德州及周邊5市大氣污染擴散條件評估

胡雪紅，孟凡輝

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031；2.德州市氣象局，山東德州 253078)

隨著城市的迅速發展，建筑物密度和高度增加，人口數量和密度增加，能源消耗的數量和種類增加，引起影響大氣污染氣象參數變化，進一步引起城市污染物輸送方向、強度的變化，最終引起環境空氣質量變化及形成局地小氣候。許多學者[1-4]在氣象要素與城市污染變化方面進行了大量研究，對大氣污染物的清除能力(大氣自凈能力)在2017年以來有深入研究[5-7]。

國家大氣污染防治攻關聯合中心(簡稱“攻關聯合中心”)成立于2017年9月28日，攻關聯合中心實現了科研組織實施機制的三大創新，其中第二點是針對“2+26”城市和汾渭平原11城市開展“一市一策”駐點跟蹤研究。劉海猛等[8]分析了京津冀城市群大氣污染的時空特征與影響因素。近幾年，相關學者[9-12]對汾渭平原、華北平原一些地區的氣象要素和污染分布特征進行分析。德州列為京津冀大氣污染物傳輸通道城市，2017年10月開始，德州市氣象臺每日參加“2+26”城市“一市一策”(德州)跟蹤研究會商，對大氣擴散條件分析，并進行周、月、季環境氣象條件評估。鑒于德州在大氣污染防治中的特殊地理位置，將其與周邊的衡水、滄州、濟南、濱州、聊城的大氣污染氣象條件進行對比分析，對德州市大氣污染氣象條件做出影響評估，為全面推進大氣污染綜合治理，持續改善環境空氣質量提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料

降水量、小風日數和10 m風速來源于中國氣象局國家氣象信息中心，其他地面、高空要素均采用EC細網格再分析資料(ERA5)，水平分辨率為0.125°×0.125°，取02、08、14、20時4個時次數據，計算與大氣污染氣象條件關系緊密的幾個靜穩天氣指數，即混合層平均風速、混合層高度、通風量、大氣自凈能力。分析時段為2000—2017年秋季、冬季和春季，即9月—次年5月。

1.2 方法

混合層內的平均風速為混合層內空氣水平輸送平均速率的量度，其計算方法主要有風速積分法、平均法等。由于本文分析的是每個單站，故采用風速積分法[13]。

(1)

表1 風速高度指數p取值

混合層高度是研究地表向大氣排放污染物狀況的重要參數，計算公式采用羅氏算法。

(2)

通風量為混合層內垂直于風向上的每單位時間大氣水平輸送量，代表混合層內大氣的輸送能力[15]。計算公式為

(3)

式中VE為通風量(m2/s)，Ui為每層的平均風速(m/s)，Di為每層厚度(m)。

大氣自凈能力即大氣通風稀釋及濕清除過程對大氣污染物的清除能力，采用氣象標準GB/T 34299—2017的計算公式：

(4)

