于文金,吳雁,黃亦露,于步云,謝濤,邱新發(fā),付杰

南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院,江蘇 南京 210044

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河北省霧霾波動(dòng)變化特征及成因研究

于文金*,吳雁,黃亦露,于步云,謝濤,邱新發(fā),付杰

南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院,江蘇 南京 210044

2014-05-20收稿，2015-01-12接受

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB955900;2013CB430202);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41276187);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

摘要利用氣象、土地利用等資料,采用統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)河北省霧霾的特征及誘因進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):1)河北省多年平均霧霾日數(shù)分布情況呈由西南往西北逐步遞減的趨勢(shì);各季節(jié)霧霾天能見(jiàn)度的空間分布不同,秋冬霧霾較為嚴(yán)重,自西南向東北呈遞減的趨勢(shì),夏季自西南向東北呈遞增的趨勢(shì),春季則自東南向西北呈遞增的趨勢(shì)。2)河北省近幾十年來(lái)霧霾日數(shù)增加明顯,增長(zhǎng)斜率為0.45,但低能見(jiàn)度日數(shù)并不隨霧霾日數(shù)增加而增加,主要是因?yàn)殪F日數(shù)持續(xù)減少。3)河北省霧霾與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product,GDP)、能源消耗總量呈正比關(guān)系,而與機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量相關(guān)性不大。

關(guān)鍵詞

霧霾

特征

歸因

控制因素

21世紀(jì)以來(lái),在人類(lèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和氣候變化雙重壓力下大氣環(huán)境問(wèn)題日益突出,霧霾天氣作為大氣污染的氣象災(zāi)害已經(jīng)引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家面臨著發(fā)展與環(huán)境的兩難抉擇(Seinfeld,1986;Kerminen et al.,2010;朱彤等,2010;丁一匯和柳艷菊,2014;劉端陽(yáng)等,2014;王躍思等,2014;王自發(fā)等,2014;張人禾等,2014),其中中國(guó)的霧霾問(wèn)題已經(jīng)成為世界性研究熱點(diǎn),學(xué)界圍繞霧霾的氣象條件、組成成分、分布規(guī)律等方面展開(kāi)研究并取得了系列成果(Pan et al.,2009;Mikko et al.,2010;史軍等,2010;張晶等,2011;Zhang et al.,2011;Shi et al.,2012;劉端陽(yáng)等,2014)。然而,由于各地霧霾的控制因素不同,霧霾的關(guān)鍵因素和形成主因尚不清晰。

本文以河北省霧霾為研究對(duì)象,分析霧霾的空間分布以及長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng)規(guī)律并預(yù)測(cè)其未來(lái)變化趨勢(shì),探討其成因和關(guān)鍵因子。

1　資料

圖1　河北省氣象站點(diǎn)分布Fig.1　Distribution of meteorological stations in Hebei Province

選用1961—2013年河北省98個(gè)站(包括基準(zhǔn)站、基本站和一般站,具體站點(diǎn)見(jiàn)圖1)的霧、霾、氣溫、風(fēng)速和露點(diǎn)等數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源:河北省氣象局氣候中心和國(guó)家氣象局氣候中心),站點(diǎn)空缺資料和分年份站點(diǎn)遷移造成的影響均經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理;同時(shí)采用1980年和2005年的土地利用數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心)及2000—2007年的MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源:上海市衛(wèi)星遙感與測(cè)量應(yīng)用中心。該數(shù)據(jù)為對(duì)比檢驗(yàn)后的NASA MODIS level2氣溶膠產(chǎn)品,空間分辨率為10 km);此外,文中涉及的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)以及汽車(chē)保有量數(shù)據(jù)均來(lái)源于河北省統(tǒng)計(jì)局,部分環(huán)境資料來(lái)自于國(guó)家環(huán)保部環(huán)評(píng)中心。能見(jiàn)度分級(jí)如表1所示。

圖2　河北省年霧霾日數(shù)的空間分布特征　　a.1961—2013年河北省98個(gè)站點(diǎn)的多年平均霧霾日數(shù)分布;b.1980—2013年河北省11個(gè)站點(diǎn)的多年平均霧霾日數(shù)分布Fig.2　Spatial distribution of annual Hebei haze days:(a)distribution of average haze days at 98 sites in Hebei Province from 1961 to 2013;(b)distribution of average haze days at 11 sites in Hebei Province from 1980 to 2013

表1能見(jiàn)度等級(jí)劃分

Table 1Visibility classification

等級(jí)能見(jiàn)度距離(L)/m0L<50150≤L<2002200≤L<5003500≤L<100041000≤L<200052000≤L<400064000≤L<10000710000≤L<20000820000≤L<50000950000≤L

