2001-2012年北京市空氣污染指數節氣分布及其與氣象要素的關系_

2024年3月16日發(作者：教師聘任制)

2001-2012年北京市空氣污染指數節氣分布及其與氣象要素

的關系

冀翠華;王式功;王敏珍;尚可政

【摘 要】利用2001年1月1日至2012年12月31日北京市空氣污染指數資料

和地面氣象觀測數據，對北京市API的節氣變化特征及其與氣象因子在節氣尺度

上的相關關系進行統計分析。結果表明：2001—2012年北京市春季和冬季分別

以清明和小雪節氣API最高，空氣質量最差；立秋節氣API最低，空氣質量最好。

春分—霜降節氣空氣首要污染物為PM10，SO2作為首要污染物出現在立冬—大

寒和立春—驚蟄節氣，小寒達到最大。溫度、風速和相對濕度是影響北京空氣質

量的主要氣象因子，立春—谷雨節氣空氣質量主要受氣壓影響，立冬—大寒節氣

空氣質量受相對濕度和日照時數影響較大，立夏—霜降節氣API與平均氣溫和最

低氣溫顯著相關，風速主要影響春秋節氣的空氣質量。%Bad on air pollution

index (API)data from 2001 to 2012 and ground obrved meteorological

data in Beijing,API characteristics in different solar terms and its

relationships with meteorological factors were analyzed. The results

indicate that API values in spring and winter from 2001 to 2012 is the

highest in Tomb-sweep solar term and Lesr Snow solar term

respectively,so air quality is the worst during the two value is

the lowest in the beginning of Autumn of the solar term,so the air quality

is the primary pollutant is PM10 from Vernal equinox to Frost fall

solar terms,while it is SO2 from the beginning of Winter to Great cold and

from the beginning of Spring to Incts awaken solar terms,especially in

Slight cold solar air quality in Bei-jing is influenced by

temperature,wind speed and relative re plays an important

role for API from the beginning of Spring to Grain rain solar terms,and

relative humidity and sunshine duration are important from the beginning

of Winter to Great cold solar has a significant correlation with

mean air temperature and maximum air temperature from the beginning

of Summer to Frost fall solar speed mainly affects air quality in

solar terms of spring and autumn.

【期刊名稱】《氣象與環境學報》

【年(卷),期】2014(000)006

【總頁數】7頁(P108-114)

