2020年1月呼和浩特市霧霾天氣的氣象成因分析

韓仙桃，佟 彤，姜佳玉，王俊秀，趙毅勇

(內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

引 言

霧指大量微小水滴浮游空中，使水平能見度小于1.0 km的現(xiàn)象，能見度在1.0～10.0 km之間為輕霧；霾指大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象[1]。霧和霾都屬于大氣氣溶膠范疇[2]，有些氣溶膠粒子具有較強(qiáng)的吸濕性，在濕度較高的環(huán)境下，干氣溶膠粒子也會(huì)吸濕增長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)霧和霾相互轉(zhuǎn)換或者霧和霾相混合的情況[3-4]，常被稱為霧霾天氣。霧霾天氣發(fā)生時(shí)大氣氣溶膠聚集在近地層，使大氣污染增強(qiáng)、空氣質(zhì)量下降、能見度降低，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人民生活產(chǎn)生重要影響[5]。因此，加強(qiáng)對(duì)霧霾天氣的氣象成因研究，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義[6]。

氣象條件是導(dǎo)致霧霾天氣的重要因素之一[7-8]。研究表明，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(duì)流層底層存在逆溫層、高溫和高濕等氣象條件均是影響霧霾天氣的重要因素[9-11]。霧霾天氣的產(chǎn)生和維持受邊界層結(jié)構(gòu)的影響較明顯[12]。當(dāng)對(duì)流層低層有逆溫層、大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，會(huì)限制污染物的垂直擴(kuò)散[13-15]，逆溫層越強(qiáng)，高度越低，則氣溶膠濃度越大，對(duì)能見度的影響也越明顯[16-17]。當(dāng)霧霾天氣出現(xiàn)時(shí)，細(xì)顆粒物(PM2.5、PM10)的污染程度較高[18-19]，影響各大城市空氣環(huán)境質(zhì)量的首要污染物是可吸入顆粒物PM2.5和PM10，其中PM2.5占比很高[20-21]。另外，受地形和城市局地環(huán)流的影響，污染物集聚并在高濕條件下的物理化學(xué)轉(zhuǎn)化等過(guò)程共同作用可造成低能見度和持續(xù)霾天氣[22]。

呼和浩特市位于內(nèi)蒙古陰山山脈中段南麓與黃河北岸之間形成的沖積湖盆地內(nèi)，地勢(shì)由西南向東北逐漸增高，大氣污染物易受北部山脈阻擋發(fā)生集聚，在不利氣象條件下，極易形成重污染天氣，冬季采暖期是呼和浩特市霧霾天氣的高發(fā)期，霧霾發(fā)生時(shí)首要污染物往往以PM2.5為主[23-24]，對(duì)市民的生產(chǎn)生活影響較大。近年來(lái)，為有效改善秋冬季節(jié)空氣環(huán)境質(zhì)量，徹底解決季節(jié)性大氣污染問(wèn)題，呼和浩特市深入實(shí)施鍋爐提標(biāo)改造，嚴(yán)控露天焚燒，對(duì)散煤、柴油貨車、工業(yè)爐窯、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCS)、秸稈禁燒和揚(yáng)塵等開展了一系列專項(xiàng)治理措施[25]。2013—2017年呼和浩特市環(huán)境空氣質(zhì)量總體有所改善，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O36項(xiàng)大氣污染物中除O3呈逐年升高趨勢(shì)外，其他污染物質(zhì)量濃度均有所下降[26]。盡管空氣質(zhì)量得到有效改善，但受不利氣象條件影響，仍有階段性霧霾天氣出現(xiàn)。2020年1月呼和浩特市出現(xiàn)了2013年以來(lái)1月同期罕見的持續(xù)霧霾天氣，影響日數(shù)高達(dá)29 d。呼和浩特市人民政府分別于當(dāng)月5日、10日發(fā)布了重污染天氣橙色預(yù)警，23日發(fā)布了重污染天氣紅色預(yù)警，持續(xù)不斷的霧霾天氣給當(dāng)?shù)胤乐未髿馕廴炯叭嗣裆a(chǎn)生活帶來(lái)較大影響。因此，本文利用2013—2020年1月呼和浩特市環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象資料、北極濤動(dòng)(Arctic Oscillation，AO)指數(shù)、ERA5再分析資料等，對(duì)2020年1月呼和浩特市霧霾偏多的氣象成因進(jìn)行分析，總結(jié)當(dāng)?shù)仂F霾偏多的主要影響因素，以期提高霧霾天氣預(yù)報(bào)能力，為防治大氣污染提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料包括：(1)2013—2020年1月呼和浩特市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站8個(gè)國(guó)控點(diǎn)逐日和逐時(shí)平均空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index，AQI)。AQI共分為6級(jí)：0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、301～500，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染[27]；6種顆粒物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)逐日平均質(zhì)量濃度、逐日首要污染物；2020年1月包頭市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、烏海市、烏蘭察布市逐日AQI。(2)呼和浩特市地面氣象站2013—2020年1月逐日平均相對(duì)濕度、逐小時(shí)2 min平均風(fēng)向風(fēng)速、逐日降水量、積雪日數(shù)、積雪深度及持續(xù)時(shí)間，11月至次年1月、12月至次年1月累計(jì)降水量；呼和浩特市探空站2013—2020年1月08：00(北京時(shí)，下同)和20：00逆溫資料；該站3D激光雷達(dá)同期逐時(shí)邊界層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。(3)2020年1月呼和浩特市地面氣象站日最小水平能見度、全市7個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站(呼和浩特市、呼和浩特郊區(qū)、土默特左旗、托克托縣、清水河縣、和林縣、武川縣)霧霾逐日天氣現(xiàn)象記錄。(4)氣候背景分析主要用到2013—2020年美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)月平均北極濤動(dòng)(AO)指數(shù)，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)最新一代的ERA5再分析資料(0.25°×0.25°)1991—2020年1月500 hPa、850 hPa平均位勢(shì)高度、平均風(fēng)場(chǎng)，氣候平均值取1991—2020年平均。

