呼和浩特市大氣自凈能力變化及其影響因素

劉 新，劉林春，趙艷麗，仲 夏，申紫薇，劉詩夢

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

近年來，隨著城市的快速發(fā)展，城市空氣污染問題日益突出?？諝馕廴静粌H受排放源及污染物變化過程影響，同時還與氣象條件密切相關(guān)[1-4]，在污染物一定的條件下，氣象條件變化對污染程度起決定性作用[5-7]，不利的氣象條件會加劇局地污染程度[8-9]。目前關(guān)于空氣污染氣象條件的研究主要圍繞單一氣象因子、大氣邊界層、環(huán)流形勢等特征進(jìn)行，研究表明天氣形勢和氣象要素與污染物的排放、擴(kuò)散、傳輸、轉(zhuǎn)化和沉降有非常密切的關(guān)系[10]，東亞冬季風(fēng)偏弱、500 hPa高壓異常、500 hPa及地面風(fēng)速偏低、對流層底層存在逆溫層、高溫和高濕等氣象條件均是影響大氣重污染過程的重要因素[11-14]。也有研究嘗試構(gòu)建空氣污染氣象條件定量化分析指標(biāo)，如氣溶膠污染氣象條件指數(shù)(PLAM)在空氣質(zhì)量氣象條件預(yù)報、沙塵天氣過程研究等方面均有較好應(yīng)用[15-17]；利用海平面氣壓、24 h變溫、24 h變壓等9個與大氣污染相關(guān)的氣象因子構(gòu)建的靜穩(wěn)天氣綜合指數(shù)(SWI)對持續(xù)重污染過程有較好的指示作用[18]；根據(jù)大氣自身所具有的對大氣污染物的通風(fēng)稀釋和濕清除能力建立的大氣自凈能力指數(shù)在大氣污染防控措施效果評估及空氣污染潛勢預(yù)測方面有較好的應(yīng)用[19-21]。

呼和浩特市屬于煤煙型大氣污染較為嚴(yán)重的城市，尤其是冬季采暖期污染最為嚴(yán)重[22]。但目前關(guān)于定量化評估呼和浩特市容易造成空氣污染的氣象條件及其長期演變規(guī)律的相關(guān)研究工作仍然較少。本研究利用歷史地面氣象觀測數(shù)據(jù)建立大氣自凈能力指數(shù)以表征氣象條件狀況，定量分析氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系，探討近38 a呼和浩特市大氣自凈能力變化特征及其影響因素，以期為大氣污染防控及生態(tài)文明建設(shè)氣象服務(wù)保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù) 據(jù)

氣象數(shù)據(jù)為呼和浩特站地面氣象觀測資料，包括1981—2018年呼和浩特市逐日風(fēng)速、降水量及日最低氣溫數(shù)據(jù)?？諝馕廴緮?shù)據(jù)源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺歷史數(shù)據(jù)，包括2014—2018年呼和浩特市PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3污染物逐日平均質(zhì)量濃度。夜間燈光數(shù)據(jù)源于NOAA NGDC (NOAA’s National Geophysical Data Center) 提供的1993—2013年穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)，本文使用的是經(jīng)過輻射定標(biāo)的平均燈光強(qiáng)度圖像，是全年觀測資料的平均值，以影像像元的亮度值作為夜間燈光指數(shù)，代表平均燈光強(qiáng)度，其范圍為0～63，空間分辨率為0.00833°。

1.2 方 法

1.2.1 大氣自凈能力指數(shù)ASI

大氣自凈能力指數(shù)(ASI)代表大氣自身運動對大氣污染物的通風(fēng)擴(kuò)散和降水清除能力，計算公式[20]如下：

(1)

(2)

