德州市2016—2020年空氣質量特征分析及其與氣象要素關系初探

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，受季風影響顯著，表現出顯著的大陸性氣候特征，春季干旱多風回暖快，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可以作用于人體，直接影響人的呼吸系統，嚴重時可以致癌。對建筑、工業材料、農業、林業等有腐蝕侵害作用，從長遠來看，對全球氣候和生態環境影響也比較深遠，溫室效應、臭氧層破壞等也逐步顯現。

1 臭氧濃度與氣象因素的關系

VOCs和NOx發生光化學反應從而產生臭氧這種污染物。臭氧具有強烈的刺激性，主要是刺激和損害深部呼吸道，對眼睛有輕度的刺激作用，有時甚至損害中樞神經系統。一般城市工業企業、機動車等污染源排放的VOCs和NOx相對穩定，臭氧濃度變化受氣象影響較大。

通過對比2016年8月—2020年12月的月均臭氧濃度與氣溫的關系（圖1），發現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系（工人文化宮國控站點數據）

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

作為大氣中的光化學污染的產物，臭氧月均濃度最高值出現在夏季，主要是6月。隨著氣溫的升高，加速光化學反應，臭氧生成量增加，進而濃度升高。在我國北方每年氣溫最低、紫外線強度最低的時段是冬季，臭氧濃度相應出現谷值[1]。

但2017年月平均氣溫最高出現在7月，為28.2℃，當月臭氧濃度為157 μg/m3；2019年月平均氣溫最高出現在7月，為28.5℃，當月臭氧濃度為157 μg/m3。

查閱相關降水資料，通過對比2016年8月—2020年12月的月均臭氧濃度與月降水量的關系（圖2），可以看出，2019年6、7、8月的月最大連續降水量分別為16.5、60.0、126.9 mm，20—20時的月降水量分別為20.2、192.8、218.5 mm。由于對流和降水發生頻繁，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系（工人文化宮國控站點數據）

同時，分析臭氧濃度同風速、濕度以及日照百分率的關系（圖3～圖5），通過對比發現臭氧濃度與風速、濕度相關性不大，月平均風速最高值每年集中在春季，月平均相對濕度最高值每年集中在夏季。

圖3 臭氧濃度與風速的關系（工人文化宮國控站點數據）

圖4 臭氧濃度與濕度的關系（工人文化宮國控站點數據）

圖5 臭氧濃度與日照百分率的關系（工人文化宮國控站點數據）

臭氧濃度與日照百分率有一定相關性，比如2019年8、9、10月日照百分率≥60%的天數分別為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。太陽輻射增強有助于光化學反應，因此臭氧濃度在9月略有增加。

臭氧濃度的變化與溫度、日照時間呈正相關，溫度的升高、日照時間的增加，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，容易附著重金屬、微生物等有害物質，能較長時間懸浮于空氣，輸送距離遠，因而更能影響身體健康、大氣環境質量。PM2.5被吸入肺泡內沉淀，容易引發呼吸道阻塞或炎癥，吸附的重金屬、微生物等有害物質進入會增加癌癥的得病幾率。

其來源主要有移動源、生活源、揚塵源、工業源、燃煤源等，尤其是區域內以煤炭為主的能源利用方式、以公路運輸為主的貨運方式增加了PM2.5的排放。工業源、揚塵源排放每月相差不大，隨季節性變化不明顯，與之相對應的生活源和自然因素對PM2.5的實時濃度影響較大。

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

圖6 PM2.5濃度與氣溫的關系（工人文化宮國控站點數據）

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

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

圖7 PM2.5濃度與月降水量的關系（工人文化宮國控站點數據）

比 如，2017年8月 月 降 水 量 為215.6 mm時，當月PM2.5濃度僅為45.6μg/m3；2018年8月 月 降 水 量 為206.0 mm，當月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，當月PM2.5濃度僅為21.1 μg/m3，全年最低[4]。

