安徽省輸入型沙塵疊加本地污染過程分析

王含月,程 龍,趙思文

(1.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽 合肥 230000;2.遼寧省撫順市氣象局，遼寧 撫順 113006)

1 引言

沙塵天氣包括揚(yáng)沙、浮塵、沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴等[1]。每年春秋季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，中國北方沙源地起沙后，沙塵顆粒物可長時(shí)間懸浮在空氣中，并經(jīng)遠(yuǎn)距離輸送影響更多區(qū)域。在向下游地區(qū)的長距離輸送過程中，沙塵氣團(tuán)中的粗顆粒物較細(xì)顆粒物沉降速率更高，大部分粗顆粒物經(jīng)重力沉降隨著傳輸逐漸流失，細(xì)顆粒卻能繼續(xù)向下游輸送，導(dǎo)致沙塵氣團(tuán)進(jìn)入江淮區(qū)域時(shí)沙塵特征已不明顯，常以浮塵為主。處于春秋季節(jié)轉(zhuǎn)換期間的江淮地區(qū)，受江淮氣旋和北方寒流交互作用影響，風(fēng)向轉(zhuǎn)換頻繁，時(shí)有沙塵隨北方冷氣團(tuán)入境后未完全沉降，即轉(zhuǎn)受偏南暖濕氣流影響，氣團(tuán)中的顆粒物回流、緩慢沉降而長時(shí)間影響當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的現(xiàn)象。安徽省位于江淮地區(qū)，受沙塵影響時(shí)，雖不會(huì)出現(xiàn)上游地區(qū)遮天蔽日，黃沙閉目的“壯觀”景象，但其對空氣質(zhì)量的影響卻不容忽視。另江淮區(qū)域受地理因素影響，晨昏交替時(shí)常出現(xiàn)高濕小風(fēng)的氣象條件，此時(shí)上游輸入的浮塵伴隨出現(xiàn)顆粒物吸濕增長，難以與普通的污染傳輸區(qū)分開來，國際上對于沙塵和霾的鑒別也一直存在爭議，韓國沙塵監(jiān)測中通過PM2.5/PM10的比例變化區(qū)分人為細(xì)顆粒物污染與沙塵天氣影響：當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)中PM2.5/PM10≥0.8時(shí)，判斷主要為人為細(xì)顆粒物污染，PM2.5/PM10≤0.4時(shí)判斷主要為沙塵天氣影響。日本將懸浮顆粒物濃度(SPM)的初始值(最接近激光雷達(dá)安裝地點(diǎn)的一般環(huán)境大氣測量站的SPM觀測數(shù)據(jù))超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)值0.2 mg/m3，及激光雷達(dá)判斷附近的黃沙是高濃度(超過0.3 mg/m3)且多為不規(guī)則非球形形顆粒物時(shí)，判斷為沙塵。我國對于沙塵下游地區(qū)如何區(qū)分沙塵影響和人為排放兩者疊加的研究較少，未見統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn)，因此本文將著重探討江淮區(qū)域沙塵天氣的污染特征。

為研究沙塵對下游安徽省的影響，自北向南選取淮北市、亳州市和六安市作為研究對象，對2018年11月27日至11月30日一次典型沙塵過程進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)資料和分析方法

2.1 污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)

空氣質(zhì)量選取安徽省68個(gè)國控空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位監(jiān)測數(shù)據(jù)作為代表。除特殊說明外，PM2.5、PM10的日及小時(shí)數(shù)據(jù)均為國控站點(diǎn)平均值，顆粒物為實(shí)際狀況(監(jiān)測采樣時(shí)為實(shí)際氣溫和氣壓)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，氣態(tài)污染物為參比狀態(tài)(25 ℃，1013.25 hPa)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

本文氣象資料選取NCEP/NCAR共享的全球空間分辨率為2.5°×2.5°的一日4次(00，06，12，18時(shí))再分析格點(diǎn)資料數(shù)據(jù)集，用于分析安徽省受沙塵影響期間的天氣形勢及氣象要素分布情況。

