劉家福 王鑫全++于茜++杜會石

摘要：根據(jù)2013年我國部分城市夏季、秋季、冬季的細(xì)顆粒物（PM2.5）質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，基于半變異函數(shù)理論，利用克里格插值方法對霧霾天氣各類主要大氣污染物進(jìn)行空間特征分析，分析夏季、秋季、冬季PM2.5空氣質(zhì)量分指數(shù)。結(jié)果表明，6—12月，大氣中的PM2.5質(zhì)量分指數(shù)與能見度呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，PM2.5空間濃度分布均值差異明顯，我國大范圍霧霾天氣期間，大部分城市PM2.5濃度均嚴(yán)重超標(biāo)。由結(jié)果可知，治理霧霾不能單純從一方面進(jìn)行治理，要采取綜合治理措施。

關(guān)鍵詞：霧霾； PM2.5；空氣質(zhì)量；大氣污染

中圖分類號： X513文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0402-03

收稿日期：2015-11-09

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：40771020）；中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（編號：KZZD-EW-08-02）；吉林省科技發(fā)展計劃（編號：20150204047SF、201215224、201201080）；吉林省高?？萍寂c“十二五”科研規(guī)劃（編號：吉教科合字[2015]第222號）。

作者簡介：劉家福（1975—），男，吉林敦化人，博士，副教授，主要從事遙感與GIS在資源環(huán)境、自然災(zāi)害等領(lǐng)域應(yīng)用研究。Tel：（0434）3296005； E-mail：liujiafu750506@126.com。

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程加快，空氣污染問題更加突出，霧霾災(zāi)害發(fā)生頻率不斷提高，霧霾災(zāi)害治理已經(jīng)成為當(dāng)前我國環(huán)境保護(hù)的首要問題，霧霾氣候特征和影響因素的研究對于霧霾災(zāi)害防治具有重要意義[1-3]。國內(nèi)學(xué)者在早期研究中對霧霾形成的物理化學(xué)條件及如何區(qū)分霧和霾等作過細(xì)致分析，相關(guān)研究為準(zhǔn)確觀測和判定霧霾天氣提供了重要參考[4-5]。研究表明，霧霾天氣能見度惡化主要與細(xì)顆粒物（PM2.5）關(guān)系較大[6-7]，正是由于大量極細(xì)微的污染性氣溶膠的存在，使得霾天氣對人類健康具有極大危害性。在全國范圍內(nèi)，研究重污染城市霧霾天氣氣候特征、分布特征以及影響因素，對于治理霧霾具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)是2013年5、6、8、9、11、12月PM2.5監(jiān)控網(wǎng)收集的實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)（5、6、8、9月記錄了76個城市，11、12月記錄了114個城市）。采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)劃分季節(jié)：夏季（5—6月）、秋季（8—9月）、冬季（11—12月）。采用國家霧霾劃分等級標(biāo)準(zhǔn)劃分霧霾，分為優(yōu)、輕度污染、中度污染以及重度污染4個等級。根據(jù)全國PM2.5監(jiān)測網(wǎng)站提供的監(jiān)測點(diǎn)信息，選取全國范圍內(nèi)各個城市的空氣污染監(jiān)測點(diǎn)信息獲取數(shù)據(jù)[8-10]。分別收集2013年5—12月以上監(jiān)測點(diǎn)參與空氣質(zhì)量評價的主要污染物，即細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等物質(zhì)的空氣質(zhì)量濃度。

1.2方法

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計算，得到2013年5—12月各監(jiān)測點(diǎn)各類物質(zhì)的空氣質(zhì)量分指數(shù)，并以此為依據(jù)采用克里格空間插值法進(jìn)行分析，通過已知地區(qū)的顆粒物濃度得到全國范圍內(nèi)顆粒物濃度空間分布特征。結(jié)合空間分布特征，以此來對比顆粒物濃度的區(qū)域差異，利用上述地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為基本統(tǒng)計單元進(jìn)行環(huán)境安全性分析。

