呼和浩特市大气自净能力变化及其影响因素

刘 新，刘林春，赵艳丽，仲 夏，申紫薇，刘诗梦

(1.内蒙古自治区气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区气象台，内蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

近年来，随着城市的快速发展，城市空气污染问题日益突出。空气污染不仅受排放源及污染物变化过程影响，同时还与气象条件密切相关[1-4]，在污染物一定的条件下，气象条件变化对污染程度起决定性作用[5-7]，不利的气象条件会加剧局地污染程度[8-9]。目前关于空气污染气象条件的研究主要围绕单一气象因子、大气边界层、环流形势等特征进行，研究表明天气形势和气象要素与污染物的排放、扩散、传输、转化和沉降有非常密切的关系[10]，东亚冬季风偏弱、500 hPa高压异常、500 hPa及地面风速偏低、对流层底层存在逆温层、高温和高湿等气象条件均是影响大气重污染过程的重要因素[11-14]。也有研究尝试构建空气污染气象条件定量化分析指标，如气溶胶污染气象条件指数(PLAM)在空气质量气象条件预报、沙尘天气过程研究等方面均有较好应用[15-17]；利用海平面气压、24 h变温、24 h变压等9个与大气污染相关的气象因子构建的静稳天气综合指数(SWI)对持续重污染过程有较好的指示作用[18]；根据大气自身所具有的对大气污染物的通风稀释和湿清除能力建立的大气自净能力指数在大气污染防控措施效果评估及空气污染潜势预测方面有较好的应用[19-21]。

呼和浩特市属于煤烟型大气污染较为严重的城市，尤其是冬季采暖期污染最为严重[22]。但目前关于定量化评估呼和浩特市容易造成空气污染的气象条件及其长期演变规律的相关研究工作仍然较少。本研究利用历史地面气象观测数据建立大气自净能力指数以表征气象条件状况，定量分析气象条件与空气质量的关系，探讨近38 a呼和浩特市大气自净能力变化特征及其影响因素，以期为大气污染防控及生态文明建设气象服务保障提供科学依据。

1 数据和方法

1.1 数 据

气象数据为呼和浩特站地面气象观测资料，包括1981—2018年呼和浩特市逐日风速、降水量及日最低气温数据。空气污染数据源于中国空气质量在线监测分析平台历史数据，包括2014—2018年呼和浩特市PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3污染物逐日平均质量浓度。夜间灯光数据源于NOAA NGDC (NOAA’s National Geophysical Data Center) 提供的1993—2013年稳定夜间灯光数据，本文使用的是经过辐射定标的平均灯光强度图像，是全年观测资料的平均值，以影像像元的亮度值作为夜间灯光指数，代表平均灯光强度，其范围为0～63，空间分辨率为0.00833°。

1.2 方 法

1.2.1 大气自净能力指数ASI

大气自净能力指数(ASI)代表大气自身运动对大气污染物的通风扩散和降水清除能力，计算公式[20]如下：

(1)

(2)

式中：VE(m2·s-1)为大气通风量；z(m)为高度，u(m·s-1)为所在高度处的风速；H(m)为混合层高度；Wr为雨洗常数，取6×105；R(mm·d-1)为降水率即单位时间内的降水量；S为区域面积，取100 km2；Cs取PM2.5达标质量浓度0.075 mg·m-3。ASI(t·d-1·km-2)值越大，代表大气对污染物的清除能力越强，反之越弱。在气候评价业务应用中，通常将ASI划分为5个等级：ASI≤1.5 t·d-1·km-2时，大气自净能力弱；1.55.5 t·d-1·km-2时，大气自净能力强。

1.2.2 冷空气强度

单站冷空气指某站一定时间内降温幅度达到一定程度的降温现象。依据单站降温幅度和日最低气温Tmin确定该站的冷空气强度等级[23]，具体划分情况见表1。

表1 单站冷空气强度等级划分Tab.1 Grade classification of cold air intensity for single-station

2 结果与分析

2.1 大气自净能力与空气质量的关系

图1为2014—2018年呼和浩特市逐日ASI与AQI散点图。可以看出，ASI与AQI呈幂函数的负相关关系，相关系数为-0.42，通过0.001显著性检验。ASI越小，AQI越大，反之亦然，这与朱蓉等[12]对北京市和京津冀平原地区ASI与AQI关系的分析结论一致，表明ASI能够较好地反映呼和浩特市气象条件与空气质量的关系。

