2001-2012年北京市空气污染指数节气分布及其与气象要素的关系_

2024年3月16日发(作者：教师聘任制)

2001-2012年北京市空气污染指数节气分布及其与气象要素

的关系

冀翠华;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日北京市空气污染指数资料

和地面气象观测数据，对北京市API的节气变化特征及其与气象因子在节气尺度

上的相关关系进行统计分析。结果表明：2001—2012年北京市春季和冬季分别

以清明和小雪节气API最高，空气质量最差；立秋节气API最低，空气质量最好。

春分—霜降节气空气首要污染物为PM10，SO2作为首要污染物出现在立冬—大

寒和立春—惊蛰节气，小寒达到最大。温度、风速和相对湿度是影响北京空气质

量的主要气象因子，立春—谷雨节气空气质量主要受气压影响，立冬—大寒节气

空气质量受相对湿度和日照时数影响较大，立夏—霜降节气API与平均气温和最

低气温显著相关，风速主要影响春秋节气的空气质量。%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.

【期刊名称】《气象与环境学报》

【年(卷),期】2014(000)006

【总页数】7页(P108-114)

【关键词】空气污染指数;二十四节气;气象要素

【作 者】冀翠华;王式功;王敏珍;尚可政

【作者单位】兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州730000;兰州大学大气科学学院，

甘肃 兰州730000;兰州大学公共卫生学院流行病与卫生统计学研究所，甘肃 兰州

730000;兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州730000

【正文语种】中 文

【中图分类】X16

地球上的大气是环境的重要组成要素，并参与地球表面的各种物理化学过程，是维

持一切生命活动所必需的［1］。“环境—气象—健康”一直是世界各国卫生学家、

环保学家和气象学家十分关心的问题。环境空气质量的好坏，对整个生态系统和人

类健康有直接的影响。

近年来，北京市的空气质量总体呈逐年好转趋势，但雾霾等重度污染事件时有发生，

2011年和2012年分别发生2次和5次雾霾天气，2014年1月北京地区又连续

出现4次雾霾天，频繁持续的严重空气污染给公众健康带来严重威胁。众多学者

［2-5］也展开了大量的相关研究，主要针对季节尺度的污染特征和月尺度的相关

气象要素进行了分析，但并未进行更小尺度空气污染的研究。二十四节气

（Twentyfour Solar Terms）是按照地球与太阳的相对位置，固定划分的一种天

文、季节和气候综合的历法，能更细致地反映中国四季交替的气候特征。同时二十

四节气是对自然界季节变化规律的高度总结，其周期性的变化直接或间接地影响人

体健康［6］。因此，从节气尺度上分析北京市空气污染特征及其与气象要素的关

系，可为科学有效地控制和治理大气污染提供必要的理论依据，也可为北京市居民

的健康保健提出更有针对性的建议。本文利用北京市空气质量日报资料，分析北京

市空气质量节气变化的规律和空气质量与气象要素的关联性。

1.1 资料来源

北京市2001年1月1日至2012年12月31日空气污染指数数据来源于中华人

民共和国环境保护部网站重点城市空气质量日报数据，包括逐日空气污染指数、首

要污染物、空气质量级别和空气质量状况。同期北京市的气象资料来源于中国气象

科学共享数据网《中国地面气候资料日值数据集》，包括逐日气压（平均、最高和

最低）、气温（平均、最高和最低）、相对湿度（平均、最小）、风速及风向（最

大、极大）、日照时数等气象要素。

1.2 研究方法

空气污染指数（Air Pollution Index，API）是一种向公众公布的，反映和评价空

气质量状况的指标，API将常规监测的几种空气污染物浓度简化成单一的概念性指

数值形式，并分级表征空气质量级别、空气质量状况和对人体健康的影响［7］。

空气污染的等级划分采用环境保护部2008年发布并实施的《城市空气质量日报和

预报技术规定》中规定的空气污染指数范围及相应的空气质量级别，分为优、良、

轻微污染、中度污染和重度污染五级。

二十四节气是根据太阳在黄道上的位置划分的，因此节气在现行的公历中日期基本

固定，随着年份的变化约有2—3 d的变化，所以每个节气对应的天数为14—16

d不等。本文分析了北京市空气污染的节气变化特征（包括API、首要污染物和空

