1961—2017年华北区域大气自净能力变化特征及其影响因素分析

井元元; 李宏宇; 张婧; 许启慧; 刘咪咪

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2021.022

1961—2017年华北区域大气自净能力变化特征及其影响因素分析

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.022

井元元^{1, 2},
李宏宇^{1, 2},
张婧^{1, 2, ,},
许启慧^{1, 2},
刘咪咪^{1, 2}

1.
河北省气象与生态环境重点实验室，河北石家庄 050021
2.
河北省气候中心，河北石家庄 050021

基金项目:

国家自然科学基金项目 41705075

国家重点研发计划 2018YFA0606302

详细信息

通讯作者:
张婧，女，山东省人，高级工程师，主要从事气候变化和农业水文水资源研究。E-mail：343617032@qq.com

中图分类号: X51
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出版历程
- 收稿日期: 2020-06-05
- 修回日期: 2021-02-18
- 刊出日期: 2021-04-01

ANALYSIS OF CHARACTERISTICS AND INFLUENCING FACTORS OF ATMOSPHERIC SELF-PURIFICATION CAPACITY IN NORTH CHINA DURING 1961—2017

JING Yuan-yuan^{1, 2},
LI Hong-yu^{1, 2},
ZHANG Jing^{1, 2
, ,},
XU Qi-hui^{1, 2},
LIU Mi-mi^{1, 2}

1.
Key Laboratory of Meteorological and Ecological Environment of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China
2.
Hebei Climate Center, Shijiazhuang 050021, China

摘要

摘要: 基于华北区域80个国家地面气象观测站资料，采用大气自净能力指数(ASI)分析了1961—2017年华北区域大气自净能力的气候分布特征及长期变率；用MK和MT法及Morlet小波对ASI进行了突变检验和能量谱分析；结合ASI的REOF空间载荷场分布特征，将华北区域进行分区，并研究了气象要素与华北区域及各分区的可能联系；对于大气自净能力较低的Ⅳ区，选择近年污染相对严重的部分城市（石家庄、保定和唐山），对比了ASI与污染气象条件及不同级别AQI天数占比情况。结果表明：年、季尺度的大气自净能力在京津冀和山西大部、内蒙古东北部等区域呈现出较低的气候值，在内蒙古中部等其他地区呈现出相对较高的气候值，大气自净能力在季节尺度上呈现出从春季到冬季逐渐下降的变化趋势；区域变暖背景下，冬季风环流减弱，天气过程频率和强度减弱，地面风速随之降低，导致ASI降低；研究区域的ASI与混合层高度、地表通风系数、良和轻度级别天数占比均呈现出同相月变化，而与静稳天气指数、重度和严重级别天数占比呈现出反相月变化规律。根据风速和气温对大气自净能力的影响规律，推测未来大气自净能力很可能进一步降低，因此建议地方政府进行适当的大气污染减排和区域产业升级，有利于控制未来的空气污染形势。
- 大气自净能力指数（ASI） /
- 时空变化特征 /
- 影响因素 /
- 华北区域
Abstract: Based on the data from 80 national surface meteorological stations, the atmospheric selfpurification capacity index (ASI) is used to analyze the climate distribution characteristics and long-term variability of the atmospheric self-purification capacity in north China from 1961 to 2017. The time of abrupt change and spectrum analysis for atmospheric self-purification capacity is tested using MannKendall and Moving-T methods and Morlet wavelet. With the distribution characteristics of REOF space load of ASI considered, north China is divided into subregions, and the connections between meteorological elements are studied. For Zone Ⅳ, where the atmospheric self-purification capacity is low, the cities (Shijiazhuang, Baoding and Tangshan) with relatively serious pollution in recent years are selected to give further comparison between ASI with polluted meteorological conditions and the proportion of days with different levels of air quality. The results show that the climatic value of annual and seasonal spatial distribution characteristics of ASI is relatively low for the Beijing-Tianjin-Hebei region, most parts of Shanxi, and the northeast of Inner Mongolia, whereas the value for central Inner Mongolia is relatively high. The self-purification capacity of the atmosphere gradually declines from spring to winter on a seasonal scale. With the background of regional warming, the wind monsoon circulation in winter and the frequency and intensity of weather process are weakened, which reduce the surface wind speed and result in the decrease of ASI. In the study area, the ASI and the mixed layer height, the surface ventilation coefficient, and the proportions of days with good and mild grades all show similar monthly changes in phase, while the proportions of ASI with static weather index, and the proportions of severe and severe days show a reversed monthly change. According to the influence of wind speed and temperature on the ASI, it is assumed that the air self-purification capacity is likely to be further reduced in the future. Therefore, it is suggested that local governments should carry out proper reduction of emission and step up industrial upgrading to control future air pollution.
- atmospheric self-purification capacity index (ASI) /
- spatial-temporal variations /
- influencing factors /
- north China