式中VE為通風量(m2/s)，R為降水率(mm/d)，S=100 km2。大氣自凈能力指數A值的標準單位為104km2/a，等級劃分為六級，一級到六級逐漸變差。

用地面10 m平均風速統計得到小風日數，即日平均風速<2.0 m/s的日數。

統計分析各市小風日數、地面10 m風速、混合層平均風速、混合層高度、通風量、大氣自凈能力指數等靜穩天氣指數的年、月變化特征，對大氣污染擴散條件進行評估。

2 歷年變化特征

2.1 小風日數

2000—2017年9月—次年5月小風日數變化特征為(圖1 a)：德州、聊城、濟南、濱州呈逐年增加趨勢，其中德州增加趨勢最大，平均每年增加12.3 d；滄州、衡水為減少趨勢，衡水減少趨勢最大，平均每年減少4.4 d。 6市小風日數逐年變化情況為：德州2000—2006年小風日數較少，呈波動變化，2007年突增，之后逐年增加，2017年達到最多為231 d；聊城逐年變化趨勢和德州接近，2008年以后均大于250 d，2014年最多為324 d，逐年均較德州多；濟南為逐年增多趨勢，2011年大于100 d，2017年最多為157 d，其中2005—2017年均較德州少；濱州為逐年增多趨勢，2017年最多為220 d，其中2001—2011年均較德州多，2012—2017年與德州接近；滄州2000—2006年較德州多，2001年最多為158 d，2007—2017年較德州少；衡水2000—2014年較德州多，2002年最多為247 d，2015—2017年明顯少于德州。從以上分析可看出，小風日數明顯增多的年份分別為：德州2007年，聊城2008年，濟南、濱州2011年，這與當地經濟迅速發展相對應，城市化發展導致下墊面粗糙度增加，風速減?。欢鴾嬷莺秃馑?000—2003年小風日數最多，2004年開始減少。

圖1 2000—2017年9月—次年5月6市累計小風日數(a)及10 m平均風速(b)年際變化

2.2 10 m平均風速

2000—2017年9月—次年5月10 m平均風速(圖1 b)變化特征為，除衡水外，其他5市呈不同程度減小趨勢，其中德州減小趨勢最大，平均每年減小0.1 m/s。6市逐年變化特征為：德州2000—2006年風速大于3.0 m/s，2007年開始逐年減小，2012年開始小于2.0 m/s，2016年最小；聊城風速均小于德州，2007—2017年小于2.0 m/s，2016年最小為1.1 m/s；濟南2016年風速最小為2.3 m/s，各年均大于德州；濱州2001—2010年較德州小，2011—2017年略大于德州，2017年最??；滄州2000—2006年較德州小，其他年份較德州大，最小出現在2016年；衡水2004年開始逐年平緩減小，2016年減小為1.4 m/s。從以上分析可看出，6市10 m風速的年際變化與小風日數的年際變化接近，6市最小風速出現在2016年前后。

2.3 混合層平均風速

2000—2017年，6市9月—次年5月混合層平均風速與10 m風速變化趨勢和總體特征基本一致，除衡水外，其他5市為不同程度減小趨勢，其中德州減小趨勢最大，平均每年減小0.2 m/s。各市逐年變化特征為：德州和聊城2007年開始逐年減小，2016年出現最小值；濟南2004年開始逐年減小， 2016年、2017年出現最小值；濱州在2006年和2011年減幅較大，2015年最小；滄州2011年開始逐年減小，2016年最??；衡水2000—2003年較小，2004—2015年在3.7～4.0 m/s，2016年銳減到3.1 m/s，但最小值出現在2000年和2001年為2.9 m/s。

2.4 混合層高度

2000—2017年，6市9月—次年5月混合層高度與10 m風速、混合層平均風速變化趨勢基本一致，德州、聊城、濟南、濱州混合層高度呈逐年下降趨勢，德州下降趨勢最大，平均每年下降23.1 m；滄州、衡水為增大趨勢，其中衡水平均每年增大3.6 m。德州2000—2006年為1 000～1 200 m，2007年下降到978.8 m，2009年后逐年下降，2016年最小為785.4 m；聊城混合層高度一般在700～900 m，2009年最大為920.6 m， 2016年最小為621.9 m；濟南2000—2010年都在1 000 m以上，2011年后基本低于1 000 m，2016年最小為886.0 m；濱州2000年為1 036.6 m，是歷年最大值，2003—2017年一般在800～900 m；滄州混合層高度一般在1 000 m左右，2016年最小為926.6 m；衡水混合層高度一般在700～950 m，2015年最大為951.2 m，2016年最小為715.7 m。從以上分析看出，除了濱州，德州、聊城、濟南、滄州、衡水最小值均出現在2016年。

2.5 通風量

由通風量的定義可知，通風量與風速變化密切相關，其變化特征與10 m風速、混合層平均風速基本一致，除衡水外，其他5市通風量為不同程度減小趨勢，其中德州減小趨勢最快，平均每年減小333.7 m2/s，衡水呈逐年增大趨勢，平均年增加15.7 m2/s。濱州最小值出現在2017年，其他5市出現在2016年。

