德州及周边5市大气污染扩散条件评估

胡雪红，孟凡辉

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室，济南 250031；2.德州市气象局，山东德州 253078)

随着城市的迅速发展，建筑物密度和高度增加，人口数量和密度增加，能源消耗的数量和种类增加，引起影响大气污染气象参数变化，进一步引起城市污染物输送方向、强度的变化，最终引起环境空气质量变化及形成局地小气候。许多学者[1-4]在气象要素与城市污染变化方面进行了大量研究，对大气污染物的清除能力(大气自净能力)在2017年以来有深入研究[5-7]。

国家大气污染防治攻关联合中心(简称“攻关联合中心”)成立于2017年9月28日，攻关联合中心实现了科研组织实施机制的三大创新，其中第二点是针对“2+26”城市和汾渭平原11城市开展“一市一策”驻点跟踪研究。刘海猛等[8]分析了京津冀城市群大气污染的时空特征与影响因素。近几年，相关学者[9-12]对汾渭平原、华北平原一些地区的气象要素和污染分布特征进行分析。德州列为京津冀大气污染物传输通道城市，2017年10月开始，德州市气象台每日参加“2+26”城市“一市一策”(德州)跟踪研究会商，对大气扩散条件分析，并进行周、月、季环境气象条件评估。鉴于德州在大气污染防治中的特殊地理位置，将其与周边的衡水、沧州、济南、滨州、聊城的大气污染气象条件进行对比分析，对德州市大气污染气象条件做出影响评估，为全面推进大气污染综合治理，持续改善环境空气质量提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

降水量、小风日数和10 m风速来源于中国气象局国家气象信息中心，其他地面、高空要素均采用EC细网格再分析资料(ERA5)，水平分辨率为0.125°×0.125°，取02、08、14、20时4个时次数据，计算与大气污染气象条件关系紧密的几个静稳天气指数，即混合层平均风速、混合层高度、通风量、大气自净能力。分析时段为2000—2017年秋季、冬季和春季，即9月—次年5月。

1.2 方法

混合层内的平均风速为混合层内空气水平输送平均速率的量度，其计算方法主要有风速积分法、平均法等。由于本文分析的是每个单站，故采用风速积分法[13]。

(1)

表1 风速高度指数p取值

混合层高度是研究地表向大气排放污染物状况的重要参数，计算公式采用罗氏算法。

(2)

通风量为混合层内垂直于风向上的每单位时间大气水平输送量，代表混合层内大气的输送能力[15]。计算公式为

(3)

式中VE为通风量(m2/s)，Ui为每层的平均风速(m/s)，Di为每层厚度(m)。

大气自净能力即大气通风稀释及湿清除过程对大气污染物的清除能力，采用气象标准GB/T 34299—2017的计算公式：

(4)

式中VE为通风量(m2/s)，R为降水率(mm/d)，S=100 km2。大气自净能力指数A值的标准单位为104km2/a，等级划分为六级，一级到六级逐渐变差。

用地面10 m平均风速统计得到小风日数，即日平均风速<2.0 m/s的日数。

统计分析各市小风日数、地面10 m风速、混合层平均风速、混合层高度、通风量、大气自净能力指数等静稳天气指数的年、月变化特征，对大气污染扩散条件进行评估。

2 历年变化特征

2.1 小风日数

2000—2017年9月—次年5月小风日数变化特征为(图1 a)：德州、聊城、济南、滨州呈逐年增加趋势，其中德州增加趋势最大，平均每年增加12.3 d；沧州、衡水为减少趋势，衡水减少趋势最大，平均每年减少4.4 d。 6市小风日数逐年变化情况为：德州2000—2006年小风日数较少，呈波动变化，2007年突增，之后逐年增加，2017年达到最多为231 d；聊城逐年变化趋势和德州接近，2008年以后均大于250 d，2014年最多为324 d，逐年均较德州多；济南为逐年增多趋势，2011年大于100 d，2017年最多为157 d，其中2005—2017年均较德州少；滨州为逐年增多趋势，2017年最多为220 d，其中2001—2011年均较德州多，2012—2017年与德州接近；沧州2000—2006年较德州多，2001年最多为158 d，2007—2017年较德州少；衡水2000—2014年较德州多，2002年最多为247 d，2015—2017年明显少于德州。从以上分析可看出，小风日数明显增多的年份分别为：德州2007年，聊城2008年，济南、滨州2011年，这与当地经济迅速发展相对应，城市化发展导致下垫面粗糙度增加，风速减小；而沧州和衡水2000—2003年小风日数最多，2004年开始减少。