1.2.1污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)計算

空氣質(zhì)量分指數(shù)（AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，其數(shù)值越大、級別和類別越高、顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴(yán)重，對人體的健康危害也就越大。針對單項(xiàng)污染物，AQI還規(guī)定了空氣質(zhì)量分指數(shù)[11]。AQI共分為六級，其中一級優(yōu)，二級良，三級輕度污染，四級中度污染，五級重度污染，六級嚴(yán)重污染。相應(yīng)的空氣污染指數(shù)分別劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300。

IAQIP=（IAQIHI-IAQILO/BPHI-BPLO）×（CP-BPLO）+IAQILO。[JY]（1）

式中：IAQIP為污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)；CP為污染物項(xiàng)目P的質(zhì)量濃度值；BPHI為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與CP相近的污染物濃度限值的高位值；BPLO為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與CP相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHI為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與BPHI對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQILO為相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表中與BPLO對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

1.2.2半變異函數(shù)

選擇不同的半變異函數(shù)理論模型，經(jīng)過多次擬合計算機(jī)和對比分析，發(fā)現(xiàn)指數(shù)模型較好地描述了全國PM2.5含量的空間變異規(guī)律。半變異函數(shù)模型是克里格空間插值的前提條件，同時又受隨機(jī)性因素的影響，因此是典型的區(qū)域化變量[12]。其變異函數(shù)的具體形式如下：

[JZ（]r（h）=[JB（{]0，h=0C0+C（1-eh2/a2），h>0[JB）]。[JZ）][JY]（2）

式中：r（h）為在距離h處的半變異；C0為在距離0處的半變異；C為總基臺值，或者表示在a處的半變異。

2霧霾天氣氣候特征及影響因素分析

2.1霧霾時空變化特征分析

基于半變異函數(shù)及克里格空間插值方法得到2013年夏季、秋季、冬季主要月份PM2.5含量空間分布圖（圖1），對影響霧霾天氣的PM2.5含量分布情況進(jìn)行分析。

大氣中的PM2.5質(zhì)量分指數(shù)與能見度呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，在3個季度圖（圖1）中，華中地區(qū)的PM2.5質(zhì)量分指數(shù)集中偏高，華中地區(qū)能見度較其他地區(qū)偏低。因?yàn)榇髿庵械念w粒物較多，能見度降低是霾和霧的共性，二者的主要區(qū)別在于含水量的差異。夏季過渡到秋季，西藏、新疆地區(qū)的PM2.5污染加劇，這主要是由于這些地區(qū)沙塵、大風(fēng)、沙暴等災(zāi)害性天氣較多，使得大氣中的顆粒物質(zhì)擴(kuò)散速度放慢，隨著顆粒物質(zhì)的積聚，能見度較低，形成霧霾天氣。

[JP2]對全國各城市PM2.5含量進(jìn)行插值計算，采用半變異函數(shù)計算方法進(jìn)行統(tǒng)計，從圖1可以看出，以北京市為中心向周圍擴(kuò)散的城市霧霾情況最為嚴(yán)峻，其PM2.5含量最高。夏季，新疆烏魯木齊市PM2.5含量由優(yōu)級變化為重度污染狀態(tài)，由此可以推斷出，夏季新疆地區(qū)空氣質(zhì)量急劇下降，可能由于此地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，由于降水量減少，空氣中的顆粒物質(zhì)無法分解，導(dǎo)致空氣塵埃粒子大面積殘留，PM2.5含量迅速增加，形成霧霾天氣。秋季，全國范圍內(nèi)霧霾均極為嚴(yán)重，隨著季節(jié)變化，青海省西寧市、甘肅省蘭州市等地區(qū)的PM2.5含量逐漸降低，然而沿海地區(qū)城市PM2.5含量卻逐漸增長。冬季，全國范圍內(nèi)空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，烏魯木齊地區(qū)極為明顯，長江中下游地區(qū)空氣質(zhì)量也由原來的中度、重度污染轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)，吉林省長春市、黑龍江省哈爾濱市受霧霾影響較為明顯；在3個季節(jié)變化對比中，可以明顯看出，以北京市為中心向四周擴(kuò)散的華北地區(qū)霧霾狀況最為嚴(yán)重，而且并沒有隨著季節(jié)變化有所好轉(zhuǎn)，因此應(yīng)集中治理以北京市為中心的區(qū)域范圍內(nèi)的重度污染城市，逐漸

