春季沙塵天氣對內蒙古地區(qū)顆粒物污染影響研究

朱　蓉，楊麗桃，柳志慧，王式功*

（1.成都信息工程大學大氣科學學院/環(huán)境氣象與健康研究院，四川　成都 610225；2.內蒙古自治區(qū)氣候中心，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古自治區(qū)氣象臺，內蒙古 呼和浩特 010051）

沙塵天氣作為一種氣象災害，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)造成了重大損失，其危害是有目共睹的。除此之外，沙塵天氣還是一種流動性的顆粒物污染源，中國學者已對沙塵天氣的頻繁發(fā)生對顆粒物污染的影響做了一些有益的研究[1-2]，KUO等的研究表明，沙塵暴天氣發(fā)生時，室內外空氣中的PM2.5和PM10濃度都將會成倍增加，特別是室內這種增加趨勢尤為顯著[3]。已有的研究表明，由于外來沙塵暴輸送的大量沙塵，造成相關地區(qū)空氣中不同粒徑顆粒物的濃度會顯著增加，其中TSP和PM10的濃度升幅最大[4-6]。顆粒物在形成和長途傳輸過程中，可以成為其他污染物的載體，產(chǎn)生大量的化學和生物學污染物，從而對沿途的環(huán)境和暴露人群的健康造成極大危害[7]。現(xiàn)在越來越多的人認識到沙塵天氣是不可忽視的大氣和生態(tài)環(huán)境問題之一。

國外從20世紀20年代就開始了沙塵天氣時空分布、成因與結構以及監(jiān)測與對策方面的研究，而我國從20世紀70年代開始對沙塵天氣進行研究[8]。王式功等[9]指出20世紀沙塵暴平均發(fā)生日數(shù)10 d及以上的區(qū)域主要分布在南疆盆地、河西地區(qū)及青藏高原東北部。錢正安等[10]指出中國北方沙塵暴源區(qū)主要分布在河西走廊和阿拉善地區(qū)、南疆盆地南緣以及內蒙古中部地區(qū)。內蒙古中西部地區(qū)是我國西北地區(qū)沙塵暴的主要源地之一，我國沙塵暴的3條主要路徑中有2條經(jīng)過該地區(qū)[11]，對該地區(qū)的沙塵天氣及其環(huán)境影響進行研究很有必要。

迄今為止，對內蒙古沙塵暴特征及危害的研究已經(jīng)頗多。沙塵暴往往是在很短的瞬間里，由靜風或小風，突然轉為10 m/s以上的大風；同時，飛沙走石、水平能見度急劇減小[12]。與沙塵暴相伴的大風本身就具有強大的致災力量。沙塵天氣同時還引發(fā)眾多的次生災害：所產(chǎn)生的“風沙電”經(jīng)常干擾通訊及控制設備；“電暈”現(xiàn)象也可導致嚴重的人身及設備事故。鐵路如遭到流沙掩埋，可造成交通中斷甚至發(fā)生出軌事故[13～14]等。同時，還使生存環(huán)境惡化，人身健康受到損害。劉景濤等[15]研究表明：內蒙古中西部有3個強和特強沙塵暴多發(fā)中心，20世紀70年代和60年代次數(shù)最多，強度也最強，80年代開始減少，強和特強沙塵暴集中出現(xiàn)在春季的3—5月。所以，本文將研究的時間段定在沙塵天氣發(fā)生強度比較集中的春季。

但是，目前針對內蒙古地區(qū)沙塵天氣對當?shù)乜諝赓|量影響的研究還少有報道，面對大氣環(huán)境問題日趨凸顯的今天，開展沙塵天氣對相關城市顆粒物污染影響的研究，可為當?shù)卮髿馕廴痉乐握吆痛胧┑暮侠碇贫ㄌ峁┛茖W依據(jù)，具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。

1　資料來源與研究方法

本文使用了內蒙古自治區(qū)11個站點2014—2016年多種來源的氣象與環(huán)境觀測資料，這些資料包括：

（1）常規(guī)氣象觀測資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http：//data.cma.cn），包括能見度（m）、平均風速（m/s）、極大風速（m/s）等常規(guī)氣象觀測值。

（2）污染物濃度資料取自國家環(huán)保總局正式發(fā)布的全國重點城市空氣質量日報（http：//daracenter.mep.gov.cn）?？諝馕廴镜燃墑澐植捎脟噎h(huán)境保護部 2012年發(fā)布并實施的《環(huán)境空氣質量標準》（GB3095-2012）中規(guī)定各污染物濃度等級限值及相應的空氣質量等級。2014年的資料部分缺失，只有包頭、赤峰、鄂爾多斯、呼和浩特4個站點有觀測資料記錄。