2　結(jié)果分析

2.1河北省霧霾的空間分布特征

2.1.1年霧霾日數(shù)的空間分布特征

1961—2013年河北98個(gè)站點(diǎn)的多年平均霧霾日數(shù)分布情況呈西南往西北逐步遞減的趨勢(shì)(圖2a)。河北省長(zhǎng)城以南大部分地區(qū)年均霧霾日數(shù)在5 d以上,太行山區(qū)及其山前平原區(qū)在10 d以上,石家莊和邢臺(tái)西部、邯鄲北部的年均霧霾日數(shù)最高,達(dá)30 d以上,部分地區(qū)超過(guò)40 d,在石家莊西南部的局部甚至超過(guò)50 d;河北省長(zhǎng)城以北大部分地區(qū)霧霾日數(shù)小于5 d,張家口北部、承德北部和東部、秦皇島東北部霧霾日數(shù)最少,不足1 d。

近年來(lái)河北省霧霾天氣日趨嚴(yán)重,從11個(gè)站1980—2013年34 a霧霾日數(shù)的多年平均值來(lái)看(圖2b),各站點(diǎn)霧霾日數(shù)都有上升,但空間的分布仍然沒(méi)有改變?cè)瓉?lái)的趨勢(shì),只是西北部有加重的趨勢(shì)。在此期間,河北省霧霾日數(shù)最多的地市是邯鄲市,年均霧霾日數(shù)為202.8 d;其次是滄州站,年均霧霾日數(shù)為195.8 d;霧霾日數(shù)最少的是承德市,年均霧霾日數(shù)為26.1 d?？梢?jiàn)即使霧霾日數(shù)最少的承德市也超出了20 d,接近了20世紀(jì)80年代初太行山區(qū)和山前平原的滄州站的水平,而邯鄲等西南部城市更加嚴(yán)重,全年一半的時(shí)間會(huì)出現(xiàn)霧霾。

圖3　河北霧霾的季節(jié)空間分布　　a.春;b.夏;c.秋;d.冬F(xiàn)ig.3　Distribution of Hebei haze visibility by season and by area:(a)spring;(b)summer;(c)autumn;(d)winter

2.1.2霧霾天氣下四季能見(jiàn)度的空間分布

根據(jù)河北省的氣候特點(diǎn),分別以4月、7月、10月和1月四個(gè)月的月平均能見(jiàn)度代表春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的能見(jiàn)度分布,可見(jiàn)河北省1980—2013年霧霾天能見(jiàn)度各個(gè)季節(jié)的空間分布不同(圖3)。秋冬霧霾較為嚴(yán)重,呈由西南向東北遞減的趨勢(shì)。春夏變化沒(méi)有秋冬的時(shí)空分布差異那樣明顯,夏季和秋季、冬季的趨勢(shì)一致,由西南向東北呈低值—高值的分布;春季則由東南到西北呈現(xiàn)低值—高值的分布。由此可見(jiàn),河北省不同季節(jié)霧霾的嚴(yán)重程度和空間分布呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn),應(yīng)分季節(jié)探討霧霾的特征和誘因。

2.2河北省霧霾的統(tǒng)計(jì)特征

2.2.1霧霾能見(jiàn)度趨勢(shì)

霧是指由于浮游在近地面空氣中的大量微小水滴或冰晶(合稱(chēng)霧粒)對(duì)可見(jiàn)光的散射作用使測(cè)站能見(jiàn)度小于1 km的天氣現(xiàn)象;霾則是指大量極細(xì)微的塵粒、煙粒、鹽粒等均勻地浮游在空中,導(dǎo)致空氣普遍混濁,水平能見(jiàn)度小于10 km的天氣現(xiàn)象。霧霾能見(jiàn)度范圍在1～10 km之間(張運(yùn)英等,2009;趙桂香等,2011;黃文彥,2015)。研究發(fā)現(xiàn),近幾十年來(lái)河北省霧霾日數(shù)增加,增長(zhǎng)斜率為0.45(圖4a),特別是1981年以來(lái),霧霾日數(shù)持續(xù)高位,2001年后經(jīng)歷短暫小幅下降后又快速回升,同期低能見(jiàn)度日數(shù)(能見(jiàn)度<6 km)卻呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)(圖4c)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),同期霧日數(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)(圖4b),可見(jiàn)造成低能見(jiàn)度日數(shù)并不隨霧霾日數(shù)增加的主要原因是霧日數(shù)(能見(jiàn)度<1 km)的持續(xù)減少。