2.6 大氣自凈能力

通過對9月—次年5月大氣自凈能力分析可看出(圖略)，德州減小趨勢最快，平均每年減小0.93×104km2/a，而衡水為逐年略增大趨勢，平均每年增大0.04×104km2/a。德州2001—2006年大于20.0×104km2/a，2007年開始明顯減小，2011年為11.7×104km2/a，2016年最小為8.4×104km2/a；聊城2001—2006年大于10.0×104km2/a，2007年開始明顯減小，2011年之后小于7.0×104km2/a，2016年最小為4.4×104km2/a；濟南2000年為25.4×104km2/a，2002年開始逐年下降，2016年最小為12.6×104km2/a；濱州2000年為17.7×104km2/a，呈逐年下降，2011年為10.6×104km2/a，2017年最小為9.6×104km2/a；滄州2000—2005年逐年增大，2005年達到最大為19×104km2/a，2006年開始波動下降，2016年最小為12.8×104km2/a；衡水2000—2003年較小，2004—2015年波動增大，2010年最大為11.8×104km2/a，2016年出現大幅減小，由11.0×104km2/a減小到6.8×104km2/a。

大氣自凈能力取決于本地通風量和降水率。由于6市地處華北中南部，秋季、冬季、春季降水差別不大，因此大氣自凈能力主要取決于本地通風量，6市最小值出現在2016年或2017年，即6市大氣自凈能力均在變差。分析2000—2017年6市大氣自凈能力等級分布(表2)可看出，2011年德州和濱州由二級減小到三級，聊城由三級減小到四級，2016年聊城再次下降到五級，濟南、滄州雖然為二級，但2016年已接近三級。

表2 2000—2017年6市大氣自凈能力等級分布

3 逐月變化特征

3.1 小風日數

2000—2017年9月—次年5月小風日數為逐月波動減少的變化趨勢(圖2 a)，秋、冬季多，春季少，其中9月最多，3月或4月最少。濟南累計最少，為1 405 d，聊城最多，為4 528 d，是濟南的3.2倍；冬季衡水小風日數最多，達1 111 d。德州各月均比濟南多，9—11月、2—5月較滄州略多，12月較滄州和濱州略少，1月和濱州接近，較滄州略少。造成聊城和濟南小風日數相差3.2倍的原因，可能與兩地的地形有關，濟南緊鄰丘陵地區，市區南部是山區，北部是黃河，城市溫度梯度比較大，導致氣壓梯度大，所以風速大，小風日數少；而聊城處于華北平原南部，溫度梯度和氣壓梯度都比較小，因而小風日數多。

3.2 10 m平均風速

2000—2017年9月—次年5月10 m平均風速為逐月波動增大變化趨勢(圖2b)，秋、冬季小，春季大，最小風速為9月，與最多小風日數發生在同一個月內。冬季1月風速最小，2—3月風速增幅最大，除聊城最大風速出現在3月外，其他地市最大風速均出現在4月。濟南風速最大，聊城最小。德州9月—次年3月與滄州基本接近，4—5月較濟南和滄州略小，其中12月—次年1月和滄州、濱州接近。

圖2 2000—2017年6市9月—次年5月累計小風日數(a)、10 m平均風速(b)月變化

3.3 混合層平均風速

2000—2017年9月—次年5月混合層平均風速為逐月增大的變化趨勢(圖略)，最大值和最小值出現月份、城市，與10 m風速一致。德州各月均較濟南偏小，與滄州較為接近，其中11月—次年1月和濱州也非常接近。

3.4 混合層高度

2000—2017年9月—次年5月混合層高度表現為秋冬季平緩、春季明顯增大的變化趨勢(圖3 a)。9月—次年1月混合層高度都在1 000 m以下，2月明顯增大。德州、聊城、濟南3市最大值出現在3月，濱州、衡水、滄州最大值出現在4月。平均混合層高度濟南最高，聊城最低。德州9月—次年3月與滄州基本接近，4—5月較滄州和濟南略低，其中12月—次年1月和滄州、濱州接近。

