德州市2016—2020年空氣質(zhì)量特征分析及其與氣象要素關(guān)系初探

仲偉正

慶云縣氣象局，山東慶云 253700

德州市位于山東省西北部，是黃河沖積平原，地形平坦開闊，在氣候方面，受季風(fēng)影響顯著，表現(xiàn)出顯著的大陸性氣候特征，春季干旱多風(fēng)回暖快，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多晴天，冬季寒冷少雪多干燥，降水量多集中在夏季，以7月最多。大氣中的有毒有害物質(zhì)可以作用于人體，直接影響人的呼吸系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)可以致癌。對(duì)建筑、工業(yè)材料、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等有腐蝕侵害作用，從長遠(yuǎn)來看，對(duì)全球氣候和生態(tài)環(huán)境影響也比較深遠(yuǎn)，溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等也逐步顯現(xiàn)。

1 臭氧濃度與氣象因素的關(guān)系

VOCs和NOx發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生臭氧這種污染物。臭氧具有強(qiáng)烈的刺激性，主要是刺激和損害深部呼吸道，對(duì)眼睛有輕度的刺激作用，有時(shí)甚至損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)。一般城市工業(yè)企業(yè)、機(jī)動(dòng)車等污染源排放的VOCs和NOx相對(duì)穩(wěn)定，臭氧濃度變化受氣象影響較大。

通過對(duì)比2016年8月—2020年12月的月均臭氧濃度與氣溫的關(guān)系（圖1），發(fā)現(xiàn)臭氧濃度絕大部分隨著氣溫的升高而升高。

圖1 臭氧濃度與氣溫的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

其中，2017年臭氧月度平均濃度最高，為192 μg/m3，出現(xiàn)在6月；2018年臭氧月度平均濃度最高出現(xiàn)在6月，為146 μg/m3；2019年臭氧月度平均濃度最高出現(xiàn)在6月，為148 μg/m3；2020年臭氧月度平均濃度最高，為126 μg/m3，出現(xiàn)在6月。

作為大氣中的光化學(xué)污染的產(chǎn)物，臭氧月均濃度最高值出現(xiàn)在夏季，主要是6月。隨著氣溫的升高，加速光化學(xué)反應(yīng)，臭氧生成量增加，進(jìn)而濃度升高。在我國北方每年氣溫最低、紫外線強(qiáng)度最低的時(shí)段是冬季，臭氧濃度相應(yīng)出現(xiàn)谷值[1]。

但2017年月平均氣溫最高出現(xiàn)在7月，為28.2℃，當(dāng)月臭氧濃度為157 μg/m3；2019年月平均氣溫最高出現(xiàn)在7月，為28.5℃，當(dāng)月臭氧濃度為157 μg/m3。

查閱相關(guān)降水資料，通過對(duì)比2016年8月—2020年12月的月均臭氧濃度與月降水量的關(guān)系（圖2），可以看出，2019年6、7、8月的月最大連續(xù)降水量分別為16.5、60.0、126.9 mm，20—20時(shí)的月降水量分別為20.2、192.8、218.5 mm。由于對(duì)流和降水發(fā)生頻繁，7和8月雖然平均氣溫高，但不利于臭氧的積聚。

圖2 臭氧濃度與月降水量的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

同時(shí)，分析臭氧濃度同風(fēng)速、濕度以及日照百分率的關(guān)系（圖3～圖5），通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)臭氧濃度與風(fēng)速、濕度相關(guān)性不大，月平均風(fēng)速最高值每年集中在春季，月平均相對(duì)濕度最高值每年集中在夏季。

圖3 臭氧濃度與風(fēng)速的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

圖4 臭氧濃度與濕度的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

圖5 臭氧濃度與日照百分率的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

臭氧濃度與日照百分率有一定相關(guān)性，比如2019年8、9、10月日照百分率≥60%的天數(shù)分別為13、20、17 d，月臭氧月平均濃度分別為90.9、102、62.4 μg/m3；2020年8、9、10月的月日照百分率≥60%的天數(shù)分別為8、18、12 d，臭氧月平均濃度分別為76.5、92.3、56.9 μg/m3。太陽輻射增強(qiáng)有助于光化學(xué)反應(yīng)，因此臭氧濃度在9月略有增加。

臭氧濃度的變化與溫度、日照時(shí)間呈正相關(guān)，溫度的升高、日照時(shí)間的增加，有利于臭氧的生成，較多的降水則影響臭氧的生成和集聚[2]。

2 PM2.5與氣象因素的關(guān)系

PM2.5是指直徑小于2.5 μm的顆粒物，粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，容易附著重金屬、微生物等有害物質(zhì)，能較長時(shí)間懸浮于空氣，輸送距離遠(yuǎn)，因而更能影響身體健康、大氣環(huán)境質(zhì)量。PM2.5被吸入肺泡內(nèi)沉淀，容易引發(fā)呼吸道阻塞或炎癥，吸附的重金屬、微生物等有害物質(zhì)進(jìn)入會(huì)增加癌癥的得病幾率。

