濃度均明顯高于非灰霾日，一年四季中以冬季灰霾日污染物濃度最高，秋季次之，夏季最低。

關(guān)鍵詞：大氣污染防治；石家莊市；灰霾天氣；氣象條件；大氣污染物

E-mail: yanglili830116@126.com

楊麗麗，馮媛，周靜博，等.石家莊市灰霾天氣變化規(guī)律研究 [J].河北工業(yè)科技,2015,32(1):85-89.

YANG Lili，F(xiàn)ENG 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.

近年來(lái)，持續(xù)灰霾天氣給大氣能見(jiàn)度及人類(lèi)健康帶來(lái)很大影響，廣泛引起科學(xué)界、政府部門(mén)和社會(huì)公眾的關(guān)注[1-2]。根據(jù)中國(guó)氣象局2003年版《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》定義[3]，霾是大量極細(xì)微塵粒，均勻地浮游在空中，使空氣普遍渾濁，水平能見(jiàn)度小于10 000 m的現(xiàn)象[4]，遠(yuǎn)處光亮物微帶黃、紅色，黑暗物體微帶藍(lán)色?；姻蔡鞖獾男纬捎?方面原因[5]，一是不利的氣象條件，二是大氣顆粒物和氣體污染物的增加。近些年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)輛的增多，污染物排放和城市懸浮物迅速增加，超過(guò)環(huán)境自?xún)裟芰Γa(chǎn)生灰霾天氣[6]。

石家莊市位于華北平原城市群中，地處太行山東麓，地勢(shì)西高東低，呈“避風(fēng)港”式地形。受西部山脈屏障的影響，市區(qū)大風(fēng)次數(shù)少，風(fēng)速低，全年靜風(fēng)頻率多，大氣逆溫現(xiàn)象發(fā)生頻率較高。城市上空大氣不易擴(kuò)散，污染物聚積大氣層底部，難以擴(kuò)散，形成污染物不斷循環(huán)的“城市污染谷”現(xiàn)象，加劇了市區(qū)的大氣污染，城市灰霾現(xiàn)象較為嚴(yán)重[7-9]。

本文根據(jù)石家莊市2011年氣象局的觀測(cè)資料以及石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心梯度站污染物濃度的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)石家莊市灰霾天氣的變化規(guī)律及成因、灰霾天氣與氣象條件以及污染物濃度的關(guān)系進(jìn)行分析。

1資料來(lái)源和數(shù)據(jù)處理

1.1　資料來(lái)源

所用氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)源于石家莊市氣象局監(jiān)測(cè)資料，包括日均相對(duì)濕度、最小能見(jiàn)度、日均風(fēng)速和天氣現(xiàn)象等。大氣污染物監(jiān)測(cè)資料來(lái)源于石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心梯度站監(jiān)測(cè)結(jié)果。石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心梯度站建立在世紀(jì)公園，共有4個(gè)層級(jí)的大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別是電視塔裙樓樓頂(20 m高度)、電視塔86，116和200 m平臺(tái)，所用污染物數(shù)據(jù)資料為與人類(lèi)活動(dòng)最密切的20 m高度包括PM2.5，PM10，SO2，NO2和NO的時(shí)均濃度。所有污染物濃度數(shù)據(jù)為2011年全年數(shù)據(jù)，每小時(shí)采樣一次。所用儀器分別為澳大利亞產(chǎn)ECOTECH EC9841B NOx監(jiān)測(cè)儀，EC9850B SO2監(jiān)測(cè)儀，EC9830B CO監(jiān)測(cè)儀，EC9810B O3監(jiān)測(cè)儀，運(yùn)行溫度為(25±5)℃，濕度為80%以下，運(yùn)用1100氣體校準(zhǔn)儀進(jìn)行周期性的零點(diǎn)檢查和修正，基本消除了零點(diǎn)漂移；美國(guó)產(chǎn)THERMO TEOM1405D顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，運(yùn)行溫度為8~25 ℃，儀器進(jìn)行定期清洗維護(hù)。

1.2　數(shù)據(jù)處理

分析方法采用統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)比分析和求平均的方法。以石家莊市的天氣現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)作為基礎(chǔ)，2011年的氣象資料和污染物資料對(duì)比出現(xiàn)的顆粒物濃度較大、能見(jiàn)度較低的天氣形勢(shì)進(jìn)行歸類(lèi)整理。

2灰霾的年際、月季變化及成因

石家莊市灰霾日數(shù)的年際變化非常明顯[10]，它與石家莊的城市發(fā)展密切相關(guān)，20世紀(jì)60年代初是灰霾天最少期，主要原因是城市化發(fā)展速度較慢，工業(yè)和交通運(yùn)輸還不發(fā)達(dá)，環(huán)境的人為因素影響較輕，灰霾日數(shù)少且上升比較緩慢。20世紀(jì)80年代初期，石家莊市經(jīng)濟(jì)得到全面發(fā)展，工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)興旺發(fā)達(dá)，人為因素的影響與日俱增；90年代，機(jī)動(dòng)車(chē)大量增加，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染嚴(yán)重，城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，90年代是年灰霾日數(shù)急劇上升期；2000年以后石家莊市環(huán)境治理力度的不斷加大，如推廣低硫煤，拆遷高耗能、重污染的小鍋爐和小水泥廠等一系列措施，隨著大氣污染的治理，灰霾日數(shù)有所下降。

