楊麗麗，馮　媛，周靜博，賀林燕

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，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)律及成因為目的，為石家莊市灰霾天氣的防治提供技術支持，根據(jù)石家莊市2011年氣象局的觀測資料以及石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心梯度站污染物濃度的監(jiān)測資料，對灰霾天氣與氣象條件以及污染物濃度的關系進行了分析。結果表明，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?；姻蔡鞖饧竟?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、小風，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，持續(xù)灰霾天氣給大氣能見度及人類健康帶來很大影響，廣泛引起科學界、政府部門和社會公眾的關注[1-2]。根據(jù)中國氣象局2003年版《地面氣象觀測規(guī)范》定義[3]，霾是大量極細微塵粒，均勻地浮游在空中，使空氣普遍渾濁，水平能見度小于10 000 m的現(xiàn)象[4]，遠處光亮物微帶黃、紅色，黑暗物體微帶藍色?；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。近些年來隨著工業(yè)的發(fā)展，機動車輛的增多，污染物排放和城市懸浮物迅速增加，超過環(huán)境自凈能力，產生灰霾天氣[6]。

石家莊市位于華北平原城市群中，地處太行山東麓，地勢西高東低，呈“避風港”式地形。受西部山脈屏障的影響，市區(qū)大風次數(shù)少，風速低，全年靜風頻率多，大氣逆溫現(xiàn)象發(fā)生頻率較高。城市上空大氣不易擴散，污染物聚積大氣層底部，難以擴散，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)象較為嚴重[7-9]。

本文根據(jù)石家莊市2011年氣象局的觀測資料以及石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心梯度站污染物濃度的監(jiān)測資料，對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系進行分析。

1資料來源和數(shù)據(jù)處理

1.1　資料來源

所用氣象數(shù)據(jù)資料來源于石家莊市氣象局監(jiān)測資料，包括日均相對濕度、最小能見度、日均風速和天氣現(xiàn)象等。大氣污染物監(jiān)測資料來源于石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心梯度站監(jiān)測結果。石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心梯度站建立在世紀公園，共有4個層級的大氣監(jiān)測系統(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，所用污染物數(shù)據(jù)資料為與人類活動最密切的20 m高度包括PM2.5，PM10，SO2，NO2和NO的時均濃度。所有污染物濃度數(shù)據(jù)為2011年全年數(shù)據(jù)，每小時采樣一次。所用儀器分別為澳大利亞產ECOTECH EC9841B NOx監(jiān)測儀，EC9850B SO2監(jiān)測儀，EC9830B CO監(jiān)測儀，EC9810B O3監(jiān)測儀，運行溫度為(25±5)℃，濕度為80%以下，運用1100氣體校準儀進行周期性的零點檢查和修正，基本消除了零點漂移；美國產THERMO TEOM1405D顆粒物自動監(jiān)測儀，運行溫度為8~25 ℃，儀器進行定期清洗維護。

1.2　數(shù)據(jù)處理

分析方法采用統(tǒng)計分析、對比分析和求平均的方法。以石家莊市的天氣現(xiàn)象統(tǒng)計作為基礎，2011年的氣象資料和污染物資料對比出現(xiàn)的顆粒物濃度較大、能見度較低的天氣形勢進行歸類整理。

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，20世紀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)和交通運輸還不發(fā)達，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80年代初期，石家莊市經(jīng)濟得到全面發(fā)展，工業(yè)、交通運輸業(yè)興旺發(fā)達，人為因素的影響與日俱增；90年代，機動車大量增加，機動車尾氣污染嚴重，城市化、工業(yè)化進程加快，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年的氣象觀測資料顯示石家莊市不同月份灰霾天氣日數(shù)明顯不同(見表1)，灰霾日數(shù)出現(xiàn)最多的是1月，其次是12月與來年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)北方冷空氣活動頻繁，受其影響，空氣干燥，降水偏少，風力弱，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]、近地面的細顆粒物、汽車尾氣等難以擴散或稀釋，導致灰霾天氣出現(xiàn)；春夏季節(jié)石家莊雨水比較充沛，為降水相對集中期，鋒面、低槽、切變線等降水系統(tǒng)活動頻繁，時常形成陰濕多雨天氣，雨水對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系