通過對比2016年8月—2020年12月的月均PM2.5濃度與月平均風速的關系（圖8），可以看出，春季風速較高的情況下，擴散能力較強。

圖8 PM2.5濃度與風速的關系（工人文化宮國控站點數據）

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，月平均風速為2.10 m/s、2.03 m/s、2.20 m/s，其中2017年月平均風速最高的月份為5月；2018年3、4月月均PM2.5濃度分別為72.4、53.4 μg/m3，月平均風速則為2.4、2.5 m/s，其中2018年月平均風速最高的月份為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，月平均風速則是2.3、3.0、2.8、2.3 m/s，其中，2020年月平均風速最高的月份為3月。

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

圖9 PM2.5濃度與濕度的關系（工人文化宮國控站點數據）

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

圖10 PM2.5濃度與日照百分率的關系（工人文化宮國控站點數據）

綜合以上分析，結合相關文獻發現，導致秋冬季PM2.5濃度高的原因主要集中在2個方面：一是人為因素，取暖增加了排放源，超出了環境容量；二是自然因素，主要是京津冀和周邊地區位于太行山東側和燕山南側的半封閉地形中，客觀上存在著一個“弱風區”，在此區域上空，對流層有一個“暖蓋”的結構。尤其是秋冬季非常容易出現靜風、逆溫天氣，導致大氣擴散條件變差。一旦近地面的風速小于2 m/s，逆溫導致的邊界層高度降到500 m以下，相對濕度高于60%，近地層大氣長時間處于相對穩定的狀態，空氣的交換流通能力極差，導致大氣環境容量大幅度減少。

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

3 PM10與氣象因素的關系

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，對呼吸系統造成傷害。PM10主要來源于道路車流、土壤風沙、建筑工地施工等帶來的揚塵。德州地處北方，沙塵暴偶有發生。但市區中更常見的是道路積塵，在機動車等卷吸風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間，PM10排放量隨即增加。

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

圖11 PM10濃度與氣溫的關系（工人文化宮國控站點數據）

比如，2018年月均PM10濃度最高為173 μg/m3，出現在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，主要是由于擴散能力較強和降水量增加所致[5]。

通過對比2016年8月—2020年12月的月均PM10濃度與月平均氣溫的關系（圖12），可以看出降水量增加時，PM10的濃度降低。降水會洗脫空氣中顆粒物，進而降低PM10的濃度，尤其是降水量達到大雨級別的時候，空氣凈化能力更加增強。

圖12 PM10濃度與月降水量的關系（工人文化宮國控站點數據）

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

通過對比2016年8月—2020年12月的月均PM10濃度與月平均風速的關系圖（圖13），可以看出每年的2、3月經常會出現一個短期的PM10濃度增長，與風速有很大關系。相關研究表明，風速小的時候，隨著風速增加對PM10的擴散有利，風速增大到一定程度，反而會增加PM10的排放。同時，北方沙塵天氣也極易在這個時間段發生，均對PM10的濃度升高帶來影響。

圖13 PM10濃度與風速的關系（工人文化宮國控站點數據）

比如，2018年1、2、3、4月月均PM10濃度和月平均風速分別為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。

同時對比月均PM10濃度與月相對濕度（圖14）和日照百分率的關系，發現日照百分率與PM10濃度無明顯相關，月均PM10濃度和月相對濕度有一定相關性。相關研究表明，降水量少，增加相對濕度的時候，加速二次顆粒物的生成，從而PM10濃度增加。

圖14 PM10濃度與濕度的關系（工人文化宮國控站點數據）

結合相關文獻發現，冬、春季的PM10濃度高的原因主要是2個方面：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等造成的PM10增加，屬于自然因素。夏季因其擴散能力強、降水多，PM10濃度偏低。

4 結論

溫度、日照時間與臭氧濃度變化顯示正相關，溫度升高、日照時間長有利于光化學反應，促進臭氧的生成。因秋冬季氣候擴散條件“先天不足”、冬季取暖排放基數增加，PM2.5濃度在秋冬季最高。因冬春季氣候擴散條件差、沙塵天氣易發多發，PM10濃度以冬、春季最高。空氣質量在夏季最好，與降水多、對臭氧、PM2.5、PM10濃度的降低均有利有很大關系。合理利用氣象條件對污染物濃度的影響規律，因地制宜、因時施策，可以實現環境空氣質量的改善。