王建英, 張肅詔, 雍 佳, 張澤瑾, 陳彥虎

1.中國(guó)氣象局, 旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧夏 銀川 750002 2.寧夏氣象服務(wù)中心, 寧夏 銀川 750002 3.寧夏氣象臺(tái), 寧夏 銀川 750002 4.寧夏中衛(wèi)市氣象局, 寧夏 中衛(wèi) 755000 5.寧夏石嘴山市氣象局, 寧夏 石嘴山 753000

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，近年來以PM2.5為首要污染物的重污染事件頻發(fā)，連續(xù)多日嚴(yán)重的空氣污染導(dǎo)致空氣污濁、能見度下降，造成霾天氣增多[1]，特別是在冬季大氣污染事件更為頻繁[2]，對(duì)公眾健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)葞聿煌潭鹊挠绊?，引起了公眾和學(xué)者的關(guān)注[3-4]. 影響大氣污染的因素較多，高強(qiáng)度污染排放[5-6]和不利氣象條件[7-9]是PM2.5重污染天氣形成和發(fā)展的關(guān)鍵因素. 有研究表明，區(qū)域污染傳輸也會(huì)使環(huán)境空氣質(zhì)量迅速變差[10]，高濕狀態(tài)下的污染物吸濕積累和二次顆粒物生成會(huì)使污染進(jìn)一步加重[11].

近年來，多位學(xué)者已對(duì)京津冀及周邊地區(qū)重污染過程特征和成因開展了分析研究，結(jié)果表明，交通源[12]、居民源[13-14]、工業(yè)源[15-17]對(duì)ρ(PM2.5)的貢獻(xiàn)位居前列. 當(dāng)出現(xiàn)靜穩(wěn)、小風(fēng)、高濕及逆溫[18]等不利氣象條件，或處于均壓場(chǎng)、弱高壓后部、高壓底部的天氣系統(tǒng)[19-20]，或近地層處于風(fēng)場(chǎng)輻合帶[21-22]時(shí)，在排放基本相同的情況下，會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的大氣污染. 隨著近年來西北地區(qū)污染天氣的頻發(fā)，學(xué)者們也初步開展了寧夏回族自治區(qū)大氣污染的研究工作，結(jié)果表明，當(dāng)寧夏回族自治區(qū)上空500 hPa盛行西北氣流、平直西風(fēng)氣流、西南氣流時(shí)，地面位于鋒前暖區(qū)、氣壓梯度較小區(qū)域或鋒面過境前后時(shí)，銀川市易出現(xiàn)灰霾天氣[23]；并發(fā)現(xiàn)隨著地面相對(duì)濕度的增大、近地層風(fēng)速的減小、大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)的減弱、邊界層高度的降低，大氣中ρ(PM2.5)將迅速升高[24].

隨著大氣重污染復(fù)合性特征的日益突出，燃煤、工業(yè)過程、機(jī)動(dòng)車、生物質(zhì)燃燒等排放的一次污染物、二次顆粒物生成、污染物的區(qū)域傳輸以及不利氣象條件的綜合影響和相互疊加，使ρ(PM2.5)上升甚至出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)[25]. 因此，單一因素的污染過程分析難以滿足重污染天氣應(yīng)對(duì)工作的需求，而目前重污染過程綜合性研究多集中在京津冀及周邊地區(qū)，利用區(qū)域加密自動(dòng)氣象觀測(cè)資料開展大氣污染及傳輸特征的研究也較少，寧夏回族自治區(qū)大氣污染分析研究也多局限于銀川市.

