2019年冬季呼和浩特市大气污染频发的气象条件分析

徐丽娜，李 忠，胡亚男，谷新波

(内蒙古自治区气象服务中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

呼和浩特市位于内蒙古阴山山脉中段南麓与黄河北岸之间形成的冲积湖盆地内，北部有大青山遮挡，东及东南被蛮汉山环抱，地势由东北向西南倾斜，呈簸箕形状向西南敞开[1]，大气污染物易受地形阻挡发生积聚，在水平和垂直方向扩散条件较差的不利气象条件下，极易形成重污染天气。呼和浩特市颗粒物(PM10和PM2.5)污染较为严重，近年来O3污染呈现逐年加重趋势[2]，PM10、PM2.5和O33种污染物分别呈现出春冬高夏秋低、冬高夏低、夏高冬低的变化特点，春季与采暖期是呼和浩特重污染的高发期，分别以PM10与PM2.5为首要污染物[3]。近年来，为有效改善秋冬季节空气环境质量，彻底解决季节性大气污染问题，呼和浩特市深入实施锅炉提标改造，严控露天焚烧，对散煤、柴油货车、工业炉窑、挥发性有机物(VOCs)、秸秆禁烧和扬尘等开展了一系列专项治理措施[4]。2013—2017年呼和浩特环境空气质量总体呈改善趋势，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O36项大气污染物中除O3呈现逐年升高趋势外，其他污染物质量浓度均有所下降。与2013年相比，2017年各项污染物质量浓度下降幅度从大到小依次为SO2、CO、PM10和PM2.5，以煤烟型大气污染为主的污染物质量浓度水平大幅下降，呼和浩特逐步转变为大气复合型污染城市[5]。

气象条件与大气污染之间存在密切联系，气象因素是影响空气污染的重要因素之一[6-7]。吴进等[8]指出，气象条件在北京地区污染物浓度爆发性增长过程中具有重要作用。气象条件对大气污染物产生的影响主要表现为对大气对污染物的稀释扩散能力、对大气污染物的物理化学转化过程以及大气状况对污染本身的影响[9]。此前围绕污染过程的气象因子、大气边界层、环流形势等特征展开研究，从定性的角度揭示大气污染的气象条件和动力机制[10-15]。如有研究表明低风速和高相对湿度有利于南京地区霾的形成[16]；冬季受冷高压控制，配合下沉气流有利于浙江地区霾天气形成[17]；变性高压脊控制下，近地层风持续一段小风期，出现气流停滞区，水平扩散条件不好，有利于珠三角地区形成严重的霾天气[18]。呼和浩特冬季上空多为冷性高压控制，小风和静风频率高、昼夜温差大，加之层结稳定，夜间易形成较强的辐射逆温[19]，在地形与热力等因素共同作用下，致使污染物的扩散受到抑制从而造成大气污染，有时甚至产生连续数日的污染天气。斯琴等[20]在对呼和浩特一次严重的雾霾天气成因分析中指出，降水导致相对湿度猛增，而冷空气位置偏北、势力较弱，逆温层维持时间长、厚度较厚是导致此次雾霾天气异常加强并持续的重要原因。

在呼和浩特市纳入京津冀大气污染防治联防联控体系且环境空气质量得到有效改善的背景下，2019年冬季(2019年12月至2020年2月)出现了近5 a来最为严重、持续的污染天气。有利的高低空气象环境配置，导致气溶胶、水汽等在近地层积聚，可能是造成2019年冬季呼和浩特市大气污染频发的重要因素。为提高呼和浩特市大气污染气象条件的预报能力，有必要对呼和浩特市与大气污染扩散紧密相关的气象要素、大气边界层特征等方面进行深入研究。

本文从风速风向、相对湿度、混合层高度、通风系数、逆温强度等方面展开对比分析，总结2019年冬季呼和浩特市大气污染频发的气象条件变化特征，以期为内蒙古深入推进大气污染综合治理提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资 料

逐日空气质量指数(AQI)、空气质量分指数(IAQI)依据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(试行)[21]，由2015—2019年冬季呼和浩特市8个空气质量监测子站的大气污染物(PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3)逐小时质量浓度资料计算得到；气象要素资料分别为2015—2019年冬季呼和浩特市气象监测站风速、风向、相对湿度等逐日观测资料，08:00(北京时，下同)、14:00、20:00总云量、低云量、风速等逐时观测资料以及2019年12月至2020年2月08:00 NCEP FNL 1°×1°再分析资料。

