2019年冬季呼和浩特市大氣污染頻發(fā)的氣象條件分析

徐麗娜，李 忠，胡亞男，谷新波

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

呼和浩特市位于內(nèi)蒙古陰山山脈中段南麓與黃河北岸之間形成的沖積湖盆地內(nèi)，北部有大青山遮擋，東及東南被蠻漢山環(huán)抱，地勢由東北向西南傾斜，呈簸箕形狀向西南敞開[1]，大氣污染物易受地形阻擋發(fā)生積聚，在水平和垂直方向擴散條件較差的不利氣象條件下，極易形成重污染天氣。呼和浩特市顆粒物(PM10和PM2.5)污染較為嚴重，近年來O3污染呈現(xiàn)逐年加重趨勢[2]，PM10、PM2.5和O33種污染物分別呈現(xiàn)出春冬高夏秋低、冬高夏低、夏高冬低的變化特點，春季與采暖期是呼和浩特重污染的高發(fā)期，分別以PM10與PM2.5為首要污染物[3]。近年來，為有效改善秋冬季節(jié)空氣環(huán)境質(zhì)量，徹底解決季節(jié)性大氣污染問題，呼和浩特市深入實施鍋爐提標改造，嚴控露天焚燒，對散煤、柴油貨車、工業(yè)爐窯、揮發(fā)性有機物(VOCs)、秸稈禁燒和揚塵等開展了一系列專項治理措施[4]。2013—2017年呼和浩特環(huán)境空氣質(zhì)量總體呈改善趨勢，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O36項大氣污染物中除O3呈現(xiàn)逐年升高趨勢外，其他污染物質(zhì)量濃度均有所下降。與2013年相比，2017年各項污染物質(zhì)量濃度下降幅度從大到小依次為SO2、CO、PM10和PM2.5，以煤煙型大氣污染為主的污染物質(zhì)量濃度水平大幅下降，呼和浩特逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿鈴?fù)合型污染城市[5]。

氣象條件與大氣污染之間存在密切聯(lián)系，氣象因素是影響空氣污染的重要因素之一[6-7]。吳進等[8]指出，氣象條件在北京地區(qū)污染物濃度爆發(fā)性增長過程中具有重要作用。氣象條件對大氣污染物產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為對大氣對污染物的稀釋擴散能力、對大氣污染物的物理化學轉(zhuǎn)化過程以及大氣狀況對污染本身的影響[9]。此前圍繞污染過程的氣象因子、大氣邊界層、環(huán)流形勢等特征展開研究，從定性的角度揭示大氣污染的氣象條件和動力機制[10-15]。如有研究表明低風速和高相對濕度有利于南京地區(qū)霾的形成[16]；冬季受冷高壓控制，配合下沉氣流有利于浙江地區(qū)霾天氣形成[17]；變性高壓脊控制下，近地層風持續(xù)一段小風期，出現(xiàn)氣流停滯區(qū)，水平擴散條件不好，有利于珠三角地區(qū)形成嚴重的霾天氣[18]。呼和浩特冬季上空多為冷性高壓控制，小風和靜風頻率高、晝夜溫差大，加之層結(jié)穩(wěn)定，夜間易形成較強的輻射逆溫[19]，在地形與熱力等因素共同作用下，致使污染物的擴散受到抑制從而造成大氣污染，有時甚至產(chǎn)生連續(xù)數(shù)日的污染天氣。斯琴等[20]在對呼和浩特一次嚴重的霧霾天氣成因分析中指出，降水導致相對濕度猛增，而冷空氣位置偏北、勢力較弱，逆溫層維持時間長、厚度較厚是導致此次霧霾天氣異常加強并持續(xù)的重要原因。

在呼和浩特市納入京津冀大氣污染防治聯(lián)防聯(lián)控體系且環(huán)境空氣質(zhì)量得到有效改善的背景下，2019年冬季(2019年12月至2020年2月)出現(xiàn)了近5 a來最為嚴重、持續(xù)的污染天氣。有利的高低空氣象環(huán)境配置，導致氣溶膠、水汽等在近地層積聚，可能是造成2019年冬季呼和浩特市大氣污染頻發(fā)的重要因素。為提高呼和浩特市大氣污染氣象條件的預(yù)報能力，有必要對呼和浩特市與大氣污染擴散緊密相關(guān)的氣象要素、大氣邊界層特征等方面進行深入研究。

