塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵氣溶膠質(zhì)量濃度的觀測研究

劉新春 ,鐘玉婷 ,何 清 ,艾力·買買提明 (1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站,新疆 塔中 841000)

塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵氣溶膠質(zhì)量濃度的觀測研究

劉新春1,2*,鐘玉婷1,2,何 清1,2,艾力·買買提明1,2(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站,新疆 塔中 841000)

對塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)進行了長達6a的試驗觀測研究,獲得了該地區(qū)沙塵氣溶膠的基本特征:塔中地區(qū)浮塵、揚沙出現(xiàn)日數(shù)呈上升趨勢,而沙塵暴日數(shù)呈下降趨勢,沙塵天氣出現(xiàn)的頻率和強度是影響沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠濃度的主要因素.可吸入顆粒物(PM10)月平均質(zhì)量濃度峰值區(qū)分布在春夏兩個季節(jié),3～5月是主峰值區(qū)域,7～8月是次峰值區(qū),春季 PM10平均濃度在 1000μg/m3左右變化,夏季在400～900μg/m3之間,秋冬兩季濃度較低基本上在200～400μg/m3之間變化.每年的3～9月是總懸浮顆粒物(TSP)質(zhì)量濃度較高的月份,4～5月是主峰值區(qū),7～8月為次峰值區(qū);2005年TSP質(zhì)量濃度最低,年平均值為1105.0μg/m3,2009年略高于2008年,年平均濃度為1878.0 μg/m3,2008年5月TSP平均質(zhì)量濃度是全年最高值,濃度值達到7415.0μg/m3.沙塵天氣過程中大氣顆粒物濃度變化具有以下規(guī)律:晴天＜浮塵天氣＜浮塵、揚沙天氣＜沙塵暴天氣.風(fēng)速大小直接影響大氣中顆粒物濃度,風(fēng)速越大顆粒物濃度越高.氣溫、相對濕度和氣壓是影響沙塵暴強度的重要因素,也間接影響大氣中顆粒物濃度的變化.

沙塵氣溶膠；沙塵天氣；質(zhì)量濃度；塔克拉瑪干沙漠

大氣氣溶膠和氣態(tài)大氣污染物是影響空氣質(zhì)量的兩大基本因素.中國沙塵暴源區(qū)及其影響的大城市的空氣質(zhì)量已受到廣泛關(guān)注.大氣中懸浮的氣溶膠粒子,不僅對人體健康造成危害,而且對區(qū)域和全球氣候與環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影

響[1-2].

由沙塵暴、揚沙造成的浮塵天氣有2種:一種由當(dāng)?shù)厣硥m天氣發(fā)生后,空氣中粒徑較小的沙塵尚未下落形成;一種是沙塵源地發(fā)生沙塵天氣,卷揚起的細粒沙塵隨上層氣流傳播,到一定距離,以降塵的方式形成.在西北地區(qū),塔克拉瑪干沙漠是沙塵天氣發(fā)生的主要源區(qū),沙塵天氣對本地乃至整個西北部環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生嚴重的污染.目前,對于城市大氣氣溶膠濃度、成分分析及其影響方面的研究較多[3-6];有關(guān)塔克拉瑪干沙漠沙塵天氣的研究主要集中在沙塵天氣產(chǎn)生的條件、變化特征等方面[7-14],對于沙塵氣溶膠濃度變化、化學(xué)組分及其影響因素方面的研究較少[15-19].本研究利用多種大氣顆粒物濃度監(jiān)測儀器,對新疆塔中地區(qū)近6年來沙塵氣溶膠進行連續(xù)觀測,分析沙塵氣溶膠變化特征.同時對典型沙塵天氣(沙塵暴)發(fā)生前后大氣中不同粒徑顆粒物濃度變化及其主要影響因素進行分析,旨在進一步了解塔中地區(qū)沙塵氣溶膠分布特征及對環(huán)境空氣質(zhì)量影響程度.

