北方沙塵對(duì)四川盆地環(huán)境空氣質(zhì)量影響和特征分析

廖乾邑,羅 彬,杜云松,劉培川,張 巍,曹 攀,饒芝菡

四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，四川 成都 610000

北方沙塵對(duì)四川盆地環(huán)境空氣質(zhì)量影響和特征分析

廖乾邑,羅 彬,杜云松,劉培川,張 巍,曹 攀,饒芝菡

四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，四川 成都 610000

利用沙塵天氣資料和顆粒物濃度、激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及后向軌跡，分析浮塵天氣的氣象特征及傳輸路徑，構(gòu)建了浮塵天氣對(duì)四川盆地各城市大氣環(huán)境質(zhì)量影響的量化指標(biāo)，并利用該量化指標(biāo)分析了浮塵天氣對(duì)四川盆地各城市大氣環(huán)境的影響，得出2013—2015年浮塵對(duì)四川盆地PM10年均質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)，2013—2015年約為4.82、1.00、0.56 μg/m3；浮塵對(duì)PM10年均質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)川西區(qū)域最大，川東北區(qū)域次之，川中區(qū)域最小，其貢獻(xiàn)量分別為3.5、2.2、1.4 μg/m3。同時(shí)還進(jìn)一步分析浮塵對(duì)區(qū)域PM10影響差異的原因。

四川；浮塵； PM10；貢獻(xiàn)

沙塵天氣是不可忽視的重大環(huán)境問題[1]。由于受大尺度環(huán)流場(chǎng)和天氣系統(tǒng)的影響，沙塵會(huì)隨著天氣系統(tǒng)移動(dòng)，不僅直接對(duì)沙塵源區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響，使大氣中的顆粒物濃度急劇增加，并且對(duì)沿途經(jīng)過的地區(qū)也會(huì)造成不同程度的污染[2]。近年來, 不少學(xué)者對(duì)沙塵暴的源區(qū)、形成的主要控制因素、高度等進(jìn)行了深入的觀測(cè)和研究[3]。因沙塵影響較大的城市主要是北方城市，以往的研究多側(cè)重于對(duì)北方城市的影響[4]，而北方沙塵對(duì)四川盆地空氣質(zhì)量的影響，則研究很少。受秦嶺、大巴山對(duì)北方沙塵的阻隔，沙塵進(jìn)入四川盆地相對(duì)較少，主要以浮塵的形式體現(xiàn)。近年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，北方沙塵對(duì)四川盆地城市空氣的影響客觀存在。為此研究分析了2013—2015年沙塵對(duì)四川盆地內(nèi)城市地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。

影響中國(guó)的大多數(shù)沙塵暴主要來自河西走廊、內(nèi)蒙古高原中西部和塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區(qū)，具體受沙塵影響區(qū)域取決于沙源條件和受天氣系統(tǒng)控制的沙塵傳輸路徑。中國(guó)沙塵氣溶膠的傳輸路徑主要有3條：西北路、西路和北路。影響四川盆地的主要沙塵傳輸路徑為形成于新疆、中亞沙塵源區(qū)，經(jīng)塔里木盆地、甘肅、陜西南下到達(dá)四川盆地。雖然四川盆地處于中國(guó)西北甘肅、寧夏等主要沙源地的下游，但盆地周圍有秦嶺和大巴山等山脈的阻擋，使得集中、持續(xù)、嚴(yán)重的沙塵天氣在四川較少發(fā)生。四川省的浮塵天氣發(fā)生時(shí)間主要集中在春季，尤以3月初最為嚴(yán)重，對(duì)四川省大氣中PM10的貢獻(xiàn)尤為明顯。受春季和秋季冷空氣影響，來自四川盆地上游(新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū))的強(qiáng)沙塵暴在合適的大氣流場(chǎng)配合下，翻越秦嶺，使四川盆地形成區(qū)域性浮塵天氣。

1 資料與方法

1.1 資料獲取

利用四川盆地內(nèi)19個(gè)城市的環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)2013—2015年P(guān)M10、2014年P(guān)M2.5(部分城市)的質(zhì)量濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并且對(duì)2015年19個(gè)城市的PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度發(fā)布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

