德州市区空气质量与气象条件的关系

代玉田，王 丽，张优琴，于凤英

(德州市气象局，山东德州 253078)



德州市区空气质量与气象条件的关系

代玉田，王 丽，张优琴，于凤英

(德州市气象局，山东德州 253078)

空气污染已成为全球关注的环境问题之一。近年来，世界各国肺癌的发生率和死亡率明显上升，特别是工业发达国家上升更快。大量事实和研究证明，空气污染是重要致癌因素之一[1]。因此，城市大气环境质量的研究已成为大气污染研究和城市气候研究领域的主要课题之一[2-6]。由于城市下垫面的特殊性质，会增强城区的空气湍流，同时对空气温度、相对湿度、风向、风速等也产生很大影响，再加上一些特殊天气条件会使污染物的浓度分布状况更为复杂[7-11]。德州地处鲁西北，紧邻京冀，随着德州及其周边城市人口的不断增多，工业和交通运输业的迅速发展，空气质量也呈下降趋势。尤其2013年1月，德州以及周边城市出现了持续20多天的雾霾天气，严重影响人们的身体健康和生活质量。因此，人们对城市空气质量日益重视，气象条件的变化影响着污染物的扩散、稀释、集聚和滞留，大气污染程度与降水、温度、湿度、风速等气象要素有密切关系[12-14]，笔者通过对空气质量与气象因子的相关性分析，找出不同气象要素对空气环境污染因子的影响，并建立预报模型提前对空气质量做出预报，为广大市民提供空气质量指数预报。

1资料与方法

1.1资料来源所有资料包括德州市气象观测站提供的1971～2013年逐月平均气温、逐月降水量，2008年7月1日～2014年6月30日逐日气象要素资料(平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均风速、最大风速、相对湿度、雾和霾等要素)；德州市环保局提供的2008年7月～2014年6月份逐日监测的空气质量指数(AQI)数据。

1.2分析方法采用相关分析法和线性逐步回归分析法，分析了德州市区气候变化和空气质量指数(AQI)变化特征，以及AQI和各气象因子之间的相关关系，并建立空气质量预报模型。

2德州市区气候变化特征分析

2.1降水特征由图1可见，近40年来德州市区降水量围绕平均值540 mm上下波动，其中1971～1984年大部分年份降水量大于平均值，1985年以后大部分年份降水量小于平均值，但总体呈逐年减少趋势，降水量倾向率为-34.03 mm/10a，相关系数为0.257 8(r0.10=0.248 3)，表明下降趋势在0.10的显著性水平上；根据5年滑动平均曲线可知，20世纪70年代后期～80年代后期降水量呈波动下降趋势，1989年为最低点，之后开始回升，进入21世纪降水量又出现下降趋势。德州市区降水量最多的月份为7月份，最少为1和12月份；1～7月降水逐月增多，8～12月逐月减少；全年降水量主要出现在6～9月，占全年的77%。

2.2气温特征由图2可知，1971～2013年德州市区平均气温以0.39 ℃/10a的速率呈上升趋势，相关系数为0.777 8(r0.01=0.380 1)，表明德州市区气温上升趋势在0.01显著水平上是显著的。

2.3雾、霾天气特征统计2008年7月～2014年6月雾、霾天气日数(表1)发现，从全年轻雾、大雾和霾出现日数来看，轻雾出现日数占总日数的51.84%，大雾出现日数占总日数的6.48%，霾出现的日数百分比为29.44%；各季节雾、霾天气均有出现，所占百分比相差较大，大雾和霾天气冬季出现最多，春季最少，轻雾天气夏季最多，春季最少。

3德州市区空气质量状况和空气污染指数变化特征

2012年上半年用空气质量指数(AQI)替代原有的空气污染指数(API)。将AQI划分为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300，对应于空气质量的1级(优)、2级(良)、3级(轻度污染)、4级(中度污染)、5级(重度污染)、6级(严重污染)，指数越大污染越重，指数越小空气质量越好[15]。它是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响来确定污染指数的分级和相应污染物浓度的限值，是一种反映和评价空气质量的方法。

图1　1971～2010年德州市区降水量年(a)和月(b)变化Fig.1　The change of annual(a)and monthly(b)precipitation in Dezhou City during 1971-2010