本文從風速風向、相對濕度、混合層高度、通風系數(shù)、逆溫強度等方面展開對比分析，總結(jié)2019年冬季呼和浩特市大氣污染頻發(fā)的氣象條件變化特征，以期為內(nèi)蒙古深入推進大氣污染綜合治理提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

逐日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(試行)[21]，由2015—2019年冬季呼和浩特市8個空氣質(zhì)量監(jiān)測子站的大氣污染物(PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3)逐小時質(zhì)量濃度資料計算得到；氣象要素資料分別為2015—2019年冬季呼和浩特市氣象監(jiān)測站風速、風向、相對濕度等逐日觀測資料，08:00(北京時，下同)、14:00、20:00總云量、低云量、風速等逐時觀測資料以及2019年12月至2020年2月08:00 NCEP FNL 1°×1°再分析資料。

1.2 方 法

1.2.1 混合層高度(MLH)

混合層為湍流特征不連續(xù)界面以下湍流較為充分發(fā)展的大氣層，湍流特征不連續(xù)界面的高度即為混合層高度?；旌蠈痈叨仁怯绊懳廴疚锎怪睌U散的重要氣象參數(shù)。近年來，混合層高度多采用數(shù)值模擬、微脈沖激光雷達探測、云高計探測等方式來確定[22-24]。依據(jù)《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法》[25]中給出的大氣穩(wěn)定度等級劃分與混合層高度計算方法，分別計算2015—2019年冬季呼和浩特市大氣穩(wěn)定度等級與混合層高度。使用帕斯奎爾(Pasquill)穩(wěn)定度分類法，將大氣穩(wěn)定度劃分為強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定6級，分別由A、B、C、D、E和F表示，根據(jù)地面風速和太陽輻射等級(表1)進行判定，具體判定標準見表2。

表1 太陽輻射等級Tab.1 Solar radiation level

表2 大氣穩(wěn)定度等級Tab.2 Atmospheric stability level

太陽高度角ho的計算公式如下：

式中：δ為太陽傾角；φ為當?shù)鼐暥龋沪藶楫數(shù)亟?jīng)度；t為一天中的時序數(shù)，即0，1，2，…，23。

δ計算公式為

式中：θo=360×dn/365；dn為一年中日期序數(shù)，即0，1，2，…，364。

在不穩(wěn)定和中性氣象條件下，即大氣穩(wěn)定度為A、B、C和D時，

(3)

在穩(wěn)定大氣層結(jié)條件下，即大氣穩(wěn)定度為E和F時，

(4)

式中：MLH為混合層高度；u10為10 m高度平均風速，當u10>6 m·s-1時，取u10=6 m·s-1；a、b為混合層系數(shù)，呼和浩特市混合層系數(shù)取值見表3；f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，f=2Ωsinφ，Ω為地轉(zhuǎn)角速度，Ω=7.29×10-5s-1，φ為觀測點地理緯度。

表3 呼和浩特市混合層系數(shù)取值Tab.3 The value of mixed layer coefficient in Hohhot

由于夜間地面氣象觀測不進行云量觀測，因此只計算08:00、14:00、20:00的大氣穩(wěn)定度等級與混合層高度。

1.2.2 通風系數(shù)V

通風系數(shù)用于表征大氣邊界層空氣的流動情況，值越小，大氣污染擴散能力越弱。通風系數(shù)計算公式[26]如下：

V=MLH·v10

(5)

式中：V(m2·s-1)為通風系數(shù)；v10(m·s-1)為10 m高度風速。

1.2.3 逆溫強度(I)

利用不同等壓面之間單位位勢高度上溫度的垂直遞減率代表逆溫強度[27]，即

(6)