1)四川盆地浮塵天氣的識(shí)別基于中國(guó)沙塵暴網(wǎng)監(jiān)測(cè)公布信息；PM10/PM2.5相關(guān)性(沙塵天氣下PM10/PM2.5比值浮動(dòng)較大，介于1.8～5之間，其比值大于2的占62.5%；四川盆地PM10/PM2.5的比值通常為1.25～2)[5]；后向軌跡；日常監(jiān)測(cè)工作記錄；激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)高空散射強(qiáng)度和退偏振率等參數(shù)。

2)秸稈焚燒的識(shí)別基于PM10、PM2.5、CO等監(jiān)測(cè)濃度變化[6]和日常監(jiān)測(cè)記錄等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3)煙花爆竹燃放污染天主要集中在每年除夕、初一及正月十五幾天，基于燃放煙花爆竹時(shí)環(huán)境空氣中SO2、NO2、PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度變化等進(jìn)行判別[7]。

4)區(qū)域污染天氣識(shí)別基于空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果及日常工作記錄，本文所統(tǒng)計(jì)的區(qū)域重污染天數(shù)是指出現(xiàn)AQI≥200或API>150 的5個(gè)及以上連片城市的天數(shù)(且持續(xù)時(shí)間超過3 d)。

1.2 對(duì)四川盆地PM10貢獻(xiàn)計(jì)算辦法

PM10貢獻(xiàn)量與PM10貢獻(xiàn)率：以PM10監(jiān)測(cè)日均質(zhì)量濃度積分計(jì)算浮塵天氣期間因浮塵造成PM10升高部分對(duì)全年P(guān)M10質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)量。城市浮塵對(duì)PM10貢獻(xiàn)率計(jì)算見公式(1)，貢獻(xiàn)量計(jì)算見公式(2)。

全省浮塵對(duì)PM10貢獻(xiàn)率計(jì)算為各城市累計(jì)算數(shù)平均，計(jì)算公式為

(1)

全省浮塵對(duì)PM10貢獻(xiàn)量為各城市累計(jì)算數(shù)平均，計(jì)算公式為

(2)

式中：NCPM10表示通常情況下的年均質(zhì)量濃度，指除浮塵天氣、秸稈焚燒、煙花爆竹燃放、區(qū)域污染天氣影響后的日平均濃度；FDCPM10表示浮塵期間PM10日平均質(zhì)量濃度；DAYfd表示浮塵天數(shù)，DAYtotal表示有效監(jiān)測(cè)總天數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)年度PM10貢獻(xiàn)及年際變化情況

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2013—2015年，四川省共經(jīng)歷14次不同規(guī)模的、對(duì)空氣質(zhì)量有影響的浮塵天氣，總計(jì)超過40 d，PM10日均質(zhì)量濃度最高達(dá)1 029 μg/m3(成都市)，各城市具體影響天數(shù)見表1。

表1 2013—2015年四川省各城市受浮塵影響天數(shù) d

2013—2015年浮塵對(duì)全年P(guān)M10貢獻(xiàn)約為4.82、1.00、0.56 μg/m3，浮塵對(duì)四川盆地2013—2015年P(guān)M10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)見表2。

表2 浮塵對(duì)四川省2013—2015年P(guān)M10貢獻(xiàn)值

浮塵對(duì)四川盆地的影響主要取決于北方沙塵源地的起沙量以及天氣系統(tǒng)控制的沙塵路徑，2013年春季北方特大沙塵暴及天氣系統(tǒng)，導(dǎo)致2013年四川盆地PM10年均質(zhì)量濃度受沙塵影響很大，2014年北方沙塵活動(dòng)較少，而2015年雖有北方春季特大沙塵，但是沙塵以西北路徑為主，對(duì)四川盆地影響相對(duì)較小。

2.2 對(duì)各城市貢獻(xiàn)

2.2.1 各區(qū)域浮塵期間濃度情況及貢獻(xiàn)量

浮塵期間各區(qū)域PM10質(zhì)量濃度見圖1，浮塵對(duì)各區(qū)域PM10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)見圖2。

圖1 浮塵期間各區(qū)域PM10質(zhì)量濃度范圍及平均值

圖2 浮塵對(duì)各區(qū)域PM10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)

由圖1可見，四川盆地除攀西高原外，其余區(qū)域(川東北、川西、川南、川中)均受到不同程度的浮塵影響，浮塵造成盆地西部和川南的PM10污染相對(duì)較大。2013—2015年浮塵期間，川西城市PM10平均質(zhì)量濃度最高為150 μg/m3，其次川南區(qū)域城市PM10平均質(zhì)量濃度為132 μg/m3，川中城市PM10平均質(zhì)量濃度最低為123 μg/m3。