图1 2014—2018年呼和浩特市逐日ASI与AQI散点图Fig.1 The scatter plot between daily ASI and AQI in Hohhot city from 2014 to 2018

呼和浩特市空气污染主要发生在秋冬季节，2015年11—12月呼和浩特市发生了持续时间较长、程度重的空气污染过程，近5 a出现的共17 d重度空气污染日中有10 d出现在该时段。图2为呼和浩特市2015年11—12月逐日ASI与AQI变化。可以看出，ASI与AQI呈明显的负相关关系，特别是11月末至12月，ASI>5 t·d-1·km-2的日数仅有6 d，其余日数ASI均为0.1～2.5 t·d-1·km-2，ASI持续较低，不利于空气污染物的扩散稀释，导致呼和浩特市出现了较长时间的空气污染过程，其间甚至出现严重污染。

图2 呼和浩特市2015年11—12月逐日ASI与AQI变化Fig.2 The variation of daily ASI and AQI in Hohhot city from November to December 2015

2.2 大气自净能力变化

2.2.1 月际变化

表2列出1981—2018年呼和浩特市月平均ASI值。可以看出，4月ASI最高，达5.7 t·d-1·km-2，12月最低，仅为2.0 t·d-1·km-2。3—6月ASI均大于4.5 t·d-1·km-2，大气自净能力较强，2月、7—11月ASI为2.8～4.2 t·d-1·km-2，大气自净能力一般，1月和12月ASI均在2.5 t·d-1·km-2以下，大气自净能力较弱。

表2 1981—2018年呼和浩特市月平均ASI值Tab.2 The monthly average ASI in Hohhot from 1981 to 2018

2.2.2 年际变化

图3为1981—2018年呼和浩特市年平均ASI及其距平年际变化。可以看出，1981—2018年呼和浩特市年平均ASI为3.8 t·d-1·km-2，大气自净能力一般。年平均ASI呈显著(P<0.01)下降趋势，每10 a下降0.63 t·d-1·km-2。年平均ASI在20世纪80年代较高，以正距平为主，20世纪90年代略有减小，而进入21世纪后转为负距平。

图3 1981—2018年呼和浩特市年平均ASI及其距平年际变化Fig.3 The inter-annual variation of annual average ASI and its anomaly in Hohhot city from 1981 to 2018

2.3 大气自净能力的影响因素

2.3.1 风速、混合层高度、降水量及冷空气活动

表3列出1981—2018年呼和浩特不同影响因素年平均出现日数及相应的弱大气自净能力日数。可以看出，日平均风速u≤2 m·s-1日数占71.8%，24 m·s-1日数占3.6%。弱大气自净能力日数平均80 d，且主要出现在小风日，占95%，u>4 m·s-1时未出现。风速对大气自净能力有较大影响，风速越小，大气自净能力越弱，越不利于污染物在水平方向上的扩散稀释。

呼和浩特市平均日最大混合层高度H>1000 m日数较多，占52.6%；5001000 m时弱大气自净能力平均仅出现3 d。混合层高度对大气自净能力有较大影响，混合层高度越低，大气自净能力越弱，越不利于污染物在垂直方向上的扩散稀释。

呼和浩特市平均无降水日数居多，占82.5%；日降水量0.15 mm日数仅占6%。弱大气自净能力日主要出现在无降水日，占92.5%；0.15 mm时未出现。降水量对大气自净能力有较大影响，降水量越大，越有利于大气对污染物的冲刷稀释作用。但呼和浩特市全年以无降水日数居多，降水对ASI的影响较为有限。

综上所述，决定通风量大小的地表风速和混合层高度对大气自净能力的长期变化起决定作用，降水量作用则较小。呼和浩特市冷空气活动频繁，往往伴随着大风、降温天气，因此冷空气活动通过影响地表风速进而影响大气自净能力。1981—2018年呼和浩特市年平均无冷空气活动日数为340 d，占93.2%，受冷空气活动影响日数为25 d，占6.8%，其中寒潮、强冷空气和中等强度冷空气影响分别为2 d、7 d和16 d。弱大气自净能力日主要出现在无冷空气活动时，占93.8%，受冷空气活动影响时其出现频率均较小，中等强度冷空气和强冷空气影响下出现频率分别为3.7%和2.5%，受寒潮影响时未出现弱大气自净能力日。