石嘴山市是寧夏回族自治區(qū)的地級(jí)市，位于寧夏回族自治區(qū)北部，東跨黃河，與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市相鄰；西鄰賀蘭山，與內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟隔山相望；北依黃河，與內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市相鄰；南連銀川平原，與銀川市興慶區(qū)、賀蘭縣交界. 石嘴山市是國(guó)家重要煤炭工業(yè)城市以及寧夏回族自治區(qū)能源重化工和原材料工業(yè)基地，號(hào)稱“塞上煤城”. 石嘴山市境內(nèi)及其北部90 km處的烏海市烏達(dá)區(qū)、海南區(qū)遍布多個(gè)工業(yè)園區(qū)，園區(qū)內(nèi)煤炭、鋼鐵、化工、有色、建材等企業(yè)眾多，導(dǎo)致污染物排放量較大、排放種類較多，同時(shí)不利氣象條件下的區(qū)域污染傳輸，加之冬季供暖污染排放，為石嘴山市空氣質(zhì)量改善帶來較大壓力. 石嘴山市2020年1月累計(jì)出現(xiàn)輕度及以上污染天數(shù)達(dá)22 d，其中，重度污染天數(shù)達(dá)9 d，ρ(PM2.5)月均值達(dá)111 μg/m3，是GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(35 μg/m3)的3.2倍，成為寧夏回族自治區(qū)2020年環(huán)境空氣質(zhì)量最差的城市，大氣污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻. 因此，亟需對(duì)石嘴山市冬季持續(xù)重污染過程進(jìn)行多因素影響分析，明晰重污染天氣成因及污染來源和傳輸特征.

該研究基于石嘴山市2020年1月1—17日重點(diǎn)污染時(shí)段氣象和環(huán)境多源數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析、污染特征雷達(dá)圖、氣流后向軌跡聚類及天氣診斷相結(jié)合的方法，分析了污染物一次排放和二次轉(zhuǎn)化、區(qū)域傳輸與不利氣象條件等因素綜合作用對(duì)重污染過程的影響，以期為石嘴山市靈活、高效、科學(xué)地應(yīng)對(duì)重污染天氣提供參考.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

石嘴山市2020年1月PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3質(zhì)量濃度日均值和逐小時(shí)數(shù)據(jù)來源于石嘴山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站；同期內(nèi)蒙古自治區(qū)各地級(jí)市常規(guī)污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3)質(zhì)量濃度日均值和逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來自全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://106.37.208.233:20035)；全國(guó)加密自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料來源于寧夏回族自治區(qū)氣象信息中心，包括逐小時(shí)氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、氣壓、能見度等；另外，還使用了NCEP (National Centers for Environmental Prediction，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心)空間分辨率為2.5°×2.5°、時(shí)間分辨率為6 h的大氣環(huán)流場(chǎng)再分析資料.

1.2 污染特征雷達(dá)圖

污染特征雷達(dá)圖是一種在常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)多種污染物進(jìn)行百分比成分譜化，扣除污染物濃度波動(dòng)對(duì)污染特征表現(xiàn)形式的影響；將百分比化的成分譜除以一定時(shí)期(或一定區(qū)域)的平均百分比化成分譜得到標(biāo)準(zhǔn)化特征譜；將特定時(shí)間或站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化特征譜與一定時(shí)期(或一定區(qū)域)的平均百分比化成分譜(包括標(biāo)準(zhǔn)偏差)共同繪制在雷達(dá)圖上，直觀快速地突顯特定時(shí)間或站點(diǎn)多種污染物的特征與一定時(shí)期(或一定區(qū)域)平均污染物特征之間的差異，從而為污染特征和成因分析提供直觀快速和便利的手段，其包含的污染物因子包括SO2、NO2、CO、PM2.5和粗顆粒(PM10中扣除PM2.5的部分)，數(shù)據(jù)前處理算法和劃分污染類型的定量指標(biāo)可參見文獻(xiàn)[26].

1.3 后向軌跡聚類分析

后向軌跡模式(HYSPLIT)被廣泛應(yīng)用于跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體的移動(dòng)方向，分析污染物來源和傳輸路徑等[27]. 該模式利用NCEP網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù)，對(duì)任一地點(diǎn)到達(dá)受點(diǎn)的氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行模擬，基于后向軌跡分布特征，使用角距離分類，計(jì)算每2條軌跡組合的空間相似度，對(duì)所有到達(dá)模式受點(diǎn)區(qū)域的氣團(tuán)軌跡進(jìn)行聚類分組，得到不同的輸送氣流類型，在此基礎(chǔ)上對(duì)聚類后的各類軌跡進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析受點(diǎn)的外來氣團(tuán)輸送路徑.