（3）沙塵天氣觀測資料來源于內蒙古自治區(qū)氣象網(wǎng)（http：//172.18.112.200/Article/index.asp）。

（4）2016年3月4—6日和2016年4月8日的遙感衛(wèi)星資料來自內蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心。

研究采用數(shù)理統(tǒng)計及聚類分析方法，以此說明沙塵天氣對當?shù)仡w粒物污染的影響程度。聚類分析是數(shù)據(jù)挖掘技術中重要的一部分，是將物理或抽象對象的集合分組成為由類似對象組成的多個類的分析過程[16]。

通常將內蒙古地區(qū)分為3個部分：蒙東四盟市（赤峰市、通遼市、興安盟、呼倫貝爾市）屬于東北地區(qū)；蒙中三盟市（呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟）屬于華北地區(qū)；蒙西五盟市（包頭市、鄂爾多斯市、烏海市、巴彥淖爾市、阿拉善盟）屬于西北地區(qū)。其中，中部地區(qū)烏蘭察布市沒有相關濃度資料的記錄。將2014—2016年11個站點顆粒物濃度的年變化整理出來之后，發(fā)現(xiàn)中部的呼和浩特市和西部5個站點春季的年變化趨勢相同，錫林郭勒盟和東部3個站點春季的年變化趨勢相同。因此，本文將11個站點分成東部和西部2個區(qū)域分別進行討論，其中，將阿拉善、巴彥淖爾、烏海、包頭、鄂爾多斯、呼和浩特6個站點歸為西部，剩余的5個站點歸為東部。

2　2014—2016年內蒙古主要城市顆粒物污染年變化特征及其與沙塵天氣的關系

2.1　顆粒物濃度的年變化特征

當沙塵天氣發(fā)生時，對當?shù)乜諝赓|量的影響最直觀的表現(xiàn)是顆粒物濃度的變化，內蒙古主要城市顆粒物濃度年變化特征見圖1、圖2，將春季與其他季節(jié)的顆粒物濃度作對比，由此來說明春季沙塵天氣對顆粒物濃度的影響。

圖1　內蒙古西部和東部2014—2016年PM10濃度的年變化

由圖1可見，內蒙古西部PM10濃度最高值出現(xiàn)在春季的3月，為128.4 μg/m3，最低值出現(xiàn)在8月，為67.9 μg/m3，最高值是最低值的1.9倍。西部PM10濃度最大值出現(xiàn)在3月，是當?shù)厝济汗┡欧排c沙塵天氣發(fā)生的疊加效應，6、7、8、9月是全年濃度值的低值區(qū)，夏秋季沙塵天氣發(fā)生較少并且多降水，降水對氣溶膠的清除是維持大氣中懸浮粒子源匯平衡，大氣自清潔的重要過程[17]。冬季12月PM10的濃度值僅低于3月，對比而言，雖然冬季沙塵暴發(fā)生頻率低，但是由于當?shù)毓┡呐欧藕筒焕拇髿鈹U散條件，PM10濃度值仍然居高不下。

東部PM10年變化的濃度值均低于西部，年變化趨勢和西部略有不同，春季最為明顯，東部春季的PM10濃度值在4月達到峰值，濃度值為86 μg/m3，西部4月的PM10濃度卻是春季最低的。春季西部PM10濃度呈下降又上升的趨勢，而東部與之相反。東西部春季PM10濃度的變化完全不同，推測與沙塵天氣發(fā)生的次數(shù)有關，在下文中將進一步探討。

圖2　內蒙古西部和東部2014—2016年PM2.5濃度的年變化

由圖2可見，內蒙古東、西部PM2.5濃度的差異并不大，明顯小于PM10，春季PM2.5濃度和其他季節(jié)相比，并沒有明顯的增加，表明春季沙塵天氣對細顆粒物濃度值的影響小于粗顆粒物。全年PM2.5濃度的最大值不在春季，而在冬季，內蒙古冬季的供暖時間是本年的10月—次年3月，當?shù)毓┡Y束之后，4月東、西部PM2.5濃度驟降，表明冬季供暖對PM2.5濃度有顯著影響，導致冬季PM2.5的濃度成為全年最高。圖1中PM10濃度的年變化作對比發(fā)現(xiàn)，PM10濃度年變化的最高值在春季，而PM2.5濃度年變化的最高值出現(xiàn)在冬季，又根據(jù)導致這一現(xiàn)象的不同原因，可得出春季沙塵天氣對PM10濃度的影響強度大于PM2.5，而當?shù)毓┡欧排c之相反。