1 研究方法

1.1 試驗儀器

采用美國生產(chǎn)的Thermo RP 1400a 型PM10自動監(jiān)測儀、武漢天虹智能儀表廠生產(chǎn)的TH-1000C型大氣總懸浮顆粒物采樣器以及德國Grimm公司生產(chǎn)的Grimm1.108型在線環(huán)境粉塵監(jiān)測儀,分別觀測大氣中不同粒徑的沙塵氣溶膠粒子.其中Thermo RP 1400a型PM10自動監(jiān)測儀是直接和實時測量室內(nèi)(外)環(huán)境中直徑小于10μm粒子濃度,系統(tǒng)由 TEOM 傳感器單元和TEOM 控制單元兩個主要部分組成.當(dāng)微粒聚集于濾膜上時,錐形管的自然震蕩頻率相應(yīng)減少,根據(jù)質(zhì)量和頻率間的相關(guān)變化,微處理器能及時計算出濾膜上所累計顆粒物的總質(zhì)量、質(zhì)量流量和質(zhì)量濃度.TH-1000C型大氣總懸浮顆粒物采樣器,通過抽取一定體積的空氣(采樣器入口高度距地面 1.5m),通過已稱重的濾膜,使空氣中粒徑在100μm以下的懸浮顆粒物阻留在濾膜上,測定濾膜采樣前后質(zhì)量差及采樣體積,從而計算出大氣中總懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度.Grimm1.108監(jiān)測儀采用半導(dǎo)體激光光源,應(yīng)用激光散射技術(shù)測量每一個顆粒的尺寸并進行計數(shù).粒徑范圍:0.3～20μm,共分15個通道,計算出每個通道顆粒物總體積,然后通過平均密度計算得到每個通道的總質(zhì)量,最后根據(jù)質(zhì)量粒徑分布曲線,積分得到質(zhì)量濃度.本實驗中采取質(zhì)量濃度監(jiān)測,監(jiān)測濃度為:＞0.23μm,＞0.30μm,＞0.40μm,＞0.50μm,＞0.65μm,＞0.80μm,＞1.0μm,＞1.6μm,＞2.0μm,＞3.0μm,＞4.0μm,＞5.0μm,＞7.5μm,＞10.0μm,＞15.0μm,＞20.0μm 15個通道,觀測頻率為6s.

1.2 觀測地點

觀測地點選在塔中氣象站(38°58′N, 83°39′E,海拔1090m),該站建立在深入沙漠近200km的塔克拉瑪干沙漠腹地,是我國在塔克拉瑪干沙漠腹地建立的首個國家級沙漠氣象站,承擔(dān)著對沙漠天氣氣候的監(jiān)測任務(wù).其中 PM10自動監(jiān)測儀安放在室內(nèi),進氣管通過軟管轉(zhuǎn)接伸到屋頂之上,離屋頂約1.5m高,距離地面高度約4m.總懸浮顆粒物監(jiān)測儀(采樣器入口高度距地面 1.5m)安裝在沙塵暴觀測房東側(cè)的平地,Grimm1.108安裝在平房樓頂(高 3m),進氣管高 1.5m.所有儀器安裝點地形視野開闊,觀測數(shù)據(jù)具有代表性.

1.3 觀測方法及數(shù)據(jù)處理

PM10觀測從2004年1月8日開始,至2009年12月31日結(jié)束.其中2004年6月27日至2005年1月25日,2005年4月27日至2005年8月14日,由于觀測儀器出現(xiàn)故障,造成數(shù)據(jù)缺失,其余觀測時段都是連續(xù)的.對于 PM10質(zhì)量濃度的原始數(shù)據(jù)進行了檢查,剔除明顯有誤的數(shù)據(jù)(主要是PM10質(zhì)量濃度為負數(shù)的數(shù)據(jù)).Grimm1.108選擇質(zhì)量濃度在線連續(xù)觀測模式,每6s采集1次,選擇平均min數(shù)據(jù), PM10選擇每5min觀測1次.TSP采樣濾膜為孔徑 0.45μm 玻璃纖維濾膜,采樣流量為1.05m3/min.采樣前后,將空白及采樣后濾膜放入烘干箱,控制烘干箱在(50±2)℃的溫度下恒溫干燥2～6h,電子天平選用北京賽多利斯天平有限公司的Bs210s型,精度為 0.1mg.稱量之后,采樣濾膜用鋁箔紙包好放進塑料袋和信封存放,以備樣品處理和分析.在沙塵暴觀測期(春季),每日進行1次TSP采樣,每日采 1個樣品(沙塵暴發(fā)生時,儀器產(chǎn)生報警的情況下,須及時更換采樣膜,并將該日內(nèi)采集的所有樣品膜,合并稱量和計算).非沙塵暴觀測期,每旬進行2次TSP采樣,即在上旬的1日和6日,中旬的11日和16日,下旬的21日和26日各采1個樣品.樣品采集時間為 1d,即北京時間 08:30至次日06:30,計算結(jié)果作為日平均值,其他數(shù)據(jù)則首先求得小時數(shù)據(jù)和每日數(shù)據(jù),最后得到月平均值,沙塵天氣過程選擇的時間為2008年4月17至23日.