气质量级别）及各节气API的年际变化趋势，并运用软件SPSS 19.0中Pearson

相关分析法对API与气象要素在节气尺度及各节气内日尺度上的相关性进行分析，

检验水平为α=0.05。

2.1 空气污染节气变化特征

2.1.1 API的节气变化

图1为2001—2012年北京市年平均空气污染指数的节气变化，由图可见，API

节气分布大致呈双峰型，两峰值分别出现在清明节气和小雪节气，API分别为

129.6和111.0。霜降节气的空气污染指数也为一个小高峰，API达102.8。立秋

节气的API为78.5，年平均API为一年中最低。经分析，清明节气正好是4月北

京地区沙尘天气较多的季节，春季气候干旱、风力大、多风沙或沙尘暴天气，

PM10浓度剧增，空气质量级别多为4级或5级，空气污染指数出现极高值［8］。

而小雪节气的API出现高峰，是由于小雪节气处于冬季采暖期，PM10和SO2的

浓度增加，且大气稳定层结出现频率较大，不利于污染物的扩散［9］。霜降节气

的空气污染指数出现的小高峰，主要由于处于采暖期前，气温偏低和相对湿度偏高。

如果以立春、立夏、立秋和立冬作为四季的开始，则北京市四季的空气污染指数呈

不同的特点和趋势。春季，API值持续走高，API均高于100，清明空气污染指数

达最高，空气污染严重；夏季，API值缓慢减小，空气质量逐渐好转；秋季，API

逐渐升高，空气质量随之下降；冬季，在小雪节气API达最高后，API呈缓慢下降

趋势，但空气质量仍持续较差。总体而言，北京市冬春季受沙尘和取暖的影响，空

气质量最差；夏末初秋（夏至—秋分）具备有利的气象条件，气温高、对流性天

气及降水相对较多，对空气的净化作用较明显，空气质量最好。

2.1.2 首要污染物的节气分布

统计12 a内北京市首要污染物出现频率，PM10高达83.20%，SO2出现频率仅

为5.13%，PM10仍为北京市的主要首要污染物。图2为2001—2012年北京市

24节气各种首要污染物的出现频率，如图所示，春分—霜降节气的空气首要污染

物一直为PM10，SO2作为首要污染物仅从立冬节气开始出现至春分节气。

SO2浓度虽远远小于PM10，但SO2对环境及人体呼吸系统的危害十分严重，不

容忽视。北京市的SO2主要是燃煤排放的。在非采暖期，由于没有采暖用煤，且

市区居民炊事气化率高，因此SO2浓度较低。在采暖期，遍布全市的采暖用小煤

炉及锅炉等排放大量的SO2，使市区大气环境中的SO2浓度较高［9］。立冬—

春分节气也正好对应北京的城市采暖期（11月至翌年3月）。从图2还可以看到，

SO2作为首要污染物出现的日数在小寒节气达最多，出现频率为32.6%，由于小

寒节气是一年中最冷的节气，供暖强度加大，采暖燃煤量增多，导致SO2浓度剧

增。

2.1.3 空气质量级别的节气变化

据统计，2001—2012年北京市空气质量级别为1—2级优良的频率为68%，3级

轻度污染的频率为29%，4级以上中重度污染的频率为3%。图3为 2001—

2012年北京市空气质量级别出现频率的节气分布。由图3可知，3级轻度污染出

现频率的节气分布与API的节气分布相似，即在清明节气出现频率（44.3%）最大，

小雪节气出现频率（40.1%）次之，在立秋节气出现频率（14.4%）最小。优良级

别的节气分布与API节气分布大致相反。4级及以上的中重污染仅出现在立春—

芒种和秋分—大寒节气，夏至—白露节气没有重污染发生；5级重污染在春分和清

明节气出现的天数最多，均达16 d（10.1%），在冬季霜降和小雪节气出现天数

次之，出现频率达5.0%。

2.1.4 节气空气质量的年变化

综上所述，北京市冬春季空气污染相对较严重，虽然大部分节气空气质量均明显改

善，但程度略有不同。图4为2001—2012年北京市春冬季节气空气污染指数的

分布，小雪和小寒节气的空气质量从2002年一直得到改善，效果显著。清明节气

在2008年前空气污染指数一直呈波动变化，之后空气质量保持良好，但也有少数

节气（如雨水、冬至）空气质量无明显改善。图5为2001—2012年北京市春冬

季节气空气污染日数的分布，大部分节气空气污染日数均呈下降的趋势，其中小寒、

大寒、立春、春分和清明下降幅度明显，大雪、大雪和惊蛰空气污染日数则无明显

下降；少数节气在2008年前有一个较大幅度的下降与奥运会空气质量保障有直接

关系。

2.2 空气污染与气象要素的相关分析

2.2.1 节气尺度上API与气象要素的相关关系

