2001年-2010年中國(guó)三市空氣污染與氣象要素的時(shí)空關(guān)系

2001年-2010年中國(guó)三市空氣污染與氣象要素的時(shí)空關(guān)系

1北京市空氣重污染研究現(xiàn)狀隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境承受著越來(lái)越多的壓力。大氣環(huán)境與水環(huán)境、土壤環(huán)境共同組成了人類生活所必須依賴的環(huán)境主體,其中大氣環(huán)境是一種無(wú)處不在而且只能吸收、不可選擇的環(huán)境,與人們的身體健康時(shí)時(shí)處處密切相關(guān)。作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)重要組成部分之一的京津冀地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口密集程度高,該地區(qū)的空氣污染等大氣環(huán)境問(wèn)題逐漸引起人們的普遍關(guān)注。北京、天津和石家莊是京津冀地區(qū)的都會(huì)城市,在地理分布上也具有一定的代表性,因此眾多學(xué)者針對(duì)上述城市的空氣質(zhì)量問(wèn)題展開了廣泛的研究。例如,李令軍等人利用時(shí)間序列分析的方法對(duì)空氣污染指數(shù)(API)大于200的空氣重污染做了系統(tǒng)分析,進(jìn)一步按照污染原因?qū)⒈本┛諝庵匚廴緞澐譃殪o穩(wěn)積累型、沙塵型、復(fù)合型和特殊型4種類型;劉彩霞、張夏琨、姚青等人的研究指出地面風(fēng)場(chǎng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響具有雙重性,不同降水強(qiáng)度對(duì)空氣污染的作用也是有差異的;李德平等人統(tǒng)計(jì)分析了2001年-2007年北京地區(qū)3級(jí)以上API與氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系,并對(duì)出現(xiàn)4級(jí)以上的重污染日污染源進(jìn)行了分析;楊素英等人則從一次重污染過(guò)程出發(fā),深入分析了空氣污染的形成原因。前述研究成果加深了人們對(duì)空氣污染及其與氣象要素之間關(guān)系的認(rèn)識(shí),但是并未對(duì)上述地區(qū)的空氣污染時(shí)空特征與氣象要素之間的關(guān)系情況進(jìn)行統(tǒng)一論述和對(duì)比分析。本研究基于北京、天津和石家莊3個(gè)城市2001年-2010年之間的空氣污染指數(shù)(API)日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)和相應(yīng)時(shí)段的地面觀測(cè)氣象要素?cái)?shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)分析的方法研究近10年來(lái)空氣污染的時(shí)空變化特征和氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系。2地面氣候資料本文所用空氣污染指數(shù)(API)數(shù)據(jù)取自中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括北京、天津和石家莊3市2001年1月1日至2010年12月1日的逐日空氣污染指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量級(jí)別和空氣質(zhì)量狀況。地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集為中國(guó)752個(gè)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站1951年以來(lái)日值數(shù)據(jù)集,包括氣壓(平均、最高和最低)、氣溫(平均、最高和最低)、相對(duì)濕度(平均、最小)、風(fēng)速及風(fēng)向(最大、極大)、日照時(shí)數(shù)等。本研究選取與API數(shù)據(jù)同期的北京、天津和石家莊3市的數(shù)據(jù)。我國(guó)通常以API指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)每天的空氣質(zhì)量狀況,以PM10、SO2和NO2作為分級(jí)污染物。API指數(shù)范圍在0~500之間,按API指數(shù)大小將空氣質(zhì)量劃分為5級(jí)?？諝馕廴镜燃?jí)劃分采用環(huán)境保護(hù)部2008年發(fā)布并實(shí)施的《城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)和預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定的空氣污染指數(shù)范圍及相應(yīng)的空氣質(zhì)量級(jí)別,見表1。研究大氣質(zhì)量與氣象條件關(guān)系時(shí),本文從3個(gè)角度處理API和對(duì)應(yīng)的氣象要素?cái)?shù)據(jù),即季節(jié)與月平均處理、不同空氣污染級(jí)別分別處理和空氣污染過(guò)程選取處理;在此基礎(chǔ)上,借助SPSS17.0軟件采用相關(guān)分析法探究API與氣象要素?cái)?shù)據(jù)之間的關(guān)系。