1.2 方 法

對(duì)2013—2020年1月呼和浩特市探空站逐日08:00、20:00的逆溫厚度、逆溫強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。其中逆溫厚度(D)定義為逆溫層頂高度與逆溫層底高度之差，具體公式[28]如下：

D=H2-H1

(1)

式中：D(m)為逆溫厚度；H1、H2(m)分別為逆溫層底、逆溫層頂?shù)母叨取?/p>

逆溫強(qiáng)度(I)表征不同等壓面之間單位位勢(shì)高度上溫度的垂直遞減率[29]，定義為高度每升高100 m時(shí)溫度的增量，具體公式[28]如下：

(2)

式中：I[℃·(100 m)-1]為逆溫強(qiáng)度；t1、t2(℃)分別為逆溫層底、逆溫層頂?shù)臏囟取?/p>

2 霧霾天氣概況

2.1 區(qū)域污染分布

2020年1月華北大部霧霾天氣持續(xù)不斷，受城市環(huán)境、地形等多種因素影響，各地又呈現(xiàn)不同的污染特征。圖1為2020年1月內(nèi)蒙古呼和浩特市及周邊包頭市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、烏蘭察布市、烏海市AQI日變化?？梢钥闯觯艉秃铺厥?、包頭市、巴彥淖爾市污染程度和污染日數(shù)明顯高于周邊其他地區(qū)，其中呼和浩特市污染日數(shù)達(dá)29 d，包頭和巴彥淖爾市均為26 d，烏海市、鄂爾多斯市、烏蘭察布市分別為17、5、1 d。區(qū)域污染主要分布在黃河以北、陰山以南一帶，說(shuō)明污染物易在山前集聚，遇不利氣象條件，更容易形成霧霾。鄂爾多斯市和烏蘭察布市海拔高度明顯高于呼和浩特、包頭和巴彥淖爾市，擴(kuò)散能力相對(duì)較好，霧霾明顯偏少。烏海市位于黃河附近，濕度大、風(fēng)力小，月內(nèi)污染日數(shù)也達(dá)17 d，但主要以輕到中度污染為主。1月呼和浩特市發(fā)生4次重污染天氣過(guò)程期間，除鄂爾多斯市、烏蘭察布市外，其他相鄰3市AQI均具有典型的區(qū)域同步變化特征，即重污染天氣過(guò)程期間，AQI均不同程度同時(shí)升高，也有同時(shí)回落的特征，說(shuō)明在同一氣象條件下該區(qū)域污染具有相同的變化特征。