2 結(jié)果分析

2.1 塔中地區(qū)環(huán)境及沙塵天氣特征

2.1.1 塔中地區(qū)環(huán)境特征 塔中位于塔克拉瑪干沙漠腹地.沙漠腹地環(huán)境具有以下特征:高溫:年平均氣溫12.4℃,最熱月(7月份)的平均氣溫為28.2℃,最冷月(12月份)的平均氣溫-8.1℃,極端最高氣溫 45.6℃,極端最低氣溫-22.2℃;氣候干燥,降水稀少.年降水量 11.05mm,平均相對濕度29.4%,蒸發(fā)量 3 638.6mm.風(fēng)沙活動頻繁,風(fēng)力強勁,年起沙風(fēng)(6.0m/s,地面10.0m高的風(fēng)速)達500次以上,年平均風(fēng)速 2.5m/s,最大瞬時風(fēng)速達到20.0m/s,風(fēng)沙活動指數(shù)達到8 000以上,年起沙風(fēng)向以ENE,NE,NNE和E風(fēng)向組合為主;植被稀少,沙源豐富.絕大部分部分地面裸露,只在壟間地有零星的檉柳灌叢和蘆葦分布.主要為流動風(fēng)沙土,土體干燥(土壤水分含量不足 0.5%)、結(jié)構(gòu)松散,表層裸露呈流動狀.極易產(chǎn)生風(fēng)蝕;地表沙物質(zhì)機械組成以細沙和極細沙(0.1～0.05mm)為主,丘間地表層粗化,含有0.5mm甚至有＞2mm的細礫成分;地表發(fā)育高大復(fù)合型縱向沙壟,沙壟呈東北-西南走向,沙壟高 30～70m,沙壟上覆次級沙丘鏈高5～15m;壟間地寬1～3km,分布有新月形沙丘、沙丘鏈和線性沙壟[10].

2.1.2 塔中地區(qū)沙塵天氣特征 依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》[20],將沙塵天氣劃分為: ①浮塵:塵土、細沙均勻地浮游在空中,使水平能見度＜ 10.0km;②揚沙:由于大風(fēng)將地面塵沙吹起,使空氣相當(dāng)混濁,水平能見度在 1.0～10.0km以內(nèi);③沙塵暴:由于強風(fēng)將地面大量塵沙吹起,使空氣很混濁,水平能見度＜1.0km.統(tǒng)計分析得出,塔中地區(qū)1997～2009年浮塵日數(shù)年變化非常大,13a平均為102.1d,2003年最少(49d),2007年最多(161d).1997～2004年,除2003年浮塵日數(shù)明顯偏少外,其他年份變化不大,但自2005年后浮塵日數(shù)明顯增多.揚沙日數(shù)13a平均為60.2d,揚沙的年變化日數(shù)呈波動式上升趨勢.1998～2000年呈逐年上升趨勢,2000～2002年揚沙年變化日數(shù)趨近于次峰值,2003和2004年揚沙日數(shù)有所減少,但自 2005年開始揚沙日數(shù)再次呈逐年上升趨勢,2009年達到最高值(95d).沙塵暴13a平均日數(shù)15.2d,1998年最多,為36d,2001年最少,僅為8d,沙塵暴年變化呈緩慢下降趨勢(圖1).

圖1 塔中地區(qū)沙塵天氣日數(shù)年變化Fig.1 Annual variation of sand weather in the area of Tazhong

塔中沙塵天氣中浮塵、揚沙出現(xiàn)日數(shù)呈上升趨勢,而沙塵暴日數(shù)卻呈下降趨勢,這種變化特征與塔中站周邊環(huán)境的變化有很大關(guān)系.2001年以來塔中站周邊綠化帶不斷擴大至各大沙丘頂端,形成一個局地的盆地小氣候,同時隨著塔中地區(qū)石油勘探力度的加大,沙漠公路兩旁和塔中作業(yè)區(qū)東西兩面沙坡上大面積的綠化以及人類活動增加,造成對下墊面的破壞,加大了浮塵、揚沙發(fā)生的次數(shù),同時也抑制了沙塵暴的發(fā)生.