分析浮塵對(duì)各區(qū)域城市PM10年均質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)情況，由圖2可見，對(duì)川西盆地和川東北區(qū)域城市貢獻(xiàn)最大，川南區(qū)域城市和川中區(qū)域城市次之。2013—2015年期間，浮塵對(duì)川東北城市PM10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)為2.6 μg/m3，對(duì)川西城市PM10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)為3.5 μg/m3。川南區(qū)域城市PM10日均質(zhì)量濃度對(duì)年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)為2.2 μg/m3，川中城市PM10日均質(zhì)量濃度對(duì)年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)為1.4 μg/m3。

2.2.2 浮塵影響通道

四川省浮塵天氣污染主要受來自西北方向(新疆、甘肅)沙塵天氣影響，北方干冷空氣攜帶沙塵進(jìn)入四川盆地并沿盆地內(nèi)輸送通道推進(jìn)，主要影響相鄰城市間存在1～2 h滯后。進(jìn)入盆地路徑一種是以經(jīng)隴南入川冷空氣偏北路徑為主要路徑，盆地內(nèi)浮塵輸送由北到南，經(jīng)廣元-綿陽(yáng)-德陽(yáng)-成都-樂山-雅安向南輸送，但由于盆地內(nèi)龍泉山脈對(duì)入川氣流的分支和阻隔作用，浮塵對(duì)資陽(yáng)及川南區(qū)域內(nèi)江、自貢、瀘州、宜賓的影響較??；另外一種冷空氣路徑偏東，經(jīng)隴南、漢中以覆蓋式由南向北影響城市，浮塵由廣元、巴中、達(dá)州入川后，一路沿廣元-綿陽(yáng)、德陽(yáng)、成都；一路沿巴中、達(dá)州-南充、遂寧、資陽(yáng)，隨后傳輸至川南區(qū)域，盆地內(nèi)受下墊面影響，在川南形成回流路徑，影響川南區(qū)域。

圖3為2013—2015年浮塵期間PM10質(zhì)量濃度及對(duì)年均PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)GIS圖。

從圖3來看，2013年四川盆地受浮塵影響最大，受浮塵影響主要區(qū)域是川東北區(qū)域偏北和川西區(qū)域；2014、2015年受浮塵影響相對(duì)較弱，但仍然對(duì)PM10年均值有所貢獻(xiàn)，2014年受浮塵影響的主要區(qū)域是川東北區(qū)域偏東、川西區(qū)域和川南區(qū)域，川南區(qū)域受浮塵本身攜帶PM10影響，同時(shí)川南形成“渦旋區(qū)”導(dǎo)致擴(kuò)散較差引起PM10增高幅度較大。2015年浮塵影響最弱，主要影響川東北區(qū)域和川西平原。

從浮塵期間四川盆地各城市顆粒物質(zhì)量濃度及對(duì)全年顆粒物平均質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)來看，并非離沙塵源區(qū)的距離越遠(yuǎn)，浮塵天氣對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響越小。各年浮塵對(duì)各區(qū)域影響程度大不相同，主要是與入川浮塵的高度、浮塵強(qiáng)度、進(jìn)川入口及盆地下墊面情況有密切關(guān)系。浮塵入川第一站雖為川東北區(qū)域，但浮塵貢獻(xiàn)最大的是川西區(qū)域的成都、綿陽(yáng)、德陽(yáng)等城市。分析可能的原因?yàn)棰倥璧馗m來源于中國(guó)西北地區(qū)沙塵的長(zhǎng)距離輸送[8]，雖廣元等北部城市處于輸送通道的入川位置，但受盆地北部邊緣秦嶺的阻擋作用，進(jìn)入盆地的浮塵多為高空覆蓋式輸送為主，高空沙塵輸送較快，沉降落區(qū)反而集中在偏北輸送通道的成都、德陽(yáng)等下游城市。②浮塵氣溶膠團(tuán)到成都平原及周邊后，受平原東南部龍泉山脈阻擋，移動(dòng)緩慢，在龍泉山脈以西(成都)滯留時(shí)間更長(zhǎng)，沉降時(shí)間更長(zhǎng)，貢獻(xiàn)更大。浮塵影響城市其次是川南區(qū)域宜賓、瀘州、內(nèi)江，研究結(jié)果表明，進(jìn)入盆地內(nèi)，浮塵以邊界層輸送為主[9]，盆地內(nèi)邊界層氣流在川南的自貢、瀘州等地形成局地渦旋匯流，入川浮塵隨氣流進(jìn)入川南渦旋區(qū)沉降是川南區(qū)域城市PM10升高相對(duì)較大的原因。③浮塵對(duì)川東北達(dá)州、巴中也有一定影響，是因?yàn)楦m以偏東的路徑由覆蓋式進(jìn)入盆地路徑，造成對(duì)巴中、達(dá)州偏東北一帶的影響，但這種路徑的概率相對(duì)較小。