圖1 2020年1月內(nèi)蒙古6市AQI日變化Fig.1 The daily variation of AQI in six cities of Inner Mongolia in January 2020

2.2 本地霧霾天氣概況

2020年1月呼和浩特市出現(xiàn)霾日、霧日、霧霾混合日分別為5、8、16 d。AQI監(jiān)測(cè)顯示2020年1月呼和浩特市僅有2 d優(yōu)良天氣，其余天氣均為輕度污染以上。其中，輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染日數(shù)分別為5、6、15、3 d。污染持續(xù)期間，空氣首要污染物均以細(xì)顆粒物(PM2.5)為主，其質(zhì)量濃度范圍為82～365 μg·m-3，以PM2.5為首要污染物的污染日數(shù)達(dá)29 d，與霧霾日數(shù)完全吻合，可見呼和浩特市1月輕度污染以上天氣均由霧霾引起。在霧霾天氣影響下，2020年1月呼和浩特市區(qū)最小水平能見度均值為1.8 km，最低時(shí)僅為68 m。圖2為2020年1月呼和浩特市AQI、PM2.5質(zhì)量濃度、能見度逐日變化及2013—2020年1月呼和浩特市霧霾污染日數(shù)的年際變化。可以看出，2020年1月AQI與首要污染物PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)高度一致，成明顯的正比關(guān)系，二者與能見度呈明顯的反位相變化，說(shuō)明PM2.5質(zhì)量濃度越高，AQI越大，水平能見度越低。2013—2020年1月同期，呼和浩特市污染日數(shù)有2個(gè)峰值，2013年1月污染日數(shù)為25 d，之后污染日數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)，2020年1月污染日數(shù)為29 d，為2013年以來(lái)1月同期污染日數(shù)最多。

3 霧霾天氣的影響因素

3.1 大氣環(huán)流背景

大氣環(huán)流背景直接影響大尺度的流場(chǎng)和氣壓場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)污染物的堆積、擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。緯向環(huán)流不明顯的季節(jié)，氣流南北交換明顯，有利于污染物的擴(kuò)散；緯向環(huán)流明顯的季節(jié)，霧霾天氣出現(xiàn)頻率增多，污染物易于堆積，會(huì)形成重污染[30-33]。北極濤動(dòng)(AO)指數(shù)是北半球冬季熱帶外行星尺度大氣環(huán)流最重要的一個(gè)模態(tài)，對(duì)北半球及區(qū)域氣候有重要影響。伴隨AO指數(shù)的強(qiáng)弱變化，北半球中緯度地區(qū)與北極地區(qū)的氣壓和大氣質(zhì)量呈準(zhǔn)正壓性的反向變化。當(dāng)AO指數(shù)處于正位相時(shí)，中緯度地區(qū)氣壓上升、極地氣壓下降，中緯度盛行緯向環(huán)流；反之，當(dāng)AO指數(shù)處于負(fù)位相時(shí)，中緯度盛行經(jīng)向環(huán)流[34-36]。對(duì)2013—2020年1月AO指數(shù)變化(表略)分析發(fā)現(xiàn)，2020年1月AO指數(shù)為2013年以來(lái)1月同期最大值(23.7)，說(shuō)明2020年1月中緯度氣壓較往年偏高，極區(qū)氣壓偏低，中緯度盛行西風(fēng)氣流，即緯向環(huán)流，冷空氣勢(shì)力總體偏弱，中緯度一帶呈現(xiàn)比歷年更弱的冬季風(fēng)環(huán)流特點(diǎn)，更有利于霧霾天氣的產(chǎn)生。圖3為2020年1月500、850 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)及位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)距平?？梢钥闯觯?00、850 hPa西北地區(qū)以東、華北大部(90°E—120°E，40°N—50°N)均為明顯的緯向環(huán)流控制，顯示較弱的西風(fēng)氣流。500、850 hPa位勢(shì)高度及風(fēng)場(chǎng)距平顯示華北大部、西北地區(qū)東部均為東南氣流控制，說(shuō)明2020年1月西北冷空氣勢(shì)力明顯偏弱，這種較弱的環(huán)流背景更利于靜穩(wěn)天氣增多，霧霾頻繁發(fā)生。