該研究選取石嘴山市自動(dòng)氣象觀測(cè)站(39°02′N、106°38′E)為模擬受點(diǎn)，起始高度為500 m，時(shí)間為2020年1月1—17日，每天(00:00—23:00)逐小時(shí)計(jì)算到達(dá)石嘴山市的72 h后向軌跡，通過系統(tǒng)聚類方法中的Ward′s方差法進(jìn)行聚類，并對(duì)氣流后向軌跡聚類結(jié)果進(jìn)行分析，從而研究該市大氣輸送特征和污染物的可能來源[28-29].

2 結(jié)果與討論

2.1 2020年1月大氣污染特征

為分析2020年1月寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大氣污染整體狀況，根據(jù) HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》，以ρ(PM2.5)為75～115 μg/m3(對(duì)應(yīng)AQI為101～150)、ρ(PM2.5)為115～150 μg/m3(對(duì)應(yīng)AQI為151～200)、ρ(PM2.5)為150～250 μg/m3(對(duì)應(yīng)AQI為201～300)作為輕度、中度和重度污染篩選條件，對(duì)1月1—31日AQI和5種主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO)小時(shí)和日均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì). 由圖1可見，2020年1月石嘴山市出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的PM2.5污染天氣，累計(jì)出現(xiàn)輕度及以上污染天數(shù)達(dá)22 d，ρ(PM2.5)月均值達(dá)111 μg/m3，是GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(35 μg/m3)的3.2倍. 1月1—17日為重點(diǎn)污染時(shí)段，中度及以上污染天氣達(dá)12 d，期間1—3日、9—10日、12日、15—17日共9 d達(dá)重度污染，ρ(PM2.5)日均值超過了GB 3095—2012四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(150 μg/m3).

圖1 2020年1月1—31日石嘴山市AQI及5種主要污染物濃度逐日變化情況Fig.1 The daily changes of AQI and the concentration of five major pollutants in Shizuishan City during January 1st to 31st, 2020

重點(diǎn)污染時(shí)段(1月1—17日)，ρ(PM2.5)與ρ(PM10)、ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(CO)變化趨勢(shì)基本一致，但也存在差異. 1—2日重污染天氣中ρ(SO2)、ρ(CO)較高，3日重污染天氣中ρ(NO2)較高；9—10日、12日、15—17日重污染天氣中ρ(SO2)、ρ(CO)與1—2日相比明顯偏低，ρ(NO2)與3日相比也偏低，其中，9日為最嚴(yán)重污染時(shí)段，ρ(PM2.5)和AQI均達(dá)峰值，分別為216 μg/m3和266.

2.2 重點(diǎn)污染時(shí)段污染特征和成因

研究[30]表明，5種污染物(SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10)中SO2、NO2、CO和PM10主要來自一次來源，PM2.5既有一次來源也有二次來源[31]. 其中，SO2主要來自燃煤、化工、鋼鐵等工業(yè)過程[32]，NO2主要來自燃煤、工業(yè)過程(焦化、玻璃等)、機(jī)動(dòng)車[33]，CO主要來自燃煤、機(jī)動(dòng)車、鋼鐵及生物質(zhì)等不完全燃燒[34]，PM10主要來自揚(yáng)塵[35]. 為進(jìn)一步分析5種污染物濃度的日變化特征，采用污染特征雷達(dá)圖分析方法將石嘴山市重點(diǎn)污染時(shí)段(1月1—17日)5種污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)化處理后繪制在雷達(dá)圖上(見圖2)，探討相關(guān)源排放對(duì)ρ(PM2.5)的影響.