式中：I[℃·(100 gpm)-1]為逆溫強度；T2和T1(℃)分別為上層和下層等壓面溫度；H2和H1(gpm)分別為上層和下層等壓面位勢高度。

利用2019年冬季08:00 NCEP FNL 1°×1°再分析資料，分別計算呼和浩特市1000、975、950、925、900、850 hPa不同氣壓層之間的逆溫強度，若任意兩氣壓層之間存在逆溫，即判定當日發(fā)生逆溫，日逆溫強度值取不同氣壓層之間逆溫強度最大的值。

2 2019年呼和浩特市冬季空氣質(zhì)量

圖1為2015—2019年冬季呼和浩特市不同AQI類別天數(shù)?？梢钥闯?，2015—2019年冬季大氣污染超標(AQI>100)天數(shù)共計167 d，占冬季總天數(shù)的36.9%，主要污染物為PM2.5。其中2019年冬季空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)僅39 d，污染超標天數(shù)52 d，占近5 a冬季總超標天數(shù)的31.1%，主要污染物為PM2.5。尤其2020年1月空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)僅有2 d，輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染天數(shù)分別為6、6、14和3 d。2019年冬季污染天數(shù)明顯增加，且重度污染及嚴重污染天數(shù)顯著偏多。

圖1 2015—2019年呼和浩特市冬季不同AQI類別天數(shù)Fig.1 The days of different air quality index types in winter in Hohhot during 2015-2019

呼和浩特市冬季較易出現(xiàn)污染天氣，以PM2.5污染為主，尤以2015年和2019年較為嚴重，特別是2019年冬季，呈現(xiàn)出污染物積聚難于擴散、污染長時間持續(xù)、污染天數(shù)和重污染占比均顯著增高等特點。

3 氣象條件

3.1 風速、風向

風對大氣中污染物質(zhì)量濃度的影響極為顯著。大氣中的污染物在風的作用下會被稀釋擴散或輸送到其他地區(qū)，風速大小決定風對污染物的輸送能力，風速越大，對污染物的稀釋擴散及輸送能力越強。風向決定污染物的遷移輸送方向，污染物在風的輸送下沿下風向進行稀釋，因此在污染源的下風向地區(qū)，大氣污染較重。黃蕾等[28]通過計算污染系數(shù)(某方位風向頻率與該方位風速的比值)，定量說明了不同方位的污染源對研究區(qū)的影響程度。

圖2為2015—2019年呼和浩特市冬季平均風速與小風日數(shù)頻率的逐年變化?？梢钥闯?，2015—2019年呼和浩特市冬季平均風速為3.4 m·s-1，小風(≤2 m·s-1)日數(shù)頻率平均為12.4%；而2019年冬季平均風速為3.0 m·s-1，偏小11.8%，小風日數(shù)頻率為18.0%，偏高5.6%，2019年冬季平均風速較其他年份明顯偏小，2015、2019年小風日數(shù)頻率高于其他年份。平均風速較小、小風日數(shù)偏多是導致大氣污染頻發(fā)的重要因素，較小的風速使得污染物在水平方向的輸送擴散能力減弱而在近地面層積聚，導致AQI超標，如果大氣污染物過度排放，則易引發(fā)重污染過程。2019年冬季歐亞中高緯大氣環(huán)流總體以緯向環(huán)流為主，東亞冬季風較常年同期偏弱，東亞槽偏弱、偏東，導致呼和浩特市冬季整體冷空氣勢力偏弱，風速偏小，不利于污染物擴散。

圖2 2015—2019年呼和浩特市冬季平均風速與小風日數(shù)頻率逐年變化Fig.2 The yearly variation of average wind speed and small wind days frequency in winter from 2015 to 2019 in Hohhot

2015—2019年呼和浩特市冬季最大風風向為東北、東南、西南及西北風的頻率分別為6%、1%、8%和85%，2019年冬季最大風風向為東北、東南、西南和西北風頻率分別為5%、3%、13%和79%。2019年冬季偏北風出現(xiàn)頻率減少，偏南風出現(xiàn)頻率增多，尤其是2020年1月偏南風頻率由近5 a的9%增至16%。南風頻率的增加也可能是2019年冬季大氣污染較其他年份偏重的一個主要因素，污染物在輸送過程中受到陰山山脈的阻擋，不斷在近地層積聚，形成污染。