3.2 濕度條件

3.2.1 相對(duì)濕度

對(duì)2020年1月霧霾天氣統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，2020年1月霧日、霧霾混合日數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于霾日，地面逐日平均相對(duì)濕度均在63%以上，說(shuō)明近地層高濕度條件對(duì)霧霾的形成具有較大作用。對(duì)呼和浩特市2013—2020年1月同期月平均相對(duì)濕度(表略)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2020年1月平均相對(duì)濕度最大(73%)，對(duì)應(yīng)霧霾日數(shù)為29 d，2013年1月平均相對(duì)濕度(65%)其次，對(duì)應(yīng)霧霾日數(shù)為25 d，其他年份的相對(duì)濕度與霧霾日數(shù)也有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2013—2020年1月逐日平均相對(duì)濕度與霧霾日數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.948，且通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，即相對(duì)濕度大，對(duì)應(yīng)霧霾日數(shù)多。較高的相對(duì)濕度不僅有利于顆粒物的吸濕增長(zhǎng)，增強(qiáng)其消光性，還能促進(jìn)部分氣態(tài)前體物的二次轉(zhuǎn)化[37-38]，在高濕環(huán)境下NO2的轉(zhuǎn)化速率約是干燥條件下的6倍，硝酸鹽生成加快[39]。2020年1月NO2、PM10、PM2.5平均質(zhì)量濃度均為2013年以來(lái)1月同期極值，月均值分別為68、189、164 μg·m-3。說(shuō)明靜穩(wěn)天氣、高濕度條件對(duì)污染物濃度變化、消光、氣態(tài)前體物的二次轉(zhuǎn)化均具有較大影響。

圖2 2020年1月呼和浩特市AQI、PM2.5質(zhì)量濃度、能見度逐日變化(a)及2013—2020年1月呼和浩特市霧霾污染日數(shù)的年際變化(b)Fig.2 The daily changes of AQI, PM2.5 mass concentration and visibility in January 2020 (a), and inter-annual variation of haze days in January from 2013 to 2020 (b) in Hohhot of Inner Mongolia

圖3 2020年1月500 hPa(a、b)、850 hPa(c、d)平均位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(a、c)及位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)距平(b、d)(紅色圓點(diǎn)表示呼和浩特市)Fig.3 The geopotential height field (isolines, Unit: dagpm), wind field (wind vectors, Unit: m·s-1) (a, c) and anomaly of geopotential height field (isolines, Unit: dagpm ) and wind field (wind vectors, Unit: m·s-1) (b, d) at 500 hPa (a, b) and 850 hPa (c, d) in January 2020(The red dot represents Hohhot)

3.2.2 累計(jì)降水量

為了解累計(jì)降水量對(duì)霧霾日數(shù)的影響，將呼和浩特市2013—2020年每年前一年11月至當(dāng)年1月、前一年12月至當(dāng)年1月及當(dāng)年1月的累計(jì)降水量與1月同期霧霾日數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)前一年11月至當(dāng)年1月和前一年12月至當(dāng)年1月的累計(jì)降水量與霧霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.950和0.951，且通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)年1月的降水量與霧霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.804，通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明冬季累計(jì)降水量對(duì)霧霾日數(shù)的影響較大，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)2013年、2020年前一年11月至當(dāng)年1月累計(jì)降水量相對(duì)較多，對(duì)應(yīng)當(dāng)年1月均出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)霧霾天氣；2018年、2019年前一年11月至當(dāng)年1月累計(jì)降水量相對(duì)較少，對(duì)應(yīng)當(dāng)年1月霧霾日數(shù)均較少(表1)。

表1 2013—2020年1月呼和浩特市積雪日數(shù)、積雪深度、霧霾日數(shù)及前一年11月至當(dāng)年1月累計(jì)降水量Tab.1 Statistics of snow days, snow cover depth, haze days in January and the accumulated precipitation from November of the previous year to January of that year in Hohhot of Inner Mongolia from 2013 to 2020