圖4　1971—2013年河北省霧霾能見(jiàn)度變化　　a.霧霾日數(shù);b.霧日數(shù);c.低能見(jiàn)度日數(shù)Fig.4　Hebei haze visibility changes from 1971 to 2013:(a)haze days;(b)fog days;(c)low visibility days

圖5　河北省各年代年均霧霾日數(shù)a.20世紀(jì)60年代;b.20世紀(jì)70年代;c.20世紀(jì)80年代;d.20世紀(jì)90年代;e.21世紀(jì)00年代;f.2011—2012年Fig.5　Annual haze days of Hebei Province:(a)1960s;(b)1970s;(c)1980s;(d)1990s;(e)2000s;(f)2011—12

2.2.2霧霾日數(shù)年代際變化

河北省各年代年均霧霾日數(shù)如圖5所示。20世紀(jì)60年代,河北全省(除1個(gè)站點(diǎn)外)各地年均霧霾日數(shù)均在2 d以下,且大部分地區(qū)不足1 d;70年代,中南大部分地區(qū)年均霧霾日數(shù)在1 d以上,太行山前部分地區(qū)超過(guò)5 d,局部超過(guò)10 d;80年代,年均霧霾日數(shù)超過(guò)1 d的范圍有所擴(kuò)大,尤其5 d以上的范圍增加明顯;90年代,5 d以上的范圍繼續(xù)擴(kuò)大,涉及太行山中南部及其山前平原大部分地區(qū)和唐山的部分地區(qū),其中石家莊、邢臺(tái)、邯鄲三市的部分地區(qū)達(dá)10 d以上,局部超過(guò)20 d;21世紀(jì)10年代,石家莊和邢臺(tái)兩市的霧霾日數(shù)在5 d以上的范圍比90年代有所減小,但保定和邯鄲兩市的范圍增加;2011—2012年,太行山中南部及其山前平原的霧霾日數(shù)在1 d以上,局部3～4 d,其他區(qū)域均不足1 d。

總體上1980—2013年河北省的年均霧霾現(xiàn)象日數(shù)高達(dá)111.9 d。最多霧霾現(xiàn)象日數(shù)發(fā)生在2013年,為166.1 d;最少霧霾日數(shù)出現(xiàn)在1986年,為76.6 d。在過(guò)去34 a期間霧霾日數(shù)以18.3 d/(10 a)的速率增加,波動(dòng)性增加趨勢(shì)非常明顯。

2.3河北霧霾關(guān)鍵因子分析

2.3.1霧霾與溫度、濕度分析

由表2可見(jiàn),在霧霾天氣下,石家莊、邢臺(tái)、張家口、承德、廊坊、唐山和保定幾個(gè)站里面濕度與能見(jiàn)度成正相關(guān),邯鄲、秦皇島、滄州、衡水則反之。除石家莊、廊坊兩地外其余個(gè)站點(diǎn)的霧霾日數(shù)與溫度呈正相關(guān)。除衡水之外的十個(gè)站濕度越高,霧霾日數(shù)越低。

從貢獻(xiàn)率來(lái)看,濕度的貢獻(xiàn)率均高于溫度?？梢?jiàn)在霧霾天氣下,能見(jiàn)度和濕度的相關(guān)性不明顯,與溫度呈現(xiàn)出較高的正相關(guān);霧霾日數(shù)與濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),與溫度呈現(xiàn)正相關(guān),且霧霾天日數(shù)受濕度的影響更大。故可通過(guò)增加空氣濕度來(lái)減少或控制霧霾。

以石家莊市為例,對(duì)比不同日均相對(duì)濕度與霧霾天氣出現(xiàn)的頻次變化情況,發(fā)現(xiàn)隨著日均相對(duì)濕度的逐漸增大,霧霾天氣的出現(xiàn)概率呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)日均相對(duì)濕度小于20%時(shí),霧霾發(fā)生概率很小,僅占0.3%;日均相對(duì)濕度增至70～79%區(qū)間時(shí),霧霾出現(xiàn)所占概率達(dá)到峰值,為23.9%,之后霧霾出現(xiàn)的概率隨日均相對(duì)濕度的增大呈下降趨勢(shì)。