3.2 相對濕度

濕度對大氣中污染物質(zhì)量濃度也有明顯影響。相對濕度高可以造成顆粒物吸濕增長，導致能見度下降，顆粒物吸濕增長進一步為氣態(tài)污染物提供非均相轉(zhuǎn)化載體，使PM2.5質(zhì)量濃度驟升。在呼和浩特市PM2.5IAQI與諸多氣象因子的相關(guān)性分析中，發(fā)現(xiàn)相對濕度與其相關(guān)性最高，PM2.5質(zhì)量濃度超標時日平均相對濕度多為51%～87%[2]。圖3為2015—2019年呼和浩特市冬季相對濕度與AQI類別為中度及以上污染日數(shù)的逐年變化。可以看出，2015—2019年冬季平均相對濕度為49%，而2019年冬季相對濕度達61%，偏高24.5%。冬季相對濕度與AQI類別為中度及以上污染日數(shù)的變化趨勢有很好的一致性。

圖3 2015—2019年呼和浩特市冬季相對濕度與AQI類別為中度及以上污染日數(shù)的逐年變化Fig.3 The yearly variation of relative humidity and days of AQI types with moderate or above pollution in winter during 2015-2019 in Hohhot

3.3 混合層高度

混合層具有明顯隨時間變化特征，不同氣象條件和天氣過程會影響混合層高度。圖4為2015—2019年呼和浩特市冬季08:00、14:00和20:00混合層高度年際變化。可以看出， 08:00、14:00和20:00的平均混合層高度分別為566、928和445 m，2019年冬季這3個時次的混合層高度分別為578、855和381 m。盡管2019年冬季08:00的混合層高度較近5 a有所升高(升高2%)，但14:00與20:00的混合層高度分別降低8%和14%。較低的混合層高度不利于污染物在垂直方向上的輸送和擴散，加劇了大氣污染。近5 a呼和浩特市冬季14:00混合層高度明顯高于08:00和20:00，08:00的混合層高度略高于20:00。2019年冬季20:00的混合層高度不足14:00的一半。

圖4 2015—2019年呼和浩特市冬季08:00、14:00和20:00混合層高度年際變化Fig.4 The inter-annual variation of mixed layer height at 08:00 BST,14:00 BST and 20:00 BST in winter from 2015 to 2019 in Hohhot

2019年呼和浩特市冬季08:00、14:00和20:00混合層高度與AQI的相關(guān)系數(shù)分別為-0.24，-0.39和-0.16。08:00、14:00混合層高度與AQI的相關(guān)系數(shù)通過顯著性檢驗(P<0.05)，14:00混合層高度與呼和浩特市空氣污染關(guān)系較密切。通常情況下，14:00的大氣自凈能力與一天中大氣對污染物的最大清除能力接近[29]。綜上所述，14:00混合層高度明顯偏低使大氣對污染物的最大清除能力減弱，是造成2019年冬季大氣污染頻發(fā)的一個重要因素。

3.4 通風系數(shù)

2015—2019年冬季呼和浩特市平均通風系數(shù)為3267 m2·s-1，2019年冬季通風系數(shù)為2635 m2·s-1，偏小19%。較小的通風系數(shù)使得大氣的污染擴散能力減弱，污染物不斷積累，致使污染持續(xù)、加重。2019年冬季08:00、14:00和20:00通風系數(shù)與AQI的相關(guān)系數(shù)分別為-0.26(P<0.05)、-0.43(P<0.05)和-0.18，AQI與14:00的通風系數(shù)相關(guān)性最好。

圖5為2020年1月14:00通風系數(shù)與近5 a 1月14:00平均通風系數(shù)?？梢钥闯觯?020年1月14:00的通風系數(shù)整體明顯偏低，而1月6日14:00的通風系數(shù)異常偏高，相應(yīng)地AQI值僅為39。綜上所述，14:00的通風系數(shù)可以準確反映大氣污染狀況，14:00連續(xù)的較低混合層高度以及較小的近地層風速，使得通風系數(shù)較小，大氣的污染擴散能力較弱，導致2020年1月長時間的持續(xù)污染。

