呼和浩特市2021年春季一次沙塵回流過(guò)程的污染特征分析

韓晨超

(呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

沙塵天氣是風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中使得空氣混濁的一種天氣現(xiàn)象統(tǒng)稱，包括浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴天氣[1-2]，沙塵天氣是影響中國(guó)北方地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的主要災(zāi)害性天氣。在沙塵多發(fā)季節(jié)，交通運(yùn)輸、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、人民生活均受影響[3]。2021年3月15日—17日，受強(qiáng)烈蒙古氣旋及其后部冷空氣影響，呼和浩特地區(qū)出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，能見(jiàn)度較低，強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)沙塵暴級(jí)別，沙塵天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成AQI指數(shù)爆表，出現(xiàn)嚴(yán)重污染。本次沙塵天氣范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，也是近十年以來(lái)內(nèi)蒙古出現(xiàn)的范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)的沙塵天氣過(guò)程。筆者利用空氣污染數(shù)據(jù)資料、地面氣象觀測(cè)資料和激光雷達(dá)資料對(duì)此次沙塵回流天氣進(jìn)行了研究分析。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

筆者主要采用地面觀測(cè)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行研究，其中地面PM2.5、PM10、AQI數(shù)據(jù)來(lái)源于我國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)源于呼和浩特市賽罕區(qū)氣象站觀測(cè)資料，消光系數(shù)、退偏比、邊界層高度數(shù)據(jù)來(lái)源于呼和浩特站激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)資料。采用美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)發(fā)布的HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)后向軌跡模式向后追蹤48 h污染軌跡。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣污染數(shù)據(jù)資料

為了對(duì)此次沙塵回流的污染程度有一個(gè)更加清楚的認(rèn)識(shí)，筆者分析了呼和浩特2021年3月PM2.5、PM10、AQI和PM2.5/PM10的變化情況，如圖1所示。3月呼和浩特市共有2次明顯的空氣污染天氣過(guò)程，一次是3月15日—17日，另外一次是3月27日—28日，筆者研究的是第一次空氣污染過(guò)程。從圖1中可以看出，3月15日PM10的數(shù)值達(dá)到1 510 μg/m3，PM2.5的數(shù)值達(dá)到525 μg/m3，AQI數(shù)值達(dá)到500，指數(shù)爆表，為本月空氣污染最嚴(yán)重的一天。3月16日PM10的數(shù)值為300μg/m3，PM2.5的數(shù)值為65 μg/m3，AQI數(shù)值為175，污染等級(jí)降為中度污染。3月17日PM10的數(shù)值為494 μg/m3，PM2.5的數(shù)值為104 μg/m3，AQI數(shù)值為393，受沙塵回流影響，污染等級(jí)升為重度污染。3月15日—17日，PM2.5/PM10數(shù)值為0.35、0.21、0.21，始終小于0.5，所以此次污染過(guò)程以粗顆粒污染物為主。

圖1 2021年3月呼和浩特市空氣質(zhì)量指數(shù)

2.2 地面觀測(cè)資料

圖2為2021年3月1日—20日呼和浩特地區(qū)溫度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)折線圖。從圖中可以看出，3月14日呼和浩特地區(qū)日平均氣溫為9.9 ℃，平均相對(duì)濕度為56.5%，日均溫和相對(duì)濕度都比較高。3月15日日平均氣溫為1.7 ℃，平均相對(duì)濕度為17%，溫度和相對(duì)濕度較前期有明顯的下降，由于前期升溫降水偏少，加上“蒙古氣旋”的配合，造成了此次沙塵天氣強(qiáng)度非常大，且溫度、相對(duì)濕度與污染程度呈負(fù)相關(guān)。3月16日與前一日溫濕度相差不大，日平均氣溫為1.9 ℃，平均相對(duì)濕度為26%。3月17日溫度和相對(duì)濕度開(kāi)始回升，日平均氣溫為4.8℃，平均相對(duì)濕度為47.3%，溫度、相對(duì)濕度與污染程度呈正相關(guān)，由于溫濕度條件比15日好，所以污染程度較15日輕，空氣質(zhì)量指數(shù)比15日低。

圖2 2021年3月1日—20日呼和浩特地區(qū)溫度、相對(duì)濕度折線圖

圖3為2021年3月14日—20日呼和浩特地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向時(shí)序圖，從圖3中可以看出，受較強(qiáng)的蒙古氣旋影響，此次沙塵天氣動(dòng)力條件充足。3月14日夜間開(kāi)始呼和浩特地區(qū)風(fēng)速開(kāi)始增大，風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，最大值為13.7 m/s，達(dá)到6級(jí)以上大風(fēng)。大風(fēng)天氣持續(xù)到15日夜間，隨著氣旋過(guò)境，風(fēng)力減弱。隨著地面風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)變，16日下午開(kāi)始，由于呼和浩特市位于高壓系統(tǒng)底后部，受東南風(fēng)向影響，沙塵氣團(tuán)向北回流，呼和浩特地區(qū)再次受到沙塵影響，17日出現(xiàn)嚴(yán)重污染。