2.2 塔中地區(qū)PM10質(zhì)量濃度特征

2004～2009年塔中地區(qū)PM10月平均質(zhì)量濃度表明(圖2),月平均質(zhì)量濃度全年變化中存在2個峰值區(qū),3～5月是主峰值區(qū)域,7～8月是次峰值區(qū).由于沙漠地區(qū)沙塵天氣主要發(fā)生在每年的3～8月之間,因而PM10質(zhì)量濃度在這段時間內(nèi)濃度較高,尤其是每年春季的3～5月濃度非常高,沙塵天氣主要受系統(tǒng)性天氣的影響,而7～8月主要是局地性天氣影響 PM10質(zhì)量濃度的變化.除2004年外,PM10質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在每年的5月,其濃度值基本上在 1000μg/m3以上.2004～2009年中造成各年最高濃度月份不同的主要原因是每年沙塵天氣天數(shù)分布不均,有些年份3月份沙塵天氣較多,但出現(xiàn)最多的是每年的 5月;8月份受局地性天氣的影響,PM10質(zhì)量濃度也比較高.從每年的變化看出,2006年月平均質(zhì)量濃度基本上是 2004～2009年中最高的一年,3～8月PM10平均質(zhì)量濃度為 1053.3μg/m3,其他月份平均值在70～650μg/m3;2008和2009年P(guān)M10月平均質(zhì)量濃度在所有年份中較低,3～8月PM10平均質(zhì)量濃度分別為 694.4,678.1μg/m3,全年平均濃度分別為 444.5,481.1μg/m3.主要原因與塔中站周邊綠化帶不斷擴大,形成一個局地的盆地小氣候,及人為活動的增加有關(guān).沙塵天氣中對 PM10質(zhì)量濃度影響最大的是沙塵暴,2008～2009年浮塵和揚沙天氣頻率增加,但沙塵暴天氣減少,因而造成PM10月平均質(zhì)量濃度較低.

圖2 2004～2009年塔中地區(qū)PM10月平均質(zhì)量濃度變化Fig.2 Monthly variation of PM10 mass concentration from 2004 to 2009 in the area of Tazhong

圖3 2004～2009年塔中地區(qū)PM10季節(jié)平均質(zhì)量濃度變化Fig.3 Seasonal variation of PM10 mass concentration from 2004 to 2009in the area of Tazhong

春夏季是塔中地區(qū)沙塵天氣發(fā)生比較頻繁的季節(jié),因而春夏季塔中的 PM10平均濃度非常高(圖3),其中春季尤為突出.2004年和2006年春季 PM10平均濃度相當(dāng),都超過 1200μg/m3,是2004～2009年中平均濃度最高的兩年.2007年平均質(zhì)量濃度略高于 2009年和 2008年,為876.2μg/m3,最低的 2005年平均濃度也在410.5μg/m3.夏季PM10平均濃度基本上都低于春季,最低的仍為 2005年的 406.3μg/m3,與春季相當(dāng);2007年略高于 2005年,2008年稍高于 2009年,最高的還是2006年(870μg/m3).相對而言秋季和冬季是沙漠地區(qū)沙塵天氣發(fā)生的較少的季節(jié), PM10平均濃度較低,因而空氣質(zhì)量較好.2004～2009年中除了2005年冬季PM10平均濃度較高外,其他年份秋冬兩季變化并不顯著,基本上在200～400μg/m3.