[FK（W36][TPLJF1.tif]

擴(kuò)大治理范圍，逐漸向長江下游和新疆地區(qū)蔓延開來。

[JP2]綜合3個季度全國范圍PM2.5含量分布情況，以北京市為中心向四周擴(kuò)散的城市污染狀況最為嚴(yán)重，根據(jù)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口遷移分布情況來看，北京地區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)較為頻繁，工廠企業(yè)較多，人口遷移量也較高，陜西省西安市、湖北省武漢市、重慶市、[JP3]四川省成都市、吉林省長春市等是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對較高的區(qū)域，人口分布密集，由此可以推斷出影響霧霾分布的主要因素是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生產(chǎn)力水平以及人口分布密度等。

2.2時空變化規(guī)律

分析霧霾的時空變化特征有助于了解霧霾產(chǎn)生、發(fā)展以及消除規(guī)律，同時也可以了解區(qū)域性污染對大范圍霧霾形成的影響。

由圖2可知，9月之前，除了北京市，其他5個城市PM2.5濃度變化幅度均較?。?月之后，6個城市PM2.5濃度均不斷增加，長沙市、烏魯木齊市、重慶市、深圳市PM2.5濃度開始攀升，持續(xù)嚴(yán)重超標(biāo)，9—11月尤其嚴(yán)重，北京市、大連市PM2.5濃度變化幅度較??；11—12月烏魯木齊市PM2.5濃度下降明顯。由此可知，霧霾產(chǎn)生及發(fā)展過程具有區(qū)域性特征，污染物質(zhì)的遷移是導(dǎo)致區(qū)域污染的重要原因。

[TPLJF2.tif]

2.3霧霾影響因素分析

霧霾天氣的影響因素主要包括污染排放、氣象條件2個方面。如果空氣中有污染物，就有可能形成霾，但如果此時氣象條件為暴風(fēng)天氣或晴空萬里，污染物消散速度加快，不會形成霾天氣。由于氣象條件為不可控因素，因此在治理霾天氣的過程中應(yīng)加強(qiáng)對污染物排放的控制[13-14]。造成霧霾天氣的大氣氣溶膠主要來源于自然排放和人為排放，一段時期內(nèi)，無論是自然排放還是人為排放，氣溶膠顆?？偭看笾路€(wěn)定。目前我國各地都在推廣節(jié)能減排活動，空氣中的二氧化硫含量逐漸降低，趨于穩(wěn)定，但機(jī)動車越來越多，機(jī)動車尾氣逐漸成為造成大氣污染的主要來源，雖然目前機(jī)動車尾氣排放量在大氣污染物含量中比例并不是特別高，但是機(jī)動車尾氣會增加大氣氧化性，形成更多二次氣溶膠，導(dǎo)致霧霾天氣頻發(fā)[15-16]。一段時間內(nèi)，形成霧霾天氣的控制性因素取決于氣象條件。發(fā)生霧霾天氣時通常伴隨著小風(fēng)、低濕度和強(qiáng)日照；另一方面，城市化發(fā)展造成下墊面屬性改變，也造成城市大氣邊界層物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[17]。最新研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)種植中濫用化肥農(nóng)藥等會加重霧霾。盡管我國耕地面積只占全球的7%，但我國消耗的氮肥量卻占全球1/3以上，大量施用氮肥導(dǎo)致我國的土壤、水和空氣受到大規(guī)模污染，也是形成霧霾天氣的主要因素；在東北地區(qū)，霧霾形成也受秸稈焚燒的影響。