圖2 2020年1月1—17日石嘴山市污染特征雷達(dá)圖Fig.2 The radar map of pollution characteristics in Shizuishan City from January 1st to 17th, 2020

研究[26]表明，污染特征雷達(dá)圖上特征值越突出的物種，與其相關(guān)的源排放在該城市貢獻(xiàn)越大. 由圖2可見：1月1日SO2、CO特征值超出標(biāo)準(zhǔn)值上限，表明污染特征受燃煤和工業(yè)排放(鋼鐵、焦化)等影響；3日 NO2特征值超出標(biāo)準(zhǔn)值上限，SO2、CO特征值偏高，表明污染特征受燃煤、工業(yè)排放(鋼鐵、焦化)和機(jī)動(dòng)車尾氣污染排放影響；9日PM2.5和PM10特征值均超出標(biāo)準(zhǔn)值上限，表明污染特征受二次顆粒物生成影響顯著，本地?fù)P塵對(duì)ρ(PM2.5)也有貢獻(xiàn)；其他時(shí)段無污染物特征值明顯超出標(biāo)準(zhǔn)值上限，由污染物累積和混合造成.

從5種主要污染物濃度逐日變化及污染特征雷達(dá)圖分析可初步研判，1日、3日重污染天氣主要受燃煤、工業(yè)(鋼鐵、焦化)和機(jī)動(dòng)車等高強(qiáng)度污染排放影響，PM2.5主要來自一次源；9日重污染天氣PM2.5受二次顆粒物生成影響顯著，本地?fù)P塵也有貢獻(xiàn)，其他時(shí)段重污染天氣由污染物累積和混合造成.

2.3 區(qū)域污染傳輸對(duì)ρ(PM2.5)的影響分析

2.3.1氣流后向軌跡聚類特征

為探究周邊區(qū)域污染傳輸對(duì)寧夏回族自治區(qū)石嘴山市污染天氣的影響，采用氣流后向軌跡聚類分析方法對(duì)2020年1月1—17日石嘴山市氣團(tuán)軌跡進(jìn)行聚類. 由表1可見：第一類、第六類、第三類、第四類氣流軌跡分別來自我國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)中部、東部以及蒙古國(guó)中部、西南部，分別占軌跡總數(shù)的17.6%、11.8%、11.8%和17.6%，這4類氣流軌跡傳輸高度高、距離較遠(yuǎn)，將西北和偏北方向清潔干冷空氣向?qū)幭幕刈遄灾螀^(qū)輸送；第二類氣流軌跡來自偏南方向的陜西省寶雞市，氣流軌跡數(shù)量占比最大，為29.4%，該氣流使暖濕空氣向?qū)幭幕刈遄灾螀^(qū)輸送，造成寧夏回族自治區(qū)南部山區(qū)出現(xiàn)多次降雪，北部持續(xù)陰天高濕；第五類氣流軌跡來自東北方向的內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市，迂回途徑烏海市，并停留一段時(shí)間從偏北方向到達(dá)石嘴山市，占軌跡總數(shù)的11.8%，氣流軌跡傳輸高度低、距離近，易使烏海市及周邊污染氣團(tuán)向石嘴山市輸送[28-29].

表1 2020年1月1—17日石嘴山市氣團(tuán)軌跡聚類結(jié)果

由氣流后向軌跡聚類分析結(jié)果可知，石嘴山市2020年1月重點(diǎn)污染時(shí)段ρ(PM2.5)可能受烏海市及其周邊污染氣團(tuán)跨區(qū)域傳輸影響.

2.3.2區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化及其對(duì)ρ(PM2.5)的影響分析