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图 1 华北区域海拔高度（m）及选定气象站点的空间分布情况

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图 2 1961—2017年华北区域平均年大气自净能力指数历年变化

单位：t/(d·km²)。

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图 3 1961—2017年华北区域平均四季大气自净能力指数历年变化

单位：t/(d·km²)。

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图 4 华北区域年大气自净能力指数气候值空间分布

单位：t/(d·km²)。

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图 5 华北区域四季大气自净能力指数气候值空间分布

单位：t/(d·km²)。

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图 6 1961—2017年华北区域年ASI线性趋势变化速率空间分布

单位：t/(10 a·d·km²)。

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图 7 1961—2017年华北区域四季ASI线性趋势变化速率空间分布

单位：t/(10a·d·km²)。

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图 8 1961—2017年华北区域年大气自净能力指数REOF的前四模态和四季大气自净能力指数REOF的第一模态空间分布、分区结果及站点分布情况

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图 9 2013—2017年石家庄、唐山和保定地区大气自净能力指数（单位：t/(d·km²)）与混合层高度（单位：m）、地表通风系数（单位：m²/s）和静稳天气指数（单位：1）的月变化对比

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图 10 2013—2017年石家庄、唐山和保定地区大气自净能力指数（单位：t/(d·km²)）与AQI不同级别天数占比（单位：1）的月变化对比

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表 1 1961—2017年华北区域年和四季大气自净能力指数各分区的气候值（单位：t/(d·km²)）及线性趋势变化速率（单位：t/(10 a·d·km²)）

季节	Ⅰ区		Ⅱ区		Ⅲ区		Ⅳ区
季节	气候值	变率	气候值	变率	气候值	变率	气候值	变率
年	5.10	-0.363	5.84	-0.442	4.57	-0.265	4.19	-0.357
春	6.28	-0.439	7.04	-0.487	5.61	-0.249	5.17	-0.416
夏	5.11	-0.289	5.65	-0.393	4.62	-0.208	4.32	-0.271
秋	4.98	-0.353	5.67	-0.419	4.23	-0.272	3.73	-0.321
冬	4.00	-0.357	4.99	-0.457	3.79	-0.350	3.51	-0.413
注：变率标粗数值表明通过0.01显著性水平检验。

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表 2 1961—2015年华北地区及各分区年和四季大气自净能力指数与气象要素的相关结果