【關鍵詞】空氣污染指數;二十四節氣;氣象要素

【作 者】冀翠華;王式功;王敏珍;尚可政

【作者單位】蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州730000;蘭州大學大氣科學學院，

甘肅 蘭州730000;蘭州大學公共衛生學院流行病與衛生統計學研究所，甘肅 蘭州

730000;蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州730000

【正文語種】中 文

【中圖分類】X16

地球上的大氣是環境的重要組成要素，并參與地球表面的各種物理化學過程，是維

持一切生命活動所必需的［1］。“環境—氣象—健康”一直是世界各國衛生學家、

環保學家和氣象學家十分關心的問題。環境空氣質量的好壞，對整個生態系統和人

類健康有直接的影響。

近年來，北京市的空氣質量總體呈逐年好轉趨勢，但霧霾等重度污染事件時有發生，

2011年和2012年分別發生2次和5次霧霾天氣，2014年1月北京地區又連續

出現4次霧霾天，頻繁持續的嚴重空氣污染給公眾健康帶來嚴重威脅。眾多學者

［2-5］也展開了大量的相關研究，主要針對季節尺度的污染特征和月尺度的相關

氣象要素進行了分析，但并未進行更小尺度空氣污染的研究。二十四節氣

（Twentyfour Solar Terms）是按照地球與太陽的相對位置，固定劃分的一種天

文、季節和氣候綜合的歷法，能更細致地反映中國四季交替的氣候特征。同時二十

四節氣是對自然界季節變化規律的高度總結，其周期性的變化直接或間接地影響人

體健康［6］。因此，從節氣尺度上分析北京市空氣污染特征及其與氣象要素的關

系，可為科學有效地控制和治理大氣污染提供必要的理論依據，也可為北京市居民

的健康保健提出更有針對性的建議。本文利用北京市空氣質量日報資料，分析北京

市空氣質量節氣變化的規律和空氣質量與氣象要素的關聯性。

1.1 資料來源

北京市2001年1月1日至2012年12月31日空氣污染指數數據來源于中華人

民共和國環境保護部網站重點城市空氣質量日報數據，包括逐日空氣污染指數、首

要污染物、空氣質量級別和空氣質量狀況。同期北京市的氣象資料來源于中國氣象

科學共享數據網《中國地面氣候資料日值數據集》，包括逐日氣壓（平均、最高和

最低）、氣溫（平均、最高和最低）、相對濕度（平均、最?。?、風速及風向（最

大、極大）、日照時數等氣象要素。

1.2 研究方法

空氣污染指數（Air Pollution Index，API）是一種向公眾公布的，反映和評價空

氣質量狀況的指標，API將常規監測的幾種空氣污染物濃度簡化成單一的概念性指

數值形式，并分級表征空氣質量級別、空氣質量狀況和對人體健康的影響［7］。

空氣污染的等級劃分采用環境保護部2008年發布并實施的《城市空氣質量日報和

預報技術規定》中規定的空氣污染指數范圍及相應的空氣質量級別，分為優、良、

輕微污染、中度污染和重度污染五級。

二十四節氣是根據太陽在黃道上的位置劃分的，因此節氣在現行的公歷中日期基本

固定，隨著年份的變化約有2—3 d的變化，所以每個節氣對應的天數為14—16

d不等。本文分析了北京市空氣污染的節氣變化特征（包括API、首要污染物和空

氣質量級別）及各節氣API的年際變化趨勢，并運用軟件SPSS 19.0中Pearson

相關分析法對API與氣象要素在節氣尺度及各節氣內日尺度上的相關性進行分析，

檢驗水平為α=0.05。

2.1 空氣污染節氣變化特征

2.1.1 API的節氣變化

圖1為2001—2012年北京市年平均空氣污染指數的節氣變化，由圖可見，API

節氣分布大致呈雙峰型，兩峰值分別出現在清明節氣和小雪節氣，API分別為

129.6和111.0。霜降節氣的空氣污染指數也為一個小高峰，API達102.8。立秋

節氣的API為78.5，年平均API為一年中最低。經分析，清明節氣正好是4月北

京地區沙塵天氣較多的季節，春季氣候干旱、風力大、多風沙或沙塵暴天氣，

PM10濃度劇增，空氣質量級別多為4級或5級，空氣污染指數出現極高值［8］。