為進(jìn)一步探究烏海市及其周邊污染氣團(tuán)對(duì)石嘴山市污染天氣的影響，利用西北區(qū)域加密自動(dòng)氣象觀測(cè)資料，繪制了逐時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速時(shí)空分布圖，分析了風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化及其對(duì)石嘴山市ρ(PM2.5)的影響. 從逐時(shí)加密自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化看，2020年1月1—17日重點(diǎn)污染時(shí)段，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市—包頭市—巴彥淖爾市—烏海市一帶持續(xù)存在氣旋式輻合低壓，其中，包頭市和烏海市是內(nèi)蒙古自治區(qū)重工業(yè)區(qū)，氣旋式輻合低壓使烏海市及其周邊邊界層內(nèi)形成污染氣團(tuán). 2020年1月內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、包頭市的污染天氣也主要集中在1月1—17日，特別是包頭市出現(xiàn)了10 d重度及以上污染天氣，烏海市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市則以輕度污染為主. 由于烏海市距離石嘴山市較近，境內(nèi)重點(diǎn)污染企業(yè)也主要集中在其西部的烏達(dá)區(qū)和東南部的海南區(qū)，環(huán)境空氣質(zhì)量國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在烏海市區(qū)，重點(diǎn)污染時(shí)段巴彥淖爾市—烏海市大部分時(shí)段為一致偏北風(fēng)，使處于其下風(fēng)方的石嘴山市污染程度明顯加重. 從1月1—18日逐小時(shí)ρ(PM2.5)變化(見圖3)來看，石嘴山市ρ(PM2.5)小時(shí)值超過75 μg/m3(輕度及以上污染等級(jí))的占比達(dá)78.2%，其中，ρ(PM2.5)小時(shí)值超過150 μg/m3(重度及以上污染等級(jí))的占比為47.4%；石嘴山市ρ(PM2.5)出現(xiàn)多次爆發(fā)式增長(zhǎng)和迅速降低，而烏海市ρ(PM2.5)較石嘴山市明顯偏小，波動(dòng)幅度也較小. 該研究重點(diǎn)對(duì)1日、4日、7日、14日、17日西北區(qū)域加密自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化進(jìn)行分析，并結(jié)合ρ(PM2.5)演變特征，探究烏海市及其周邊污染氣團(tuán)對(duì)石嘴山市ρ(PM2.5)的影響.

圖3 2020年1月1—18日石嘴山市及烏海市逐小時(shí)ρ(PM2.5)變化特征Fig.3 The hourly ρ(PM2.5) variation characteristics in Shizuishan City and Wuhai City from January 1st to 18th， 2020

圖4 2020年1月1—18日西北區(qū)域加密自動(dòng)站風(fēng)向、風(fēng)速空間分布特征Fig.4 The spatial distribution characteristics of wind direction and wind speed of automatic weather station in northwest China during January 1st-18th， 2020

由圖3、4可見：1月1日00:00，巴彥淖爾市—烏海市—石嘴山市為一致偏北風(fēng)，風(fēng)速小于2 m/s，石嘴山市南部的銀川市為偏南風(fēng)；1日00:00—11:00，11 h 內(nèi)石嘴山市ρ(PM2.5)從102.7 μg/m3(輕度污染)迅速升至342.3 μg/m3(嚴(yán)重污染)，ρ(PM2.5)出現(xiàn)了短時(shí)間爆發(fā)式增長(zhǎng)(記為“BF-1”)，1日空氣質(zhì)量為重度污染. 4日00:00，石嘴山市北部和烏海市海南區(qū)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，風(fēng)速增至6 m/s；4日00:00—08:00，8 h 內(nèi)石嘴山市ρ(PM2.5)從216.3 μg/m3(重度污染)迅速降至73.7 μg/m3(良)(記為“JD-1”)，4日空氣質(zhì)量為輕度污染. 5日07:00，巴彥淖爾市—烏海市轉(zhuǎn)為一致偏北風(fēng)，石嘴山市為偏東風(fēng)，風(fēng)速小于2 m/s；5日 07:00—13:00，6 h內(nèi)石嘴山市ρ(PM2.5)從100.7 μg/m3(輕度污染)迅速升至268.0 μg/m3(嚴(yán)重污染)，ρ(PM2.5)又出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)(記為“BF-2”)，5日空氣質(zhì)量為中度污染. 6日20:00，內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部氣旋式輻合低壓減弱向偏東方向移動(dòng)，石嘴山市北部及烏海市區(qū)域加密自動(dòng)站風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速增至4 m/s；6日20:00—7日03:00，7 h內(nèi)石嘴山市ρ(PM2.5)從121.7 μg/m3(中度污染)迅速降至19 μg/m3(優(yōu))(記為“JD-2”)，7日空氣質(zhì)量為良. 8日15:00，內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部氣旋式輻合低壓加強(qiáng)并向偏西方向后退，巴彥淖爾市—烏海市—石嘴山市北部又轉(zhuǎn)為一致偏北風(fēng)，石嘴山市中部為偏東風(fēng)，風(fēng)速小于2 m/s；8日15:00—9日02:00，11 h內(nèi)ρ(PM2.5)從34.7 μg/m3(優(yōu))迅速升至278.3 μg/m3(嚴(yán)重污染)，出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)(記為“BF-3”)，9日空氣質(zhì)量為重度污染. 13日20:00，內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部氣旋式輻合低壓減弱，范圍縮小，略向北移，石嘴山市北部及烏海市南部地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，風(fēng)速增至4～6 m/s；13日20:00—14日03:00，7 h內(nèi)石嘴山市ρ(PM2.5)從176.7 μg/m3(重度污染)迅速降至44.3 μg/m3(良)(記為“JD-3”)，14日空氣質(zhì)量為良. 15日00:00，內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部氣旋式輻合低壓加強(qiáng)，范圍擴(kuò)大，巴彥淖爾市—烏海市—石嘴山市北部再次轉(zhuǎn)為一致偏北風(fēng)，石嘴山市中部為弱偏東風(fēng)，風(fēng)速小于2 m/s；15日00:00—05:00，5 h內(nèi)石嘴山市ρ(PM2.5)從60.0 μg/m3(良)迅速升至335.3 μg/m3(嚴(yán)重污染)，出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)(記為“BF-4”)，15日空氣質(zhì)量為重度污染. 18日00:00，內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部氣旋式輻合低壓減弱東移，巴彥淖爾市—烏海市—石嘴山市北部轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)；18日00:00—08:00，8 h內(nèi)ρ(PM2.5)從256.0 μg/m3(嚴(yán)重污染)迅速降至32.3 μg/m3(優(yōu))(記為“JD-4”)，18日空氣質(zhì)量為良.