3.2.3 地面積雪

對(duì)2013—2020年1月同期呼和浩特市積雪日數(shù)(表1)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2013年1月積雪日數(shù)為30 d，積雪深度為1～4 cm，對(duì)應(yīng)2013年霧霾日數(shù)較多(25 d)。2020年1月積雪日數(shù)為31 d，積雪深度為8～12 cm，對(duì)應(yīng)2020年1月霧霾日數(shù)最多(29 d)。2014年和2019年無(wú)積雪日，霧霾日數(shù)相對(duì)較少，2018年積雪日數(shù)為6 d，但積雪深度僅為1 cm，前一年11月至當(dāng)年1月累計(jì)降水量?jī)H為1.5 mm，霧霾較少。說(shuō)明積雪深度及積雪持續(xù)時(shí)間均對(duì)霧霾有一定影響。

綜上所述，累計(jì)降水量、地面積雪增加均有利于霧霾天氣的發(fā)生，但明顯的降雪過(guò)程能抑制霧霾的生成。2020年1月5日12:00至6日04:00，全市普降中到大雪，開始降雪時(shí)仍有輕度污染存在，隨著降雪濕沉降作用和冷空氣輸入，PM2.5質(zhì)量濃度逐漸下降，6日05:00開始出現(xiàn)優(yōu)良天氣?？梢?，降雪和冷空氣輸入對(duì)污染物的清除擴(kuò)散起到較好作用。6日降雪過(guò)后至7日白天，全市大部受高壓控制，氣溫明顯下降，出現(xiàn)3、4級(jí)西北風(fēng)，水平和垂直擴(kuò)散能力增強(qiáng)，因此出現(xiàn)整月僅有的2 d優(yōu)良天氣。7日17:00之后，風(fēng)力減小，大氣再次趨于穩(wěn)定狀態(tài)，配合較高的濕度條件和污染顆粒物，出現(xiàn)中度以上霧霾天氣。之后，冷空氣勢(shì)力一直不強(qiáng)，偶爾出現(xiàn)一些弱降水，不但不能起到濕沉降作用，反而增加了細(xì)顆粒物的吸濕增長(zhǎng)，加大了消光作用，從而出現(xiàn)更嚴(yán)重的霧霾天氣。

3.3 風(fēng)向風(fēng)速

對(duì)于大氣污染來(lái)說(shuō)，風(fēng)主要表現(xiàn)為平流輸送的能力，較小風(fēng)速不利于污染物水平擴(kuò)散，局地風(fēng)場(chǎng)輻合會(huì)使污染物匯合集聚。2013—2020年呼和浩特市1月同期2 min平均風(fēng)速(v2)為0.8～1.5 m·s-1，說(shuō)明本市1月平均風(fēng)力均較小，其中2013年和2020年1月v2均為0.8 m·s-1，明顯小于其他年份。2013—2020年呼和浩特市1月同期v2≤1.5 m·s-1和v2≤1.0 m·s-1的日數(shù)與霧霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.778和0.939，且分別通過(guò)α=0.05、α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明v2≤1.0 m·s-1更有利于本地霧霾生成和維持。2013—2020年呼和浩特市1月同期的最多風(fēng)向均為偏東風(fēng)和偏南風(fēng)。圖4為2020年1月呼和浩特市逐小時(shí)2 min平均風(fēng)向、風(fēng)速及AQI極坐標(biāo)圖?？梢钥闯?，2020年1月在較小的東南和西南氣流控制下更有利于呼和浩特市中度以上霧霾天氣的出現(xiàn)。

圖4 2020年1月呼和浩特市逐小時(shí)2 min平均風(fēng)向、風(fēng)速及AQI極坐標(biāo)圖Fig.4 Polar diagram of hourly AQI, 2-minute mean wind direction and wind speed in Hohhot of Inner Mongolia in January 2020