而小雪節氣的API出現高峰，是由于小雪節氣處于冬季采暖期，PM10和SO2的

濃度增加，且大氣穩定層結出現頻率較大，不利于污染物的擴散［9］。霜降節氣

的空氣污染指數出現的小高峰，主要由于處于采暖期前，氣溫偏低和相對濕度偏高。

如果以立春、立夏、立秋和立冬作為四季的開始，則北京市四季的空氣污染指數呈

不同的特點和趨勢。春季，API值持續走高，API均高于100，清明空氣污染指數

達最高，空氣污染嚴重；夏季，API值緩慢減小，空氣質量逐漸好轉；秋季，API

逐漸升高，空氣質量隨之下降；冬季，在小雪節氣API達最高后，API呈緩慢下降

趨勢，但空氣質量仍持續較差?？傮w而言，北京市冬春季受沙塵和取暖的影響，空

氣質量最差；夏末初秋（夏至—秋分）具備有利的氣象條件，氣溫高、對流性天

氣及降水相對較多，對空氣的凈化作用較明顯，空氣質量最好。

2.1.2 首要污染物的節氣分布

統計12 a內北京市首要污染物出現頻率，PM10高達83.20%，SO2出現頻率僅

為5.13%，PM10仍為北京市的主要首要污染物。圖2為2001—2012年北京市

24節氣各種首要污染物的出現頻率，如圖所示，春分—霜降節氣的空氣首要污染

物一直為PM10，SO2作為首要污染物僅從立冬節氣開始出現至春分節氣。

SO2濃度雖遠遠小于PM10，但SO2對環境及人體呼吸系統的危害十分嚴重，不

容忽視。北京市的SO2主要是燃煤排放的。在非采暖期，由于沒有采暖用煤，且

市區居民炊事氣化率高，因此SO2濃度較低。在采暖期，遍布全市的采暖用小煤

爐及鍋爐等排放大量的SO2，使市區大氣環境中的SO2濃度較高［9］。立冬—

春分節氣也正好對應北京的城市采暖期（11月至翌年3月）。從圖2還可以看到，

SO2作為首要污染物出現的日數在小寒節氣達最多，出現頻率為32.6%，由于小

寒節氣是一年中最冷的節氣，供暖強度加大，采暖燃煤量增多，導致SO2濃度劇

增。

2.1.3 空氣質量級別的節氣變化

據統計，2001—2012年北京市空氣質量級別為1—2級優良的頻率為68%，3級

輕度污染的頻率為29%，4級以上中重度污染的頻率為3%。圖3為 2001—

2012年北京市空氣質量級別出現頻率的節氣分布。由圖3可知，3級輕度污染出

現頻率的節氣分布與API的節氣分布相似，即在清明節氣出現頻率（44.3%）最大，

小雪節氣出現頻率（40.1%）次之，在立秋節氣出現頻率（14.4%）最小。優良級

別的節氣分布與API節氣分布大致相反。4級及以上的中重污染僅出現在立春—

芒種和秋分—大寒節氣，夏至—白露節氣沒有重污染發生；5級重污染在春分和清

明節氣出現的天數最多，均達16 d（10.1%），在冬季霜降和小雪節氣出現天數

次之，出現頻率達5.0%。

2.1.4 節氣空氣質量的年變化

綜上所述，北京市冬春季空氣污染相對較嚴重，雖然大部分節氣空氣質量均明顯改

善，但程度略有不同。圖4為2001—2012年北京市春冬季節氣空氣污染指數的

分布，小雪和小寒節氣的空氣質量從2002年一直得到改善，效果顯著。清明節氣

在2008年前空氣污染指數一直呈波動變化，之后空氣質量保持良好，但也有少數

節氣（如雨水、冬至）空氣質量無明顯改善。圖5為2001—2012年北京市春冬

季節氣空氣污染日數的分布，大部分節氣空氣污染日數均呈下降的趨勢，其中小寒、

大寒、立春、春分和清明下降幅度明顯，大雪、大雪和驚蟄空氣污染日數則無明顯

下降；少數節氣在2008年前有一個較大幅度的下降與奧運會空氣質量保障有直接

關系。

2.2 空氣污染與氣象要素的相關分析

2.2.1 節氣尺度上API與氣象要素的相關關系

研究表明，氣象條件對污染物的擴散、稀釋和積累有一定作用，在污染源一定的條

件下，污染物的濃度主要取決于氣象條件［10］。表1為2001—2012年北京市

空氣污染指數與氣象要素的相關分析，由表可以看出，在節氣尺度上，對北京市空

氣污染起主要作用的氣象因子為平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風速、最大

風速及平均相對濕度、最小相對濕度。