從逐時(shí)加密自動(dòng)站風(fēng)向、風(fēng)速時(shí)空分布特征看：ρ(PM2.5)爆發(fā)階段，巴彥淖爾市—烏海市—石嘴山市北部多為一致偏北風(fēng)，風(fēng)速小于2 m/s，有利于烏海市及其周邊污染物向南擴(kuò)散，石嘴山市中部為偏北風(fēng)與偏東或偏南風(fēng)輻合，西部賀蘭山地形的阻擋加重了其輻合程度，使空氣中的水汽在此匯聚，為二次反應(yīng)提供高濕條件，這種正反饋?zhàn)饔么侔l(fā)石嘴山市ρ(PM2.5)爆發(fā)式增長(zhǎng)[36]；而ρ(PM2.5)迅速降低階段，石嘴山市北部及烏海市則為西北風(fēng)或偏南風(fēng)，風(fēng)速增至4～6 m/s，有利于烏海市及其周邊污染物擴(kuò)散，污染強(qiáng)度減弱，從而使石嘴山市ρ(PM2.5)短時(shí)間內(nèi)迅速降低.

區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化及其對(duì)石嘴山市ρ(PM2.5)影響分析進(jìn)一步表明，烏海市及其周邊污染氣團(tuán)跨區(qū)域傳輸對(duì)石嘴山市2020年1月重點(diǎn)污染時(shí)段ρ(PM2.5)的影響較大.

2.4 氣象條件分析

2.4.1環(huán)流背景特征

影響空氣質(zhì)量的因素，除了人為污染物的排放和區(qū)域傳輸?shù)葍?nèi)因外，還受天氣形勢(shì)驅(qū)動(dòng)這一外因的影響，天氣形勢(shì)從根本上決定了氣象要素的分布和變化，從而決定了大氣的擴(kuò)散能力與穩(wěn)定程度，在一定的污染源排放下，不同的氣象條件可以導(dǎo)致不同的ρ(PM2.5)變化趨勢(shì)[37-38].