3.4 逆溫條件

表2列出2013—2020年1月同期呼和浩特探空站08:00和20:00逆溫統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?，2013—2020年1月同期08:00、20:00逆溫日數(shù)分別為29～31、23～30 d，每年1月均有較多的逆溫日數(shù)，且主要以貼地逆溫為主。08:00單層逆溫厚度一般維持在60 m以上，最厚可達(dá)2038 m；20:00單層逆溫厚度大多維持在60 m以上，少數(shù)為30 m以上，最厚為1655 m。08:00和20:00逆溫強(qiáng)度分別為0.3～9.0、0.2～10.9 ℃·(100 m)-1。08:00和20:00均有2層以上逆溫出現(xiàn)，最多有4層逆溫，且20:00多層逆溫出現(xiàn)次數(shù)一般大于08:00。綜上所述，呼和浩特市1月逆溫出現(xiàn)頻率較高，可能原因是冬季地面為冷源，在夜間輻射降溫的情況下，近地面層氣溫比高層氣溫低，容易形成逆溫。早晨一般以輻射逆溫為主，傍晚可能受地形影響出現(xiàn)地形逆溫，當(dāng)有天氣過(guò)程影響時(shí)可能出現(xiàn)2層以上逆溫。有霧霾出現(xiàn)時(shí)往往有逆溫存在，但有逆溫出現(xiàn)時(shí)不一定有霧霾出現(xiàn)，如2020年1月6—7日均有逆溫存在，但無(wú)霧霾出現(xiàn)。

圖5為2020年1月呼和浩特探空站08:00和20:00逆溫高度及強(qiáng)度的日變化。可以看出，1月08:00、20:00逆溫日數(shù)分別為31、29 d，逆溫強(qiáng)度強(qiáng)、厚度薄對(duì)應(yīng)較重的污染天氣。1月25日出現(xiàn)月內(nèi)最嚴(yán)重污染天氣時(shí)，08:00和20:00逆溫強(qiáng)度分別為7.4、10.9 ℃·(100 m)-1，逆溫厚度較小，分別為68、34 m。說(shuō)明逆溫強(qiáng)度強(qiáng)、厚度薄，污染顆粒物在小范圍內(nèi)大量聚集，不易擴(kuò)散，加大污染程度，導(dǎo)致能見度顯著下降，極易出現(xiàn)嚴(yán)重霧霾天氣。

表2 2013—2020年1月同期呼和浩特探空站08:00和20:00逆溫統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of temperature inversion at 08:00 BST and 20:00 BST at Hohhot sounding station in January from 2013 to 2020

圖5 2020年1月呼和浩特探空站08:00(a)和20:00(b)逆溫高度及強(qiáng)度的日變化Fig.5 The daily variation of the height and the intensity of temperature inversion at 08:00 BST (a) and 20:00 BST (b) at Hohhot sounding station in January 2020

3.5 邊界層特征

2020年1月呼和浩特市污染天氣持續(xù)時(shí)邊界層平均高度約430～550 m，最低約210 m，較低的邊界層利于污染物在近地層集聚，導(dǎo)致能見度惡化，霧霾加重。圖6為2020年1月呼和浩特市不同污染等級(jí)的邊界層日平均高度分布箱線圖?？梢钥闯?，優(yōu)良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染天氣下邊界層高度的中位數(shù)逐漸降低，分別為697、561、465、390、342 m，說(shuō)明污染越重，邊界層高度越向下集中。邊界層數(shù)據(jù)異常值較少，說(shuō)明本次激光雷達(dá)測(cè)得的污染物邊界層高度較穩(wěn)定，可以反映邊界層對(duì)霧霾的影響。

圖6 2020年1月呼和浩特市不同污染等級(jí)的邊界層日平均高度分布箱線圖Fig.6 The boxplot of the daily average height of the boundary layer with different pollution levels in Hohhot of Inner Mongolia in January 2020

