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(shì)由東北向西南傾斜，呈簸箕形狀向西南敞開(kāi)[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(kuò)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(yán)重，近年來(lái)O3污染呈現(xiàn)逐年加重趨勢(shì)[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(diǎn)，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(lái)，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(wèn)題，呼和浩特市深入實(shí)施鍋爐提標(biāo)改造，嚴(yán)控露天焚燒，對(duì)散煤、柴油貨車、工業(yè)爐窯、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、秸稈禁燒和揚(yáng)塵等開(kāi)展了一系列專項(xiàng)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(shì)，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O36項(xiàng)大氣污染物中除O3呈現(xiàn)逐年升高趨勢(shì)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(xiàng)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(jìn)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(zhǎng)過(guò)程中具有重要作用。氣象條件對(duì)大氣污染物產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為對(duì)大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散能力、對(duì)大氣污染物的物理化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程以及大氣狀況對(duì)污染本身的影響[9]。此前圍繞污染過(guò)程的氣象因子、大氣邊界層、環(huán)流形勢(shì)等特征展開(kāi)研究，從定性的角度揭示大氣污染的氣象條件和動(dòng)力機(jī)制[10-15]。如有研究表明低風(fēng)速和高相對(duì)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(fēng)持續(xù)一段小風(fēng)期，出現(xiàn)氣流停滯區(qū)，水平擴(kuò)散條件不好，有利于珠三角地區(qū)形成嚴(yán)重的霾天氣[18]。呼和浩特冬季上空多為冷性高壓控制，小風(fēng)和靜風(fēng)頻率高、晝夜溫差大，加之層結(jié)穩(wěn)定，夜間易形成較強(qiáng)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(kuò)散受到抑制從而造成大氣污染，有時(shí)甚至產(chǎn)生連續(xù)數(shù)日的污染天氣。斯琴等[20]在對(duì)呼和浩特一次嚴(yán)重的霧霾天氣成因分析中指出，降水導(dǎo)致相對(duì)濕度猛增，而冷空氣位置偏北、勢(shì)力較弱，逆溫層維持時(shí)間長(zhǎng)、厚度較厚是導(dǎo)致此次霧霾天氣異常加強(qiáng)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(lái)最為嚴(yán)重、持續(xù)的污染天氣。有利的高低空氣象環(huán)境配置，導(dǎo)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(bào)能力，有必要對(duì)呼和浩特市與大氣污染擴(kuò)散緊密相關(guān)的氣象要素、大氣邊界層特征等方面進(jìn)行深入研究。

本文從風(fēng)速風(fēng)向、相對(duì)濕度、混合層高度、通風(fēng)系數(shù)、逆溫強(qiáng)度等方面展開(kāi)對(duì)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(jìn)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(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)子站的大氣污染物(PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3)逐小時(shí)質(zhì)量濃度資料計(jì)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(cè)站風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度等逐日觀測(cè)資料，08:00(北京時(shí)，下同)、14:00、20:00總云量、低云量、風(fēng)速等逐時(shí)觀測(cè)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(kuò)散的重要?dú)庀髤?shù)。近年來(lái)，混合層高度多采用數(shù)值模擬、微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)、云高計(jì)探測(cè)等方式來(lái)確定[22-24]。依據(jù)《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》[25]中給出的大氣穩(wěn)定度等級(jí)劃分與混合層高度計(jì)算方法，分別計(jì)算2015—2019年冬季呼和浩特市大氣穩(wěn)定度等級(jí)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(qiáng)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(jí)，分別由A、B、C、D、E和F表示，根據(jù)地面風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等級(jí)(表1)進(jìn)行判定，具體判定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表1 太陽(yáng)輻射等級(jí)Tab.1 Solar radiation level

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

太陽(yáng)高度角ho的計(jì)算公式如下：

式中：δ為太陽(yáng)傾角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；λ為?dāng)?shù)亟?jīng)度；t為一天中的時(shí)序數(shù)，即0，1，2，…，23。

δ計(jì)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(shí)，

(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(shí)，

(4)

式中：MLH為混合層高度；u10為10 m高度平均風(fēng)速，當(dāng)u10>6 m·s-1時(shí)，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(jiàn)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(cè)點(diǎn)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(cè)不進(jìn)行云量觀測(cè)，因此只計(jì)算08:00、14:00、20:00的大氣穩(wěn)定度等級(jí)與混合層高度。