3結(jié)果和分析3.1污染狀況及季節(jié)性分布格局經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)檢查,排除無(wú)效數(shù)據(jù)后得到有效樣本數(shù)據(jù)北京為3618天,天津?yàn)?606天,石家莊為3619天。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,基于API表征的北京、天津和石家莊3市空氣質(zhì)量總體情況如圖1所示。總體時(shí)空特征主要表現(xiàn)為:2001年-2010年期間,北京空氣污染天數(shù)為1236天,占北京樣本總數(shù)的34.15%;天津空氣污染天數(shù)為768天,占天津樣本總數(shù)的21.34%;石家莊空氣污染天數(shù)為1076天,占石家莊樣本總數(shù)的29.77%;4級(jí)及以上的重污染天數(shù)中北京最多,其次是石家莊,最少的是天津?；诖?可以看出3市近10年的空氣污染總體狀況為天津(優(yōu)于)>石家莊(優(yōu)于)>北京。此外,通過(guò)分析各級(jí)污染天氣的首要污染物,發(fā)現(xiàn)SO2通常與輕微或輕度污染有更高的相關(guān)性,中、重度污染的首要污染物仍以可吸入性顆粒物為主。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:北京空氣污染日首要污染物中可吸入顆粒物為1196天,占北京污染日總數(shù)的96.76%;天津空氣污染日首要污染物中可吸入顆粒物為666天,占天津污染日總數(shù)的86.72%;石家莊空氣污染日首要污染物中可吸入顆粒物為913天,占石家莊污染日總數(shù)的84.85%。因此,可吸入性顆粒物仍是大氣污染的最主要污染物?？諝馕廴镜募竟?jié)性規(guī)律已為人們認(rèn)識(shí)和普遍接受,但是不同地區(qū)空氣污染日數(shù)在季節(jié)上的分布還是會(huì)有細(xì)小的差異。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)一步展開季節(jié)分布格局分析,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示?？傮w而言,北京、天津和石家莊III級(jí)及以上API日數(shù)的季節(jié)分布規(guī)律呈現(xiàn)高度一致的狀態(tài):即夏季空氣污染狀況明顯好于其他季節(jié),秋季次之,春冬最差。其中,天津和石家莊冬季的污染最為嚴(yán)重,可能是由于冬季化石燃料燃燒供暖所產(chǎn)生的可吸入性顆粒物引起,空氣污染日數(shù)遠(yuǎn)高于其他季節(jié);北京則表現(xiàn)為春季污染日數(shù)最高,可能是由于春季沙塵天氣造成的嚴(yán)重影響要高于其他因素的緣故?？諝馕廴緡?yán)重影響人類健康,因此各地政府不斷加強(qiáng)空氣質(zhì)量的保護(hù)措施、頒布相關(guān)政策,對(duì)于空氣污染的控制起到積極的作用。同樣的,對(duì)前述數(shù)據(jù)進(jìn)一步展開年際變化趨勢(shì)分析,空氣污染日數(shù)分布趨勢(shì)如圖3所示?？傮w趨勢(shì)而言,10年來(lái)空氣污染日數(shù)呈下降趨勢(shì);其中在2004年之前下降幅度較大,之后下降幅度趨緩;北京在2008年前有一個(gè)較大幅度的下降與奧運(yùn)會(huì)空氣質(zhì)量保障有直接關(guān)系,石家莊的污染在2004年之前相對(duì)最為嚴(yán)重;3市在2010年由于缺少30天的API數(shù)據(jù),因此均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。3.2市交通等人文因素空氣污染的影響因子眾多,主要包括氣象條件、污染源及其強(qiáng)度和地形等自然因子以及城市交通等人文因素。其中氣象條件對(duì)空氣污染的影響最為復(fù)雜和多變。本文從季節(jié)和月平均尺度、空氣污染不同等級(jí)和空氣污染過(guò)程3個(gè)角度出發(fā),分別研究北京、天津和石家莊3市的空氣污染指數(shù)(API)與氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系,總結(jié)其內(nèi)在的規(guī)律與聯(lián)系。3.2.1北京、天津和天津指標(biāo)與大氣和溫濕度的相關(guān)分析通過(guò)對(duì)已選空氣污染樣本數(shù)據(jù)(API和氣象要素)季節(jié)和月份尺度求取平均值,然后利用SPSS17.0中的相關(guān)分析功能,得到表2和表3的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。表2中數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示:(1)石家莊市的月均API與氣壓(平均、最高和最低)、最大風(fēng)速呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.391~0.408和0.227,與氣溫(平均、最高和最低)、水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.475~-0.445和-0.463;(2)天津市的月均API與氣壓(平均、最高和最低)、最大風(fēng)速呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.340~0.362和0.224,與氣溫(平均、最高和最低)、水汽壓、相對(duì)濕度(平均、最低)和日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