图1 2000—2017年9月—次年5月6市累计小风日数(a)及10 m平均风速(b)年际变化

2.2 10 m平均风速

2000—2017年9月—次年5月10 m平均风速(图1 b)变化特征为，除衡水外，其他5市呈不同程度减小趋势，其中德州减小趋势最大，平均每年减小0.1 m/s。6市逐年变化特征为：德州2000—2006年风速大于3.0 m/s，2007年开始逐年减小，2012年开始小于2.0 m/s，2016年最小；聊城风速均小于德州，2007—2017年小于2.0 m/s，2016年最小为1.1 m/s；济南2016年风速最小为2.3 m/s，各年均大于德州；滨州2001—2010年较德州小，2011—2017年略大于德州，2017年最小；沧州2000—2006年较德州小，其他年份较德州大，最小出现在2016年；衡水2004年开始逐年平缓减小，2016年减小为1.4 m/s。从以上分析可看出，6市10 m风速的年际变化与小风日数的年际变化接近，6市最小风速出现在2016年前后。

2.3 混合层平均风速

2000—2017年，6市9月—次年5月混合层平均风速与10 m风速变化趋势和总体特征基本一致，除衡水外，其他5市为不同程度减小趋势，其中德州减小趋势最大，平均每年减小0.2 m/s。各市逐年变化特征为：德州和聊城2007年开始逐年减小，2016年出现最小值；济南2004年开始逐年减小， 2016年、2017年出现最小值；滨州在2006年和2011年减幅较大，2015年最小；沧州2011年开始逐年减小，2016年最小；衡水2000—2003年较小，2004—2015年在3.7～4.0 m/s，2016年锐减到3.1 m/s，但最小值出现在2000年和2001年为2.9 m/s。

2.4 混合层高度

2000—2017年，6市9月—次年5月混合层高度与10 m风速、混合层平均风速变化趋势基本一致，德州、聊城、济南、滨州混合层高度呈逐年下降趋势，德州下降趋势最大，平均每年下降23.1 m；沧州、衡水为增大趋势，其中衡水平均每年增大3.6 m。德州2000—2006年为1 000～1 200 m，2007年下降到978.8 m，2009年后逐年下降，2016年最小为785.4 m；聊城混合层高度一般在700～900 m，2009年最大为920.6 m， 2016年最小为621.9 m；济南2000—2010年都在1 000 m以上，2011年后基本低于1 000 m，2016年最小为886.0 m；滨州2000年为1 036.6 m，是历年最大值，2003—2017年一般在800～900 m；沧州混合层高度一般在1 000 m左右，2016年最小为926.6 m；衡水混合层高度一般在700～950 m，2015年最大为951.2 m，2016年最小为715.7 m。从以上分析看出，除了滨州，德州、聊城、济南、沧州、衡水最小值均出现在2016年。

2.5 通风量

由通风量的定义可知，通风量与风速变化密切相关，其变化特征与10 m风速、混合层平均风速基本一致，除衡水外，其他5市通风量为不同程度减小趋势，其中德州减小趋势最快，平均每年减小333.7 m2/s，衡水呈逐年增大趋势，平均年增加15.7 m2/s。滨州最小值出现在2017年，其他5市出现在2016年。