2.3 塔中地區(qū)TSP質(zhì)量濃度特征

由圖4可看出,2005～2009年每年的3～9月份是TSP質(zhì)量濃度較高的時間,其中分兩個峰值區(qū),3～5月是主峰值區(qū),7～8月為次峰值區(qū);10～12月為全年中濃度最低的時段,2月份開始隨著沙塵天氣的逐漸增多,TSP質(zhì)量濃度又不斷上升.影響TSP濃度變化的主要因素為沙塵天氣的頻次和強度,沙塵暴天氣前后的浮塵天氣對TSP質(zhì)量濃度的影響最大,其次為沙塵暴天氣,最后為揚沙天氣.這是因為沙塵天氣過程中飄浮在大氣中的細顆粒物(≤100μm)是決定TSP濃度的關(guān)鍵因素,揚沙和沙塵暴過程中大氣中顆粒物粒徑較大,在大氣中飄浮時間短,而浮塵天氣主要是細顆粒在大氣中停留時間相對較長.年際變化情況表明,2005年為2005～2009年中TSP質(zhì)量濃度最低的年份,年平均值為 1105.0μg/m3,其中濃度最高的月份為 4月(2404.0μg/m3),最低月份為 11月(66.0μg/m3).2009年略高于2008年,年平均濃度為 1878.0μg/m3,其中 5月的 TSP濃度為4358.0μg/m3是全年中最高的月份,最低的 10月濃度值也達到526.0μg/m3.2008年的5月TSP平均質(zhì)量濃度為所有月份最高的,其濃度值達到7415.0μg/m3.通過查詢沙塵天氣資料發(fā)現(xiàn),該月發(fā)生浮塵天數(shù)為25d、揚沙11d,為沙塵暴為3d,這充分說明了塔中地區(qū)TSP質(zhì)量濃度完全取決于該地區(qū)的沙塵天氣頻率和強度.

圖4 2005～2009年塔中地區(qū)TSP月平均質(zhì)量濃度變化Fig.4 Monthly variation of TSP mass concentration from 2005 to 2009 in the area of Tazhong

2.4 塔中地區(qū)PM10與TSP質(zhì)量濃度對比分析

由圖5看出,2005～2009年1～12月PM10/TSP百分比值各不一樣,最低的僅為9.3%,發(fā)生在2005年4月,最高的為2008年12月達到98.6%,其他年份每月的變化基本上在 30%～50%之間變化. PM10/TSP百分比反映出該月天氣狀況,每年的10月至翌年 2月,塔中地區(qū)天氣比較平和,很少發(fā)生沙塵天氣;從每年的 3月份開始沙塵天氣逐漸增多,5月份沙塵天氣出現(xiàn)幾率最高;6月份開始沙塵天氣逐步回落,7～8月基本上容易發(fā)生局地性沙塵天氣.無沙塵天氣天數(shù)越多,則PM10/TSP百分比越高;如果發(fā)生沙塵天氣,浮塵天氣天數(shù)越多,PM10/TSP百分比越高;揚沙天氣與沙塵暴天氣天數(shù)較多則PM10/TSP百分比相對較低.2005年4月發(fā)生浮塵、揚沙和沙塵暴天氣分別為15,11,0d,因而PM10/TSP百分比相對較低;2008年12月發(fā)生浮塵、揚沙和沙塵暴天氣分別為 13,2,0d,浮塵天氣明顯高于揚沙天氣,因而比值非常高.

圖5 2005～2009年塔中地區(qū)PM10/ TSP(%)月變化Fig.5 Monthly variation of PM10/TSP percentage from 2005 to 2009 in the area of Tazhong

2.5 沙塵天氣過程氣溶膠質(zhì)量濃度特征

2.5.1 Grimm1.108監(jiān)測不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度變化 自2008年4月15日開始出現(xiàn)浮塵天氣,16日浮塵天氣逐漸增強,17日同時伴有揚沙天氣,18日浮塵揚沙天氣繼續(xù),19日出現(xiàn)沙塵暴,20日沙塵天氣開始減弱但仍有揚沙,21～22日仍為浮塵天氣,能見度逐漸增大,23日沙塵天氣過程結(jié)束,天氣晴好.

從 Grimm1.108顆粒物分析儀監(jiān)測結(jié)果可以得出:在整個沙塵天氣過程中,顆粒物日平均濃度出現(xiàn)兩個峰值區(qū),主峰值出現(xiàn)在20日,次峰值出現(xiàn)在18日,并且主峰值遠遠超過次峰值.同時分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),在整個沙塵天氣過程中,顆粒物粒徑基本上分布在 0.23～10μm 之間,小于10μm的顆粒物質(zhì)量濃度占總顆粒物的 60%以上.同時,不同粒徑顆粒物日均質(zhì)量濃度高峰在4月 20日,而不同粒徑顆粒物濃度小時平均高峰明顯在4月19日,這說明了日均質(zhì)量濃度和小時平均質(zhì)量濃度的峰值并不同步,究其源發(fā)現(xiàn)19日出現(xiàn)強的沙塵暴導(dǎo)致不同粒徑顆粒物小時平均質(zhì)量濃度出現(xiàn)峰值,隨著沙塵暴的減弱,出現(xiàn)浮塵天氣,空氣中的顆粒物聚集從而導(dǎo)致日均質(zhì)量濃度的高峰出現(xiàn)在20日.

