保定市霾特征與成因分析

馬雙忱，于偉靜,柴 峰，張立男，楊 靜，華繼洲

(華北電力大學 環境科學與工程學院，河北保定071003)

保定市霾特征與成因分析

馬雙忱，于偉靜,柴 峰，張立男，楊 靜，華繼洲

(華北電力大學 環境科學與工程學院，河北保定071003)

選取京津冀典型地區——保定市作為研究對象，分析了保定市霾特征并且從污染物與氣象因素角度對保定市霾的成因進行探究。首先，通過對2005～2013期間年均霾日數以及2013年月均霾日數的整理，發現保定市年均霾日數達到100天左右，且冬季月份霾日數最多，春節月份最少。其次，結合2014年2月、3月常規污染物(CO、SO2、NO2、PM10、PM2.5)數據與能見度數值的分析，發現與低能見度(<10 km)相關的4種污染物(CO與能見度不具有相關性)濃度閾值分別為75 ug/m3，60 ug/m3，200 ug/m3，100 ug/m3。當污染物濃度高于此值時，能見度變化不明顯；當污染物濃度低于此值時，能見度變化明顯。另外，通過分析2013年全年氣象因素(相對濕度、溫度、風速、氣壓、雨量)與能見度的變化，發現相對濕度、風速對能見度的影響最大，而小雨可以加重霾污染。最后，通過對比2013年1、2月霾形成因素與往年的變化，表明相對濕度增加是此時期霾污染加重的主要原因。

保定市；霾天氣；污染物；氣象因素

0 引言

霾是指排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪和雪暴等天氣現象造成的視程障礙后，能見度小于10.0 km，相對濕度<80 %或是能見度小于10.0 km，相對濕度為80 %～95 %，PM2.5質量濃度大于75 ug/m3的天氣現象。[1]霾的厚度比較厚，可達1～3 km左右，一般霾的日變化不明顯。霾與霧和云不一樣，與晴空區之間沒有明顯的邊界，霾粒子的分布比較均勻，因而在霾中能見度非常均勻；而且霾粒子的尺度比較小，其值在0.003～10 um范圍內，平均直徑大約在0.3～1 um左右，肉眼看不到空中飄浮的顆粒物。由于礦物塵、硫酸鹽、硝酸鹽、有機碳氫化合物、黑碳、硫酸和硝酸微滴等粒子組成的霾，其散射波長較長的可見光比較多，因而霾看起來呈黃色或橙灰色[2]。

霾的頻繁發生不僅對人類的健康造成了重大的威脅，增加患病及死亡概率[3,4]，而且會加速金屬腐蝕[5]，造成重大的經濟損失，因此開展霾的形成機理以及防控措施研究顯得十分重要。

吳兌等[6]研究了1951～2005年半個世紀來我國霾的時空變化，結果表明：20世紀80年代以后霾天氣日數明顯增加；霾天氣日數偏多是在12月和1月而9月最少；并且霾發生日數較多的地區主要集中在遼寧中部、四川盆地、華北平原和關中平原地區以及受沙塵暴影響較多的南疆地區。此外，對于北京及華北地區而言，其霾日的季節性分布的突出特點是，除采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節霾日也明顯偏多[7]。

對于霾的形成，研究發現：高頻發生的城市霾天氣現象主要是由于光化學污染所引起。光化學污染隨著城市化進程的加快和經濟規模的擴大而日趨嚴重，形成霾天氣，且大氣污染物的源排放是內因，氣象條件是外因[8]。

對于污染物對霾形成的影響，Kang等[9]研究了韓國霾期間酸性氣體與PM2.5的化學性質，發現霾期間PM2.5濃度很高并且二次無機離子(SO42-，NO3-，NH4+)和有機物是PM2.5的主要組成成分。Chen等[10]研究了大西洋中部夏季霾形成機制, 結果表明SO42-對霾的形成起著重要的作用。Sisler 等[11]對細粒子成分進行了研究，提出高濕伴生的高濃度硫酸鹽是影響能見度的最大因素，硝酸鹽和有機物是第二大因素。此外，國內學者通過對不同城市典型霾期間的污染物進行分析，發現細微顆粒物對霾的形成起著重要的作用[12～14]。

對于霾的形成與氣象因素之間的關系，通過研究能見度與氣象條件之間的關系，發現風速和相對濕度是影響能見度最主要的兩個因素[15]。針對2013年1月爆發的全國性的霾天氣，研究分析了相對濕度等對霾形成的影響，證實了氣象因素對霾形成所起到的作用[16,17]。