表3 1981—2018年呼和浩特不同影响因素平均出现日数及相应弱大气自净能力日数Tab.3 The annual mean days under different influencing factors and corresponding annual mean weak atmospheric self-cleaning ability days during 1981-2018 in Hohhot

图4为1981—2018年呼和浩特市冷空气活动日数距平年际变化。可以看出，1980年代后期至1990年代多为正距平，冷空气活动较多，21世纪以后多为负距平，冷空气活动明显偏少，这与在21世纪以后ASI持续偏弱的特征基本一致。计算年平均冷空气活动日数与年平均ASI的相关系数发现二者呈显著(p<0.05)正相关关系，相关系数为0.34。冷空气活动对大气自净能力有较大影响，冷空气活动越少，大气自净能力越弱，越不利于污染物的扩散稀释。

2.3.2 城市化进程

夜间灯光数据可用于确定城市建成区范围和城市化发展水平[24]，研究发现用夜间灯光资料提取的城市格局与Landsat TM数据提取的城市格局特征基本一致，可以满足城市化研究需要[25]。图5为1995、2000、2005和2010年呼和浩特市区夜间灯光指数空间分布。可以看出，21世纪之后城市扩张明显，由建成区向四周尤其是向东南方向扩展。

图4 1981—2018年呼和浩特冷空气活动日数距平年际变化Fig.4 The inter-annua variation of anomaly of cold air activity days in Hohhot from 1981 to 2018

图5 1995、2000、2005和2010年呼和浩特市区夜间灯光指数空间分布Fig.5 The spatial distribution of nighttime light index in Hohhot city in 1995, 2000, 2005 and 2010

图6为1992—2013年呼和浩特市区夜间灯光指数及夜间灯光区域面积年际变化。可以看出，二者均呈显著增加趋势，特别是21世纪平均夜间灯光指数增加速率明显高于夜间灯光区域面积，表明进入21世纪之后不仅城区范围在不断扩张，而且城市发展水平在快速提升，城市化进程显著加快。年平均夜间灯光指数及夜间灯光区域面积分别与年平均通风量的相关系数为-0.56和-0.46，表明二者均与通风量呈显著(p<0.01)的负相关关系。随着城市发展，不可避免地引起下垫面粗糙度增加、地表风速减小、逆温现象增多等，进而影响通风量大小。因此，近年来大气自净能力的减弱在一定程度上受城市化作用的影响。

图6 1992—2013年呼和浩特市区夜间灯光指数及夜间灯光区域面积年际变化Fig.6 The inter-annual variation of nighttime light index and nighttime light area in Hohhot city from 1992 to 2013

3 结 论

(1)大气自净能力对空气质量有重要影响，在污染物排放不变的情况下，ASI越小，气象条件越不利于污染物的清除，越容易出现空气污染。

(2)呼和浩特市3—6月气象条件对污染物的清除能力较强，2月、7—11月一般，1月和12月较差。1981—2018年年平均ASI呈显著下降趋势，特别是21世纪之后ASI下降明显。

(3)风速、混合层高度和降水量为构建ASI的主要气象因子，三者的变化均对大气自净能力有重要影响。风速越小，越不利于空气污染物在水平方向上的扩散稀释；混合层高度越低，越不利于空气污染物在垂直方向上的扩散稀释。呼和浩特市属于半干旱区，全年80%以上日数无降水，降水主要集中在7—8月，因此降水对大气自净能力的影响在时间上较为有限。

(4)年平均冷空气活动日数与年平均ASI呈显著的正相关关系，冷空气活动对大气自净能力有较大影响，冷空气活动越少，越不利于空气污染物的扩散稀释，特别是21世纪以后影响更为明显。

(5)年平均夜间灯光指数及夜间灯光区域面积均与年平均ASI呈显著的负相关关系，大气自净能力的变化在一定程度上受城市化进程的影响，特别是21世纪以后的影响更为明显。

本文以ASI为指标定量化分析了呼和浩特市对空气污染扩散稀释起清除作用的大气自净能力的变化，并探讨了气候要素、冷空气活动、城市化活动等对大气自净能力的影响。但影响因素的选取还较为片面，下一步将对气候系统变化等的影响进行深入讨论，并对影响因素的定量化评估进行进一步研究。

DOI:10.1155/2012/238589.