4月20日＞0.23μm總顆粒物日平均濃度達到5753.4μg/m3,是4月18日濃度(2784.5μg/m3)的兩倍多;＞20.0μm總顆粒物濃度 4月 20日為1422.1μg/m3,4月18日1205.8μg/m3,給當(dāng)?shù)厝藗?主要是石油工人)的生活和生產(chǎn)造成了嚴重的影響.4月18日顆粒物濃度較高,其重要原因是前2d的揚沙和浮塵天氣在空氣中積累了大量細顆粒物;顆粒物濃度日平均最高值并未出現(xiàn)在沙塵暴發(fā)生的4月19日,而是在沙塵暴后的浮塵天氣,其主要原因為沙塵暴發(fā)生時由于風(fēng)速較大,漂浮在空氣中的細顆粒物數(shù)量少而大部分為較粗顆粒,浮塵天氣懸浮在空氣中的主要為細顆粒物,因此浮塵天氣細顆粒物濃度遠遠大于沙塵暴天氣;沙塵暴結(jié)束后,由于大氣中顆粒物逐漸沉降,漂浮于大氣中的細顆粒物逐漸減少,到 4月 23日＞0.23μm 總顆粒物日平均濃度已經(jīng)下降到887.9μg/m3,＞20.0μm 總顆粒物濃度也下降到52.4μg/m3.雖然濃度相對下降,但仍遠高于城市的顆粒物濃度值.

4月17～23日沙塵天氣過程中不同粒徑顆粒物濃度小時平均變化分析結(jié)果表明:不同顆粒物濃度變化劇烈,高值區(qū)主要集中在 4月 19～20日,21日中午存在一個峰值區(qū),其他時段濃度相對較低.小時平均濃度時段分布與日變化具有很大的差別,4月19日上午10:00顆粒物濃度達到最高值,＞0.23μm顆粒物總濃度為30716.3μg/m3,隨著顆粒物粒徑增大,濃度逐漸減低,＞20.0μm顆粒物總濃度為 4249.8μg/m3.伴隨沙塵暴強度的逐漸減弱,顆粒物總濃度也逐漸變小,16:00顆粒物濃度降到最低,＞0.23μm 顆粒物總濃度為11651.1μg/m3,＞20.0μm 顆 粒 物 總 濃 度 為4006.4μg/m3.由于風(fēng)速減小,大氣中細顆粒物濃度積累相對增加,總顆粒物濃度又逐漸增大,當(dāng)天23:00濃度達到第2個高峰,但該時間的峰值遠低于第1個峰值區(qū),隨時間的推移,顆粒物逐漸下沉,顆粒物濃度逐漸下降.4月21日13:00前后由于風(fēng)速增大,有揚沙天氣發(fā)生,使得顆粒物濃度又出現(xiàn)1個峰值,但由于揚沙強度較小,顆粒物濃度很快下降.

圖6 2008年4月17～23日沙塵天氣前后PM10濃度小時平均變化Fig.6 Hourly variation of PM10mass concentration in sandstorm weather from 17th to 23rd in April 2008

2.5.2 PM10與 TSP質(zhì)量濃度變化 PM10和TSP的濃度變化同樣可以反映沙塵天氣的過程和強度(圖6).從4月17開始出現(xiàn)浮塵天氣,大氣中PM10濃度基本保持在400μg/m3左右,是城市濃度的3～4倍(烏魯木齊市).4月18日傍晚開始隨著揚沙過程的發(fā)生,大氣中細顆粒物數(shù)量逐漸增多,PM10質(zhì)量濃度含量也逐步升高,4月 19日凌晨開始出現(xiàn)強沙塵暴,PM10質(zhì)量濃度急劇增加,出現(xiàn)第1個峰值區(qū),最大平均值為4月19日10:00的8339.0μg/m3,為4月17～18日小時平均值的近20倍.隨著沙塵暴的結(jié)束,大氣細顆粒物逐漸沉降,PM10質(zhì)量濃度很快下降,到 20:00時左右下降到平常濃度并持續(xù)到20日凌晨5:00時左右.此時再次出現(xiàn)時斷時續(xù)的揚沙天氣,PM10濃度也隨之出現(xiàn)波動,其中出現(xiàn) 2個峰值區(qū),分別為11:00時的1160.4μg/m3和14:00時的7606.4μg/m3,從20日下午15:00時開始再未出現(xiàn)揚沙天氣,浮塵天氣逐漸減弱,PM10濃度減小到常規(guī)水平.