從2020年1月1—17日平均環(huán)流場(chǎng)看，歐亞大陸500 hPa中高緯度為緯向弱西風(fēng)氣流〔見圖5(a)〕，近地面蒙古高壓穩(wěn)定少動(dòng)、強(qiáng)度弱，寧夏回族自治區(qū)北部處在均壓場(chǎng)和蒙古高壓底部弱偏北氣流中，中南部地區(qū)處在低壓倒槽前部東南氣流中〔見圖5(b)〕. 受緯向弱西風(fēng)氣流影響，寧夏回族自治區(qū)北部城市石嘴山市1月上旬和中旬持續(xù)陰天或多云，受低壓倒槽前部東南氣流水汽輸送影響，寧夏回族自治區(qū)南部城市中衛(wèi)市、固原市出現(xiàn)了多次明顯的降雪天氣，北部城市石嘴山市則持續(xù)高濕.

圖5 2020年1月1—17日平均環(huán)流場(chǎng)Fig.5 The average circulation field from January 1st to 17th, 2020

環(huán)流背景特征分析表明，高空緯向弱西風(fēng)氣流使到達(dá)地面的冷空氣弱，近地面為均壓場(chǎng)，石嘴山市近地層多靜小風(fēng)，污染物水平擴(kuò)散條件差. 持續(xù)陰天或多云使到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度減弱，近地面增溫慢，有利于逆溫的持續(xù)維持，污染物垂直擴(kuò)散條件差[24]. 不利的污染擴(kuò)散氣象條件使污染物不斷累積，高濕有利于污染物吸濕積累和二次轉(zhuǎn)化，促使ρ(PM2.5)升高[36]；同時(shí)，蒙古弱高壓的穩(wěn)定少動(dòng)，也使我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部(鄂爾多斯市—包頭市—巴彥淖爾市—烏海市)輻合低壓長(zhǎng)時(shí)間維持，其位置、強(qiáng)度和范圍的變化使烏海市及周邊區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)向、風(fēng)速均發(fā)生變化，引起烏海市及其周邊污染氣團(tuán)出現(xiàn)南北振蕩和強(qiáng)弱變化，從而使石嘴山市ρ(PM2.5)出現(xiàn)了多次爆發(fā)式增長(zhǎng)或迅速降低的特征.

2.4.2氣象要素特征

為分析局地氣象要素變化對(duì)石嘴山市ρ(PM2.5)的影響，選取石嘴山自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，對(duì)1月1—17日重點(diǎn)污染時(shí)段不同污染等級(jí)對(duì)應(yīng)的逐時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì). 由表2可見：優(yōu)良時(shí)段石嘴山市主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)和偏南風(fēng)，輕度及以上污染時(shí)段主要風(fēng)向均為偏北風(fēng)和偏東風(fēng)；優(yōu)良到重度污染時(shí)段的平均風(fēng)速從1.5 m/s減至0.7 m/s，相對(duì)濕度從58%增至78%，平均氣溫從-5.5 ℃減至-7.4 ℃，海平面氣壓從 1 030 hPa增至 1 033 hPa.

表2 2020年1月1—17日石嘴山市不同級(jí)別污染氣象條件參數(shù)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，不同級(jí)別污染的海平面氣壓變化相對(duì)較小，說明重點(diǎn)污染時(shí)段影響寧夏回族自治區(qū)的冷空氣勢(shì)力較弱. 由于石嘴山市位于賀蘭山東側(cè)“背風(fēng)坡”，其西側(cè)和北側(cè)受賀蘭山弧形包圍，弱冷空氣翻越賀蘭山后，“背風(fēng)坡”效應(yīng)所導(dǎo)致的下沉氣流和“弱風(fēng)效應(yīng)”使冬季石嘴山市及周邊地區(qū)為顯著的下沉氣流區(qū)，不利于大氣對(duì)流擴(kuò)散及污染物清除. 另外，弱冷空氣翻越賀蘭山后在石嘴山市多轉(zhuǎn)為弱偏北風(fēng)或偏東風(fēng)，偏北風(fēng)易使烏海市及其周邊污染物向石嘴山市輸送，偏東風(fēng)使污染物受賀蘭山阻擋不易向周邊擴(kuò)散，所以當(dāng)石嘴山市為偏北或偏東風(fēng)時(shí)，易形成污染天氣，隨著風(fēng)速減小，污染加重. 而石嘴山市西北方向多為茫茫戈壁灘，污染企業(yè)較少，當(dāng)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)時(shí)，多帶來的是較為清潔空氣；同時(shí)，西北風(fēng)也有利于本地污染向東南方向擴(kuò)散，偏南風(fēng)有利于本地污染向北擴(kuò)散，也阻擋了烏海市及其周邊污染向南傳輸，所以當(dāng)石嘴山市風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)或偏南風(fēng)時(shí)，隨著風(fēng)速增大，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn). 氣象條件影響著大氣污染，而大氣污染持續(xù)累積會(huì)顯著改變邊界層氣象條件[36]，污染過程中優(yōu)良到重度污染時(shí)段平均氣溫的降低和相對(duì)濕度的增大較明顯. 隨著污染的加重，能見度降低，到達(dá)地面的太陽輻射減弱，近地面升溫慢，有利于逆溫維持和加強(qiáng)，導(dǎo)致大氣垂直方向靜穩(wěn)度增加，大氣邊界層高度降低，對(duì)污染物垂直擴(kuò)散不利；近地層氣溫減小和邊界層高度降低也使相對(duì)濕度增加，有利于細(xì)顆粒物的吸濕增長(zhǎng)和二次顆粒物生成，這種雙向正反饋?zhàn)饔么偈勾髿馕廴具M(jìn)一步加重.