2.6 大气自净能力

通过对9月—次年5月大气自净能力分析可看出(图略)，德州减小趋势最快，平均每年减小0.93×104km2/a，而衡水为逐年略增大趋势，平均每年增大0.04×104km2/a。德州2001—2006年大于20.0×104km2/a，2007年开始明显减小，2011年为11.7×104km2/a，2016年最小为8.4×104km2/a；聊城2001—2006年大于10.0×104km2/a，2007年开始明显减小，2011年之后小于7.0×104km2/a，2016年最小为4.4×104km2/a；济南2000年为25.4×104km2/a，2002年开始逐年下降，2016年最小为12.6×104km2/a；滨州2000年为17.7×104km2/a，呈逐年下降，2011年为10.6×104km2/a，2017年最小为9.6×104km2/a；沧州2000—2005年逐年增大，2005年达到最大为19×104km2/a，2006年开始波动下降，2016年最小为12.8×104km2/a；衡水2000—2003年较小，2004—2015年波动增大，2010年最大为11.8×104km2/a，2016年出现大幅减小，由11.0×104km2/a减小到6.8×104km2/a。

大气自净能力取决于本地通风量和降水率。由于6市地处华北中南部，秋季、冬季、春季降水差别不大，因此大气自净能力主要取决于本地通风量，6市最小值出现在2016年或2017年，即6市大气自净能力均在变差。分析2000—2017年6市大气自净能力等级分布(表2)可看出，2011年德州和滨州由二级减小到三级，聊城由三级减小到四级，2016年聊城再次下降到五级，济南、沧州虽然为二级，但2016年已接近三级。

表2 2000—2017年6市大气自净能力等级分布

3 逐月变化特征

3.1 小风日数

2000—2017年9月—次年5月小风日数为逐月波动减少的变化趋势(图2 a)，秋、冬季多，春季少，其中9月最多，3月或4月最少。济南累计最少，为1 405 d，聊城最多，为4 528 d，是济南的3.2倍；冬季衡水小风日数最多，达1 111 d。德州各月均比济南多，9—11月、2—5月较沧州略多，12月较沧州和滨州略少，1月和滨州接近，较沧州略少。造成聊城和济南小风日数相差3.2倍的原因，可能与两地的地形有关，济南紧邻丘陵地区，市区南部是山区，北部是黄河，城市温度梯度比较大，导致气压梯度大，所以风速大，小风日数少；而聊城处于华北平原南部，温度梯度和气压梯度都比较小，因而小风日数多。

3.2 10 m平均风速

2000—2017年9月—次年5月10 m平均风速为逐月波动增大变化趋势(图2b)，秋、冬季小，春季大，最小风速为9月，与最多小风日数发生在同一个月内。冬季1月风速最小，2—3月风速增幅最大，除聊城最大风速出现在3月外，其他地市最大风速均出现在4月。济南风速最大，聊城最小。德州9月—次年3月与沧州基本接近，4—5月较济南和沧州略小，其中12月—次年1月和沧州、滨州接近。

图2 2000—2017年6市9月—次年5月累计小风日数(a)、10 m平均风速(b)月变化

3.3 混合层平均风速

2000—2017年9月—次年5月混合层平均风速为逐月增大的变化趋势(图略)，最大值和最小值出现月份、城市，与10 m风速一致。德州各月均较济南偏小，与沧州较为接近，其中11月—次年1月和滨州也非常接近。

3.4 混合层高度

2000—2017年9月—次年5月混合层高度表现为秋冬季平缓、春季明显增大的变化趋势(图3 a)。9月—次年1月混合层高度都在1 000 m以下，2月明显增大。德州、聊城、济南3市最大值出现在3月，滨州、衡水、沧州最大值出现在4月。平均混合层高度济南最高，聊城最低。德州9月—次年3月与沧州基本接近，4—5月较沧州和济南略低，其中12月—次年1月和沧州、滨州接近。