图2　1971～2013年德州市区年平均气温变化Fig.2　The change of annual average temperature in Dezhou City duing 1971-2013

表12008年7月～2014年6月德州市区雾霾天气出现日数百分比

Table 1The percentage of fog and haze days in Dezhou during July 2008-June 2014

%

3.1德州市区空气质量等级分析统计分析2008年7月～2014年6月德州市区空气质量等级(表2)发现，德州市区全年空气质量为2级的天数最多，占全年总日数的50.8%，其次为3级，约占全年总日数的33.4%；6级的出现最少，其中夏季未出现过6级。从各季节变化来看，四季最多的均为2级，其次为3级；1级在夏季出现天数较多，秋天次之，春季未出现过；各季节中2级所占比重差距较大，夏季60.5%的日数空气质量为2级，而冬季仅有39.4%；3级在各季节中所占比重相差不大；4、5、6级均在冬季出现的日数较多，秋季次之，夏季最少。由此可见，冬季空气质量总体比夏季差。

表2　2008年7月～2014年6月德州市区空气质量等级天数和所占百分比

3.2德州市区AQI的变化从图3a可以看出，德州市区AQI值最高的的月份为1月份，最低为8月份，各月AQI趋势拟合曲线为一开口朝上的抛物线，最低点在夏季。四季AQI分析图(图3b)再次证实，德州市区AQI存在显著的季节变化，有一定的周期性，冷季的AQI高于暖季，这与表2中冬季空气质量级别高的天数比夏季多的结果是一致的。其原因可能与冬季采暖燃煤排放污染物有关，也与冬夏季天气系统的不同有关。夏季多降水，污染物洗涤沉降，空气直洁能力强，空气质量较好；冬季德州市区在大陆冷高压控制下，大气层结稳定，逆温现象较普遍，空气直洁能力差，造成污染浓度和污染日数的增多。

图3　2008年7月～2014年6月德州市区多年AQI逐月(a)和各季(b)平均值Fig.3　AQI monthly(a)and seasonal(b)mean in Dezhou during July 2008-June 2014

4德州市区AQI与气象要素的相关性分析和回归分析

4.1相关性分析分析德州市区AQI和各气象要素双变量相关性(表3)发现，能见度和霾对AQI全年和四季均有影响，雾和气温与AQI相关性也比较明显，通过相关性检验的有全年、夏季、秋季、冬季。

表3　德州市区逐日AQI和对应气象要素相关关系

注：*表示在0.05水平上显著相关，其余均表示在0.01水平上显著相关。

Note：* stands for significant correlation at 0.05 level，others are at 0.01 level.

4.2回归分析将相关性通过检验的因子选入，与AQI逐日数据进行线性逐步回归，得出全年和四季的回归模型。

全年逐日数据所得到的回归模型为：y=59.648x1+19.880x2+22.871x3-1.099x4-0.229x5-0.046x6+190.778，式中，y为AQI的值；x1为大雾(有为1，无为0)；x2为霾(有为1，无为0)；x3为轻雾(有为1，无为0)；x4为平均相对湿度；x5为平均能见度；x6为最高气温。前5项回归系数的显著水平为0.000，第6项回归系数的显著水平为0.011，明显小于0.05，说明回归系数的显著性，建立线性模型是恰当的。经过回代检验，将y值按照空气质量指数等级标准转化成污染等级，拟合所得预报正确率为54.36%。

春季逐日数据所得到的回归模型为：y=19.846x+88.488，式中，y为AQI的值；x为霾(有为1，无为0)，回归系数的显著性水平为0.017，小于0.05。经过回代检验，将y值按照空气质量指数等级标准转化成污染等级，拟合所得预报正确率为60.69%。

夏季逐日数据所得到的回归模型为：y=-0.246x1-0.996x2+15.301x3+11.290x4+14.259x5+178.968，式中，y为AQI的值；x1为平均能见度；x2为平均相对湿度；x3为轻雾(有为1，无为0)；x4为霾(有为1，无为0)；x5为大雾(有为1，无为0)。前4项回归系数的显著水平为0.000，第5项回归系数的显著水平为0.006。经过回代，将y值按照空气质量指数等级标准转化成污染等级，拟合所得预报正确率为63.78%。

