德州市區(qū)空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系

代玉田，王 麗，張優(yōu)琴，于鳳英

(德州市氣象局，山東德州 253078)

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德州市區(qū)空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系

代玉田，王 麗，張優(yōu)琴，于鳳英

(德州市氣象局，山東德州 253078)

空氣污染已成為全球關(guān)注的環(huán)境問題之一。近年來，世界各國肺癌的發(fā)生率和死亡率明顯上升，特別是工業(yè)發(fā)達國家上升更快。大量事實和研究證明，空氣污染是重要致癌因素之一[1]。因此，城市大氣環(huán)境質(zhì)量的研究已成為大氣污染研究和城市氣候研究領(lǐng)域的主要課題之一[2-6]。由于城市下墊面的特殊性質(zhì)，會增強城區(qū)的空氣湍流，同時對空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等也產(chǎn)生很大影響，再加上一些特殊天氣條件會使污染物的濃度分布狀況更為復(fù)雜[7-11]。德州地處魯西北，緊鄰京冀，隨著德州及其周邊城市人口的不斷增多，工業(yè)和交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，空氣質(zhì)量也呈下降趨勢。尤其2013年1月，德州以及周邊城市出現(xiàn)了持續(xù)20多天的霧霾天氣，嚴(yán)重影響人們的身體健康和生活質(zhì)量。因此，人們對城市空氣質(zhì)量日益重視，氣象條件的變化影響著污染物的擴散、稀釋、集聚和滯留，大氣污染程度與降水、溫度、濕度、風(fēng)速等氣象要素有密切關(guān)系[12-14]，筆者通過對空氣質(zhì)量與氣象因子的相關(guān)性分析，找出不同氣象要素對空氣環(huán)境污染因子的影響，并建立預(yù)報模型提前對空氣質(zhì)量做出預(yù)報，為廣大市民提供空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報。

1資料與方法

1.1資料來源所有資料包括德州市氣象觀測站提供的1971～2013年逐月平均氣溫、逐月降水量，2008年7月1日～2014年6月30日逐日氣象要素資料(平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、相對濕度、霧和霾等要素)；德州市環(huán)保局提供的2008年7月～2014年6月份逐日監(jiān)測的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)數(shù)據(jù)。

1.2分析方法采用相關(guān)分析法和線性逐步回歸分析法，分析了德州市區(qū)氣候變化和空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)變化特征，以及AQI和各氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系，并建立空氣質(zhì)量預(yù)報模型。

2德州市區(qū)氣候變化特征分析

2.1降水特征由圖1可見，近40年來德州市區(qū)降水量圍繞平均值540 mm上下波動，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，但總體呈逐年減少趨勢，降水量傾向率為-34.03 mm/10a，相關(guān)系數(shù)為0.257 8(r0.10=0.248 3)，表明下降趨勢在0.10的顯著性水平上；根據(jù)5年滑動平均曲線可知，20世紀(jì)70年代后期～80年代后期降水量呈波動下降趨勢，1989年為最低點，之后開始回升，進入21世紀(jì)降水量又出現(xiàn)下降趨勢。德州市區(qū)降水量最多的月份為7月份，最少為1和12月份；1～7月降水逐月增多，8～12月逐月減少；全年降水量主要出現(xiàn)在6～9月，占全年的77%。

2.2氣溫特征由圖2可知，1971～2013年德州市區(qū)平均氣溫以0.39 ℃/10a的速率呈上升趨勢，相關(guān)系數(shù)為0.777 8(r0.01=0.380 1)，表明德州市區(qū)氣溫上升趨勢在0.01顯著水平上是顯著的。

2.3霧、霾天氣特征統(tǒng)計2008年7月～2014年6月霧、霾天氣日數(shù)(表1)發(fā)現(xiàn)，從全年輕霧、大霧和霾出現(xiàn)日數(shù)來看，輕霧出現(xiàn)日數(shù)占總?cè)諗?shù)的51.84%，大霧出現(xiàn)日數(shù)占總?cè)諗?shù)的6.48%，霾出現(xiàn)的日數(shù)百分比為29.44%；各季節(jié)霧、霾天氣均有出現(xiàn)，所占百分比相差較大，大霧和霾天氣冬季出現(xiàn)最多，春季最少，輕霧天氣夏季最多，春季最少。