.480~-0.459、-0.484、-0.261~-0.208和-0.185;(3)北京市的月均API與最高氣壓、風(fēng)速(平均、最大)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.201和0.337~0.374,與氣溫(平均、最高和最低)、水汽壓和相對(duì)濕度(平均、最低)呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.293~-0.244、-0.403和-0.390~-0.358;(4)總的來(lái)說(shuō),北京、天津和石家莊3市的API與氣溫(平均、最高和最低)、最高氣壓水汽壓和最大風(fēng)速4類氣象要素存在一致的相關(guān)關(guān)系,大部分相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值天津>石家莊>北京。表3中數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示:(1)石家莊市的季均API與氣壓(平均、最高和最低)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.394~0.402,與氣溫(平均、最高和最低)、水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.438~-0.423和-0.413;(2)天津市的季均API與氣壓(平均、最高和最低)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.428~0.441,與氣溫(平均、最高和最低)和水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.491~-0.472和-0.483;(3)北京市的季均API與風(fēng)速(平均、最大)和日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.419~0.442和0.333,與水汽壓和相對(duì)濕度(平均、最低)呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.408和-0.500~-0.448;(4)總體來(lái)講,北京、天津和石家莊3市的API與水汽壓存在一致的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值天津>石家莊>北京。相比于月平均尺度下各種相關(guān)關(guān)系,季節(jié)平均尺度下的相關(guān)系數(shù)沒(méi)有明顯的提升。相反,例如風(fēng)速和氣壓要素與API的相關(guān)關(guān)系不如月均尺度下明顯。因此,初步推斷較大的時(shí)間尺度可能會(huì)屏蔽對(duì)空氣污染產(chǎn)生影響的潛在氣象因子的作用。此外,3市的主要影響因子逐漸顯示出區(qū)域差異性。3.2.2數(shù)據(jù)來(lái)源和統(tǒng)計(jì)分析由于平均處理后的API和氣象要素?cái)?shù)據(jù)中的特征值趨于平滑,不能很好的表征各級(jí)空氣污染事件中兩者的相關(guān)關(guān)系。為此,本節(jié)研究不同級(jí)別的API指數(shù)與氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系?；赟PSS17.0的數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表4。通過(guò)分析表中的數(shù)據(jù)結(jié)果,得到以下結(jié)論:(1)北京市I&II級(jí)API與表中所有氣象要素均存在顯著的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值在0.100~0.211之間;III級(jí)API只與平均水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.107;IV和V級(jí)API與相對(duì)濕度(平均和最低)和最低氣壓呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.237~-0.207和-0.181,與風(fēng)速(平均與最大)呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.234~0.278。(2)天津市I&II級(jí)API與氣溫(平均、最大和最低)、平均水汽壓、平均風(fēng)速和最小相對(duì)濕度呈顯著的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)在-0.173~-0.046之間;III級(jí)API只與平均水汽壓和日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.121和-0.100;IV和V級(jí)API只與相對(duì)濕度(平均和最低)呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.410~-0.389。(3)石家莊市I&II級(jí)API與氣壓(平均、最大和最低)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.091~-0.082,與最大風(fēng)速呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.085;III級(jí)API與風(fēng)速以外的其他氣象要素呈顯著的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值為0.098~0.216;IV和V級(jí)API與表中所有的氣象要素均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。