圖6為2001—2012年北京市API與氣象要素的節氣變化，API與地面風速的相

關性最好，呈顯著正相關，相關系數為0.256—0.274；立春—大暑節氣API與風

速正相關最好，風速越大，污染越重，立秋之后API與風速相關性減小；即春季

風速對空氣質量的影響主要為負效應，冬季小雪—大寒節氣風速對空氣質量的影

響為弱的正效應［11］。API與相對濕度的相關性次之，呈顯著負相關，相關系

數為-0.251～-0.185，由此可見相對濕度對空氣質量有顯著的正效應作用，主要

表現在雨水—立秋—小雪節氣期間。API與氣溫（平均、最高、最低）呈顯著負

相關，相關系數為-0.154、-0.133、-0.180，與最低氣溫關系最密切，主要體現

在清明—立秋—小雪節氣期間，說明氣溫對空氣質量有顯著的正效應作用，氣溫

越高，空氣質量越好；這是由于近地面氣溫較高時，大氣垂直對流作用加強，有利

于污染物向上輸送，API降低；當氣溫較低時，情況則相反［12］。

2.2.2 各節氣日平均API與氣象要素的相關關系

表2為2001—2012年北京市不同節氣的API日平均值與同期氣象要素日值之間

的相關關系。 不同節氣空氣質量的主要氣象影響因子不同。如影響清明節氣空氣

質量的氣象因子為氣壓、風速、日照時數和日最低氣溫，其中API與氣壓（平均、

最高和最低）呈顯著負相關，相關系數分別為-0.351、-0.374和-0.328，通過顯

著水平α=0.01檢驗；與最低氣溫和平均風速呈顯著正相關，相關系數分別為

0.194和0.179。影響小雪節氣空氣質量的氣象因子為相對濕度和日照時數，其中

API與日照時數呈顯著負相關，相關系數為-0.215；與相對濕度（平均、最?。┏?/p>

顯著正相關，相關系數分別為0.441和0.387，通過了顯著水平α=0.01檢驗。立

秋節氣的空氣質量則僅與氣溫和相對濕度有關，API與日照時數呈顯著負相關，相

關系數為-0.215；與氣溫（平均、最高和最低）、相對濕度（平均、最小）均呈

顯著正相關，相關系數分別為0.365、0.255、0.403和0.227、0.204，通過了顯

著水平α=0.01檢驗。不同節氣地面風速對空氣污染的影響作用也不同，驚蟄和春

分節氣的API與地面風速（平均、最大）呈顯著正相關，秋分、寒露、霜降、立

冬、大雪和小寒節氣的API則與地面風速（平均、最大）呈顯著負相關。通常來

說，風速越大越有利于空氣中污染物的稀釋擴散。秋冬季API大小與燃煤排放污

染物的擴散快慢相關，風速增大有利于污染物的擴散，可減小空氣污染程度。而春

季節氣API大小則主要決定于北京春季沙塵暴的強弱，風速越大空氣中沙塵顆粒

越多，PM10濃度增加，加劇空氣污染程度。

從季節上看，春季立春—谷雨節氣的API均與氣壓（平均、最高、最低）呈顯著

負相關，與最低氣溫呈顯著正相關。立夏—大暑和立秋—霜降節氣的API均與平

均氣溫和最低氣溫呈顯著正相關。冬季立冬—大寒節氣API與日照時數呈顯著負

相關，與相對濕度（平均、最?。┏曙@著正相關。

（1）北京市冬春季的空氣質量最差，夏季空氣質量最好。節氣上，清明和小雪節

氣的API最高，空氣污染嚴重，主要是受春季沙塵天氣和秋冬季采暖的影響；立

秋節氣API最低，空氣污染較輕，與有利的氣象條件有關，氣溫高、對流性天氣

及降水相對較多，對空氣的凈化作用較明顯。

（2）非采暖期節氣首要污染物為PM10，采暖期節氣首要污染物為PM10和

SO2。SO2作為首要污染物出現在立冬—大寒和立春—驚蟄節氣，且出現頻率在

小寒節氣達最大，由于該節氣最寒冷，采暖強度增大，燃煤排放的SO2濃度大幅

度增加所致。

（3）在節氣尺度上，各地面氣象要素與API的關系，以風速最密切，其次為相對

濕度；氣溫三要素中以最低氣溫與API最相關。不同節氣影響API的氣象因子不

同，如立春—谷雨主要受氣壓影響，立冬—大寒受相對濕度和日照時數影響較大，

立夏—霜降與平均氣溫和最低氣溫顯著相關，風速主要影響春秋季節氣的空氣質

量。

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