在氣候變暖條件下,由于溫度和飽和比濕增加,導(dǎo)致近地面相對(duì)濕度減少,對(duì)霧和霾的生成環(huán)境條件可能產(chǎn)生影響。日均相對(duì)濕度降低,意味著霾粒子更不易向霧滴轉(zhuǎn)換,這可能是導(dǎo)致霧日減少的一個(gè)氣象因素。大氣環(huán)流背景場(chǎng)以及氣象場(chǎng)的逐日演變,都對(duì)河北地區(qū)的持續(xù)性強(qiáng)霧霾事件產(chǎn)生了重要影響。從2013年1月的大氣環(huán)流背景場(chǎng)來(lái)看(圖略),東亞冬季風(fēng)明顯偏弱,我國(guó)東部區(qū)域風(fēng)速減弱、風(fēng)的垂直切變減小、對(duì)流層大氣溫度偏高、對(duì)流層低層垂直逆溫加強(qiáng),這些背景氣象場(chǎng)有利于強(qiáng)霧霾天氣的出現(xiàn)及其持續(xù)維持。

2.3.2霧霾誘因分析

研究發(fā)現(xiàn),隨著河北省經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng),霧霾日數(shù)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì),能見(jiàn)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。霧霾日數(shù)、能見(jiàn)度與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product,GDP)相關(guān)顯著(圖6a),相關(guān)系數(shù)分別為0.390 7和-0.623 0。可見(jiàn),快速的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)河北省霧霾具有一定的貢獻(xiàn),兩者之間關(guān)系密切。

分析1980年以來(lái)河北省霧霾日數(shù)及能見(jiàn)度與能源消耗總量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖6b),河北省能源消耗與霧霾日數(shù)呈正相關(guān)、與能見(jiàn)度呈反相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.232 0和-0.860 7,其中能源消耗與能見(jiàn)度的相關(guān)關(guān)系十分顯著?？梢?jiàn),造成河北省霧霾天氣能見(jiàn)度降低的重要因素是能源消耗(主要為化石能源)的急劇上升,其中包括生產(chǎn)生活用能源消耗的增長(zhǎng)和機(jī)動(dòng)車(chē)能耗的增長(zhǎng)。所以改變能源結(jié)構(gòu)、控制化石能源消耗總量對(duì)于減輕霧霾具有現(xiàn)實(shí)意義。

進(jìn)入21世紀(jì),河北省機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量明顯增加,而霧霾日數(shù)和能見(jiàn)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖6c)。可見(jiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)對(duì)河北霧霾的貢獻(xiàn)率不大。據(jù)此可推測(cè),機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增加對(duì)河北霧霾的相關(guān)性不強(qiáng)。

表2河北省各個(gè)站點(diǎn)霧霾能見(jiàn)度、日數(shù)分別與濕度、溫度的相關(guān)系數(shù)

Table 2Correlation coefficients among haze visibility,haze days,humidity and temperature at Hebei meteorological stations

能見(jiàn)度&濕度能見(jiàn)度&溫度日數(shù)&濕度日數(shù)&溫度濕度貢獻(xiàn)率/%溫度貢獻(xiàn)率/%石家莊0.40-0.45-0.510.403.480.69邢臺(tái)0.030.18-0.430.642.550.52邯鄲-0.240.24-0.660.857.631.07張家口0.25-0.36-0.670.017.132.35承德0.390.27-0.41-0.7721.188.00秦皇島-0.220.41-0.810.323.430.94廊坊0.45-0.32-0.30.8518.560.63唐山0.260.09-0.76-0.123.141.56保定0.290.38-0.700.476.050.55滄州-0.260.54-0.700.2021.6280.81衡水-0.170.270.36-0.195.320.87

圖6　河北省霧霾日數(shù)和能見(jiàn)度與GDP(a)、能源消耗(b)及機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量(c)的關(guān)系Fig.6　Relationship between the number of haze days in Hebei Province and (a)GDP,(b)energy consumption and (c)number of motor vehicles

綜上,河北省霧霾與GDP、能源消耗總量呈正比關(guān)系,而與機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量相關(guān)性不強(qiáng),說(shuō)明影響河北省霧霾天氣的關(guān)鍵因素為當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)流、大氣性質(zhì)、工業(yè)增長(zhǎng)污染物排放以及生活燃料排放。生產(chǎn)和生活排放的氣態(tài)污染物在細(xì)顆粒表面的非均相反應(yīng)可改變大氣顆粒物的粒徑及化學(xué)組分,促使顆粒物中的二次無(wú)機(jī)鹽的比例逐漸增大,導(dǎo)致顆粒物吸濕性顯著增強(qiáng),從而對(duì)強(qiáng)霾污染形成起到了促進(jìn)作用。數(shù)值模式的模擬結(jié)果表明(王自發(fā)等,2014),在典型地點(diǎn)(如北京、天津、秦皇島和滄州),來(lái)自京津冀區(qū)域外跨城市群的輸送和區(qū)域內(nèi)的輸送之和與局地污染源貢獻(xiàn)相當(dāng),氣象—大氣污染雙向反饋機(jī)制對(duì)強(qiáng)霾的形成也有非常重要影響。

