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        呼和浩特市2021年春季一次沙塵回流過程的污染特征分析

        2022-08-19 00:35:48韓晨超
        關(guān)鍵詞:呼和浩特市呼和浩特邊界層

        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,能見度較低,強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)沙塵暴級別,沙塵天氣持續(xù)時(shí)間長,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,也是近十年以來內(nèi)蒙古出現(xiàn)的范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)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(dá)資料對此次沙塵回流天氣進(jìn)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(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(dá)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(gè)更加清楚的認(rèn)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(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(qiáng)度非常大,且溫度、相對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(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?yàn)槲鞅憋L(fēng),最大值為13.7 m/s,達(dá)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(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,表明氣團(tuán)移動速度較快。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(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(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(kuò)散,且溫度、相對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(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(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。

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