呼和浩特市污染天氣的邊界層特征研究

摘要 利用2018—2020年呼和浩特市環境監測站環境監測數據、呼和浩特市氣象局激光雷達污染邊界層數據以及呼和浩特市區地面觀測站溫、壓、濕、風、降水等數據，對大氣邊界層高度特性進行較深入系統的研究，定量分析了近3年來呼和浩特市污染天氣的變化規律及邊界層高度的時間變化規律；總結出呼和浩特市不同等級不同類型的邊界層高度閾值；通過典型污染個例的相關性分析得出邊界層高度與溫度、相對濕度、十米風場的內在關系。通過邊界層的特征研究，為分析和預報呼和浩特市污染天氣提供一定參考。

關鍵詞 霧霾類污染；沙塵類污染；邊界層高度；相關性

中圖分類號：X16 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）05–0100-03

Study on Boundary Layer Characteristics of Polluted Weather in Hohhot

Zhao Meng-yu et al（Hohhot Meteo-

rological Bureau， Hohhot， Inner Mongolia 010030）

Abstract Based on the environmental monitoring data of Hohhot Environmental Monitoring Station， the lidar pollution boundary layer data of Hohhot Meteorological Bureau and the data of temperature， pressure， humidity， wind， precipitation and other data of Hohhot urban surface observation station from 2018 to 2020， the height characteristics of the atmospheric boundary layer are studied in depth and systematically， and the variation rules of the polluted weather and the time variation rules of the boundary layer height in Hohhot in the past three years are quantitatively analyzed. Summarize the boundary layer height thresholds of different levels and types in Hohhot; Through the correlation analysis of typical pollution cases， the internal relationship between the boundary layer height and temperature， relative humidity， and 10-meter wind field is obtained. The study of the characteristics of the boundary layer can provide some reference for the analysis and prediction of the polluted weather in Hohhot.

Key words Haze pollution; Sand and dust pollution; Boundary layer height; Relevance

近年來，隨著經濟和工業高速發展、人口增長和機動車數量增加，城市以及城市群形成的地區性大氣污染日漸嚴重，研究和解決大氣污染環境問題已迫在眉睫。大氣邊界層是與地表相連的最底層大氣，一些特殊的天氣現象，如濃霧、霜等，特別是沙塵暴、霧霾等災害性天氣的產生與邊界層緊密相

關[1]。在大氣邊界層的研究中，大氣邊界層高度是衡量邊界層發展的一個重要參數。呼和浩特市重污染天氣主要包含沙塵天氣和霧、霾類天氣2種。浮塵和霾是影響呼和浩特市環境空氣質量的首要因素，環境空氣污染能夠對人類、動植物產生較大的影響和危害[2]。分析大氣邊界層高度與不同污染天氣之間的相關性，對于呼和浩特地區重污染天氣的預報與防治具有重要意義。

1 呼和浩特市污染天氣時間分布特征

1.1 AQI時間變化分析

通過參考GB 3095—2012《環境空氣

質量標準》將AQI劃分成6個等級。每日AQI數據、PM_2.5和PM₁₀濃度數據是呼和浩特站根據當天環保總站每小時數據計算求平均的結果。其中2018年AQI指數最小值為30，平均值為90，最大值為500，全年污染天數共計93 d，其中輕度污染74 d，中度污染8 d，重度污染5 d，嚴重污染6 d；2019年AQI指數最小值為28，平均值為80，最大值為388，全年污染天數共計73 d，其中輕度污染60 d，中度污染7 d，重度污染4 d，嚴重污染2 d；2020年AQI指數最小值為25，平均值為84，最大值為500，全年污染天數共計72 d，其中輕度污染39 d，中度污染15 d，重度污染14 d，嚴重污染4 d；總體趨勢呈現污染天數逐年降低，但2020年1月呈現污染時間聚集和污染程度加深的情況（圖1）。

為了更好地分析AQI的時間變化規律，劃分4個季節并計算其季節平均值，其中，春季為3—5月份、夏季為6—8月份、秋季為9—11月份、冬季為12—翌年2月份。從逐月平均AQI來看，圖2顯示2018年逐月污染分布起伏較大，污染不均勻，但整體程度較弱，空氣質量以良為主，個別月份達輕度污染；2019年全年空氣質量起伏變化不大，逐月平均以優良為主；2020年空氣質量參差不齊，其中1月平均空氣質量達到重度污染，但8、9月平均空氣質量可達優。整體來看，春季和冬季AQI相對較高，空氣質量較差。從逐月的不同等級的污染日數來看，春季和冬季的污染日數明顯較高，中度以上污染天氣幾乎集中在10—翌年4月，5—9月以輕度污染為主。