1.2 方 法

1.2.1 混合层高度(MLH)

混合层为湍流特征不连续界面以下湍流较为充分发展的大气层，湍流特征不连续界面的高度即为混合层高度。混合层高度是影响污染物垂直扩散的重要气象参数。近年来，混合层高度多采用数值模拟、微脉冲激光雷达探测、云高计探测等方式来确定[22-24]。依据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》[25]中给出的大气稳定度等级划分与混合层高度计算方法，分别计算2015—2019年冬季呼和浩特市大气稳定度等级与混合层高度。使用帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分类法，将大气稳定度划分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定6级，分别由A、B、C、D、E和F表示，根据地面风速和太阳辐射等级(表1)进行判定，具体判定标准见表2。

表1 太阳辐射等级Tab.1 Solar radiation level

表2 大气稳定度等级Tab.2 Atmospheric stability level

太阳高度角ho的计算公式如下：

式中：δ为太阳倾角；φ为当地纬度；λ为当地经度；t为一天中的时序数，即0，1，2，…，23。

δ计算公式为

式中：θo=360×dn/365；dn为一年中日期序数，即0，1，2，…，364。

在不稳定和中性气象条件下，即大气稳定度为A、B、C和D时，

(3)

在稳定大气层结条件下，即大气稳定度为E和F时，

(4)

式中：MLH为混合层高度；u10为10 m高度平均风速，当u10>6 m·s-1时，取u10=6 m·s-1；a、b为混合层系数，呼和浩特市混合层系数取值见表3；f为地转参数，f=2Ωsinφ，Ω为地转角速度，Ω=7.29×10-5s-1，φ为观测点地理纬度。

表3 呼和浩特市混合层系数取值Tab.3 The value of mixed layer coefficient in Hohhot

由于夜间地面气象观测不进行云量观测，因此只计算08:00、14:00、20:00的大气稳定度等级与混合层高度。

1.2.2 通风系数V

通风系数用于表征大气边界层空气的流动情况，值越小，大气污染扩散能力越弱。通风系数计算公式[26]如下：

V=MLH·v10

(5)

式中：V(m2·s-1)为通风系数；v10(m·s-1)为10 m高度风速。

1.2.3 逆温强度(I)

利用不同等压面之间单位位势高度上温度的垂直递减率代表逆温强度[27]，即

(6)

式中：I[℃·(100 gpm)-1]为逆温强度；T2和T1(℃)分别为上层和下层等压面温度；H2和H1(gpm)分别为上层和下层等压面位势高度。

利用2019年冬季08:00 NCEP FNL 1°×1°再分析资料，分别计算呼和浩特市1000、975、950、925、900、850 hPa不同气压层之间的逆温强度，若任意两气压层之间存在逆温，即判定当日发生逆温，日逆温强度值取不同气压层之间逆温强度最大的值。

2 2019年呼和浩特市冬季空气质量

图1为2015—2019年冬季呼和浩特市不同AQI类别天数。可以看出，2015—2019年冬季大气污染超标(AQI>100)天数共计167 d，占冬季总天数的36.9%，主要污染物为PM2.5。其中2019年冬季空气质量优良天数仅39 d，污染超标天数52 d，占近5 a冬季总超标天数的31.1%，主要污染物为PM2.5。尤其2020年1月空气质量优良天数仅有2 d，轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染天数分别为6、6、14和3 d。2019年冬季污染天数明显增加，且重度污染及严重污染天数显著偏多。

图1 2015—2019年呼和浩特市冬季不同AQI类别天数Fig.1 The days of different air quality index types in winter in Hohhot during 2015-2019

呼和浩特市冬季较易出现污染天气，以PM2.5污染为主，尤以2015年和2019年较为严重，特别是2019年冬季，呈现出污染物积聚难于扩散、污染长时间持续、污染天数和重污染占比均显著增高等特点。