1.2.2 通風(fēng)系數(shù)V

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

V=MLH·v10

(5)

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

1.2.3 逆溫強(qiáng)度(I)

利用不同等壓面之間單位位勢(shì)高度上溫度的垂直遞減率代表逆溫強(qiáng)度[27]，即

(6)

式中：I[℃·(100 gpm)-1]為逆溫強(qiáng)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(shì)高度。

利用2019年冬季08:00 NCEP FNL 1°×1°再分析資料，分別計(jì)算呼和浩特市1000、975、950、925、900、850 hPa不同氣壓層之間的逆溫強(qiáng)度，若任意兩氣壓層之間存在逆溫，即判定當(dāng)日發(fā)生逆溫，日逆溫強(qiáng)度值取不同氣壓層之間逆溫強(qiáng)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(biāo)(AQI>100)天數(shù)共計(jì)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?jī)?yōu)良天數(shù)僅39 d，污染超標(biāo)天數(shù)52 d，占近5 a冬季總超標(biāo)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?jī)?yōu)良天數(shù)僅有2 d，輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)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(yán)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(yán)重，特別是2019年冬季，呈現(xiàn)出污染物積聚難于擴(kuò)散、污染長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)、污染天數(shù)和重污染占比均顯著增高等特點(diǎn)。

3 氣象條件

3.1 風(fēng)速、風(fēng)向

風(fēng)對(duì)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(fēng)的作用下會(huì)被稀釋擴(kuò)散或輸送到其他地區(qū)，風(fēng)速大小決定風(fēng)對(duì)污染物的輸送能力，風(fēng)速越大，對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散及輸送能力越強(qiáng)。風(fēng)向決定污染物的遷移輸送方向，污染物在風(fēng)的輸送下沿下風(fēng)向進(jìn)行稀釋，因此在污染源的下風(fēng)向地區(qū)，大氣污染較重。黃蕾等[28]通過(guò)計(jì)算污染系數(shù)(某方位風(fēng)向頻率與該方位風(fēng)速的比值)，定量說(shuō)明了不同方位的污染源對(duì)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(fēng)速與小風(fēng)日數(shù)頻率的逐年變化。可以看出，2015—2019年呼和浩特市冬季平均風(fēng)速為3.4 m·s-1，小風(fēng)(≤2 m·s-1)日數(shù)頻率平均為12.4%；而2019年冬季平均風(fēng)速為3.0 m·s-1，偏小11.8%，小風(fēng)日數(shù)頻率為18.0%，偏高5.6%，2019年冬季平均風(fēng)速較其他年份明顯偏小，2015、2019年小風(fēng)日數(shù)頻率高于其他年份。平均風(fēng)速較小、小風(fēng)日數(shù)偏多是導(dǎo)致大氣污染頻發(fā)的重要因素，較小的風(fēng)速使得污染物在水平方向的輸送擴(kuò)散能力減弱而在近地面層積聚，導(dǎo)致AQI超標(biāo)，如果大氣污染物過(guò)度排放，則易引發(fā)重污染過(guò)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(fēng)較常年同期偏弱，東亞槽偏弱、偏東，導(dǎo)致呼和浩特市冬季整體冷空氣勢(shì)力偏弱，風(fēng)速偏小，不利于污染物擴(kuò)散。

圖2 2015—2019年呼和浩特市冬季平均風(fēng)速與小風(fēng)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(fēng)風(fēng)向?yàn)闁|北、東南、西南及西北風(fēng)的頻率分別為6%、1%、8%和85%，2019年冬季最大風(fēng)風(fēng)向?yàn)闁|北、東南、西南和西北風(fēng)頻率分別為5%、3%、13%和79%。2019年冬季偏北風(fēng)出現(xiàn)頻率減少，偏南風(fēng)出現(xiàn)頻率增多，尤其是2020年1月偏南風(fēng)頻率由近5 a的9%增至16%。南風(fēng)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(gè)主要因素，污染物在輸送過(guò)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(duì)濕度