石家莊市氣象局2005年-2011年的氣象觀測(cè)資料顯示石家莊市不同月份灰霾天氣日數(shù)明顯不同(見(jiàn)表1)，灰霾日數(shù)出現(xiàn)最多的是1月，其次是12月與來(lái)年2月，5月灰霾日最少，僅有2天，其次為9月份5天，8月份7天。

表1　2005年-2011年石家莊市各季節(jié)灰霾天氣日數(shù)表

秋冬兩季占全年灰霾日總數(shù)的74%，呈現(xiàn)出秋、冬季多(分別占全年的20.5%和53.5%)，春季、夏季少(分別占全年的15.2%和10.8%)的分布特征。主要是由于秋冬季節(jié)北方冷空氣活動(dòng)頻繁，受其影響，空氣干燥，降水偏少，風(fēng)力弱，氣壓穩(wěn)定，混合層厚度低，大氣層界穩(wěn)定，近地面常形成逆溫層，燒煤取暖的煙灰[11-12]、近地面的細(xì)顆粒物、汽車(chē)尾氣等難以擴(kuò)散或稀釋?zhuān)瑢?dǎo)致灰霾天氣出現(xiàn)；春夏季節(jié)石家莊雨水比較充沛，為降水相對(duì)集中期，鋒面、低槽、切變線等降水系統(tǒng)活動(dòng)頻繁，時(shí)常形成陰濕多雨天氣，雨水對(duì)空氣中的灰塵等污染物起沖刷作用，大氣中的塵埃、煙粒等污染物易隨雨水降至地面，不利于灰霾天氣形成。

3灰霾與氣象條件以及大氣污染物的關(guān)系

3.1　灰霾與氣象條件的關(guān)系

3.1.1風(fēng)速對(duì)灰霾的影響

風(fēng)是邊界層內(nèi)影響大氣污染物稀釋擴(kuò)散重要的動(dòng)力因子[11]，風(fēng)向決定大氣污染物的輸送方向，而風(fēng)速?zèng)Q定大氣中污染物的擴(kuò)散稀釋速度，因此風(fēng)是影響灰霾天氣的形成和發(fā)展的最直接、最重要的因素[13]。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，污染物在垂直方向和水平方向的擴(kuò)散和輸送加快，同時(shí)也會(huì)使湍流變大，不利于霾形成；靜小風(fēng)時(shí)污染物則易積聚，霾天容易出現(xiàn)[14]。從2011年石家莊市灰霾日的日均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)來(lái)看，出現(xiàn)灰霾時(shí)的風(fēng)速均比較小，灰霾日的日平均風(fēng)速為1.1 m/s，最大為2.3 m/s。近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程的加快，高樓大廈嶙次櫛比，改變了風(fēng)場(chǎng)的分布，增大了地面摩擦系數(shù)，使風(fēng)流經(jīng)城區(qū)時(shí)速度明顯減弱，甚至出現(xiàn)靜風(fēng)，從而加劇的了灰霾天的產(chǎn)生。

3.1.2濕度對(duì)灰霾的影響

如果天氣干旱少雨，光照強(qiáng)烈，污染物之間就容易發(fā)生各種光化學(xué)反應(yīng)，形成灰霾。對(duì)石家莊市出現(xiàn)灰霾天氣的日均相對(duì)濕度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明,出現(xiàn)灰霾日時(shí)的日平均相對(duì)濕度為26.7%~73%，而相對(duì)濕度>90%時(shí)，灰霾日幾乎不出現(xiàn)?；姻驳某霈F(xiàn)與相對(duì)濕度的變化密切相關(guān)，由于空氣濕度變大時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣壓降低，風(fēng)速變小，不利于污染物稀釋擴(kuò)散，因此濕度變大時(shí)灰霾出現(xiàn)最多，濕度變化不大時(shí)出現(xiàn)灰霾幾率最小。

3.1.3降水對(duì)灰霾的影響

2011年石家莊市各月不降雨天數(shù)與灰霾日天數(shù)見(jiàn)表2。

表2　2011年石家莊市不降雨天數(shù)與灰霾日天數(shù)

由表2可知：春夏季節(jié)，降雨比較多，雨水對(duì)空氣中的污染物起到了很好的沖刷作用，對(duì)應(yīng)灰霾日較少；與之相反，秋冬季節(jié)，月最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降雨日數(shù)逐月增大，2011年1月份最多達(dá)30天，與灰霾天氣較多存在較好正相關(guān)，也正是秋冬季正好處于枯水期，降水量明顯減少，空氣中水分少，空氣干燥導(dǎo)致的結(jié)果。