3.6 地形影響

圖7為2020年1月呼和浩特市地形及7個(gè)國(guó)家氣象站霧霾日數(shù)分布，其中呼和浩特市行政邊界是基于內(nèi)蒙古測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為S(2019)33號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改?？梢钥闯?，呼和浩特霧霾日數(shù)中部最多，南部次之，北部最少。2020年1月呼和浩特市持續(xù)多日的霧霾天氣與該地地形密切相關(guān)，呼和浩特市北部武川縣處于陰山北側(cè)，由于山脈阻擋和海拔高度較高，風(fēng)力較大，霧霾天氣相對(duì)較少。中部呼和浩特市區(qū)、土默特左旗位于陰山南側(cè)的土默川平原區(qū)，地勢(shì)由南向北逐漸增高，在沒(méi)有冷空氣活動(dòng)或冷空氣活動(dòng)較弱時(shí)，受東西走向的陰山阻擋，氣流容易在山前輻合形成東南風(fēng)或偏南風(fēng)，大量污染物和水汽易在山前堆積形成霧霾或使霧霾加重。托克托縣緊鄰?fù)聊刈笃欤喜靠拷S河，霧霾日數(shù)接近中部。和林縣、清水河縣處于呼和浩特南部的丘陵地帶，霧霾日數(shù)次多，主要以霧或輕霧居多。

圖7 呼和浩特市地形(彩色填色區(qū))及7個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站2020年1月霧霾日數(shù)(數(shù)字，單位：d)空間分布Fig.7 The spatial distribution of terrain (color shaded area) and haze days (the number, Unit: d) of 7 national automatic meteorological stations in Hohhot of Inner Mongolia in January 2020

4 結(jié) 論

(1)2020年1月內(nèi)蒙古呼和浩特市霧霾日數(shù)偏多與大尺度環(huán)流背景有關(guān)。1月東亞大槽較常年位置偏東偏北、強(qiáng)度偏弱，中高緯環(huán)流經(jīng)向度較常年偏小。北極濤動(dòng)(AO)指數(shù)呈明顯正位相，為2013年以來(lái)1月同期最大值。因此，中緯度一帶呈現(xiàn)出比歷年更弱的冬季風(fēng)環(huán)流特點(diǎn)，不利于引導(dǎo)冷空氣南下，對(duì)靜穩(wěn)天氣的長(zhǎng)期維持、霧霾頻發(fā)具有重要影響。

(2)2020年1月呼和浩特市地面相對(duì)濕度長(zhǎng)期維持較高，使輕霧與霧霾混合日偏多。前期累計(jì)降水量與1月霧霾日數(shù)呈顯著正相關(guān)，累計(jì)降水量越多、積雪深度越深、積雪持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則霧霾日數(shù)也越多，但明顯降雪的濕沉降作用能抑制霧霾發(fā)生。

(3)2020年和2013年1月呼和浩特市霧霾日數(shù)偏多，分別為29、23 d，2020年和2013年1月呼和浩特市逐小時(shí)2 min平均風(fēng)速均為0.8 m·s-1，風(fēng)速明顯小于其他年份，且逐小時(shí)2 min平均風(fēng)速小于等于1.0 m·s-1更有利于霧霾天氣的發(fā)生。風(fēng)速較小、高濕度條件對(duì)霧霾的維持具有重要作用，但適合的大氣環(huán)流背景又為較弱的風(fēng)場(chǎng)和高濕度條件起到支撐作用。

(4)逆溫是霧霾形成的必要條件。呼和浩特市1月早晚出現(xiàn)逆溫的概率較大，早晨一般與輻射逆溫有關(guān)系，傍晚可能受地形影響出現(xiàn)地形逆溫，當(dāng)有天氣過(guò)程影響時(shí)可能出現(xiàn)兩層以上逆溫。逆溫強(qiáng)度大、厚度小時(shí)會(huì)出現(xiàn)重度到嚴(yán)重污染。

(5)2020年1月呼和浩特市霧霾天氣中部最多，南部次多，北部較少，且持續(xù)多日的霧霾天氣與該地特殊地形密切相關(guān)。呼和浩特市中南部處于陰山南面，地形由西南向東北逐漸增高，污染物容易在山前集聚形成霧霾天氣。北部武川縣處于陰山北側(cè)，海拔較高，風(fēng)力較大，霧霾不易形成。

(6)2020年1月呼和浩特市污染天氣持續(xù)時(shí)邊界層平均高度較低，利于污染物在近地層集聚，導(dǎo)致能見度較低，霧霾加重，且污染越重，邊界層高度相對(duì)越低。