3.5 通风量

通风量变化与混合层高度变化趋势基本一致(图略)。德州、聊城最大值出现在3月，其他地市出现在4月，最小值均出现在9月，其中1月略有减小，为冬季的最小值。济南通风量最大，衡水最小。德州各月均较济南小，与沧州较为一致，其中12月—次年1月和滨州也非常接近。

3.6 大气自净能力

2000—2017年9月—次年5月大气自净能力表现为秋冬季小、春季大，随时间波动增大的变化趋势(图3 b)，6市的大气自净能力与通风量变化趋势完全一致。

图3 2000—2017年6市9月—次年5月平均混合层高度(a)、大气自净能力(b)月变化

总体来看，6市静稳天气指数月特征为：最多小风日数和最小10 m风速都出现在9月，其中冬季最多小风日数和最小10 m风速出现在1月；混合层平均风速、混合层高度、通风量以及大气自净能力为随时间波动增大的变化趋势。6市中，德州各月静稳指数较济南差，与沧州非常接近，其中12月—次年1月和沧州、滨州接近。

4 大气污染扩散条件评估

从各站历年平均情况来看(表3)，济南小风日数最少，混合层以下平均风速、通风量最大，混合层高度最高，大气自净能力最好；聊城小风日数最多，混合层以下平均风速、通风量最小，混合层高度最低，大气自净能力最差。

表3 2000—2017年6市9月—次年5月平均静稳天气指数对比

沧州与德州比较，小风日数少，混合层平均风速大0.1 m/s，混合层高度略高，通风量略大，大气自净能力大0.4×104km2/a，整体略好于德州。

滨州与德州比较，小风日数多，混合层平均风速小0.2 m/s，混合层高度低，通风量小，大气自净能力小2.4×104km2/a，整体较德州差。

衡水与德州比较，小风日数多，10 m风速小0.7 m/s，混合层平均风速小1.3 m/s，通风量小2 129.2 m2/s，混合层高度低142.8 m，大气自净能力小6.0×104km2/a，较德州明显偏差。

对各站大气污染扩散条件由好到差排序：济南、沧州、德州、滨州、衡水、聊城。

5 空气质量分析

在德州大气污染扩散条件一般的情况下，对2015—2020年德州和济南秋季、冬季、春季各月的AQI指数进行分析(资料来源于生态环境部空气质量平台)，以了解近5年空气质量状况。从表4可看出，2015—2016年，德州大部分月份AQI指数大于济南，尤其11月、12月明显高于济南，其中12月达到250；2016—2017年，德州大部分月份AQI指数仍大于济南，但差距较小；2017—2018年，德州11月、12月和1月AQI指数略低于济南，这是开展冬季大气污染防治攻坚工作的结果；2018—2019年和2019—2020年，德州和济南的AQI指数仍然接近，仅有一个月大于150，说明2017年以来大气污染防治工作取得显著成效。

表4 2015—2020年9月—次年5月德州与济南AQI指数

6 结论

(1)2000—2017年9月—次年5月静稳指数的年变化特征：德州、聊城、滨州、济南小风日数2007年开始逐年增多、10 m风速逐年减小，混合层平均风速、混合层高度、通风量都在逐渐减小，最小值出现在2016年或2017年，其中德州各指数变化最大，沧州和衡水各指数变化趋势不明显，而6市的大气自净能力均在变差，滨州最小值出现在2017年，其他5市最小值出现在2016年。

(2)月变化特征：小风日数逐月波动减少，10 m风速、混合层平均风速、混合层高度、通风量以及大气自净能力呈波动增大的变化趋势。9月份小风日数最多、10 m风速最小；德州各月静稳天气指数较济南差，与沧州非常接近。

(3)大气扩散条件总体评价：聊城累计小风日数是济南的3.2倍，大气自净能力由三级逐渐减小，2016年达五级，而济南一直为二级；从各市静稳天气指数变化情况可看出，大气污染扩散条件均在变差，其中德州变化最快。6市大气污染扩散条件由好到差排序为济南、沧州、德州、滨州、衡水、聊城。