濕度對(duì)大氣中污染物質(zhì)量濃度也有明顯影響。相對(duì)濕度高可以造成顆粒物吸濕增長(zhǎng)，導(dǎo)致能見(jiàn)度下降，顆粒物吸濕增長(zhǎng)進(jìn)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(duì)濕度與其相關(guān)性最高，PM2.5質(zhì)量濃度超標(biāo)時(shí)日平均相對(duì)濕度多為51%～87%[2]。圖3為2015—2019年呼和浩特市冬季相對(duì)濕度與AQI類別為中度及以上污染日數(shù)的逐年變化?？梢钥闯?，2015—2019年冬季平均相對(duì)濕度為49%，而2019年冬季相對(duì)濕度達(dá)61%，偏高24.5%。冬季相對(duì)濕度與AQI類別為中度及以上污染日數(shù)的變化趨勢(shì)有很好的一致性。

圖3 2015—2019年呼和浩特市冬季相對(duì)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(shí)間變化特征，不同氣象條件和天氣過(guò)程會(huì)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?？梢钥闯?， 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(gè)時(shí)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(kuò)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(guò)顯著性檢驗(yàn)(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(duì)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(duì)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(gè)重要因素。

3.4 通風(fēng)系數(shù)

2015—2019年冬季呼和浩特市平均通風(fēng)系數(shù)為3267 m2·s-1，2019年冬季通風(fēng)系數(shù)為2635 m2·s-1，偏小19%。較小的通風(fēng)系數(shù)使得大氣的污染擴(kuò)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(fēng)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(fēng)系數(shù)相關(guān)性最好。

圖5為2020年1月14:00通風(fēng)系數(shù)與近5 a 1月14:00平均通風(fēng)系數(shù)。可以看出，2020年1月14:00的通風(fēng)系數(shù)整體明顯偏低，而1月6日14:00的通風(fēng)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(fēng)系數(shù)可以準(zhǔn)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(fēng)速，使得通風(fēng)系數(shù)較小，大氣的污染擴(kuò)散能力較弱，導(dǎo)致2020年1月長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)污染。

圖5 2020年1月呼和浩特市逐日14:00通風(fēng)系數(shù)與2016—2020年1月逐日14:00平均通風(fēng)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(qiáng)度

大氣層結(jié)的穩(wěn)定狀況是衡量大氣稀釋擴(kuò)散能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。從熱力學(xué)角度看，無(wú)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(huì)限制近地面層強(qiáng)烈亂流運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，如果出現(xiàn)在對(duì)流層中某一高度，則會(huì)阻礙下方垂直運(yùn)動(dòng)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(kuò)散，從而造成或加重大氣污染[30-33]。吳戰(zhàn)平等[34]在貴陽(yáng)市兩次空氣污染過(guò)程的氣象條件分析中指出，兩次污染期間貴陽(yáng)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(qiáng)時(shí)段與污染最重時(shí)段相對(duì)應(yīng)，逆溫層的存在大大增強(qiáng)了大氣層結(jié)穩(wěn)定度，為污染過(guò)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(qiáng)度越強(qiáng)，大氣對(duì)污染物擴(kuò)散能力越弱，逆溫層數(shù)越多，污染物越不容易擴(kuò)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(chǎng)、溫度場(chǎng)與10 m風(fēng)場(chǎng)?？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(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的逆溫，從而導(dǎo)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(shì)高度場(chǎng)(紅色等值線，單位：gpm)、溫度場(chǎng)(陰影，單位：℃)與10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)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(qiáng)度與AQI的相關(guān)系數(shù)為0.417(P<0.01)。AQI超標(biāo)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(qiáng)度變化?？梢钥闯?，雖然逆溫強(qiáng)度不能很好地反映出當(dāng)日AQI的變化情況，但是可以作為一次污染過(guò)程中AQI峰值的研判指標(biāo)。

圖7 2019年呼和浩特市冬季逐日AQI與逆溫強(qiáng)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?jī)?yōu)良天數(shù)僅39 d，污染超標(biāo)天數(shù)52 d，占近5 a冬季總超標(biāo)天數(shù)的31.1%，主要污染物為PM2.5，為近5 a最嚴(yán)重的冬季污染，呈現(xiàn)出污染物積聚難于擴(kuò)散，污染長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，污染天數(shù)和重污染比例均顯著增加等特點(diǎn)。

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