式中：VE(m2·s-1)為大氣通風(fēng)量；z(m)為高度，u(m·s-1)為所在高度處的風(fēng)速；H(m)為混合層高度；Wr為雨洗常數(shù)，取6×105；R(mm·d-1)為降水率即單位時間內(nèi)的降水量；S為區(qū)域面積，取100 km2；Cs取PM2.5達(dá)標(biāo)質(zhì)量濃度0.075 mg·m-3。ASI(t·d-1·km-2)值越大，代表大氣對污染物的清除能力越強(qiáng)，反之越弱。在氣候評價業(yè)務(wù)應(yīng)用中，通常將ASI劃分為5個等級：ASI≤1.5 t·d-1·km-2時，大氣自凈能力弱；1.55.5 t·d-1·km-2時，大氣自凈能力強(qiáng)。

1.2.2 冷空氣強(qiáng)度

單站冷空氣指某站一定時間內(nèi)降溫幅度達(dá)到一定程度的降溫現(xiàn)象。依據(jù)單站降溫幅度和日最低氣溫Tmin確定該站的冷空氣強(qiáng)度等級[23]，具體劃分情況見表1。

表1 單站冷空氣強(qiáng)度等級劃分Tab.1 Grade classification of cold air intensity for single-station

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣自凈能力與空氣質(zhì)量的關(guān)系

圖1為2014—2018年呼和浩特市逐日ASI與AQI散點圖?？梢钥闯觯珹SI與AQI呈冪函數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.42，通過0.001顯著性檢驗。ASI越小，AQI越大，反之亦然，這與朱蓉等[12]對北京市和京津冀平原地區(qū)ASI與AQI關(guān)系的分析結(jié)論一致，表明ASI能夠較好地反映呼和浩特市氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系。

圖1 2014—2018年呼和浩特市逐日ASI與AQI散點圖Fig.1 The scatter plot between daily ASI and AQI in Hohhot city from 2014 to 2018

呼和浩特市空氣污染主要發(fā)生在秋冬季節(jié)，2015年11—12月呼和浩特市發(fā)生了持續(xù)時間較長、程度重的空氣污染過程，近5 a出現(xiàn)的共17 d重度空氣污染日中有10 d出現(xiàn)在該時段。圖2為呼和浩特市2015年11—12月逐日ASI與AQI變化?？梢钥闯?，ASI與AQI呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，特別是11月末至12月，ASI>5 t·d-1·km-2的日數(shù)僅有6 d，其余日數(shù)ASI均為0.1～2.5 t·d-1·km-2，ASI持續(xù)較低，不利于空氣污染物的擴(kuò)散稀釋，導(dǎo)致呼和浩特市出現(xiàn)了較長時間的空氣污染過程，其間甚至出現(xiàn)嚴(yán)重污染。

圖2 呼和浩特市2015年11—12月逐日ASI與AQI變化Fig.2 The variation of daily ASI and AQI in Hohhot city from November to December 2015

2.2 大氣自凈能力變化

2.2.1 月際變化

表2列出1981—2018年呼和浩特市月平均ASI值?？梢钥闯?，4月ASI最高，達(dá)5.7 t·d-1·km-2，12月最低，僅為2.0 t·d-1·km-2。3—6月ASI均大于4.5 t·d-1·km-2，大氣自凈能力較強(qiáng)，2月、7—11月ASI為2.8～4.2 t·d-1·km-2，大氣自凈能力一般，1月和12月ASI均在2.5 t·d-1·km-2以下，大氣自凈能力較弱。

表2 1981—2018年呼和浩特市月平均ASI值Tab.2 The monthly average ASI in Hohhot from 1981 to 2018

2.2.2 年際變化

圖3為1981—2018年呼和浩特市年平均ASI及其距平年際變化?？梢钥闯?，1981—2018年呼和浩特市年平均ASI為3.8 t·d-1·km-2，大氣自凈能力一般。年平均ASI呈顯著(P<0.01)下降趨勢，每10 a下降0.63 t·d-1·km-2。年平均ASI在20世紀(jì)80年代較高，以正距平為主，20世紀(jì)90年代略有減小，而進(jìn)入21世紀(jì)后轉(zhuǎn)為負(fù)距平。

圖3 1981—2018年呼和浩特市年平均ASI及其距平年際變化Fig.3 The inter-annual variation of annual average ASI and its anomaly in Hohhot city from 1981 to 2018