1.2 沙塵類污染時間變化規律

為了研究不同污染類型的變化規律，通過來源于中國空氣質量在線監測分析平臺中呼和浩特市8個環境監測站點中心數據2018—2020年逐日大氣污染資料，將首要污染物為PM10的粗粒子污染天氣稱為沙塵類污染天氣，將首要污染物為PM2.5的細粒子污染天氣稱為霧霾類污染天氣[3]。

根據統計，2018—2020年沙塵類污染日數共計75 d，其中2018年沙塵類污染日數共計45 d，輕度污染30 d，中度污染5 d，重度污染4 d，嚴重污染6 d；2019年沙塵類污染日數共計14 d，輕度污染12 d，中度污染2 d，重度污染0 d，嚴重污染0 d；2020年沙塵類污染日數共計16 d，輕度污染9 d，中度污染6 d，重度污染0 d，嚴重污染1 d。沙塵類污染天氣呈現逐年轉好的趨勢。

從圖3的逐月各等級沙塵類污染天氣日數統計來看，近3年的7—9月沒有出現沙塵污染，一年四季中均有可能出現沙塵污染，但中度以上的沙塵污染以春季和冬季為主[4]。其中出現沙塵污染日數最多的是4月，為15 d，嚴重污染幾乎都出現在3—5月，可見3—5月是呼和浩特市沙塵類污染天氣防治的最重要時間。

1.3 霧霾類污染時間變化規律

根據統計，2018—2020年霧霾類污染天數共計104 d，其中2018年霧霾類污染日數共計25 d，輕度污染21 d，中度污染3 d，重度污染1 d，嚴重污染0 d；2019年霧霾類污染日數共計36 d，輕度污染27 d，中度污染5 d，重度污染4 d，嚴重污染0 d；2020年霧霾類污染日數共計43 d，輕度污染18 d，中度污染8 d，重度污染14 d，嚴重污染3 d。霧霾類污染天氣呈現逐年加重的趨勢。

從圖4的逐月各等級霧霾類污染天氣日數統計來看，呼和浩特市近3年的4月、6—9月均沒有出現霧霾污染，夏季沒有出現過霧霾污染，中度以上的霧霾污染均出現在冬季。其中出現霧霾污染日數最多的是1月，為37 d，且嚴重污染也只出現在1月，可見1月是呼和浩特市霧霾類污染天氣防治的最重要時間。

2 邊界層高度對比分析

2.1 邊界層高度的時間變化規律

2018—2020年呼和浩特市大氣邊界層平均高度有逐年降低趨勢。春季大氣邊界層高度平均為1 052.82 m，最低為225 m，最高為3 575.75 m；夏季大氣邊界層高度平均為929.56 m，最低213 m，最高為2 781 m；秋季大氣邊界層高度平均為1 147.69 m，最低為195 m，最高為7 660.68 m；冬季大氣邊界層高度平均為1 256.57 m，最低為195 m，最高為9 382.25 m。邊界層高度存在明顯的季節變化特征（圖5）。從季節變化上來看，4個季節最大值分布的情況為冬季大氣邊界層高度最高，秋季為次高，表現為冬季最高—春季下降—夏季下降—秋季升高[5]。

分析2018—2020年逐月平均邊界層高度，呼和浩特市大氣邊界層高度的月變化大，1月最高為1 396.19 m，6月最低為820.10 m，但邊界層高度年變化較大，2018年逐月變化與2019年、2020年趨勢幾乎相反。2018年1—6月逐月降低，6—8月略有升高，8—12月再次降低；2019年、2020年1—3月為上升趨勢，3—6月降至最低，6—9再次上升，9—12月再次下降。分析原因發現，2018年主要污染天氣為沙塵類污染，2019年、2020年主要污染天氣為霧霾類污染，二者的月變化趨勢不同。另外邊界層高度與月平均氣溫有關，二者呈負相關，即溫度越高邊界層高度越低；邊界層高度與污染等級呈負相關，即污染等級越高邊界層高度越低[6]。

2.2 污染天氣下的邊界層高度演變特征

2.2.1 邊界層高度與AQI的相關性分析 選取2018—2020年逐日邊界層高度，并與逐日AQI指數做Spearman相關分析，分析結果顯示：邊界層高度與AQI指數顯著負相關（通過0.01的顯著性檢驗），即邊界層高度越低污染越嚴重[7]。