气象要素	区域	年	春	夏	秋	冬
气温	华北地区	-0.35 (5;31)	-0.41 (1;36)	-0.54 (1;63)	-0.31 (4;31)	0.07 (38;14)
	Ⅰ区	-0.31 (0;35)	-0.31 (0;30)	-0.55 (0;95)	0.02 (10;5)	0.04 (25;10)
	Ⅱ区	-0.09 (0;13)	-0.38 (0;46)	-0.48 (0;71)	-0.17 (0;8)	0.40 (79;0)
	Ⅲ区	-0.20 (14;21)	-0.07 (7;14)	-0.39 (0;29)	-0.32 (7;50)	0.08 (29;14)
	Ⅳ区	-0.51 (9;55)	-0.30 (0;45)	-0.31 (5;45)	-0.45 (0;68)	-0.18 (9;32)
降水	华北地区	0.18 (15;0)	-0.24 (1;5)	0.45 (60;0)	0.18 (31;0)	-0.21 (3;31)
	Ⅰ区	0.38 (25;0)	0.06 (0;0)	0.52 (65;0)	0.21 (25;0)	-0.05 (5;35)
	Ⅱ区	0.17 (8;0)	-0.19 (0;8)	0.39 (50;0)	0.19 (25;0)	-0.31 (0;42)
	Ⅲ区	0.07 (29;0)	-0.30 (7;7)	0.55 (79;0)	-0.07 (29;0)	-0.43 (0;36)
	Ⅳ区	0.14 (5;0)	-0.13 (0;5)	0.39 (55;0)	0.36 (45;0)	-0.14 (5;14)
相对湿度	华北地区	-0.14 (9;24)	-0.39 (1;40)	0.33 (34;4)	-0.05 (1;11)	-0.75 (0;76)
	Ⅰ区	0.12 (5;15)	-0.19 (0;35)	0.27 (35;0)	-0.09 (0;5)	-0.69 (0;75)
	Ⅱ区	-0.24 (4;25)	-0.36 (0;42)	0.26 (42;4)	-0.07 (0;4)	-0.76 (0;96)
	Ⅲ区	-0.19 (7;29)	-0.47 (7;57)	0.48 (43;7)	-0.31 (0;43)	-0.72 (0;86)
	Ⅳ区	-0.13 (18;27)	-0.32 (0;32)	0.13 (18;5)	-0.05 (5;5)	-0.58 (0;50)
风速	华北地区	0.95 (100;0)	0.96 (100;0)	0.80 (100;0)	0.96 (100;0)	0.96 (100;0)
	Ⅰ区	0.90 (100;0)	0.94 (100;0)	0.85 (100;0)	0.95 (100;0)	0.94 (100;0)
	Ⅱ区	0.97 (100;0)	0.95 (100;0)	0.89 (100;0)	0.97 (100;0)	0.97 (100;0)
	Ⅲ区	0.93 (100;0)	0.91 (100;0)	0.68 (100;0)	0.90 (100;0)	0.94 (100;0)
	Ⅳ区	0.90 (100;0)	0.89 (100;0)	0.58 (100;0)	0.86 (100;0)	0.90 (100;0)
注：相关结果中标粗数值表明通过0.1显著性水平检验，相关结果后方的括号里分别给出通过正相关显著性检验的站点占比（%）和通过负相关显著性检验的站点占比（%），中间用分号区隔。

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表 3 1961—2015年华北区域平均大气自净能力指数及相关气象要素与时间的相关系数和线性趋势变化速率

	大气自净能力指数		气温		降水量		相对湿度		地面风速
	r	A/(t/(a·d·km²))	r	A/(℃/a)	r	A/(mm/a)	r	A/a^-1	r	A/(m/(s·a))
年	-0.934	-0.038 6	0.751	0.035	-0.466	-5.746	-0.461	-0.058	-0.206	-0.011
春	-0.872	-0.042 1	0.591	0.038	0.029	0.313	-0.373	-0.08	-0.842	-0.021
夏	-0.863	-0.031 2	0.585	0.026	-0.307	-8.148	-0.413	-0.078	0.216	0.034
秋	-0.872	-0.036 7	0.543	0.03	-0.137	-2.105	-0.266	-0.041	-0.811	-0.015
冬	-0.850	-0.044 7	0.545	0.049	-0.436	-13.691	-0.078	-0.02	-0.341	-0.041
注：r为要素与时间的相关系数，A为倾向率，0.05显著性水平下的相关系数为0.268。

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