2.3 大氣自凈能力的影響因素

2.3.1 風(fēng)速、混合層高度、降水量及冷空氣活動

表3列出1981—2018年呼和浩特不同影響因素年平均出現(xiàn)日數(shù)及相應(yīng)的弱大氣自凈能力日數(shù)。可以看出，日平均風(fēng)速u≤2 m·s-1日數(shù)占71.8%，24 m·s-1日數(shù)占3.6%。弱大氣自凈能力日數(shù)平均80 d，且主要出現(xiàn)在小風(fēng)日，占95%，u>4 m·s-1時未出現(xiàn)。風(fēng)速對大氣自凈能力有較大影響，風(fēng)速越小，大氣自凈能力越弱，越不利于污染物在水平方向上的擴(kuò)散稀釋。

呼和浩特市平均日最大混合層高度H>1000 m日數(shù)較多，占52.6%；5001000 m時弱大氣自凈能力平均僅出現(xiàn)3 d?；旌蠈痈叨葘Υ髿庾詢裟芰τ休^大影響，混合層高度越低，大氣自凈能力越弱，越不利于污染物在垂直方向上的擴(kuò)散稀釋。

呼和浩特市平均無降水日數(shù)居多，占82.5%；日降水量0.15 mm日數(shù)僅占6%。弱大氣自凈能力日主要出現(xiàn)在無降水日，占92.5%；0.15 mm時未出現(xiàn)。降水量對大氣自凈能力有較大影響，降水量越大，越有利于大氣對污染物的沖刷稀釋作用。但呼和浩特市全年以無降水日數(shù)居多，降水對ASI的影響較為有限。

綜上所述，決定通風(fēng)量大小的地表風(fēng)速和混合層高度對大氣自凈能力的長期變化起決定作用，降水量作用則較小。呼和浩特市冷空氣活動頻繁，往往伴隨著大風(fēng)、降溫天氣，因此冷空氣活動通過影響地表風(fēng)速進(jìn)而影響大氣自凈能力。1981—2018年呼和浩特市年平均無冷空氣活動日數(shù)為340 d，占93.2%，受冷空氣活動影響日數(shù)為25 d，占6.8%，其中寒潮、強(qiáng)冷空氣和中等強(qiáng)度冷空氣影響分別為2 d、7 d和16 d。弱大氣自凈能力日主要出現(xiàn)在無冷空氣活動時，占93.8%，受冷空氣活動影響時其出現(xiàn)頻率均較小，中等強(qiáng)度冷空氣和強(qiáng)冷空氣影響下出現(xiàn)頻率分別為3.7%和2.5%，受寒潮影響時未出現(xiàn)弱大氣自凈能力日。

表3 1981—2018年呼和浩特不同影響因素平均出現(xiàn)日數(shù)及相應(yīng)弱大氣自凈能力日數(shù)Tab.3 The annual mean days under different influencing factors and corresponding annual mean weak atmospheric self-cleaning ability days during 1981-2018 in Hohhot

圖4為1981—2018年呼和浩特市冷空氣活動日數(shù)距平年際變化?？梢钥闯?，1980年代后期至1990年代多為正距平，冷空氣活動較多，21世紀(jì)以后多為負(fù)距平，冷空氣活動明顯偏少，這與在21世紀(jì)以后ASI持續(xù)偏弱的特征基本一致。計算年平均冷空氣活動日數(shù)與年平均ASI的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)二者呈顯著(p<0.05)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.34。冷空氣活動對大氣自凈能力有較大影響，冷空氣活動越少，大氣自凈能力越弱，越不利于污染物的擴(kuò)散稀釋。

2.3.2 城市化進(jìn)程

夜間燈光數(shù)據(jù)可用于確定城市建成區(qū)范圍和城市化發(fā)展水平[24]，研究發(fā)現(xiàn)用夜間燈光資料提取的城市格局與Landsat TM數(shù)據(jù)提取的城市格局特征基本一致，可以滿足城市化研究需要[25]。圖5為1995、2000、2005和2010年呼和浩特市區(qū)夜間燈光指數(shù)空間分布?？梢钥闯?，21世紀(jì)之后城市擴(kuò)張明顯，由建成區(qū)向四周尤其是向東南方向擴(kuò)展。