研究表明，气象条件对污染物的扩散、稀释和积累有一定作用，在污染源一定的条

件下，污染物的浓度主要取决于气象条件［10］。表1为2001—2012年北京市

空气污染指数与气象要素的相关分析，由表可以看出，在节气尺度上，对北京市空

气污染起主要作用的气象因子为平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、最大

风速及平均相对湿度、最小相对湿度。

图6为2001—2012年北京市API与气象要素的节气变化，API与地面风速的相

关性最好，呈显著正相关，相关系数为0.256—0.274；立春—大暑节气API与风

速正相关最好，风速越大，污染越重，立秋之后API与风速相关性减小；即春季

风速对空气质量的影响主要为负效应，冬季小雪—大寒节气风速对空气质量的影

响为弱的正效应［11］。API与相对湿度的相关性次之，呈显著负相关，相关系

数为-0.251～-0.185，由此可见相对湿度对空气质量有显著的正效应作用，主要

表现在雨水—立秋—小雪节气期间。API与气温（平均、最高、最低）呈显著负

相关，相关系数为-0.154、-0.133、-0.180，与最低气温关系最密切，主要体现

在清明—立秋—小雪节气期间，说明气温对空气质量有显著的正效应作用，气温

越高，空气质量越好；这是由于近地面气温较高时，大气垂直对流作用加强，有利

于污染物向上输送，API降低；当气温较低时，情况则相反［12］。

2.2.2 各节气日平均API与气象要素的相关关系

表2为2001—2012年北京市不同节气的API日平均值与同期气象要素日值之间

的相关关系。 不同节气空气质量的主要气象影响因子不同。如影响清明节气空气

质量的气象因子为气压、风速、日照时数和日最低气温，其中API与气压（平均、

最高和最低）呈显著负相关，相关系数分别为-0.351、-0.374和-0.328，通过显

著水平α=0.01检验；与最低气温和平均风速呈显著正相关，相关系数分别为

0.194和0.179。影响小雪节气空气质量的气象因子为相对湿度和日照时数，其中

API与日照时数呈显著负相关，相关系数为-0.215；与相对湿度（平均、最小）呈

显著正相关，相关系数分别为0.441和0.387，通过了显著水平α=0.01检验。立

秋节气的空气质量则仅与气温和相对湿度有关，API与日照时数呈显著负相关，相

关系数为-0.215；与气温（平均、最高和最低）、相对湿度（平均、最小）均呈

显著正相关，相关系数分别为0.365、0.255、0.403和0.227、0.204，通过了显

著水平α=0.01检验。不同节气地面风速对空气污染的影响作用也不同，惊蛰和春

分节气的API与地面风速（平均、最大）呈显著正相关，秋分、寒露、霜降、立

冬、大雪和小寒节气的API则与地面风速（平均、最大）呈显著负相关。通常来

说，风速越大越有利于空气中污染物的稀释扩散。秋冬季API大小与燃煤排放污

染物的扩散快慢相关，风速增大有利于污染物的扩散，可减小空气污染程度。而春

季节气API大小则主要决定于北京春季沙尘暴的强弱，风速越大空气中沙尘颗粒

越多，PM10浓度增加，加剧空气污染程度。

从季节上看，春季立春—谷雨节气的API均与气压（平均、最高、最低）呈显著

负相关，与最低气温呈显著正相关。立夏—大暑和立秋—霜降节气的API均与平

均气温和最低气温呈显著正相关。冬季立冬—大寒节气API与日照时数呈显著负

相关，与相对湿度（平均、最小）呈显著正相关。

（1）北京市冬春季的空气质量最差，夏季空气质量最好。节气上，清明和小雪节

气的API最高，空气污染严重，主要是受春季沙尘天气和秋冬季采暖的影响；立

秋节气API最低，空气污染较轻，与有利的气象条件有关，气温高、对流性天气

及降水相对较多，对空气的净化作用较明显。

（2）非采暖期节气首要污染物为PM10，采暖期节气首要污染物为PM10和

SO2。SO2作为首要污染物出现在立冬—大寒和立春—惊蛰节气，且出现频率在

小寒节气达最大，由于该节气最寒冷，采暖强度增大，燃煤排放的SO2浓度大幅

度增加所致。

（3）在节气尺度上，各地面气象要素与API的关系，以风速最密切，其次为相对

湿度；气温三要素中以最低气温与API最相关。不同节气影响API的气象因子不

同，如立春—谷雨主要受气压影响，立冬—大寒受相对湿度和日照时数影响较大，

立夏—霜降与平均气温和最低气温显著相关，风速主要影响春秋季节气的空气质

量。

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