其來源主要有移動(dòng)源、生活源、揚(yáng)塵源、工業(yè)源、燃煤源等，尤其是區(qū)域內(nèi)以煤炭為主的能源利用方式、以公路運(yùn)輸為主的貨運(yùn)方式增加了PM2.5的排放。工業(yè)源、揚(yáng)塵源排放每月相差不大，隨季節(jié)性變化不明顯，與之相對(duì)應(yīng)的生活源和自然因素對(duì)PM2.5的實(shí)時(shí)濃度影響較大。

將月均PM2.5濃度與月平均氣溫進(jìn)行對(duì)比，時(shí)間跨度為2016年8月—2020年12月，由所得關(guān)系圖（圖6）可以看出，隨著氣溫的升高，PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)[3]。

圖6 PM2.5濃度與氣溫的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

比如，2018年月均PM2.5濃度最高出現(xiàn)在2月，為84.2 μg/m3，當(dāng)月平均氣溫為1.4℃；2020年月均PM2.5濃度最高，為131 μg/m3，出現(xiàn)在1月，月平均溫度為-1.4℃。

將月均PM2.5濃度與月降水量進(jìn)行對(duì)比，時(shí)間跨度為2016年8月—2020年12月，所得關(guān)系圖（圖7）可以看出，降水量增加到一定程度的時(shí)候，PM2.5濃度出現(xiàn)明顯下降，表明降雨對(duì)PM2.5的濕沉降作用明顯。

圖7 PM2.5濃度與月降水量的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

比 如，2017年8月 月 降 水 量 為215.6 mm時(shí)，當(dāng)月PM2.5濃度僅為45.6μg/m3；2018年8月 月 降 水 量 為206.0 mm，當(dāng)月PM2.5濃度僅為28.9 μg/m3，全年最低；2019年8月月降水量為218.5 mm，當(dāng)月PM2.5濃度為19.2 μg/m3，全年最低；2020年8月月降水量為303.3 mm，當(dāng)月PM2.5濃度僅為21.1 μg/m3，全年最低[4]。

通過對(duì)比2016年8月—2020年12月的月均PM2.5濃度與月平均風(fēng)速的關(guān)系（圖8），可以看出，春季風(fēng)速較高的情況下，擴(kuò)散能力較強(qiáng)。

圖8 PM2.5濃度與風(fēng)速的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

比如，2017年3、4、5月月均PM2.5濃度分別為66.5、56.2、65.8 μg/m3，月平均風(fēng)速為2.10 m/s、2.03 m/s、2.20 m/s，其中2017年月平均風(fēng)速最高的月份為5月；2018年3、4月月均PM2.5濃度分別為72.4、53.4 μg/m3，月平均風(fēng)速則為2.4、2.5 m/s，其中2018年月平均風(fēng)速最高的月份為4月；2020年2、3、4、5月月均PM2.5濃度分別為48.1、33.4、33.3、27.4 μg/m3，月平均風(fēng)速則是2.3、3.0、2.8、2.3 m/s，其中，2020年月平均風(fēng)速最高的月份為3月。

將月均PM2.5濃度與月平均相對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比，時(shí)間跨度為2016年8月—2020年12月，由所得關(guān)系圖（圖9）可以看出，多數(shù)情況下，空氣濕度的增加，PM2.5濃度降低，但是還存在少數(shù)PM2.5濃度上升的情況。

圖9 PM2.5濃度與濕度的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

通過對(duì)比2016年8月—2020年12月的月均PM2.5濃度與月日照百分率的關(guān)系（圖10），可以看出濃度與日照百分率無明顯相關(guān)關(guān)系。

圖10 PM2.5濃度與日照百分率的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

綜合以上分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致秋冬季PM2.5濃度高的原因主要集中在2個(gè)方面：一是人為因素，取暖增加了排放源，超出了環(huán)境容量；二是自然因素，主要是京津冀和周邊地區(qū)位于太行山東側(cè)和燕山南側(cè)的半封閉地形中，客觀上存在著一個(gè)“弱風(fēng)區(qū)”，在此區(qū)域上空，對(duì)流層有一個(gè)“暖蓋”的結(jié)構(gòu)。尤其是秋冬季非常容易出現(xiàn)靜風(fēng)、逆溫天氣，導(dǎo)致大氣擴(kuò)散條件變差。一旦近地面的風(fēng)速小于2 m/s，逆溫導(dǎo)致的邊界層高度降到500 m以下，相對(duì)濕度高于60%，近地層大氣長時(shí)間處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，空氣的交換流通能力極差，導(dǎo)致大氣環(huán)境容量大幅度減少。