3.2　灰霾與大氣污染物之間的關(guān)系

灰霾天氣的形成除了與氣象條件有關(guān)以外，還與大氣污染物的濃度有著密切的關(guān)系[5,15-17]。隨著石家莊市人口的急劇增加，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展以及機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的急劇增加，灰霾天氣污染日益嚴(yán)重，而人類(lèi)造成的污染物主要是SO2，NOx(主要包括NO和NO2)、PM2.5和PM10。根據(jù)2011年石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心梯度站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，石家莊SO2，NOx，PM2.5和PM10濃度的變化與灰霾日天數(shù)的變化有很好的一致性。通過(guò)對(duì)兩者進(jìn)行線性回歸計(jì)算,可以得到污染物SO2，NOx，PM2.5和PM10濃度的月均值與灰霾日所在月份比例的相關(guān)系數(shù)分別為78.4%，70.9%，77.3%和73.8%，這說(shuō)明石家莊市空氣中SO2，NOx，PM2.5和PM10濃度與灰霾天氣的形成有很大的相關(guān)性。由圖1可以看出，灰霾嚴(yán)重月份的污染物濃度均明顯高于灰霾日少的月份，一年四季中以冬季灰霾日污染物濃度最高，秋季次之，夏季最低。

圖1　2011年石家莊市各種污染物變化曲線圖Fig.1　Monthly mass concentration change tendency of SO2，NOx，PM2.5and PM10 in Shijiazhuang City in 2011

對(duì)比灰霾日與灰霾日所在月份月均濃度(見(jiàn)圖2)可以發(fā)現(xiàn)，SO2，NOx，PM2.5和PM10濃度平均值分別高出月均值的27.8%，42.9%，36.3%和31.9%?？梢?jiàn)，空氣中SO2，NOx，PM2.5和PM10是造成大氣能見(jiàn)度下降而產(chǎn)生灰霾天氣的重要原因，灰霾天氣使近地面空氣污染程度加劇，特別是顆粒狀污染物的污染程度加劇。城市霧霾出現(xiàn)時(shí)，市區(qū)空氣質(zhì)量處于對(duì)人體健康十分有害的惡劣狀態(tài)。

圖2　2011年石家莊市灰霾日與灰霾日所在月份SO2，NOx，PM2.5 和PM10月均質(zhì)量濃度對(duì)比圖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結(jié)論

1)石家莊市灰霾天氣日數(shù)的年際變化非常明顯，20世紀(jì)60年代初是灰霾天最少期，改革開(kāi)放初期和90年代是灰霾日數(shù)急劇上升期，2000年以后灰霾日數(shù)有所下降。

2)石家莊市灰霾天氣季節(jié)變化很明顯，呈現(xiàn)出秋、冬季多(分別占全年的20.5%和53.5%)，春、夏季少(分別占全年的15.2%和10.8%)的分布特征。

3)灰霾日的出現(xiàn)使大氣的能見(jiàn)度降低，靜風(fēng)、小風(fēng)，低濕度以及連續(xù)的不降雨是造成灰霾天氣的重要因素。

4)石家莊SO2，NOx，PM2.5和PM10濃度的變化與灰霾日的變化有很好的一致性，污染物SO2，NOx，PM2.5和PM10濃度的月均值與灰霾日所在月份比例的相關(guān)系數(shù)分別為78.4%，70.9%，77.3%和73.8%;灰霾日污染物濃度均明顯高于非灰霾日，SO2，NOx，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度平均值分別高出月均值的27.8%，42.9%，36.3%和31.9%。一年四季中以冬季灰霾日污染物濃度最高，秋季次之，夏季最低。

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《河北工業(yè)科技》《河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)》影響力再次大幅提升

2014年12月16日，2014中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊暨中國(guó)學(xué)術(shù)期刊國(guó)際、國(guó)內(nèi)引證報(bào)告發(fā)布會(huì)在清華大學(xué)召開(kāi)。據(jù)該會(huì)發(fā)布的中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)2014版)，《河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)》《河北工業(yè)科技》的復(fù)合影響因子和排名均達(dá)到歷史新高?！逗颖笨萍即髮W(xué)學(xué)報(bào)》的復(fù)合影響因子為0.853，在403種綜合性科學(xué)技術(shù)類(lèi)期刊中位列第38名，比2013年上升28位?！逗颖惫I(yè)科技》的復(fù)合影響因子為0.701，繼2013年由第274名上升到第166名后，再次上升101名進(jìn)入前百，躍居第65位。

(本刊編輯部)

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

作者簡(jiǎn)介：楊麗麗(1983—)，女，河北藁城人，工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的研究。

基金項(xiàng)目：河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(13273702D)

收稿日期：2014-05-30;修回日期：2014-06-30；責(zé)任編輯：張軍

中圖分類(lèi)號(hào)：X517

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01015

文章編號(hào)：1008-1534(2015)01-0085-05