3 結(jié)論與展望

a) 1月1日、3日重污染天氣主要受燃煤、工業(yè)(鋼鐵、焦化)和機(jī)動(dòng)車等高強(qiáng)度污染排放影響，PM2.5主要來自一次源；9日重污染天氣，PM2.5受二次顆粒物生成影響顯著，本地?fù)P塵也有貢獻(xiàn)，ρ(PM2.5)和AQI均達(dá)峰值，分別為216 μg/m3和266；其他時(shí)段重污染天氣由污染物累積和混合造成.

b) 氣流后向軌跡聚類結(jié)合區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化分析結(jié)果表明，烏海市及其周邊污染氣團(tuán)的跨區(qū)域傳輸對(duì)石嘴山市ρ(PM2.5)的影響較大. 當(dāng)巴彥淖爾市—烏海市—石嘴山市為一致偏北氣流、風(fēng)速小于2 m/s時(shí)，易使烏海市及其周邊污染氣團(tuán)向南擴(kuò)散傳輸，石嘴山市ρ(PM2.5)出現(xiàn)短時(shí)間爆發(fā)式增長(zhǎng)；當(dāng)石嘴山市北部及烏海市區(qū)域加密自動(dòng)站風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南或西北風(fēng)，風(fēng)速增至4～6 m/s時(shí)，易使烏海市及其周邊污染氣團(tuán)強(qiáng)度減弱，并向北或向東擴(kuò)散，石嘴山市ρ(PM2.5)短時(shí)間內(nèi)迅速降低.

c) 當(dāng)500 hPa歐亞大陸中高緯度盛行緯向弱西風(fēng)氣流、近地面石嘴山市處在蒙古弱高壓底部均壓場(chǎng)、風(fēng)向?yàn)槿跗憋L(fēng)或偏東風(fēng)時(shí)，易形成持續(xù)性PM2.5污染天氣. 當(dāng)風(fēng)速減至0.7 m/s、相對(duì)濕度增至78%時(shí)，污染加重；當(dāng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)和偏南風(fēng)，風(fēng)速增至1.5 m/s時(shí)，有利于污染擴(kuò)散，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn).

d) 該研究利用多源數(shù)據(jù)及多種分析方法，探討了多重因素綜合作用對(duì)寧夏回族自治區(qū)典型工業(yè)城市石嘴山市2020年1月重污染過程的影響，以期為該市靈活、高效、科學(xué)地應(yīng)對(duì)重污染天氣提供參考依據(jù). 為進(jìn)一步提升大氣污染源精細(xì)化管控的決策支撐能力，2020年9月石嘴山市建成了大氣顆粒物化學(xué)組分監(jiān)測(cè)站，基于化學(xué)組分觀測(cè)資料的石嘴山市重污染天氣污染特征和PM2.5來源解析還有待進(jìn)行一步研究.