3結(jié)論與討論

[JP2]通過對霧霾天氣發(fā)生時大氣相對濕度、風(fēng)速、氣溫等氣象特征以及能見度和PM2.5濃度等環(huán)境特征的變化情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)霧霾天氣由氣象要素和環(huán)境要素共同作用形成。我國大范圍霧霾天氣期間，全國大部分城市PM2.5濃度均嚴(yán)重超標(biāo)，最大的污染源是交通污染，主要包括北京市、上海市、深圳市、武漢市等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，以北京市為中心的區(qū)域污染最為嚴(yán)重。治理霧霾不能單純從一方面進(jìn)行治理，要采取綜合治理措施。首先要從控制污染源入手，淘汰現(xiàn)有的高污染企業(yè)及設(shè)備，鼓勵發(fā)展低污染項(xiàng)目及替代產(chǎn)品，從源頭上控制污染物的產(chǎn)生。其次要采用先進(jìn)高效的污染治理設(shè)備，加強(qiáng)汽車尾氣治理，對擬排放的污染物進(jìn)行治理，確保達(dá)標(biāo)排放。再次要對排放后的大氣污染物進(jìn)行吸收穩(wěn)定化治理，防止遇風(fēng)攜帶成為二次污染源。

[HS2*2]參考文獻(xiàn)：

[1]郝江北. 霧霾產(chǎn)生的原因及對策[J]. 宏觀經(jīng)濟(jì)管理，2014，3（3）：42-43.

[2]馮博，王雪青. 考慮霧霾效應(yīng)的京津冀地區(qū)能源效率實(shí)證研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（10）：1-7.

[3]王珊，修天陽，孫揚(yáng)，等. 1960—2012年西安地區(qū)霧霾日數(shù)與氣候因素變化規(guī)律分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，34（1）：19-26.

[4]呂效譜，成海容，王祖武，等. 中國大范圍霧霾期間大氣污染特征分析[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，28（3）：104-110.

[5]張人禾，李強(qiáng)，張若楠.2013年1月中國東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析[J]. 中國科學(xué)，2014，44（1）：27-36.

[6]王靜，牛生杰，許丹，等. 南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2013，33（2）：201-208.

[7]趙秀娟，蒲維維，孟偉，等. 北京地區(qū)秋季霧霾天PM2.5污染與氣溶膠光學(xué)特征分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2013，34（2）：416-423.

[8]孫彧，馬振峰，牛濤，等. 最近40年中國霧日數(shù)和霾日數(shù)的氣候變化特征[J]. 氣候與環(huán)境研究，2013，18（3）：397-406.

[9]張桂芹，焦紅云，齊鳴，等. 濟(jì)南市灰霾期大氣復(fù)合污染特征分析[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報，2012，27（1）：84-87.

[10]周麗，徐祥德，丁國安，等. 北京地區(qū)氣溶膠PM2.5粒子濃度的相關(guān)因子及其估算模型[J]. 氣象學(xué)報，2003，61（6）：761-768.

[11]詹長根，吳藝，韋淑貞，等. 基于GIS的武漢市AQI時空分布規(guī)律研究[J]. 地理空間信息，2014，12（5）：62-64.

[12]王廣德，過常齡. “Krige”空間內(nèi)插技術(shù)在地理學(xué)中的應(yīng)用[J]. 地理學(xué)報，1987，42（4）：366-375.

[13]張小曳，孫俊英，王亞強(qiáng)，等. 我國霧-霾成因及其治理的思考[J]. 科學(xué)通報，2013，58（13）：1178-1187.

[14][JP2]戴永立，陶俊，林澤健，等. 2006—2009年我國超大城市霾天氣特征及影響因子分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2013，34（8）：2925-2932.

[15]顧為東.中國霧霾特殊形成機(jī)理研究[J]. 宏觀經(jīng)濟(jì)研究，2014（6）：3-7.

[16]張軍英，王興峰.霧霾的產(chǎn)生機(jī)理及防治對策措施研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38（10）：157-159，165.

[17]李艷紅，趙彩萍，荊肖軍，等. 太原地區(qū)灰霾天氣特征及影響因子分析[J]. 氣候與環(huán)境研究，2014，19（2）：200-208.