3.1　灰霾與氣象條件的關系

3.1.1風速對灰霾的影響

風是邊界層內影響大氣污染物稀釋擴散重要的動力因子[11]，風向決定大氣污染物的輸送方向，而風速決定大氣中污染物的擴散稀釋速度，因此風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]。當風速增大時，污染物在垂直方向和水平方向的擴散和輸送加快，同時也會使湍流變大，不利于霾形成；靜小風時污染物則易積聚，霾天容易出現(xiàn)[14]。從2011年石家莊市灰霾日的日均風速統(tǒng)計來看，出現(xiàn)灰霾時的風速均比較小，灰霾日的日平均風速為1.1 m/s，最大為2.3 m/s。近年來隨著城市化進程的加快，高樓大廈嶙次櫛比，改變了風場的分布，增大了地面摩擦系數(shù)，使風流經(jīng)城區(qū)時速度明顯減弱，甚至出現(xiàn)靜風，從而加劇的了灰霾天的產生。

3.1.2濕度對灰霾的影響

如果天氣干旱少雨，光照強烈，污染物之間就容易發(fā)生各種光化學反應，形成灰霾。對石家莊市出現(xiàn)灰霾天氣的日均相對濕度進行統(tǒng)計,結果表明,出現(xiàn)灰霾日時的日平均相對濕度為26.7%~73%，而相對濕度>90%時，灰霾日幾乎不出現(xiàn)?；姻驳某霈F(xiàn)與相對濕度的變化密切相關，由于空氣濕度變大時，對應的氣壓降低，風速變小，不利于污染物稀釋擴散，因此濕度變大時灰霾出現(xiàn)最多，濕度變化不大時出現(xiàn)灰霾幾率最小。

3.1.3降水對灰霾的影響

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，雨水對空氣中的污染物起到了很好的沖刷作用，對應灰霾日較少；與之相反，秋冬季節(jié)，月最長連續(xù)無降雨日數(shù)逐月增大，2011年1月份最多達30天，與灰霾天氣較多存在較好正相關，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，空氣干燥導致的結果。

3.2　灰霾與大氣污染物之間的關系

灰霾天氣的形成除了與氣象條件有關以外，還與大氣污染物的濃度有著密切的關系[5,15-17]。隨著石家莊市人口的急劇增加，經(jīng)濟迅速發(fā)展以及機動車數(shù)量的急劇增加，灰霾天氣污染日益嚴重，而人類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)測中心梯度站的監(jiān)測數(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。通過對兩者進行線性回歸計算,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系數(shù)分別為78.4%，70.9%，77.3%和73.8%，這說明石家莊市空氣中SO2，NOx，PM2.5和PM10濃度與灰霾天氣的形成有很大的相關性。由圖1可以看出，灰霾嚴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

對比灰霾日與灰霾日所在月份月均濃度(見圖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%?？梢姡諝庵蠸O2，NOx，PM2.5和PM10是造成大氣能見度下降而產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，市區(qū)空氣質量處于對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月均質量濃度對比圖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60年代初是灰霾天最少期，改革開放初期和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)使大氣的能見度降低，靜風、小風，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》《河北科技大學學報》影響力再次大幅提升

2014年12月16日，2014中國最具國際影響力學術期刊暨中國學術期刊國際、國內引證報告發(fā)布會在清華大學召開。據(jù)該會發(fā)布的中國學術期刊影響因子年報(自然科學與工程技術2014版)，《河北科技大學學報》《河北工業(yè)科技》的復合影響因子和排名均達到歷史新高?！逗颖笨萍即髮W學報》的復合影響因子為0.853，在403種綜合性科學技術類期刊中位列第38名，比2013年上升28位?！逗颖惫I(yè)科技》的復合影響因子為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)測方面的研究。

基金項目：河北省科技支撐計劃項目(13273702D)

收稿日期：2014-05-30;修回日期：2014-06-30；責任編輯：張軍

中圖分類號：X517

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01015

文章編號：1008-1534(2015)01-0085-05