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        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

        2022-10-01 08:26:06仲偉正
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2022年8期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速

        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)動車等污染源排放的VOCs和NOx相對穩(wěn)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(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)入會增加癌癥的得病幾率。

        其來源主要有移動源、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,與之相對應(yīng)的生活源和自然因素對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[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濃度與月平均相對濕度進(jìn)行對比,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,相對濕度高于60%,近地層大氣長時(shí)間處于相對穩(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PM10的擴(kuò)散有利,風(fēng)速增大到一定程度,反而會增加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)對比月均PM10濃度與月相對濕度(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濃度和月相對濕度有一定相關(guān)性。相關(guān)研究表明,降水量少,增加相對濕度的時(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。

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