圖3 2013—2015年浮塵期間PM10質(zhì)量濃度及對(duì)年均PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)GIS圖

3 結(jié)論

1)北方沙塵翻越秦嶺后進(jìn)入四川盆地，易形成區(qū)域性浮塵天氣，四川省的浮塵天氣發(fā)生時(shí)間主要集中在春季和秋季，集中出現(xiàn)在3、4月，尤以3月初最為嚴(yán)重，對(duì)四川省大氣中PM10貢獻(xiàn)尤為明顯。2013—2015年浮塵對(duì)四川盆地PM10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)逐漸降低，2013—2015年約為4.82、1.00、0.56 μg/m3。

2)2013—2015年浮塵期間，四川盆地除攀西高原外，其余區(qū)域(川東北、川西、川南、川中)PM10均受到不同程度的影響，浮塵影響期間PM10平均質(zhì)量濃度自北向南持續(xù)升高, 其中對(duì)盆地西部和南部的影響相對(duì)較大。川西城市PM10平均質(zhì)量濃度最高為150 μg/m3，川中城市PM10平均質(zhì)量濃度最低為123 μg/m3。

3)分析浮塵對(duì)各區(qū)域城市PM10年均質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)情況，對(duì)川西盆地和川東北區(qū)域城市貢獻(xiàn)最大，川南區(qū)域城市和川中區(qū)域城市次之。川西區(qū)域城市PM10日均質(zhì)量濃度對(duì)年均濃度貢獻(xiàn)最大為3.5 μg/m3，其次為川東北區(qū)域城市PM10日均質(zhì)量濃度對(duì)年均濃度貢獻(xiàn)為2.6 μg/m3，川中區(qū)域城市PM10日均質(zhì)量濃度對(duì)年均濃度貢獻(xiàn)最小為1.4 μg/m3。

4)浮塵對(duì)四川盆地傳輸路徑有偏北路徑、偏東覆蓋式路徑以及盆地內(nèi)川南回流路徑對(duì)川南區(qū)域造成影響等，各區(qū)域受PM10質(zhì)量濃度的影響取決于北方沙塵源強(qiáng)度以及浮塵期間的天氣形勢(shì)、氣象條件和盆地下墊面情況等。

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Effects and Characteristics of Floating Dust Weather on Air Quality in Sichuan Basin

LIAO Qianyi,LUO Bin,DU Yunsong,LIU Peichuan,ZHANG Wei,CAO Pan,RAO Zhihan

Sichuan Environmental Monitoring Centre,Chengdu 610000，China

Based on the data of sandstorm weather, laser radar system observed particulate matter concentration and backward trajectory, this study analyzed the meteorology characteristics and transmission paths of floating dust weather, defined the quantitative index, which were then used to analyze the effects of floating dust weather on ambient air quality of local cities in Sichuan．The results showed that the contribution rate of the floating dust effect on PM10annual average concentration in Sichuan basin was 4.82 μg/m3in 2013, 1.00 μg/m3in 2014 and 0.56 μg/m3in 2015. The contribution rate of the floating dust effect was maximum in western Sichuan basin and then in the northeast, minimum in middle Sichuan basin, which was 3.5 μg/m3, 2.2 μg/m3and 1.4 μg/m3respectively. Moreover, the difference of impacts in each region of Sichuan basin was analyzed.

Sichuan province;floating dust;PM10;contribution

2016-02-25;

2016-05-06

廖乾邑(1984-)，女，四川成都人，碩士，工程師。

X823

A

1002-6002(2016)05- 0051- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.10