4月17～23日TSP和PM10日平均質(zhì)量濃度分布表明(圖7),4月17日出現(xiàn)弱的浮塵天氣,大氣中的顆粒物較少,TSP和 PM10濃度相對較低,分別為 716.8,445.7μg/m3;18～20日沙塵暴期間TSP和PM10質(zhì)量濃度高,尤其是4月19日強沙塵暴發(fā)生時兩者濃度非常高,其中 TSP濃度達11879.9μg/m3,PM10濃度為 4614.5μg/m3;4月 20日兩者濃度明顯下降,TSP和 PM10濃度分別為3068.8μg/m3和 2693.2μg/m3;21～23日沙塵天氣逐漸減弱并恢復(fù)晴好天氣,大氣中顆粒物不斷沉降,兩者濃度下降明顯;4月23日TSP和PM10質(zhì)量濃度分別下降到985.6μg/m3和716.9μg/m3,稍高于 17日.觀測數(shù)據(jù)表明,沙塵暴前期大氣中顆粒物濃度遠低于強沙塵暴期間,隨著沙塵天氣減弱,顆粒物濃度明顯下降.

圖7 2008年4月17～23日沙塵天氣前后TSP與PM10濃度日平均變化Fig.7 The daily variation of TSP and PM10mass concentration in sandstorm weather from 17th to 23rd in April 2008

在整個沙塵天氣前后,大氣中不同粒徑顆粒物所占比例具有一定的規(guī)律.從 PM10/TSP值可以看出,浮塵天氣中 PM10/TSP值遠高于揚沙和沙塵暴天氣,其中4月17日比值為62.2%,18和19日分別為19.1%和38%,20～23日比值升高,在70%以上.其原因是:在浮塵天氣中懸浮于大氣中的粒子主要是細顆粒物,粗顆粒物由于重力作用而沉降;揚沙和沙塵暴期間風(fēng)速較大,粗顆粒物被揚起而懸浮于大氣中.

2.5.3 氣象條件對顆粒物濃度變化的影響 4月17～23日,在沙塵暴形成前風(fēng)速突然降低,甚至處于靜風(fēng)狀態(tài),4月17日平均風(fēng)速為0,18日平均風(fēng)速略有增加,日平均風(fēng)速為1.8m/s;在沙塵暴形成階段,風(fēng)速陡然增大,很快達到沙塵暴臨界風(fēng)速[塔克拉瑪干沙漠沙塵暴的起塵臨界風(fēng)速為8.0m/s (距地表10m高度10min平均風(fēng)速)[10],本實驗觀測中為2m風(fēng)速,通過經(jīng)驗公式換算出2m高度的起塵臨界風(fēng)速為5.6m/s],形成沙塵暴,4月19日日平均風(fēng)速為3.6m/s,但瞬時風(fēng)速達7.2m/s;在沙塵暴持續(xù)階段,風(fēng)速發(fā)生輕微波動,一般都高于臨界風(fēng)速,4月19日沙塵暴持續(xù)階段風(fēng)速基本上保持在6.0m/s左右;在沙塵暴消退階段,風(fēng)速緩慢降低,逐漸低于臨界風(fēng)速,4月20日開始風(fēng)速逐漸減弱,日平均風(fēng)速為2.5m/s.風(fēng)速大小直接關(guān)系到沙塵天氣的產(chǎn)生,而沙塵天氣也直接影響大氣中顆粒物濃度含量,風(fēng)速越大則大氣中顆粒物濃度越高.

4月17～23日沙塵天氣過程中主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng),沙塵暴形成前期風(fēng)向為 NNW,沙塵暴形成時風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)镹,再轉(zhuǎn)變?yōu)镹NE,E和ENE,逐漸與主風(fēng)向一致.由于觀測點為塔克拉瑪干沙漠腹地,視野開闊沒有任何障礙物,因而風(fēng)向?qū)Υ髿庵屑氼w粒物濃度的測量結(jié)果沒有直接影響.天氣狀況變化對大氣中細顆粒物的積累具有明顯的影響,顆粒物濃度存在:晴天＜浮塵天氣＜浮塵、揚沙天氣＜沙塵暴天氣.沙塵暴形成前后,氣溫、相對濕度和氣壓都發(fā)生相應(yīng)變化,是影響沙塵暴強度的重要因素,因而也間接影響大氣中顆粒物濃度的分布.