3.5 通風量

通風量變化與混合層高度變化趨勢基本一致(圖略)。德州、聊城最大值出現在3月，其他地市出現在4月，最小值均出現在9月，其中1月略有減小，為冬季的最小值。濟南通風量最大，衡水最小。德州各月均較濟南小，與滄州較為一致，其中12月—次年1月和濱州也非常接近。

3.6 大氣自凈能力

2000—2017年9月—次年5月大氣自凈能力表現為秋冬季小、春季大，隨時間波動增大的變化趨勢(圖3 b)，6市的大氣自凈能力與通風量變化趨勢完全一致。

圖3 2000—2017年6市9月—次年5月平均混合層高度(a)、大氣自凈能力(b)月變化

總體來看，6市靜穩天氣指數月特征為：最多小風日數和最小10 m風速都出現在9月，其中冬季最多小風日數和最小10 m風速出現在1月；混合層平均風速、混合層高度、通風量以及大氣自凈能力為隨時間波動增大的變化趨勢。6市中，德州各月靜穩指數較濟南差，與滄州非常接近，其中12月—次年1月和滄州、濱州接近。

4 大氣污染擴散條件評估

從各站歷年平均情況來看(表3)，濟南小風日數最少，混合層以下平均風速、通風量最大，混合層高度最高，大氣自凈能力最好；聊城小風日數最多，混合層以下平均風速、通風量最小，混合層高度最低，大氣自凈能力最差。

表3 2000—2017年6市9月—次年5月平均靜穩天氣指數對比

滄州與德州比較，小風日數少，混合層平均風速大0.1 m/s，混合層高度略高，通風量略大，大氣自凈能力大0.4×104km2/a，整體略好于德州。

濱州與德州比較，小風日數多，混合層平均風速小0.2 m/s，混合層高度低，通風量小，大氣自凈能力小2.4×104km2/a，整體較德州差。

衡水與德州比較，小風日數多，10 m風速小0.7 m/s，混合層平均風速小1.3 m/s，通風量小2 129.2 m2/s，混合層高度低142.8 m，大氣自凈能力小6.0×104km2/a，較德州明顯偏差。

對各站大氣污染擴散條件由好到差排序：濟南、滄州、德州、濱州、衡水、聊城。

5 空氣質量分析

在德州大氣污染擴散條件一般的情況下，對2015—2020年德州和濟南秋季、冬季、春季各月的AQI指數進行分析(資料來源于生態環境部空氣質量平臺)，以了解近5年空氣質量狀況。從表4可看出，2015—2016年，德州大部分月份AQI指數大于濟南，尤其11月、12月明顯高于濟南，其中12月達到250；2016—2017年，德州大部分月份AQI指數仍大于濟南，但差距較小；2017—2018年，德州11月、12月和1月AQI指數略低于濟南，這是開展冬季大氣污染防治攻堅工作的結果；2018—2019年和2019—2020年，德州和濟南的AQI指數仍然接近，僅有一個月大于150，說明2017年以來大氣污染防治工作取得顯著成效。

表4 2015—2020年9月—次年5月德州與濟南AQI指數

6 結論

(1)2000—2017年9月—次年5月靜穩指數的年變化特征：德州、聊城、濱州、濟南小風日數2007年開始逐年增多、10 m風速逐年減小，混合層平均風速、混合層高度、通風量都在逐漸減小，最小值出現在2016年或2017年，其中德州各指數變化最大，滄州和衡水各指數變化趨勢不明顯，而6市的大氣自凈能力均在變差，濱州最小值出現在2017年，其他5市最小值出現在2016年。

(2)月變化特征：小風日數逐月波動減少，10 m風速、混合層平均風速、混合層高度、通風量以及大氣自凈能力呈波動增大的變化趨勢。9月份小風日數最多、10 m風速最??；德州各月靜穩天氣指數較濟南差，與滄州非常接近。

(3)大氣擴散條件總體評價：聊城累計小風日數是濟南的3.2倍，大氣自凈能力由三級逐漸減小，2016年達五級，而濟南一直為二級；從各市靜穩天氣指數變化情況可看出，大氣污染擴散條件均在變差，其中德州變化最快。6市大氣污染擴散條件由好到差排序為濟南、滄州、德州、濱州、衡水、聊城。