全国重点城市空气污染指数与气象条件的关系研究
空气污染是发生在近地层的现象，严重危害与影响人类及其生存环境。利用2001-2022年全国重点城市空气污染指数和同期气象资料，研究了空气污染的时空特征。选取了10个代表城市，研究空气污染指数与地面及边界气象条件的关系，利用逐步回归方法，建立空气污染指数预报方程。结果表明：（1）空气污染指数冬春季较高，夏季低，秋季回升；北方城市空气污染指数明显高于南方城市；空气首要污染物，以可吸
入颗粒物要主，大部分城市在75%以上，SO
2为次之，NO
2
很少；（2）空气污染指数与能
见度之间总体呈负相关，与风速之间总体呈负相关，冬半年比夏半年显著；与稳定能量之间总体呈正相关，冬半年比夏半年显著，南方比北方显著；与气温之间总体呈正相关，北方城市夏半年比冬半年显著，而南方城市冬半年比夏半年显著；与空气饱和程度之间，北方城市冬半年呈正相关，南方城市夏半年呈负相关；（3）对建立的回归方程的检验表明，空气污染指数对气象条件的响应，冬半年好于夏半年，
平原城市好于高原城市、南方城市好于北方城市；从预报误差和准确率看，夏秋季好于冬春季，南方城市好于北方城市。本文的研究结果可为重点城市空气污染预报提供参考。
第一章引言
随着工业化的发展和城市规模的不断扩大，空气污染越来越严重，并且与雾霾天气相联系[1-3]。空气污染对人类及其生存环境造成的危害与影响[4]，主要有如下几个方面：①危害人体健康[5-8]。通过吸入污染空气、表面皮肤接触污染空气和食入含空气污染物的食物，引起人体呼吸道和肺部疾病，还可对心血管系统、肝等产生危害，导致癌症，严重的可夺去人的生命，据世卫组织2014年3月25日报道[9]，2012年空气污染导致700万人死亡。②危害生物。动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病或死亡，空气污染物可使植物抗病力下降、影响生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。③对物品的危害。如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑材料、文化艺术品等，造成化学性损害和玷污损害。④造成酸性降雨，对农业、林业、淡水养殖业等产生不利影响。⑤破坏高空臭氧层，形成臭氧空洞，对人类和生物的生存环境产生危害。⑥对全球气候产生影响[10-12]，如二氧化碳等温室气体的增多会导致地球大气增暧，全球天气灾害增多；烟尘等气溶胶粒子增多，使大气混浊度增加，减弱太阳辐射，影响地球长波辐射，可能导致天气气候异常。
如何防治大气污染，减轻大气污染的危害与影响，构成了当今重大而紧迫的研究课题。理论研究和实
验表明，在污染排放相同的情况下，污染浓度主要受气象条件的制约。因此研究空气形成的气象学成因对于揭示重污染形成的机理和防治措施的制定具有重
要的理论和现实意义。
第二章 资料与研究方法
2.1 资料
本文研究中使用的空气污染和气象资料分别为：
（1）从中国环境监测站下载的2001-2012年全国120个重点城市逐日空气污染指数和首要污染物资料。
（2）从气象信息广播接收的2001-2012年全国138个站的探空资料和820个地面资料。
2.2 方法
（1）混合层厚度
大气混合层厚度是制约空气污染物稀释扩散最重要的参量之一。其算法为：气块从地面最高温度点出
发，沿干绝热线上升，与08时温度层结曲线相交的高度即为日最大大气混合层厚度。本研究采用王式功[13]等提出的干绝热曲线图解法求最大混合层厚度的计算方法。
（2）整层平均温度露点差
SUM(T －Td)=∑-=20
)(211k d t t (1)
式中下标k=0，2，...20，分别是0，50，100m ，...，1000高度。SUM((t-t d )的单位取℃。
（3）稳定能量
采用尚可政[14]等提出的算法。
()⎰-=0
d P P G P W H
P T T g C E (2)
式中P 的单位取hPa ，T 和TG 的单位取K ，CP=1004J ·K -1·kg -1，g=9.8m ·s -2，E W 的单位取J ·cm -2. T G 为自高度H 处，按干绝热递减率，计算出的H 及其以下各层次的温度。在本研究中，稳定能量的层次取距地面50、100、150、⋯、950、1000 m 共20层。
（4）相关系数
∑-∑-∑--=
===n i i n i i n
i i i y y x x n y y x x n r 12
1
21
)
()(1))((1 (3)
相关系数的大小可以衡量两个序列之间的相关程度，但是当若干相关系数放在一
起，其样本长度不一时，就不好比较哪一相关性更好。为此，需要将他们转换为相同样本下的相关系数进行比较。根据数理统计，样关系数的计算式为：
2
2t
n t r n +-=
（4）
式中t 为学生氏分布中的统计量，当样本较大时t 趋于常数，因此有：
N
n
t N t n r
r N
≈
+-+-=2
222 （5） 在本研究中，空气污染资料为2001－2012年，每个月的有效样本300个左右，因此取N ＝300，（2）简化为：
r n
r 300
300=
（6） （5）多元线性逐步回归
采用黄嘉佑[15]气象统计分析与预报方法中给出的方法。 （6）预报误差
∑-==n i i i Y Y n E 1
ˆ
1 （7）
式中E 为预报误差n 为样本数，i
Y ˆ、Yi 分别为空气污染指数预报值和实际值 （7）预报准确率
%100⨯=
n
k雾霾城市
C （8） 式中C 为预报准确率，n 为样本数，k 为空气污染指数预报值与实际值之差小于50的次数。
第三章 中国大陆空气污染指数时空特征
3.1 空间分布特征
（1）中国大陆重点城市空气污染指数的空间分布情况
图1为中国大陆120个重点城市各季节平均的空气污染指数分布情况。可以看出，春季，西北东部的兰州和西宁为指数超过100的污染高值中心（兰州达128），北京为次高污染中心（指数为111）；南部沿海城市和东北东部为污染指数较低，在65以下，特别是海南在50以下。夏季，全国大部分城市指数
较春季明显下降。北京维持高污染中心（指数下降为83）。兰州下降降为次高中心（指数77）；南方和东部城市空气污染指数较春季有所下降，达到四季最低。秋季，全国大部分城市指数较夏季明显升高。乌鲁木齐、兰州和北京成为污染高值中心（污染指数分别上升到90、100和93）。冬季，全国大部分城市指数在秋季的基础继续升高。乌鲁木齐和兰州的污染高值中心增强（污染指数分别上升到175和145），华北出现污染高值（邯郸126）。从全年来看，北方大部分城市空气污染指数比较高，特别是北京、西宁和兰州，它们的空气污染指数基本在70—130之间。而南方城市空气污染指数普遍偏低，尤其是湛江、海口和三亚，一年四季的空气污染指数都在50以下。
75808590951001051101151201251301351407580859095100105110115120125130135140
(c. 秋季) (d. 冬季)
图3.1 中国大陆空气污染指数分布
（2）中国大陆重点城市空气质量为优的分布情况
图2为中国大陆重点城市各季节空气质量为优的日数（污染指数 50）出现百分率。
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