3　結(jié)論

1)河北省多年平均霧霾日數(shù)分布情況呈現(xiàn)出由西南往西北逐步遞減的趨勢(shì),河北省長(zhǎng)城以南大部分地區(qū)年均霧霾日數(shù)在5 d以上,太行山區(qū)及其山前平原區(qū)在10 d以上,石家莊和邢臺(tái)西部、邯鄲北部霧霾日數(shù)最高,在30 d以上。

2)1980—2013年河北省霧霾天能見(jiàn)度各季節(jié)的空間分布不同,秋冬霧霾較為嚴(yán)重,呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的趨勢(shì)。春夏變化沒(méi)有秋冬的時(shí)空分布差異那樣明顯,夏季、秋季、冬季的趨勢(shì)一致,自西南向東北呈由低值—高值的分布;春季則呈現(xiàn)由東南到西北呈現(xiàn)低值—高值的分布。

3)近幾十年來(lái)河北省的霧霾日數(shù)增加,增長(zhǎng)斜率為0.45,同期低能見(jiàn)度日數(shù)(能見(jiàn)度<6 km)卻呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì),低能見(jiàn)度日數(shù)并不隨著霧霾日數(shù)增加的主要原因是因?yàn)殪F日數(shù)持續(xù)減少。

4)河北省霧霾與GDP、能源消耗總量呈正比關(guān)系,但與機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的相關(guān)性不強(qiáng)。調(diào)整工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提升生活方式和燃料結(jié)構(gòu)是當(dāng)前減輕河北霧霾的有效途徑。

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Based on meteorological data and land-use data,statistical research methods,the genesis of haze in Hebei Province,as well as the spatial distribution and variation of haze during 1980—2013 and its long-term trend,are analyzed in this paper.The statistical analysis results can be summarized as follows:

(1)There is a gradual decreasing trend in the multi-year average number of haze days from the southwest to the northwest.It is more than 5 days in most areas south of the Great Wall in Hebei Province,and more than 10 days in the Taihang Mountain area and Piedmont Plain area,with a maximum of 30 days or more in Shijiazhuang,West Xingtai and North Handan.The spatial distribution of visibility on haze days depends on the season.Visibility is better on haze days in winter than in spring,summer and autumn,with a decreasing trend from high values in the southwest to low values in the northeast in summer,autumn and winter,while a distribution of low values in the southeast to high values in the northwest in spring.

(2)In recent decades,the number of haze days has an increasing trend(slope:0.45),especially since 1981.Furthermore,for years after 2001,there is a brief decreasing trend after a rapid rise in the number of haze days in Hebei Province.However,the number of low-visibility days does not increase as the number of haze days increases,mainly due to the decrease in fog days.

(3)The number of haze days and meteorological factors are significantly correlated.The contribution rate of humidity is higher than that of temperature,meaning we can reduce or control fog and haze by increasing the air humidity to a certain extent.With the economic growth in Hebei Province,the number of fog and haze days shows an increasing trend,and the visibility shows a decreasing trend.Haze days,visibility and GDP are significantly correlated.There is positive correlation between haze and GDP,population growth,and energy consumption,but negative correlation between visibility and GDP and energy consumption in Hebei.The increase in the number of motor vehicles affects the number of haze days in Hebei Province very weakly.Therefore,to alleviate haze in Hebei Province,effective methods include industrial restructuring,changing the traditional heating system,as well as adjusting the structure of the fuel.

haze;characteristics;attribution;control factors

(責(zé)任編輯：孫寧)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140520002

The variation and genesis of haze in Hebei Province

YU Wenjin,WU Yan,HUANG Yilu,YU Buyun,XIE Tao,QIU Xinfa,FU Jie

NanjingUniversityofInformationScience&Technology,InstituteofRemoteSensing,Nanjing210044,China

引用格式：于文金,吳雁,黃亦露,等,2016.河北省霧霾波動(dòng)變化特征及成因研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(4):554-561.

Yu W J,Wu Y,Huang Y L,et al.,2016.The variation and genesis of haze in Hebei Province[J].Trans Atmos Sci,39(4):554-561.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140520002.(in Chinese).

*聯(lián)系人，E-mail:yuwj@nuist.edu.cn