圖5 2020年1月呼和浩特市逐日14:00通風系數(shù)與2016—2020年1月逐日14:00平均通風系數(shù)Fig.5 The daily ventilation coefficient at 14:00 BST in January 2020 and daily averaged ventilation coefficient at 14:00 BST in January during 2016-2020 in Hohhot

3.5 逆溫強度

大氣層結(jié)的穩(wěn)定狀況是衡量大氣稀釋擴散能力強弱的重要指標。從熱力學角度看，無論是等溫層還是逆溫層都表示大氣層結(jié)是穩(wěn)定的。逆溫層如果出現(xiàn)在地面附近，則會限制近地面層強烈亂流運動的發(fā)生，如果出現(xiàn)在對流層中某一高度，則會阻礙下方垂直運動的發(fā)展，使大量煙塵、水汽等聚集在逆溫層下，影響大氣污染物的擴散，從而造成或加重大氣污染[30-33]。吳戰(zhàn)平等[34]在貴陽市兩次空氣污染過程的氣象條件分析中指出，兩次污染期間貴陽市上空分別存在不同程度的低層單層逆溫和中、低層雙層逆溫，逆溫增強時段與污染最重時段相對應(yīng)，逆溫層的存在大大增強了大氣層結(jié)穩(wěn)定度，為污染過程的維持和發(fā)展提供了有利的氣象條件。逆溫厚度越厚，強度越強，大氣對污染物擴散能力越弱，逆溫層數(shù)越多，污染物越不容易擴散[35]。

2019年冬季逆溫發(fā)生頻繁，且均出現(xiàn)在900～850 hPa，逆溫日數(shù)尤以2020年1月居多，為22 d。圖6為2020年1月呼和浩特市AQI類別為中度及以上的污染日850 hPa平均高度場、溫度場與10 m風場?？梢钥闯?，呼和浩特市位于850 hPa高壓中心前部的暖平流中，可能受2019年冬季降雪影響，地面長時間受積雪覆蓋，使得近地面層氣溫較低，高空有暖平流或暖空氣入侵，形成較大溫差，造成2020年1月長時間的逆溫，從而導致持續(xù)性的大氣污染。

圖6 2020年1月呼和浩特市AQI類別為中度及以上的污染日850 hPa平均位勢高度場(紅色等值線，單位：gpm)、溫度場(陰影，單位：℃)與10 m風場(風矢，單位: m·s-1)Fig.6 The average geopotential height (red isoline, Unit: gpm), temperature (shaded, Unit: ℃) fields on 850 hPa and 10 m wind fields (wind vector, Unit: m·s-1) on days of AQI types with moderate or above pollution in January 2020 in Hohhot

2019年冬季逆溫強度與AQI的相關(guān)系數(shù)為0.417(P<0.01)。AQI超標天數(shù)占逆溫日數(shù)83.3%。圖7為2019年呼和浩特市冬季逐日AQI與逆溫強度變化?？梢钥闯觯m然逆溫強度不能很好地反映出當日AQI的變化情況，但是可以作為一次污染過程中AQI峰值的研判指標。

圖7 2019年呼和浩特市冬季逐日AQI與逆溫強度變化Fig.7 The variation of daily AQI and temperature inversion intensity in winter in 2019 in Hohhot

4 結(jié) 論

(1)2019年冬季呼和浩特市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)僅39 d，污染超標天數(shù)52 d，占近5 a冬季總超標天數(shù)的31.1%，主要污染物為PM2.5，為近5 a最嚴重的冬季污染，呈現(xiàn)出污染物積聚難于擴散，污染長時間持續(xù)，污染天數(shù)和重污染比例均顯著增加等特點。

(2)2019年冬季呼和浩特市嚴重的大氣污染與氣象條件密切相關(guān)，其間平均風速3.0 m·s-1，較近5 a偏小11.8%，小風日數(shù)16 d，偏多45%，南風出現(xiàn)頻率16%，增多77.8%，相對濕度達61%，偏高24.5%，平均混合層高度為605 m，較近5 a降低6%，通風系數(shù)為2635 m2·s-1，偏小19%，且逆溫出現(xiàn)頻繁。