3 气象条件

3.1 风速、风向

风对大气中污染物质量浓度的影响极为显著。大气中的污染物在风的作用下会被稀释扩散或输送到其他地区，风速大小决定风对污染物的输送能力，风速越大，对污染物的稀释扩散及输送能力越强。风向决定污染物的迁移输送方向，污染物在风的输送下沿下风向进行稀释，因此在污染源的下风向地区，大气污染较重。黄蕾等[28]通过计算污染系数(某方位风向频率与该方位风速的比值)，定量说明了不同方位的污染源对研究区的影响程度。

图2为2015—2019年呼和浩特市冬季平均风速与小风日数频率的逐年变化。可以看出，2015—2019年呼和浩特市冬季平均风速为3.4 m·s-1，小风(≤2 m·s-1)日数频率平均为12.4%；而2019年冬季平均风速为3.0 m·s-1，偏小11.8%，小风日数频率为18.0%，偏高5.6%，2019年冬季平均风速较其他年份明显偏小，2015、2019年小风日数频率高于其他年份。平均风速较小、小风日数偏多是导致大气污染频发的重要因素，较小的风速使得污染物在水平方向的输送扩散能力减弱而在近地面层积聚，导致AQI超标，如果大气污染物过度排放，则易引发重污染过程。2019年冬季欧亚中高纬大气环流总体以纬向环流为主，东亚冬季风较常年同期偏弱，东亚槽偏弱、偏东，导致呼和浩特市冬季整体冷空气势力偏弱，风速偏小，不利于污染物扩散。

图2 2015—2019年呼和浩特市冬季平均风速与小风日数频率逐年变化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风风向为东北、东南、西南及西北风的频率分别为6%、1%、8%和85%，2019年冬季最大风风向为东北、东南、西南和西北风频率分别为5%、3%、13%和79%。2019年冬季偏北风出现频率减少，偏南风出现频率增多，尤其是2020年1月偏南风频率由近5 a的9%增至16%。南风频率的增加也可能是2019年冬季大气污染较其他年份偏重的一个主要因素，污染物在输送过程中受到阴山山脉的阻挡，不断在近地层积聚，形成污染。

3.2 相对湿度

湿度对大气中污染物质量浓度也有明显影响。相对湿度高可以造成颗粒物吸湿增长，导致能见度下降，颗粒物吸湿增长进一步为气态污染物提供非均相转化载体，使PM2.5质量浓度骤升。在呼和浩特市PM2.5IAQI与诸多气象因子的相关性分析中，发现相对湿度与其相关性最高，PM2.5质量浓度超标时日平均相对湿度多为51%～87%[2]。图3为2015—2019年呼和浩特市冬季相对湿度与AQI类别为中度及以上污染日数的逐年变化。可以看出，2015—2019年冬季平均相对湿度为49%，而2019年冬季相对湿度达61%，偏高24.5%。冬季相对湿度与AQI类别为中度及以上污染日数的变化趋势有很好的一致性。

图3 2015—2019年呼和浩特市冬季相对湿度与AQI类别为中度及以上污染日数的逐年变化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 混合层高度

混合层具有明显随时间变化特征，不同气象条件和天气过程会影响混合层高度。图4为2015—2019年呼和浩特市冬季08:00、14:00和20:00混合层高度年际变化。可以看出， 08:00、14:00和20:00的平均混合层高度分别为566、928和445 m，2019年冬季这3个时次的混合层高度分别为578、855和381 m。尽管2019年冬季08:00的混合层高度较近5 a有所升高(升高2%)，但14:00与20:00的混合层高度分别降低8%和14%。较低的混合层高度不利于污染物在垂直方向上的输送和扩散，加剧了大气污染。近5 a呼和浩特市冬季14:00混合层高度明显高于08:00和20:00，08:00的混合层高度略高于20:00。2019年冬季20:00的混合层高度不足14:00的一半。

图4 2015—2019年呼和浩特市冬季08:00、14:00和20:00混合层高度年际变化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混合层高度与AQI的相关系数分别为-0.24，-0.39和-0.16。08:00、14:00混合层高度与AQI的相关系数通过显著性检验(P<0.05)，14:00混合层高度与呼和浩特市空气污染关系较密切。通常情况下，14:00的大气自净能力与一天中大气对污染物的最大清除能力接近[29]。综上所述，14:00混合层高度明显偏低使大气对污染物的最大清除能力减弱，是造成2019年冬季大气污染频发的一个重要因素。