2.2.2 不同污染類型的邊界層高度變化 統計分析了2018—2020年所有以PM10為首要污染物的沙塵類污染天氣和以PM2.5為首要污染物的霧霾類污染天氣，并根據AQI等級劃分找出不同等級下沙塵類污染天氣和霧霾類污染天氣的日邊界層高度，探究其日變化規律。研究顯示，各污染等級下沙塵類污染天氣的邊界層高度均高于霧霾類污染天氣，且污染越嚴重邊界層高度越低（圖6）。沙塵類污染天氣的邊界層高度中位數為輕度污染918 m、中度污染836 m、重度污染706 m、嚴重污染599 m。霧霾類污染天氣的邊界層高度中位數為輕度污染657 m、中度污染552 m、重度污染448 m、嚴重污染369 m。

2.3 污染邊界層高度閾值分析

結合呼和浩特市2018—2020年逐日的大氣邊界層高度和空氣污染指數（AQI）進行分析，初步確定污染天氣大氣邊界層高度閾值。通過分析可看到，大氣邊界層高度低于1 000 m時發生污染天氣的比例在80%左右。

3 典型污染天氣下邊界層特征分析

以2020年5月12日的沙塵類嚴重污染天氣和2020年1月14—20日全市大范圍的持續性霧、霾引起的污染天氣為研究對象，探討了不同污染天氣下污染邊界層高度的演變特征，以了解不同類型污染天氣下氣象要素與邊界層高度的關系。在霧霾類污染天氣研究中，邊界層高度與氣溫和相對濕度的相關性顯著，呈現負相關關系，即氣溫越高邊界層越低、相對濕度越高邊界層越低。在沙塵類污染天氣研究中，邊界層高度與2 min平均風速的相關性顯著，呈現正相關關系，即兩分鐘平均風速越大邊界層高度越高。

4 結論

（1）2018—2020年呼和浩特市總體污染趨勢向好，污染天數逐年降低，但主要污染天氣類型由沙塵類逐年逐漸轉變為霧霾類，且極端污染天氣增多。整體來看，春季和冬季AQI相對較高，空氣質量較差。沙塵類污染高發于3—5月，霧霾類污染高發于12—翌年2月，尤其以1月最為嚴重。

（2）2018—2020年呼和浩特市大氣邊界層平均高度在963～1 285 m，近3年的平均邊界層高度有逐年降低趨勢。從季節變化上來看，4個季節最大值分布的情況為冬季大氣邊界層高度最高、秋季為次高。

（3）邊界層高度與AQI指數顯著負相關，即邊界層高度越低、AQI越高，污染越嚴重。

（4）各污染等級下沙塵類污染天氣的邊界層高度均高于霧霾類污染天氣，且污染越嚴重邊界層高度越低。

（5）邊界層高度與氣溫和相對濕度呈現負相關關系，即氣溫越高邊界層越低，相對濕度越高邊界層越低。邊界層高度與2 min平均風速呈正相關，即2 min平均風速越大邊界層高度越高。

參考文獻

[1] 曹偉華，梁旭東，李青春.北京一次持續性霧霾過程的階段性特征及影響因子分析[J].氣象學報，2013，71（5）：940-951.

[2] 張人禾，李強，張若楠.2013年1月中國東部持續性強霧霾天氣產生的氣象條件分析[J].中國科學：地球科學，2014，44 （1）：27-36.

[3] 吳兌，鄧雪嬌，畢雪巖，等.細粒子污染形成灰霾天氣導致廣州地區能見度下降[J].熱帶氣象學報，2007（1）：1-6.

[4] 王薈，王格慧，高士祥，等.南京市大氣顆粒物春季污染的特征[J].中國環境科學，2003（1）：56-60.

[5] 王躍思，張軍科，王莉莉，等.京津冀區域大氣霾污染研究意義、現狀及展望[J].地球科學進展，2014，29（3）：388-396.

[6] 吳蒙，吳兌，范紹佳，等.珠江三角洲城市群大氣污染與邊界層特征研究進展[J].氣象科技進展，2014，4（1）：22-28.

[7] 吳兌，畢雪巖，鄧雪嬌，等.珠江三角洲氣溶膠云造成的嚴重灰霾天氣[J].自然災害學報，2006（6）：77-83.

責任編輯：黃艷飛