呼和浩特市2021年春季一次沙尘回流过程的污染特征分析

韩晨超

(呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010020)

沙尘天气是风将地面尘土、沙粒卷入空中使得空气混浊的一种天气现象统称，包括浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴天气[1-2]，沙尘天气是影响中国北方地区大气环境质量的主要灾害性天气。在沙尘多发季节，交通运输、农牧业生产、人民生活均受影响[3]。2021年3月15日—17日，受强烈蒙古气旋及其后部冷空气影响，呼和浩特地区出现大范围沙尘天气，能见度较低，强度达到强沙尘暴级别，沙尘天气持续时间长，造成AQI指数爆表，出现严重污染。本次沙尘天气范围大、强度强、持续时间长，也是近十年以来内蒙古出现的范围最大、强度最强的沙尘天气过程。笔者利用空气污染数据资料、地面气象观测资料和激光雷达资料对此次沙尘回流天气进行了研究分析。

1 数据来源

笔者主要采用地面观测和激光雷达数据相结合的方式进行研究，其中地面PM2.5、PM10、AQI数据来源于我国空气质量在线监测分析平台，温度、湿度、风向风速数据来源于呼和浩特市赛罕区气象站观测资料，消光系数、退偏比、边界层高度数据来源于呼和浩特站激光雷达监测资料。采用美国国家海洋大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)发布的HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)后向轨迹模式向后追踪48 h污染轨迹。

2 结果与分析

2.1 空气污染数据资料

为了对此次沙尘回流的污染程度有一个更加清楚的认识，笔者分析了呼和浩特2021年3月PM2.5、PM10、AQI和PM2.5/PM10的变化情况，如图1所示。3月呼和浩特市共有2次明显的空气污染天气过程，一次是3月15日—17日，另外一次是3月27日—28日，笔者研究的是第一次空气污染过程。从图1中可以看出，3月15日PM10的数值达到1 510 μg/m3，PM2.5的数值达到525 μg/m3，AQI数值达到500，指数爆表，为本月空气污染最严重的一天。3月16日PM10的数值为300μg/m3，PM2.5的数值为65 μg/m3，AQI数值为175，污染等级降为中度污染。3月17日PM10的数值为494 μg/m3，PM2.5的数值为104 μg/m3，AQI数值为393，受沙尘回流影响，污染等级升为重度污染。3月15日—17日，PM2.5/PM10数值为0.35、0.21、0.21，始终小于0.5，所以此次污染过程以粗颗粒污染物为主。

图1 2021年3月呼和浩特市空气质量指数

2.2 地面观测资料

图2为2021年3月1日—20日呼和浩特地区温度、相对湿度数据折线图。从图中可以看出，3月14日呼和浩特地区日平均气温为9.9 ℃，平均相对湿度为56.5%，日均温和相对湿度都比较高。3月15日日平均气温为1.7 ℃，平均相对湿度为17%，温度和相对湿度较前期有明显的下降，由于前期升温降水偏少，加上“蒙古气旋”的配合，造成了此次沙尘天气强度非常大，且温度、相对湿度与污染程度呈负相关。3月16日与前一日温湿度相差不大，日平均气温为1.9 ℃，平均相对湿度为26%。3月17日温度和相对湿度开始回升，日平均气温为4.8℃，平均相对湿度为47.3%，温度、相对湿度与污染程度呈正相关，由于温湿度条件比15日好，所以污染程度较15日轻，空气质量指数比15日低。

图2 2021年3月1日—20日呼和浩特地区温度、相对湿度折线图

图3为2021年3月14日—20日呼和浩特地区风速风向时序图，从图3中可以看出，受较强的蒙古气旋影响，此次沙尘天气动力条件充足。3月14日夜间开始呼和浩特地区风速开始增大，风向为西北风，最大值为13.7 m/s，达到6级以上大风。大风天气持续到15日夜间，随着气旋过境，风力减弱。随着地面风场转变，16日下午开始，由于呼和浩特市位于高压系统底后部，受东南风向影响，沙尘气团向北回流，呼和浩特地区再次受到沙尘影响，17日出现严重污染。

图3 2021年3月14日—20日呼和浩特地区风速风向时序图

2.3 沙尘传输路径

图4 2021年3月15日、17日18时(40.48°N111.41°E)后向轨迹模拟图

图4为2021年3月15、17日18时后向轨迹模拟图，以呼和浩特市(40.48°N 111.41°E)为起始点，选取了100 m、500 m、1 000 m等3个高度作为起始高度，采用HYSPLIT模式进行逐6 h后向轨迹模拟，每条轨迹模拟时长48 h。从模拟结果可以看出，3月15日气团的传输路径为西北路径，经蒙古国到达内蒙古自治区，一路南下，直达呼和浩特市，轨迹较长，表明气团移动速度较快。17日气团的路径为东南路径，气团沿着此路径又回到了呼和浩特市，这与风向风速数据相吻合，验证了17日的污染天气与沙尘回流输送直接相关。

2.4 激光雷达数据分析

图5 呼和浩特地区2021年3月14日11时—16日00时激光雷达退偏比数据

图5～图7为呼和浩特地区2021年3月14日11时—16日00时激光雷达退偏比、消光系数、边界层高度数据，从图6中可以看出，14日23时前呼和浩特地区消光系数较大，退偏比较小，判断为一次以细粒子为主的污染，且边界层高度位于1 km附近，雾霾影响特征明显；23时开始，受高压系统移入影响，边界层高度向下传递，且退偏比高度下降并接地，污染边界层高度在15日凌晨最低达到225 m，此时对应沙尘开始，说明本次沙尘过程的沙源主要来自上游。15日13时消光系数、退偏比有所降低，此时，呼和浩特地区消光系数较小，退偏比较大，以粗粒子污染为主，污染边界层高度有所上升，达到1 km左右。

图6 呼和浩特地区2021年3月14日11时—16日00时激光雷达消光系数

图7 呼和浩特地区2021年3月14日11时—16日00时激光雷达边界层高度

3 结论

呼和浩特市空气质量在2021年3月15日—17日连续超标，在此次过程中受到外来沙尘两次输送影响。3月15日主要是由蒙古气旋过境并携带沙尘沿西北路径输送造成，3月17日是由于前一次沙尘离境后，并未远离呼和浩特市及完全沉降，由东南向回流二次输送造成再次污染。

2021年3月15日，呼和浩特市PM10的数值达到1 510 μg/m3，PM2.5的数值达到525 μg/m3，AQI数值达到500，污染严重，，PM2.5/PM10数值为0.35，小于0.5，所以此次污染过程以粗颗粒污染物为主。温度、相对湿度较低，不利于污染物的扩散，且温度、相对湿度与污染程度呈负相关。风向为西北风，风速最大值为13.7 m/s，达到6级以上大风，动力条件充足。后向轨迹模拟可以看出此次污染天气的沙尘来源于蒙古国，污染边界层高度最低达到225 m，激光雷达退偏比、消光系数数值较高，污染严重。

2021年3月17日，PM10的数值为494 μg/m3，PM2.5的数值为104 μg/m3，AQI数值为393，受沙尘回流影响，污染等级升为重度污染。日平均气温为4.8 ℃，平均相对湿度为47.3%，温度、相对湿度与污染程度呈正相关，温湿度条件较好，污染没有15日严重。从风向风速及后向轨迹模拟图可以看出，受东南风向影响，沙尘气团向北回流，从激光雷达数据图中可以看出，由于首次沙尘过境后沙尘没有完全沉降及移出呼和浩特市，加之沙尘回流带回来的沙尘，造成了二次污染。