3.4 通风系数

2015—2019年冬季呼和浩特市平均通风系数为3267 m2·s-1，2019年冬季通风系数为2635 m2·s-1，偏小19%。较小的通风系数使得大气的污染扩散能力减弱，污染物不断积累，致使污染持续、加重。2019年冬季08:00、14:00和20:00通风系数与AQI的相关系数分别为-0.26(P<0.05)、-0.43(P<0.05)和-0.18，AQI与14:00的通风系数相关性最好。

图5为2020年1月14:00通风系数与近5 a 1月14:00平均通风系数。可以看出，2020年1月14:00的通风系数整体明显偏低，而1月6日14:00的通风系数异常偏高，相应地AQI值仅为39。综上所述，14:00的通风系数可以准确反映大气污染状况，14:00连续的较低混合层高度以及较小的近地层风速，使得通风系数较小，大气的污染扩散能力较弱，导致2020年1月长时间的持续污染。

图5 2020年1月呼和浩特市逐日14:00通风系数与2016—2020年1月逐日14:00平均通风系数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 逆温强度

大气层结的稳定状况是衡量大气稀释扩散能力强弱的重要指标。从热力学角度看，无论是等温层还是逆温层都表示大气层结是稳定的。逆温层如果出现在地面附近，则会限制近地面层强烈乱流运动的发生，如果出现在对流层中某一高度，则会阻碍下方垂直运动的发展，使大量烟尘、水汽等聚集在逆温层下，影响大气污染物的扩散，从而造成或加重大气污染[30-33]。吴战平等[34]在贵阳市两次空气污染过程的气象条件分析中指出，两次污染期间贵阳市上空分别存在不同程度的低层单层逆温和中、低层双层逆温，逆温增强时段与污染最重时段相对应，逆温层的存在大大增强了大气层结稳定度，为污染过程的维持和发展提供了有利的气象条件。逆温厚度越厚，强度越强，大气对污染物扩散能力越弱，逆温层数越多，污染物越不容易扩散[35]。

2019年冬季逆温发生频繁，且均出现在900～850 hPa，逆温日数尤以2020年1月居多，为22 d。图6为2020年1月呼和浩特市AQI类别为中度及以上的污染日850 hPa平均高度场、温度场与10 m风场。可以看出，呼和浩特市位于850 hPa高压中心前部的暖平流中，可能受2019年冬季降雪影响，地面长时间受积雪覆盖，使得近地面层气温较低，高空有暖平流或暖空气入侵，形成较大温差，造成2020年1月长时间的逆温，从而导致持续性的大气污染。

图6 2020年1月呼和浩特市AQI类别为中度及以上的污染日850 hPa平均位势高度场(红色等值线，单位：gpm)、温度场(阴影，单位：℃)与10 m风场(风矢，单位: 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年冬季逆温强度与AQI的相关系数为0.417(P<0.01)。AQI超标天数占逆温日数83.3%。图7为2019年呼和浩特市冬季逐日AQI与逆温强度变化。可以看出，虽然逆温强度不能很好地反映出当日AQI的变化情况，但是可以作为一次污染过程中AQI峰值的研判指标。

图7 2019年呼和浩特市冬季逐日AQI与逆温强度变化Fig.7 The variation of daily AQI and temperature inversion intensity in winter in 2019 in Hohhot

4 结 论

(1)2019年冬季呼和浩特市空气质量优良天数仅39 d，污染超标天数52 d，占近5 a冬季总超标天数的31.1%，主要污染物为PM2.5，为近5 a最严重的冬季污染，呈现出污染物积聚难于扩散，污染长时间持续，污染天数和重污染比例均显著增加等特点。

(2)2019年冬季呼和浩特市严重的大气污染与气象条件密切相关，其间平均风速3.0 m·s-1，较近5 a偏小11.8%，小风日数16 d，偏多45%，南风出现频率16%，增多77.8%，相对湿度达61%，偏高24.5%，平均混合层高度为605 m，较近5 a降低6%，通风系数为2635 m2·s-1，偏小19%，且逆温出现频繁。