2.2　沙塵天氣的統(tǒng)計分析

分析了近3 a顆粒物濃度的年變化特征之后，發(fā)現(xiàn)春季顆粒物濃度值明顯偏高，接著統(tǒng)計近3 a春季沙塵天氣的發(fā)生次數(shù)，詳細探究沙塵天氣與顆粒物濃度年變化特征的關系。

由圖3可知，2014—2016年春季內蒙古地區(qū)共有16次沙塵過程，2014年3次，2015年6次，2016年7次，統(tǒng)計資料來源于內蒙古自治區(qū)氣象網(wǎng)。圖3中柱形圖的高度與該站點沙塵天氣的發(fā)生次數(shù)成正比，相同顏色的柱形代表發(fā)生沙塵天氣次數(shù)相同。其中，阿拉善和巴彥淖爾2個站點沙塵天氣的發(fā)生次數(shù)最多，有9次沙塵過程，中西部6個站點的沙塵次數(shù)都較高，是沙塵天氣頻發(fā)的地區(qū)；而東部地區(qū)沙塵天氣發(fā)生相對較少，其中錫林郭勒盟沙塵天氣發(fā)生次數(shù)最多有4次。東部沙塵過程發(fā)生較少的原因在于：東部地區(qū)自北向南有大興安嶺森林和著名的呼倫貝爾、錫林郭勒和科爾沁大草原，植被覆蓋濃密，這里的地表不具備起沙或揚沙的物質條件。即使在這里出現(xiàn)沙塵天氣，也是由于中、西部地區(qū)發(fā)生了沙塵暴后，沙塵被輸送后產(chǎn)生的[18]。

圖3　2014—2016年春季內蒙古各個站點沙塵天氣發(fā)生的次數(shù)

這3 a沙塵天氣的統(tǒng)計結果與PM10濃度值的年變化特征有很好的對應關系，3 a共有16次沙塵天氣過程，發(fā)生在內蒙古中西部地區(qū)的有9次，與之相對應，顆粒物的年變化中西部地區(qū)的濃度值高于東部，沙塵天氣對顆粒物濃度的影響顯著，對內蒙古西部的影響強于東部。

2.3　不同階段顆粒物污染濃度的對比

由圖3統(tǒng)計結果可知，2014年春季有3次沙塵天氣，2015年有6次，2016年7次，統(tǒng)計每年春季有沙塵天氣發(fā)生的日數(shù)，自定義為春季沙塵期，然后求平均得到春季沙塵期間PM10的濃度值；每年春季沒有沙塵天氣發(fā)生的日數(shù)標記為春季非沙塵期，求平均得到春季非沙塵期間PM10的濃度值；每年剩余日數(shù)標記為其他季節(jié)，求平均得到其他季節(jié)PM10的濃度值。得到3個不同時段PM10濃度值，將它們作對比見表1。

由表1可見，全年3個時段PM10濃度值的變化特征是：春季沙塵期間＞春季非沙塵期間＞其他季節(jié)，春季沙塵期間PM10的平均濃度比非沙塵期間高68%，比其他季節(jié)高100%。其中，春季沙塵期間PM10濃度值包頭市最高，為232 μg/m3；呼倫貝爾市的濃度值最低為82 μg/m3。春季非沙塵期間仍然是包頭市的PM10濃度值最高，為129 μg/m3；興安盟的PM10濃度值最低為62 μg/m3。鄂爾多斯市春季沙塵期間PM10濃度高于非沙塵的百分比最大，為116%；其他季節(jié)所有站點的PM10濃度值都低于春季沙塵期間和非沙塵期間，由此可見，沙塵天氣對粗顆粒物濃度的顯著影響。

表1　內蒙古2014—2016年3個不同時段PM10濃度值對比　μg/m3

由于沙塵天氣輸送來的沙塵在大氣擴散條件不利時，會在當?shù)乜諝庵袘腋⊥Ａ?，導致沙塵天氣對相關城市顆粒物污染的影響不僅反映在春季沙塵天氣發(fā)生期間，春季非沙塵天氣發(fā)生期間仍然有影響，在PM2.5的濃度變化方面也有反映（表2）。

