呼和浩特市2021年春季一次沙塵回流過程的污染特征分析

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、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴天氣[1-2]，沙塵天氣是影響中國北方地區(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，能見度較低，強度達到強沙塵暴級別，沙塵天氣持續(xù)時間長，造成AQI指數(shù)爆表，出現(xiàn)嚴重污染。本次沙塵天氣范圍大、強度強、持續(xù)時間長，也是近十年以來內(nèi)蒙古出現(xiàn)的范圍最大、強度最強的沙塵天氣過程。筆者利用空氣污染數(shù)據(jù)資料、地面氣象觀測資料和激光雷達資料對此次沙塵回流天氣進行了研究分析。

1 數(shù)據(jù)來源

筆者主要采用地面觀測和激光雷達數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進行研究，其中地面PM2.5、PM10、AQI數(shù)據(jù)來源于我國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺，溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于呼和浩特市賽罕區(qū)氣象站觀測資料，消光系數(shù)、退偏比、邊界層高度數(shù)據(jù)來源于呼和浩特站激光雷達監(jiān)測資料。采用美國國家海洋大氣管理局(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

為了對此次沙塵回流的污染程度有一個更加清楚的認識，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程。從圖1中可以看出，3月15日PM10的數(shù)值達到1 510 μg/m3，PM2.5的數(shù)值達到525 μg/m3，AQI數(shù)值達到500，指數(shù)爆表，為本月空氣污染最嚴重的一天。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 地面觀測資料

圖2為2021年3月1日—20日呼和浩特地區(qū)溫度、相對濕度數(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 ℃，平均相對濕度為56.5%，日均溫和相對濕度都比較高。3月15日日平均氣溫為1.7 ℃，平均相對濕度為17%，溫度和相對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度非常大，且溫度、相對濕度與污染程度呈負相關(guān)。3月16日與前一日溫濕度相差不大，日平均氣溫為1.9 ℃，平均相對濕度為26%。3月17日溫度和相對濕度開始回升，日平均氣溫為4.8℃，平均相對濕度為47.3%，溫度、相對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)向時序圖，從圖3中可以看出，受較強的蒙古氣旋影響，此次沙塵天氣動力條件充足。3月14日夜間開始呼和浩特地區(qū)風(fēng)速開始增大，風(fēng)向為西北風(fēng)，最大值為13.7 m/s，達到6級以上大風(fēng)。大風(fēng)天氣持續(xù)到15日夜間，隨著氣旋過境，風(fēng)力減弱。隨著地面風(fēng)場轉(zhuǎn)變，16日下午開始，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)向時序圖

2.3 沙塵傳輸路徑

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

圖4為2021年3月15、17日18時后向軌跡模擬圖，以呼和浩特市(40.48°N 111.41°E)為起始點，選取了100 m、500 m、1 000 m等3個高度作為起始高度，采用HYSPLIT模式進行逐6 h后向軌跡模擬，每條軌跡模擬時長48 h。從模擬結(jié)果可以看出，3月15日氣團的傳輸路徑為西北路徑，經(jīng)蒙古國到達內(nèi)蒙古自治區(qū)，一路南下，直達呼和浩特市，軌跡較長，表明氣團移動速度較快。17日氣團的路徑為東南路徑，氣團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 激光雷達數(shù)據(jù)分析

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

圖5～圖7為呼和浩特地區(qū)2021年3月14日11時—16日00時激光雷達退偏比、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時開始，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日凌晨最低達到225 m，此時對應(yīng)沙塵開始，說明本次沙塵過程的沙源主要來自上游。15日13時消光系數(shù)、退偏比有所降低，此時，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，達到1 km左右。

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

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

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)，在此次過程中受到外來沙塵兩次輸送影響。3月15日主要是由蒙古氣旋過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)值達到1 510 μg/m3，PM2.5的數(shù)值達到525 μg/m3，AQI數(shù)值達到500，污染嚴重，，PM2.5/PM10數(shù)值為0.35，小于0.5，所以此次污染過程以粗顆粒污染物為主。溫度、相對濕度較低，不利于污染物的擴散，且溫度、相對濕度與污染程度呈負相關(guān)。風(fēng)向為西北風(fēng)，風(fēng)速最大值為13.7 m/s，達到6級以上大風(fēng)，動力條件充足。后向軌跡模擬可以看出此次污染天氣的沙塵來源于蒙古國，污染邊界層高度最低達到225 m，激光雷達退偏比、消光系數(shù)數(shù)值較高，污染嚴重。

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，污染等級升為重度污染。日平均氣溫為4.8 ℃，平均相對濕度為47.3%，溫度、相對濕度與污染程度呈正相關(guān)，溫濕度條件較好，污染沒有15日嚴重。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，沙塵氣團向北回流，從激光雷達數(shù)據(jù)圖中可以看出，由于首次沙塵過境后沙塵沒有完全沉降及移出呼和浩特市，加之沙塵回流帶回來的沙塵，造成了二次污染。