盡管不同學者從不同角度對霾的形成進行了細致的研究，但是對于霾成因、機理、二次污染物的轉化、重污染天氣應急響應處置措施等還缺乏深入了解。由于不同地區霾的形成機理有所區別，所以針對不同區域進行特定研究對于霾的治理顯得尤為重要。

本研究選取京津冀典型地區——保定為研究對象，以能見度作為霾嚴重程度的表征，通過對保定市污染物數據以及氣象數據的整理，分析了保定市霾天氣特征，并且得到了保定市氣態污染物污染狀況，發現SO2、NO2、PM10、PM2.5對應低能見度的閾值濃度以及4種污染物與能見度的非線性關系、驗證保定市霾天氣與氣象因素的關系、探究出保定2013年1月、2月霾嚴重的原因是相對濕度明顯增加，希望研究結果為本地區霾防治提供有價值信息。

1 數據來源

本文記錄的2005年～2013年日均濕度、能見度等氣象數據來源于網站http://www.wunderground.com/global/stations/54602.html，并依據此統計出年度霾日數的變化以及月度霾日數的變化。此外通過全國城市空氣質量實時發布平臺(http://113.108.142.147:20035/emcpublish/)，作者提取了2014年2月、3月保定6個監測站點(接待中心、華電二區、膠片廠、監測站、游泳館、地表水廠)5種污染物(SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5)濃度以及空氣質量指數每隔3 h的數值。除此之外，為了探究污染物濃度變化期間氣象因素的變化，作者利用中國氣象視頻網(http://mywtv.weathercn.com/live/0306.shtml)獲取了污染物變化同時刻溫度、濕度等氣象條件的變化情況。

2 保定霾天氣特征

對霾歷史資料的整理，霾日的確定遵循以下幾點原則[18]：(1)日均能見度小于10 km；(2)日均相對濕度小于90%；(3)排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他能導致低能見度事件的情況。通過對數據整理篩選，得到了保定市2005年～2013年霾日數年均變化圖(圖1)、2013年霾日數月均變化圖(圖2)。

從圖1可以看出保定市近幾年霾日數處于波動期，且2008年霾日數達到最大值125天及2010年達到最小值72天。但是保定市總體霾日數偏多并在100天上下波動，說明保定霾污染嚴重。

圖1 保定市霾日數年均變化圖

從圖2可以看出，2013年霾日數最多的月份出現在1月、12月(冬季月份)，霾日數最少的月份出現在5月份(春季月份)，且6月份(夏季月份)霾日同樣偏多，這與吳兌等的研究結果[7]相似。

圖2 2013年霾日數月均變化圖

3 保定市霾成因分析

3.1 空氣污染現狀

霾是一種復雜的氣溶膠污染，因此了解保定市幾種常規污染物污染現狀對于了解霾的形成十分重要。本文選取2014年2.20～2.28的污染物監測的數據，繪制出SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5等污染物的變化圖(圖3～圖7)，對比國家空氣質量標準[19]可以看出：在統計期間大部分時段保定市污染物濃度都超過了國家二級標準，特別是顆粒物污染(PM10、PM2.5)不僅全部在二級標準以上，而且有的時間段濃度是二級標準的4～5倍，說明保定市氣態污染物中顆粒物污染最為嚴重。

圖3 SO2污染狀況

圖4 NO2污染狀況

圖5 CO污染狀況

圖6 PM10污染狀況

圖7 PM2.5污染狀況

3.2 各類污染物對霾的影響

本文以能見度作為霾嚴重程度的表征，選取從2月20日到3月22日中每隔3 h記錄一次的污染物數據以及能見度的數據，并整理繪制擬合成圖形，且為了消除霧引起能見度的變化的影響，剔除數據中相對濕度大于90 %的相關數據。從圖8～12可以看出，在各類常規污染物中，除CO外，SO2、NO2、PM10、PM2.5與能見度都存在明顯的相關性，說明霾期間能見度下降與SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度過高有關。此研究結果與魏哲對邯鄲2013年1月霾污染的研究結果[13]相符。

此外，SO2、NO2、PM10、PM2.5與低能見度(<10 km)存在閾值濃度，其分別為75 ug/m3、60 ug/m3、200 ug/m3、100 ug/m3，且污染物濃度與能見度存在非線性關系，當污染濃度高于此值時，能見度變化不明顯；當污染物濃度低于此值時，能見度變化明顯。這與Xuejiao Deng 等的研究方法及結論(2005年珠江三角洲PM10與能見度的閾值濃度為120 ug/m3)[20]相似。