3德州市區(qū)空氣質(zhì)量狀況和空氣污染指數(shù)變化特征

2012年上半年用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)替代原有的空氣污染指數(shù)(API)。將AQI劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300，對應(yīng)于空氣質(zhì)量的1級(優(yōu))、2級(良)、3級(輕度污染)、4級(中度污染)、5級(重度污染)、6級(嚴(yán)重污染)，指數(shù)越大污染越重，指數(shù)越小空氣質(zhì)量越好[15]。它是根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和各項污染物對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響來確定污染指數(shù)的分級和相應(yīng)污染物濃度的限值，是一種反映和評價空氣質(zhì)量的方法。

圖1　1971～2010年德州市區(qū)降水量年(a)和月(b)變化Fig.1　The change of annual(a)and monthly(b)precipitation in Dezhou City during 1971-2010

圖2　1971～2013年德州市區(qū)年平均氣溫變化Fig.2　The change of annual average temperature in Dezhou City duing 1971-2013

表12008年7月～2014年6月德州市區(qū)霧霾天氣出現(xiàn)日數(shù)百分比

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

%

3.1德州市區(qū)空氣質(zhì)量等級分析統(tǒng)計分析2008年7月～2014年6月德州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(表2)發(fā)現(xiàn)，德州市區(qū)全年空氣質(zhì)量為2級的天數(shù)最多，占全年總?cè)諗?shù)的50.8%，其次為3級，約占全年總?cè)諗?shù)的33.4%；6級的出現(xiàn)最少，其中夏季未出現(xiàn)過6級。從各季節(jié)變化來看，四季最多的均為2級，其次為3級；1級在夏季出現(xiàn)天數(shù)較多，秋天次之，春季未出現(xiàn)過；各季節(jié)中2級所占比重差距較大，夏季60.5%的日數(shù)空氣質(zhì)量為2級，而冬季僅有39.4%；3級在各季節(jié)中所占比重相差不大；4、5、6級均在冬季出現(xiàn)的日數(shù)較多，秋季次之，夏季最少。由此可見，冬季空氣質(zhì)量總體比夏季差。

表2　2008年7月～2014年6月德州市區(qū)空氣質(zhì)量等級天數(shù)和所占百分比

3.2德州市區(qū)AQI的變化從圖3a可以看出，德州市區(qū)AQI值最高的的月份為1月份，最低為8月份，各月AQI趨勢擬合曲線為一開口朝上的拋物線，最低點在夏季。四季AQI分析圖(圖3b)再次證實，德州市區(qū)AQI存在顯著的季節(jié)變化，有一定的周期性，冷季的AQI高于暖季，這與表2中冬季空氣質(zhì)量級別高的天數(shù)比夏季多的結(jié)果是一致的。其原因可能與冬季采暖燃煤排放污染物有關(guān)，也與冬夏季天氣系統(tǒng)的不同有關(guān)。夏季多降水，污染物洗滌沉降，空氣直潔能力強，空氣質(zhì)量較好；冬季德州市區(qū)在大陸冷高壓控制下，大氣層結(jié)穩(wěn)定，逆溫現(xiàn)象較普遍，空氣直潔能力差，造成污染濃度和污染日數(shù)的增多。

圖3　2008年7月～2014年6月德州市區(qū)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德州市區(qū)AQI與氣象要素的相關(guān)性分析和回歸分析

4.1相關(guān)性分析分析德州市區(qū)AQI和各氣象要素雙變量相關(guān)性(表3)發(fā)現(xiàn)，能見度和霾對AQI全年和四季均有影響，霧和氣溫與AQI相關(guān)性也比較明顯，通過相關(guān)性檢驗的有全年、夏季、秋季、冬季。

表3　德州市區(qū)逐日AQI和對應(yīng)氣象要素相關(guān)關(guān)系

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)，其余均表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

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

4.2回歸分析將相關(guān)性通過檢驗的因子選入，與AQI逐日數(shù)據(jù)進行線性逐步回歸，得出全年和四季的回歸模型。

全年逐日數(shù)據(jù)所得到的回歸模型為：y=59.648x1+19.880x2+22.871x3-1.099x4-0.229x5-0.046x6+190.778，式中，y為AQI的值；x1為大霧(有為1，無為0)；x2為霾(有為1，無為0)；x3為輕霧(有為1，無為0)；x4為平均相對濕度；x5為平均能見度；x6為最高氣溫。前5項回歸系數(shù)的顯著水平為0.000，第6項回歸系數(shù)的顯著水平為0.011，明顯小于0.05，說明回歸系數(shù)的顯著性，建立線性模型是恰當(dāng)?shù)摹＝?jīng)過回代檢驗，將y值按照空氣質(zhì)量指數(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成污染等級，擬合所得預(yù)報正確率為54.36%。