秋季逐日数据所得到的回归模型为：y=-0.233x1+84.457x2+50.076x3+111.301，式中，y为AQI的值；x1为平均能见度，显著水平为0.007；x2为霾(有为1，无为0)，显著水平为0.000；x3为大雾(有为1，无为0)，显著水平为0.001。经过回代检验，将y值按照空气质量指数等级标准转化成污染等级，拟合所得预报正确率为51.89%。

冬季逐日数据所得到的回归模型为：y=81.919x1+32.474x2+34.888x3-0.895x4-0.301x5+0.489x6+154.536，式中，y为AQI的值；x1为大雾(有为1，无为0)；x2为霾(有为1，无为0)；x3为轻雾(有为1，无为0)；x4为平均相对湿度；x5为平均能见度；x6为最大风速。前5项回归系数的显著水平为0.000，第6项回归系数的显著水平为0.002，明显小于0.05，建立线性模型是恰当的。经过回代检验，将y值按照空气质量指数等级标准转化成污染等级，拟合所得预报正确率为49.49%。

从以上模型可以看出，4个季节中入选因子均有霾，因此霾对空气污染做主要贡献。秋季除了霾之外还有平均能见度、大雾，而全年、夏季、冬季除了平均能见度、大雾之外均有轻雾、平均相对湿度。可见德州市区夏季、冬季和全年AQI的回归模型中的入选气象因子接近。

5结论

(1)1971～2013年德州市平均气温以0.39 ℃/10a的速率呈上升趋势；降水量主要集中在夏季，其次是秋季，冬季最少；大雾和霾天气冬季出现最多，春季最少，轻雾天气秋季最多，春季最少。

(2)德州市区AQI存在显著的季节变化，有一定的周期性，冷季的AQI高于暖季。

(3)德州市区AQI和各气象因子之间做线性逐步回归分析得出的回归模型均通过0.05显著性检验，说明建立线性模型是恰当的。经过拟合回代检验，预报正确率除冬季为49.49%外，其余均在50%以上，正确率最高的为夏季，达63.78%。

(4)德州市区空气质量与气象条件关系密切，其中与AQI关系最为密切的是霾，其次为平均能见度和大雾，还有轻雾、平均相对湿度。

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摘要选取德州市区2008年7月～2014年6月逐日的空气质量监测数据和同期的逐日气象观测资料，分析近40年来气候变化特征和近6年德州市区空气质量变化特征，研究了气象要素与空气质量指数之间的关系。结果表明，德州市区空气质量与气象因子关系密切，最为密切的主要因子有相对湿度、能见度、雾、霾。通过线性逐步回归分析建立AQI预报模型，得出德州市区影响AQI的气象影响因子在4个季节中均有霾入选，秋季除了霾之外还有平均能见度、大雾，而全年、夏季、冬季除了平均能见度、大雾之外均有轻雾、霾、平均相对湿度。

关键词空气质量；气象条件；变化特征；关系

The Relationship between Air Quality and Meteorological Condition in Dezhou

DAI Yu-tian, WANG Li, ZHANG You-qin et al(Dezhou Meteorological Bureau, Dezhou, Shandong 253078)

AbstractSelecting daily air quality monitoring data and daily meteorological data from July 2008 to June 2014 in Dezhou City, characteristics of climate change in recent 40 years and air quality change features in latest 6 years were analyzed, the relationship between meteorological elements and air quality index was studied. The results showed that air quality in Dezhou City was closely related to meteorological factors, the most important factors included relative humidity, visibility, fog, haze.AQIforecast model was established by linear stepwise regression analysis, it was concluded that haze was the factor influencingAQIin all seasons. In addtion to haze, factors influencingAQIin autumn also included the average visibility and dense fog; while that in summer, winter and whole year, light fog, haze, average relative humidity were involved besides the average visibility and dense fog.

Key wordsAir quality; Meteorological condition; Variation characteristics; Relationship

收稿日期2015-12-07

作者简介代玉田(1974- )，女，山东武城人，高级工程师，从事科技服务工作。

基金项目德州市气象局自立课题(2013dzqxzd04)。

中图分类号S 16

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)01-281-04