(4)和前述分析的季節(jié)與月份均值相關(guān)性相比,本部分的相關(guān)系數(shù)明顯較低,可能是由于樣本量過(guò)大和氣象要素對(duì)空氣污染影響的復(fù)雜性所致。如圖4所示,通過(guò)梯度分析等方法整理API數(shù)據(jù),從樣本數(shù)據(jù)中析取時(shí)間上的離散空氣污染過(guò)程;總結(jié)發(fā)現(xiàn)空氣污染過(guò)程中API值的分布主要有6種類型,即雙峰型、單峰高污染型、單峰低污染型、單峰左偏型、單峰右偏型和正態(tài)典型。其中雙峰型一般對(duì)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的重污染過(guò)程,單峰左偏型對(duì)應(yīng)比較突然的污染過(guò)程,上述兩類污染過(guò)程類型出現(xiàn)頻率較少;正態(tài)典型是一種比較理想化的狀態(tài),出現(xiàn)的幾率也偏少?？紤]到基于空氣污染的不同級(jí)別分析更多的還是統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,本節(jié)采用基于空氣污染過(guò)程的方法提取離散空氣污染過(guò)程對(duì)應(yīng)的API和氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析,數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表5:(1)北京市的API與氣壓(平均、最高和最低)和日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.286~-0.276和-0.244,與相對(duì)濕度和最低氣溫呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.135~0.178和0.122。(2)天津市的API與氣壓(平均、最高和最低)呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.255~-0.222,與風(fēng)速(平均、最大)和氣溫(平均、最低)呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.165~0.184和0.151~0.194。3.2.4污染互通的風(fēng)向?qū)Νh(huán)境污染影響的初步探討風(fēng)向?qū)τ诳諝馕廴镜挠绊懢哂须p重性,而且風(fēng)向的變化迅速而無(wú)常,因此分析API與風(fēng)向之間的相關(guān)關(guān)系極其復(fù)雜。本節(jié)簡(jiǎn)單根據(jù)不同風(fēng)向上污染日數(shù)的分布,初步探討風(fēng)向?qū)諝馕廴镜挠绊?見圖5:(1)北京市在最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的西南和南西南方向上污染日數(shù)最高,表明上述兩風(fēng)向?qū)諝馕廴居休^大的推動(dòng)作用。(2)天津市在最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的北西北和北方向上污染日數(shù)最高,表明其空氣質(zhì)量受北方影響較大,與北方南下的冷空氣有一定的關(guān)系。(3)石家莊市在最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的東南和東東南方向上污染日數(shù)最高,說(shuō)明該市空氣質(zhì)量主要受東南風(fēng)向制約。4污染影響因素統(tǒng)計(jì)特征分析結(jié)果綜上所述,本文主要結(jié)論包括以下幾個(gè)方面:(1)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,北京、天津、石家莊3市的空氣污染狀況在2001年-2010年期間逐步改善,夏季空氣質(zhì)量最好;北京春季受沙塵的影響、天津和石家莊冬季受取暖的影響對(duì)應(yīng)季節(jié)的空氣質(zhì)量最差。(2)不同時(shí)空尺度下,氣象要素對(duì)空氣污染的影響存在較大差異:北京、天津和石家莊3市的月均尺度的API與氣溫(平均、最高和最低)、最高氣壓、水汽壓和最大風(fēng)速4類氣象要素存在一致的相關(guān)關(guān)系,大部分相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值天津>石家莊>北京;季均值尺度下,北京、天津和石家莊3市的API與氣象要素的關(guān)系差異性較大,但3市的API與水汽壓存在一致的相關(guān)關(guān)系;和季節(jié)與月份均值相關(guān)性相比,基于空氣污染不同級(jí)別的相關(guān)系數(shù)明顯偏低,可能與較大的樣本量和相關(guān)關(guān)系分析本身的復(fù)雜性有關(guān);基于空氣污染過(guò)程的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值介于均值和級(jí)別分類處理后相關(guān)分析結(jié)果之間。(3)根據(jù)不同風(fēng)向上空氣污染日數(shù)的分布統(tǒng)計(jì)分析,北京、天津和石家莊分別主