圖8 SO2濃度與能見度的關系

圖9 NO2濃度與能見度的關系

圖10 PM10濃度與能見度的關系

圖11 PM10濃度與能見度的關系

圖12 PM2.5與能見度的關系

3.3 氣象因素對霾的影響

以能見度作為霾嚴重程度的表征，提取2013年全年每天相對濕度、平均風速、溫度、氣壓數據，分別做出其與能見度的關聯圖(圖13～圖16)。從圖中可以看出4種氣象因素中對能見度影響最大的是相對濕度，且相對濕度越大，能見度越低，霾越嚴重；其次風速的影響也比較大，風速越大，能見度越好，霾越輕；溫度與氣壓對能見度的影響不大，沒有明顯的相關性。

此外，降雨會對空氣污染物起到沖刷作用，但是降雨同時也會增加空氣濕度，造成空氣污染加重。對于大雨，由于沖刷作用明顯，會緩解空氣污染；但是小雨會加重空氣污染，其原因是雨滴蒸發粒子再懸浮過程使氣溶膠濃度增加。

圖13 相對濕度與能見度關系圖

圖14 風速與能見度的關系圖

圖15 溫度與能見度的關系圖

圖16 氣壓與能見度的關系圖

3.4 1～2月霾頻繁發生原因

2013年1、2月包括保定在內的全國大多數城市集中性爆發大規模霾天氣，引發全民關注。霾的形成是氣象因素、污染物排放共同作用的結果，但是與往年1、2月份相比，2013年1、2月份保定市污染源并沒有太大的變化，所以氣象因素的變化被著重考慮。為此，作者統計了近幾年1、2月與霾關聯性最大的兩種氣象因素—相對濕度、風速的變化，做出變化折線圖(圖17、圖18)。

如圖17、18所示，2013年1、2月的平均風速以及最快風速與往年相比并沒有太大變化，但是相對濕度有了明顯增加(從往年30 %、40 %左右增加至2013年的66 %)。所以2013年1、2月保定市霾頻繁發生的原因是保定地區相對濕度的增加。這與楊欣等對北京2013年1月霾嚴重的分析得到的結論，即相對濕度較大時，細微顆粒物吸濕增長造成能見度下降的結論[21]相似；此外，吳兌等的研究也表明，高濕度背景下氣溶膠的吸濕增長會使得消光明顯增加導致能見度明顯惡化[7]。

圖17 平均風速、最快風速變化圖

圖18 相對濕度變化圖

4 結論

(1)近幾年保定市霾日數處于波動期，但總體霾日數偏多；全年霾日數最多月份集中在冬季，最少月份集中在春季，此外夏季月份霾日數也相對偏多。

(2)統計的氣態污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5嚴重超標，其中顆粒物的污染最為嚴重。

(3)在各類常規污染物中，出CO外，SO2、NO2、PM10、PM2.5與能見度存在著明顯的相關性，說明保定市能見度的下降與SO2、NO2、PM10、PM2.5等污染物有關。

(4)SO2、NO2、PM10、PM2.5與低能見度(小于10 km)存在閾值濃度，其濃度分別為75 ug/m3、60 ug/m3、200 ug/m3、100 ug/m3，當污染物濃度超過閾值濃度，隨著污染物濃度的增加，能見度下降不明顯；當污染物濃度低于閾值濃度，隨著污染物濃度的減少，能見度改善明顯。

(5)幾種氣象因素中相對濕度以及風速對霾的影響最大，溫度及氣壓對霾的影響不明顯；大雨對霾有一定的緩解作用，但是小雨會加重霾污染。

(6)2013年1、2月份霾嚴重主要是相對濕度明顯增加引起的，高濕度情況下，氣溶膠吸濕增長造成能見度下降。

[1]QX/T 113-2010, 霾的觀測和預報等級[S].

[2]吳兌. 霾與霧的識別和資料分析處理[J]. 環境化學,2008,27(3):327-330.

[3]白志鵬,蔡斌彬,董海燕,等. 灰霾的健康效應[J]. 環境污染與防治,2006,28(3):198-201.

[4]謝元博,陳娟,李巍. 霧霾重污染期間北京居民對高濃度PM_(2.5)持續暴露的健康風險及其損害價值評估[J]. 環境科學,2014,35(1):1-8.

[5]陳穎敏,趙潔,冉玉倩,等. 霧霾天氣對鐵塔的腐蝕影響實驗研究[J]. 電力科學與工程,2014,30(12):35-38.