圖3 2021年3月14日—20日呼和浩特地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向時(shí)序圖

2.3 沙塵傳輸路徑

圖4 2021年3月15日、17日18時(shí)(40.48°N111.41°E)后向軌跡模擬圖

圖4為2021年3月15、17日18時(shí)后向軌跡模擬圖，以呼和浩特市(40.48°N 111.41°E)為起始點(diǎn)，選取了100 m、500 m、1 000 m等3個(gè)高度作為起始高度，采用HYSPLIT模式進(jìn)行逐6 h后向軌跡模擬，每條軌跡模擬時(shí)長(zhǎng)48 h。從模擬結(jié)果可以看出，3月15日氣團(tuán)的傳輸路徑為西北路徑，經(jīng)蒙古國(guó)到達(dá)內(nèi)蒙古自治區(qū)，一路南下，直達(dá)呼和浩特市，軌跡較長(zhǎng)，表明氣團(tuán)移動(dòng)速度較快。17日氣團(tuán)的路徑為東南路徑，氣團(tuán)沿著此路徑又回到了呼和浩特市，這與風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)相吻合，驗(yàn)證了17日的污染天氣與沙塵回流輸送直接相關(guān)。

2.4 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

圖5 呼和浩特地區(qū)2021年3月14日11時(shí)—16日00時(shí)激光雷達(dá)退偏比數(shù)據(jù)

圖5～圖7為呼和浩特地區(qū)2021年3月14日11時(shí)—16日00時(shí)激光雷達(dá)退偏比、消光系數(shù)、邊界層高度數(shù)據(jù)，從圖6中可以看出，14日23時(shí)前呼和浩特地區(qū)消光系數(shù)較大，退偏比較小，判斷為一次以細(xì)粒子為主的污染，且邊界層高度位于1 km附近，霧霾影響特征明顯；23時(shí)開(kāi)始，受高壓系統(tǒng)移入影響，邊界層高度向下傳遞，且退偏比高度下降并接地，污染邊界層高度在15日凌晨最低達(dá)到225 m，此時(shí)對(duì)應(yīng)沙塵開(kāi)始，說(shuō)明本次沙塵過(guò)程的沙源主要來(lái)自上游。15日13時(shí)消光系數(shù)、退偏比有所降低，此時(shí)，呼和浩特地區(qū)消光系數(shù)較小，退偏比較大，以粗粒子污染為主，污染邊界層高度有所上升，達(dá)到1 km左右。

圖6 呼和浩特地區(qū)2021年3月14日11時(shí)—16日00時(shí)激光雷達(dá)消光系數(shù)

圖7 呼和浩特地區(qū)2021年3月14日11時(shí)—16日00時(shí)激光雷達(dá)邊界層高度

3 結(jié)論

呼和浩特市空氣質(zhì)量在2021年3月15日—17日連續(xù)超標(biāo)，在此次過(guò)程中受到外來(lái)沙塵兩次輸送影響。3月15日主要是由蒙古氣旋過(guò)境并攜帶沙塵沿西北路徑輸送造成，3月17日是由于前一次沙塵離境后，并未遠(yuǎn)離呼和浩特市及完全沉降，由東南向回流二次輸送造成再次污染。

2021年3月15日，呼和浩特市PM10的數(shù)值達(dá)到1 510 μg/m3，PM2.5的數(shù)值達(dá)到525 μg/m3，AQI數(shù)值達(dá)到500，污染嚴(yán)重，，PM2.5/PM10數(shù)值為0.35，小于0.5，所以此次污染過(guò)程以粗顆粒污染物為主。溫度、相對(duì)濕度較低，不利于污染物的擴(kuò)散，且溫度、相對(duì)濕度與污染程度呈負(fù)相關(guān)。風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)速最大值為13.7 m/s，達(dá)到6級(jí)以上大風(fēng)，動(dòng)力條件充足。后向軌跡模擬可以看出此次污染天氣的沙塵來(lái)源于蒙古國(guó)，污染邊界層高度最低達(dá)到225 m，激光雷達(dá)退偏比、消光系數(shù)數(shù)值較高，污染嚴(yán)重。

2021年3月17日，PM10的數(shù)值為494 μg/m3，PM2.5的數(shù)值為104 μg/m3，AQI數(shù)值為393，受沙塵回流影響，污染等級(jí)升為重度污染。日平均氣溫為4.8 ℃，平均相對(duì)濕度為47.3%，溫度、相對(duì)濕度與污染程度呈正相關(guān)，溫濕度條件較好，污染沒(méi)有15日嚴(yán)重。從風(fēng)向風(fēng)速及后向軌跡模擬圖可以看出，受東南風(fēng)向影響，沙塵氣團(tuán)向北回流，從激光雷達(dá)數(shù)據(jù)圖中可以看出，由于首次沙塵過(guò)境后沙塵沒(méi)有完全沉降及移出呼和浩特市，加之沙塵回流帶回來(lái)的沙塵，造成了二次污染。