表2　內蒙古2014—2016年3個不同時段PM2.5濃度平均值的對比　μg/m3

從表2可看出，全年3個時間段總體上PM2.5的濃度排序為：春季沙塵期間＞其他季節(jié)＞春季非沙塵期間；其中，春季沙塵期間PM2.5的平均濃度比春季非沙塵期間高29%，比其他季節(jié)高16%。春季沙塵期間PM2.5高于非沙塵期間、高于其他季節(jié)的百分比均小于PM10，差異明顯，春季沙塵天氣對粗顆粒物濃度的影響大于細顆粒物，沙塵輸送以粗顆粒物為主。

總體來看，春季沙塵期間的PM2.5濃度最高，沙塵天氣的輸送雖然以粗顆粒物為主，同時也有細顆粒物成分，使得當?shù)乜諝庵屑氼w粒物的含量增加；已有研究表明，內蒙古四季平均風速由大到小依次為春季＞秋季＞冬季＞夏季，風速平均值分別為3.81、2.93、2.90、2.84 m/s[19]，在春季風速最大的有利擴散條件下，沙塵過程輸送來的細顆粒物得到很好的擴散，使得春季非沙塵期間相關城市的PM2.5濃度最低。

分析了全年3個時段的PM10和PM2.5各自濃度的變化之后，為了更全面地得到沙塵天氣對內蒙古春季相關城市顆粒物濃度的影響，計算PM2.5平均濃度占PM10的百分比，排序為春季沙塵期間＜春季非沙塵期間＜其他季節(jié)。與全年3個時間段PM2.5的濃度值比較發(fā)現(xiàn)，雖然春季沙塵期間PM2.5的濃度值最高，但是PM2.5的平均濃度占PM10的比例卻是最小的，沙塵天氣的輸送以粗顆粒物為主，當?shù)仡w粒物污染物的排放以細顆粒物為主。

3　三類典型沙塵天氣個例對內蒙古主要城市顆粒物污染影響的研究

3.1　典型沙塵暴天氣個例對內蒙古主要城市顆粒物污染的影響

2000年春季發(fā)生了一次特大沙塵暴，總懸浮顆粒物濃度高達6000 μg/m3，周秀驥[20]等研究了這次沙塵暴的動力學特征，莊國順等[21，22]、張仁健等[23]、王瑋等[24]報道了此次沙塵暴的理化特性，發(fā)現(xiàn)沙塵暴氣溶膠的污染水平極高，且粗離子占絕大部分。Zhang等[25]報道了發(fā)生在2001年亞洲沙塵暴總懸浮顆粒物和細顆粒物中大量元素和離子分析數(shù)據(jù)，論證了沙塵暴各組分的來源，闡述了沙塵暴細粒子的重大作用。借鑒前人的研究，我們確信細致分析和研究典型沙塵暴輸沙塵暴過程具有重要意義。

因此，選取2016年3月4—6日的沙塵暴個例進行細致分析，這次過程強度大，受到影響的地區(qū)范圍廣，并且FY3A極軌衛(wèi)星對此次沙塵暴過程也進行了監(jiān)測。

2016年3月4—6日阿拉善盟東北部、巴彥淖爾市西部、烏海市、鄂爾多斯市北部、呼和浩特市南部、包頭市、烏蘭察布市東部和北部、錫林郭勒盟和赤峰市西部地區(qū)出現(xiàn)揚沙或沙塵暴天氣，其中錫林郭勒盟大部、包頭市北部及鄂爾多斯市杭錦旗出現(xiàn)沙塵暴天氣，最大風速在10～21 m/s之間，其中錫林郭勒盟二連浩特市沙塵暴天氣最強，最大風速為21.2 m/s，最小能見度接近0 m。

內蒙古省中西部地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴天氣，主要影響區(qū)域為阿拉善盟大部、巴彥淖爾市北部、鄂爾多斯市南部、包頭市北部、烏蘭察布市、錫林郭勒盟西部和北部地區(qū)（圖4）。

此次沙塵暴天氣主要影響區(qū)域為阿拉善盟局部、巴彥淖爾市北部、鄂爾多斯市中部和南部、包頭市大部、烏蘭察布市北部、呼和浩特市北部、錫林郭勒盟西北部地區(qū)（圖5）。

2016年3月4日10時的衛(wèi)星遙感圖中此次沙塵暴過程的影響區(qū)域在內蒙古西部和東部，3月4日15時的衛(wèi)星遙感圖顯示西部和東部受此次沙塵暴過程的影響已經(jīng)消散，15時沙塵影響的范圍向內蒙古北部移動。