春季逐日數(shù)據(jù)所得到的回歸模型為：y=19.846x+88.488，式中，y為AQI的值；x為霾(有為1，無為0)，回歸系數(shù)的顯著性水平為0.017，小于0.05。經(jīng)過回代檢驗，將y值按照空氣質(zhì)量指數(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成污染等級，擬合所得預(yù)報正確率為60.69%。

夏季逐日數(shù)據(jù)所得到的回歸模型為：y=-0.246x1-0.996x2+15.301x3+11.290x4+14.259x5+178.968，式中，y為AQI的值；x1為平均能見度；x2為平均相對濕度；x3為輕霧(有為1，無為0)；x4為霾(有為1，無為0)；x5為大霧(有為1，無為0)。前4項回歸系數(shù)的顯著水平為0.000，第5項回歸系數(shù)的顯著水平為0.006。經(jīng)過回代，將y值按照空氣質(zhì)量指數(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成污染等級，擬合所得預(yù)報正確率為63.78%。

秋季逐日數(shù)據(jù)所得到的回歸模型為：y=-0.233x1+84.457x2+50.076x3+111.301，式中，y為AQI的值；x1為平均能見度，顯著水平為0.007；x2為霾(有為1，無為0)，顯著水平為0.000；x3為大霧(有為1，無為0)，顯著水平為0.001。經(jīng)過回代檢驗，將y值按照空氣質(zhì)量指數(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成污染等級，擬合所得預(yù)報正確率為51.89%。

冬季逐日數(shù)據(jù)所得到的回歸模型為：y=81.919x1+32.474x2+34.888x3-0.895x4-0.301x5+0.489x6+154.536，式中，y為AQI的值；x1為大霧(有為1，無為0)；x2為霾(有為1，無為0)；x3為輕霧(有為1，無為0)；x4為平均相對濕度；x5為平均能見度；x6為最大風(fēng)速。前5項回歸系數(shù)的顯著水平為0.000，第6項回歸系數(shù)的顯著水平為0.002，明顯小于0.05，建立線性模型是恰當(dāng)?shù)摹＝?jīng)過回代檢驗，將y值按照空氣質(zhì)量指數(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成污染等級，擬合所得預(yù)報正確率為49.49%。

從以上模型可以看出，4個季節(jié)中入選因子均有霾，因此霾對空氣污染做主要貢獻。秋季除了霾之外還有平均能見度、大霧，而全年、夏季、冬季除了平均能見度、大霧之外均有輕霧、平均相對濕度。可見德州市區(qū)夏季、冬季和全年AQI的回歸模型中的入選氣象因子接近。

5結(jié)論

(1)1971～2013年德州市平均氣溫以0.39 ℃/10a的速率呈上升趨勢；降水量主要集中在夏季，其次是秋季，冬季最少；大霧和霾天氣冬季出現(xiàn)最多，春季最少，輕霧天氣秋季最多，春季最少。

(2)德州市區(qū)AQI存在顯著的季節(jié)變化，有一定的周期性，冷季的AQI高于暖季。

(3)德州市區(qū)AQI和各氣象因子之間做線性逐步回歸分析得出的回歸模型均通過0.05顯著性檢驗，說明建立線性模型是恰當(dāng)?shù)?。?jīng)過擬合回代檢驗，預(yù)報正確率除冬季為49.49%外，其余均在50%以上，正確率最高的為夏季，達63.78%。

(4)德州市區(qū)空氣質(zhì)量與氣象條件關(guān)系密切，其中與AQI關(guān)系最為密切的是霾，其次為平均能見度和大霧，還有輕霧、平均相對濕度。

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摘要選取德州市區(qū)2008年7月～2014年6月逐日的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和同期的逐日氣象觀測資料，分析近40年來氣候變化特征和近6年德州市區(qū)空氣質(zhì)量變化特征，研究了氣象要素與空氣質(zhì)量指數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，德州市區(qū)空氣質(zhì)量與氣象因子關(guān)系密切，最為密切的主要因子有相對濕度、能見度、霧、霾。通過線性逐步回歸分析建立AQI預(yù)報模型，得出德州市區(qū)影響AQI的氣象影響因子在4個季節(jié)中均有霾入選，秋季除了霾之外還有平均能見度、大霧，而全年、夏季、冬季除了平均能見度、大霧之外均有輕霧、霾、平均相對濕度。

關(guān)鍵詞空氣質(zhì)量；氣象條件；變化特征；關(guān)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

作者簡介代玉田(1974- )，女，山東武城人，高級工程師，從事科技服務(wù)工作。

基金項目德州市氣象局自立課題(2013dzqxzd04)。

中圖分類號S 16

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-281-04