因此，2個(gè)因素疊加在一起容易使秋、冬季的PM2.5濃度升高，春夏季因擴(kuò)散能力較強(qiáng)、降水較多，因而PM2.5濃度的降低。

3 PM10與氣象因素的關(guān)系

PM10是指直徑小于的10 μm的顆粒物，容易吸附重金屬、微生物等，對(duì)呼吸系統(tǒng)造成傷害。PM10主要來源于道路車流、土壤風(fēng)沙、建筑工地施工等帶來的揚(yáng)塵。德州地處北方，沙塵暴偶有發(fā)生。但市區(qū)中更常見的是道路積塵，在機(jī)動(dòng)車等卷吸風(fēng)作用下的局部灰塵污染，以及建筑水泥塵在施工過程中飄散的大氣顆粒物。尤其是冬季11月—翌年3月，為德州市集中供暖時(shí)間，PM10排放量隨即增加。

通過對(duì)比2016年8月—2020年12月的月均PM10濃度與月平均氣溫的關(guān)系（圖11），可以看出，冬、春季的PM10濃度均偏高。

圖11 PM10濃度與氣溫的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

比如，2018年月均PM10濃度最高為173 μg/m3，出現(xiàn)在12月，月平均氣溫為0℃；2020年月均PM10濃度最高為146 μg/m3，出現(xiàn)在12月，月平均氣溫為-2.1℃。夏季的PM10濃度較低，主要是由于擴(kuò)散能力較強(qiáng)和降水量增加所致[5]。

通過對(duì)比2016年8月—2020年12月的月均PM10濃度與月平均氣溫的關(guān)系（圖12），可以看出降水量增加時(shí)，PM10的濃度降低。降水會(huì)洗脫空氣中顆粒物，進(jìn)而降低PM10的濃度，尤其是降水量達(dá)到大雨級(jí)別的時(shí)候，空氣凈化能力更加增強(qiáng)。

圖12 PM10濃度與月降水量的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

比如，2017年月均PM10濃度最低出現(xiàn)在8月，為79.2 μg/m3，當(dāng)月20—20時(shí)月降水量為215.6 mm；2018年，月均PM10濃度最低出現(xiàn)在8月，為57.5 μg/m3，20—20時(shí) 月 降 水 量 為206.0 mm；2019年，月均PM10濃度最低出現(xiàn)在8月，為47 μg/m3，20—20時(shí)月降水量為218.5 mm；2020年，月均PM10濃度最低出現(xiàn)在8月，為38.1 μg/m3，20—20時(shí)月降水量為303.3 mm。

通過對(duì)比2016年8月—2020年12月的月均PM10濃度與月平均風(fēng)速的關(guān)系圖（圖13），可以看出每年的2、3月經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短期的PM10濃度增長，與風(fēng)速有很大關(guān)系。相關(guān)研究表明，風(fēng)速小的時(shí)候，隨著風(fēng)速增加對(duì)PM10的擴(kuò)散有利，風(fēng)速增大到一定程度，反而會(huì)增加PM10的排放。同時(shí)，北方沙塵天氣也極易在這個(gè)時(shí)間段發(fā)生，均對(duì)PM10的濃度升高帶來影響。

圖13 PM10濃度與風(fēng)速的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

比如，2018年1、2、3、4月月均PM10濃度和月平均風(fēng)速分別為122、136、121、129 μg/m3和1.8、2.1、2.4、2.5 m/s；2020年1、2、3、4月月均PM10濃度和月平均風(fēng)速分別為144、75.4、90、89.8 μg/m3和1.4、2.3、3.0、2.8 m/s。

同時(shí)對(duì)比月均PM10濃度與月相對(duì)濕度（圖14）和日照百分率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)日照百分率與PM10濃度無明顯相關(guān)，月均PM10濃度和月相對(duì)濕度有一定相關(guān)性。相關(guān)研究表明，降水量少，增加相對(duì)濕度的時(shí)候，加速二次顆粒物的生成，從而PM10濃度增加。

圖14 PM10濃度與濕度的關(guān)系（工人文化宮國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)）

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，冬、春季的PM10濃度高的原因主要是2個(gè)方面：一方面是冬季取暖帶來的排放源增加，屬于人為因素；另一方面是沙塵天氣多發(fā)等造成的PM10增加，屬于自然因素。夏季因其擴(kuò)散能力強(qiáng)、降水多，PM10濃度偏低。

4 結(jié)論

溫度、日照時(shí)間與臭氧濃度變化顯示正相關(guān)，溫度升高、日照時(shí)間長有利于光化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)臭氧的生成。因秋冬季氣候擴(kuò)散條件“先天不足”、冬季取暖排放基數(shù)增加，PM2.5濃度在秋冬季最高。因冬春季氣候擴(kuò)散條件差、沙塵天氣易發(fā)多發(fā)，PM10濃度以冬、春季最高?？諝赓|(zhì)量在夏季最好，與降水多、對(duì)臭氧、PM2.5、PM10濃度的降低均有利有很大關(guān)系。合理利用氣象條件對(duì)污染物濃度的影響規(guī)律，因地制宜、因時(shí)施策，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量的改善。