圖6是2016年3月4—5日內蒙古PM10濃度增長值的空間分布，利用3月4—5日的小時濃度值資料，篩選出各個站點在此次過程中的最大濃度值，與3月4日0：00的濃度值作比值，得到各個站點濃度值的增長值。柱形圖的高度與增長值的比例是1：2，相同顏色的柱形表示達到PM10濃度最大值的時刻相同。西部3個站點阿拉善盟、巴彥淖爾、烏海在05：00達到最大值，鄂爾多斯和包頭在13：00達到最大值。此次過程發(fā)生的中心帶是西部，PM10濃度的增加幅度最大的是鄂爾多斯市為15.1，受沙塵暴天氣的影響最大；西部6個站點PM10濃度的增加幅度均大于4，受沙塵暴天氣的影響強于東部地區(qū)。東部地區(qū)中，通遼PM10濃度的增加幅度最大是9.6，其余3個站點的增加幅度均小于4，此次沙塵暴過程PM10濃度的增加幅度在2.3～15.1之間。

3.2　典型揚沙天氣個例對內蒙古主要城市顆粒物污染的影響

統(tǒng)計3 a內蒙古春季的揚沙過程，2014—2016年內蒙古地區(qū)共有2次揚沙過程，選取2016年4月8日的揚沙過程進行分析，與沙塵暴個例的結果進行對比。

2016年4月8日16時NOAA-18衛(wèi)星遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：內蒙古中東部地區(qū)出現(xiàn)揚沙天氣，主要影響區(qū)域為興安盟南部、通遼市、赤峰市東部和南部、錫林郭勒盟南部和烏蘭察布市中東部地區(qū)（圖7）。

圖8中柱形圖的含義、各個站點濃度增長值的計算與圖6中相同。此次揚沙過程中心地帶在內蒙古中東部地區(qū)，赤峰市PM10濃度的增加幅度為5.6，是此次過程中PM10濃度值升幅最大的站點，通遼次之。此次揚沙天氣過程的中心點在東部的赤峰和通遼，西部地區(qū)雖然有4個站點受到影響，但是影響強度較小，揚沙過程PM10濃度的增加幅度在0.8～5.6之間。與沙塵暴個例的PM10濃度增長值相比可看出，揚沙過程對顆粒物污染的影響小于沙塵暴過程。

圖4　2016年3月4日10時內蒙古接收的FY3A極軌衛(wèi)星圖

圖5　2016年3月4日15時內蒙古接收的FY3B極軌衛(wèi)星圖

圖6　2016年3月4—5日內蒙古PM10濃度增長值

圖7　2016年4月8日16時內蒙古接收的NOAA-18遙感衛(wèi)星圖

圖8　2016年4月8日內蒙古PM10濃度增長值的空間分布

由于浮塵過程是伴隨著揚沙和沙塵暴過程發(fā)生的，并沒有找到單一的浮塵過程，因此本文不予單另分析。

4　結論與討論

（1）2014—2016年內蒙古春季共發(fā)生了16次沙塵天氣過程，2014年3次，2015年6次，2016年7次，其中內蒙古中西部是沙塵天氣頻發(fā)地帶，與之相對應，中西部地區(qū)顆粒物濃度的年變化大于東部，且春季出現(xiàn)最大值，表明沙塵天氣對顆粒物濃度有顯著影響。

（2）全年3個時間段的PM10濃度值排序是：春季沙塵期間＞春季非沙塵期間＞其他季節(jié)，其中春季沙塵期間PM10濃度比非沙塵期間高69%，比其他季節(jié)高101%。PM2.5濃度排序為：春季沙塵期間＞其他季節(jié)＞春季非沙塵期間；春季沙塵期間PM2.5的濃度比其他季節(jié)高16%，比春季非沙塵期間高29%。沙塵天氣對粗顆粒物濃度影響更顯著。

（3）PM2.5的平均濃度與PM10的平均濃度比值的排序為：春季沙塵期間＜春季非沙塵期間＜其他季節(jié)。與全年3個時間段PM10和PM2.5濃度值的排序比較得出：沙塵天氣輸送來的沙塵以粗顆粒物為主；當?shù)匚廴驹磁欧盼镏屑氼w粒物比例較高。

（4）典型沙塵天氣個例的顆粒物污染影響分析表明，不同類型沙塵天氣過境前后，PM10濃度值的變化都異常明顯，沙塵暴個例中PM10濃度的增加幅度在2.3～15.1之間，揚沙過程PM10濃度的增加幅度在0.8～5.6之間，表明沙塵暴過程對顆粒物污染的影響明顯大于揚沙過程。

本研究僅僅分析了沙塵天氣對內蒙古主要城市顆粒物質量濃度的影響，對其化學組分的影響還有待今后深入研究。