[6]吳兌,吳曉京,李菲,等. 1951—2005年中國大陸霾的時空變化[J]. 氣象學報,2010,68(5):680-688.

[7]吳兌,廖碧婷,吳蒙,等. 環首都圈霾和霧的長期變化特征與典型個例的近地層輸送條件[J]. 環境科學學報,2014,34(1):1-11.

[8]吳兌. 近十年中國灰霾天氣研究綜述[J]. 環境科學學報,2012,32:257-269.

[9]Kang C M,Lee H S,Kang B W,et al. Chemical characteristics of acidic gas pollutants and PM2.5 species during hazy episodes in Seoul, South Korea[J].Atmospheric Environment,2004,38(28):4749-4760.

[10]Chen L W A,Chow JC,Doddridge B G,et al. Analysis of a summertime PM2.5 and haze episode in the mid-Atlantic region[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2003, 53(8): 946-956.

[11]Sisler J F, Malm W C. The relative importance of soluble aerosols to spatial and seasonal trends of impaired visibility in the united states [J]. Atmospheric Environment,1994,28(5):851-862.

[12]常清,楊復沫,李興華,等. 北京冬季霧霾天氣下顆粒物及其化學組分的粒徑分布特征研究[J]. 環境科學學報,2015,35(2):363-370.

[13]魏哲,楊晶,王麗濤,等. 2013年1月邯鄲市嚴重霾天氣的污染特征分析[J]. 環境科學學報,2014,34(5):1118-1124.

[14]邊瑋瓅,董海燕,元潔等. 天津市秋季一次典型灰霾過程中顆粒物污染及化學成分特征分析[J]. 安徽農業科學,2015,(13):195-198.

[15]Baik N,Kim Y P,Moon K C.Visibility Study in Seoul,1993[J].Atmospheric Environment,1996,30(13): 2319-2328.

[16]張人禾,李強,張若楠. 2013年1月中國東部持續性強霧霾天氣產生的氣象條件分析[J]. 中國科學:地球科學,2014,44(1):27-36.

[17]王躍思,姚利,王莉莉,等. 2013年元月我國中東部地區強霾污染成因分析[J]. 中國科學:地球科學,2014,44(1):15-26.

[18]吳兌.霾與霧的識別和資料分析處理[J].環境化學,2008,27(3):327-330.

[19]GB3095-2012.中華人民共和國國家標準.環境空氣質量標準[S].北京：中國環境科學出版社.

[20]Deng X L,Shi C E,Wu B W,et al.Analysis of aerosol characteristics and their relationships with meteorological parameters over Anhui province in China[J].Atmospheric Research,2012,(109):52-63

[21]]楊欣,陳義珍,劉厚鳳,等. 北京2013年1月連續強霾過程的污染特征及成因分析[J]. 中國環境科學,2014,34(2):282-288.

Analysis of Haze Characteristics and Formation Causes in Baoding City

Ma Shuangchen, Yu Weijing, Chai Feng, Zhang Linan, Yang Jing, Hua Jizhou

(School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

This paper chooses Baoding City, a typical city in Beijing-Tianjin-Hebei region, as the research object and analyzes its haze characteristics and formation causes from the aspects of pollutants and meteorological factors. First, the annual haze days between 2005 and 2013 and monthly haze days in 2013 were analyzed, indicating that the haze pollution in Baoding City is serious (about 100 days per year) and that the maximum and minimum values in a year occur in winter and spring respectively. Then, the data of normal pollutants(CO, SO2, NO2, PM10, PM2.5) in February and March of 2014 and visibility were analyzed, and the results showed that the pollutants' (CO excluded due to irrelevance) threshold concentration corresponding to the low visibility (<10 km) are about 100ug/m3, 50ug/m3, 250ug/m3, and 150ug/m3 respectively. Further analysis indicates that the relationship between pollutants concentrations and visibility appears in a non-linear correlation. When pollutants concentrations are very high (above threshold concentrations), the change in visibility is not noticeable. By contrast, when pollutants concentrations are lower than threshold concentrations, the change in visibility is very sensitive to pollutants concentrations. In addition, the study shows that RH and wind speed have a significant effect on visibility, and small rain can make haze worse. Finally, by comparing haze formation causes in January and February of 2013 with those in previous years, it was found that the severity of haze in January and February of 2013 was caused by the increase of RH.

Baoding City; haze; pollutants; meterological factors

2015-07-06。

北京市自然科學基金(3142017)。

馬雙忱(1968-)，男，教授，博士生導師，從事大氣污染控制理論與技術研究， E-mail：msc1225@163.com。

X513

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.005