3 結(jié)論

3.1 2004～2009年期間,塔中地區(qū)沙塵天氣中浮塵、揚沙出現(xiàn)日數(shù)呈上升趨勢,而沙塵暴日數(shù)卻呈下降趨勢.沙塵天氣出現(xiàn)的頻率和強度是影響沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠濃度的主要因素.

3.2 PM10月平均質(zhì)量濃度全年變化中3～5月是主峰值區(qū)域,7～8月是次峰值區(qū);影響3～5月濃度高的主要因素是系統(tǒng)性天氣,而7～8月主要受局地性天氣影響.

3.3 每年的3～9月TSP質(zhì)量濃度較高,4～5月是主峰值區(qū),7～8月為次峰值區(qū).沙塵天氣資料表明塔中地區(qū)TSP質(zhì)量濃度完全取決于該地區(qū)的沙塵天氣頻率和強度.

3.4 PM10和 TSP的濃度變化同樣反映沙塵天氣的過程和強度,沙塵暴前期大氣中顆粒物濃度遠低于強沙塵暴期間,隨著沙塵天氣減弱,顆粒物濃度明顯下降.浮塵天氣小時 PM10濃度基本上保持在 400μg/m3左右.強沙塵暴時,PM10質(zhì)量濃度急劇增加,最大平均值為 8339.0μg/m3;浮塵天氣時TSP和PM10日平均濃度相對較低,分別為716.8μg/m3和 445.7μg/m3,沙塵暴期間質(zhì)量濃度高,TSP濃度達 11879.9μg/m3,PM10濃度為4614.5μg/m3.

3.5 天氣狀況變化對大氣中細顆粒物的積累具有明顯的影響,顆粒物濃度呈現(xiàn)出:晴天＜浮塵天氣＜浮塵、揚沙天氣＜沙塵暴天氣.

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Observation study on mass concentration of dust aerosols in the Taklimakan Desert Hinterland.

LIU Xin-chun1,2*, ZHONG Yu-ting1,2, HE Qing1,2, ALI Mamtimin1,2, (1.Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration, Urumqi 830002, China;2.Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment of Taklimakan Station, Tazhong 841000, China). China Environment Science, 2011,31(10)：1609～1617

An over 6 years dust aerosol investigation had been carried out in Tazhong area of Taklimakan Desert hinterland, which is one of the most important dust sources in China. The fundamental characteristics of dust aerosol’s concentration were summarized as below: the floating and blowing dust appeared an increasing tendency in day time, meanwhile, the sandstorm appeared a decreasing tendency. The frequency and intensity dust weather were major factors which were significantly affected the concentration of dust aerosols in the desert region. The monthly peak values of PM10concentration distributed in spring and summer: the largest peak value range was between March to May and the second peak value range occurred between July to August. Average concentration of PM10varied around 1000μg/m3in spring and changed between 400 to 900μg/m3in summer. Lower concentrations appeared in autumn and winter with about 200～400μg/m3. The TSP concentration was higher between March and September. The largest peak value range of TSP concentration was between April to May and the second peak value range occurred between July to August. The lowest TSP concentration took place in 2005 with the annual average of 1105.0μg/m3. The TSP concentration value was slightly higher in 2009 than in 2008 with annual average of 1878.0μg/m3. And the monthly average concentration of TSP in May was the highest with the value of 7415.0μg/m3. The mass concentration increased with the following sequences in the sandstorm weather: sunshine, floating dust, blowing dust and sandstorm. Wind speed had the influential role to mass concentration, and the higher speed of wind was, the higher mass concentration was. The temperature and air humility were also the driving forces of sandstorm intensity, which were indirectly influence the mass concentration variation as well.

dust aerosol；dust weather；mass concentration；Taklimakan Desert

A

1000-6923(2011)10-1609-09

2011-01-06

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY20100612)

* 責(zé)任作者, 副研究員, liuxinchun2001@163.com

致謝：本文英文摘要及英文圖題得到丹麥奧爾堡大學(xué)在讀博士劉雯女士的修改和潤色,在此表示感謝.

劉新春(1977-),男,湖南邵陽人,副研究員,博士,主要從事大氣環(huán)境科學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究.發(fā)表論文40余篇.