圖4 1981—2018年呼和浩特冷空氣活動日數(shù)距平年際變化Fig.4 The inter-annua variation of anomaly of cold air activity days in Hohhot from 1981 to 2018

圖5 1995、2000、2005和2010年呼和浩特市區(qū)夜間燈光指數(shù)空間分布Fig.5 The spatial distribution of nighttime light index in Hohhot city in 1995, 2000, 2005 and 2010

圖6為1992—2013年呼和浩特市區(qū)夜間燈光指數(shù)及夜間燈光區(qū)域面積年際變化。可以看出，二者均呈顯著增加趨勢，特別是21世紀(jì)平均夜間燈光指數(shù)增加速率明顯高于夜間燈光區(qū)域面積，表明進(jìn)入21世紀(jì)之后不僅城區(qū)范圍在不斷擴(kuò)張，而且城市發(fā)展水平在快速提升，城市化進(jìn)程顯著加快。年平均夜間燈光指數(shù)及夜間燈光區(qū)域面積分別與年平均通風(fēng)量的相關(guān)系數(shù)為-0.56和-0.46，表明二者均與通風(fēng)量呈顯著(p<0.01)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著城市發(fā)展，不可避免地引起下墊面粗糙度增加、地表風(fēng)速減小、逆溫現(xiàn)象增多等，進(jìn)而影響通風(fēng)量大小。因此，近年來大氣自凈能力的減弱在一定程度上受城市化作用的影響。

圖6 1992—2013年呼和浩特市區(qū)夜間燈光指數(shù)及夜間燈光區(qū)域面積年際變化Fig.6 The inter-annual variation of nighttime light index and nighttime light area in Hohhot city from 1992 to 2013

3 結(jié) 論

(1)大氣自凈能力對空氣質(zhì)量有重要影響，在污染物排放不變的情況下，ASI越小，氣象條件越不利于污染物的清除，越容易出現(xiàn)空氣污染。

(2)呼和浩特市3—6月氣象條件對污染物的清除能力較強(qiáng)，2月、7—11月一般，1月和12月較差。1981—2018年年平均ASI呈顯著下降趨勢，特別是21世紀(jì)之后ASI下降明顯。

(3)風(fēng)速、混合層高度和降水量為構(gòu)建ASI的主要氣象因子，三者的變化均對大氣自凈能力有重要影響。風(fēng)速越小，越不利于空氣污染物在水平方向上的擴(kuò)散稀釋；混合層高度越低，越不利于空氣污染物在垂直方向上的擴(kuò)散稀釋。呼和浩特市屬于半干旱區(qū)，全年80%以上日數(shù)無降水，降水主要集中在7—8月，因此降水對大氣自凈能力的影響在時間上較為有限。

(4)年平均冷空氣活動日數(shù)與年平均ASI呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，冷空氣活動對大氣自凈能力有較大影響，冷空氣活動越少，越不利于空氣污染物的擴(kuò)散稀釋，特別是21世紀(jì)以后影響更為明顯。

(5)年平均夜間燈光指數(shù)及夜間燈光區(qū)域面積均與年平均ASI呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，大氣自凈能力的變化在一定程度上受城市化進(jìn)程的影響，特別是21世紀(jì)以后的影響更為明顯。

本文以ASI為指標(biāo)定量化分析了呼和浩特市對空氣污染擴(kuò)散稀釋起清除作用的大氣自凈能力的變化，并探討了氣候要素、冷空氣活動、城市化活動等對大氣自凈能力的影響。但影響因素的選取還較為片面，下一步將對氣候系統(tǒng)變化等的影響進(jìn)行深入討論，并對影響因素的定量化評估進(jìn)行進(jìn)一步研究。

DOI:10.1155/2012/238589.