3 影響安徽省的典型沙塵過程分析

3.1 天氣形勢分析氣象條件分析

蒙古氣旋一年四季皆可生成，其中秋冬季冷空氣活動(dòng)頻繁[1]，常伴隨蒙古氣旋南下入侵，偏北大風(fēng)將沙塵帶到華中和華東平原，東亞沿岸穩(wěn)定的西風(fēng)槽在被短暫破壞后又穩(wěn)定建成，槽后部為安徽省南部帶來東南氣流，導(dǎo)致江淮地區(qū)在北方污染傳輸后常轉(zhuǎn)受偏南的暖濕氣流影響，造成沙塵回流和在本地的二次擴(kuò)散，形成持續(xù)性的污染。其中2018年11月25至30日的沙塵過程便是一次較為典型的蒙古氣旋伴隨冷空氣活動(dòng)，后轉(zhuǎn)受東亞大槽后部東南氣流的過程，導(dǎo)致了安徽省持續(xù)近4 d的嚴(yán)重大氣污染天氣。

11月25日06:00，較穩(wěn)定的西風(fēng)帶平均槽在140°E的東亞沿岸附近，副高勢力減弱，脊線退至20°N以南的太平洋海面，高空為西風(fēng)帶氣流操控。地面蒙古冷型高壓中心位于75°～80°E，40°～50°N附近，發(fā)展強(qiáng)盛十分穩(wěn)定，相對的蒙古氣旋勢力較弱，被冷高壓擠壓，呈現(xiàn)“L”型特征，分化出2個(gè)低壓中心，其中一個(gè)低壓中心位于100°～110°E，45°～50°N，即甘肅省附近，受蒙古氣旋地面較強(qiáng)的輻合上升作用，開始形成沙塵暴，見圖1(a)。此時(shí)安徽省受靜穩(wěn)天氣控制，地面平均風(fēng)速小于2 m/s，本地污染逐漸積累。11月26日06:00，冬季強(qiáng)盛的冷型高壓被短暫破壞后迅速恢復(fù)，并誘導(dǎo)強(qiáng)冷空氣向南移動(dòng)，高壓前部的西北大風(fēng)為沙塵暴向南傳輸提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力支持，見圖1(b)。11月26日18:00，隨著冷高壓向東南方向移動(dòng)，沙塵氣團(tuán)的前沿已經(jīng)達(dá)到京津冀區(qū)域，受前期本地污染積累影響，京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量此時(shí)已達(dá)重度污染(圖略)，11月27日00:00，地面冷高壓中心在西風(fēng)帶環(huán)流帶領(lǐng)下東移南下，控制京津冀區(qū)域，清潔的冷氣團(tuán)首先從底層入侵，前期積累的細(xì)顆粒物污染被迅速清除。污染氣團(tuán)向南緩慢擴(kuò)散，安徽北部地勢平坦，北部淮北、亳州等市PM2.5濃度受傳輸影響開始緩慢上升，冷高壓中心下沉氣流使部分沙塵沉降至地面，影響京津冀的大氣污染物轉(zhuǎn)為PM10等粗顆粒物，見圖2。11月27日06:00，冷高壓維持在京津冀地區(qū)，高壓前部持續(xù)的北風(fēng)將沙塵氣團(tuán)帶入安徽省，見圖1(c)。最北部的亳州市開始受沙塵影響，但首先達(dá)到的底層冷空氣前期累積了北方的污染物，導(dǎo)致亳州市前期本地積累的細(xì)顆粒物又疊加北方傳輸，PM2.5濃度并未得到改善降低，反而隨PM10濃度一起上升。11月27日06:00～11月28日，冷高壓移速減緩，影響范圍擴(kuò)大，東部向東擴(kuò)展到達(dá)山東，山東省受沙塵影響，污染物濃度陡升。底部持續(xù)南下入侵安徽北部。以淮北市為例，在沙塵氣團(tuán)影響當(dāng)?shù)?2小時(shí)后，28日18:00開始污染物被全部清除；安徽南部受東亞大槽后部偏南氣流影響，江淮之間存在風(fēng)向輻合，沙塵逐漸沉降至地面，污染物濃度在江淮區(qū)域持續(xù)累積，見圖1(d)。11月29日06:00開始，冷高壓勢力減弱，影響范圍擴(kuò)大，高壓中心移至渤海灣附近，安徽北部又轉(zhuǎn)受高壓底部東北風(fēng)影響。11月30日06:00，冷高壓東移入海，全省地面轉(zhuǎn)受高壓后部東南氣流控制。江淮之間沙塵向北回流，逐漸被清除。于此同時(shí)內(nèi)蒙和寧夏區(qū)域地面又發(fā)展出一個(gè)強(qiáng)盛的蒙古氣旋，開始新一輪的沙塵過程。

(a)11月25日06:00；(b)11月26日06:00；(c)11月27日06:00；(d)11月28日18:00； (e) 06:00 on November 29; (f) 06:00 on November 30

3.2 污染物小時(shí)變化特征

本次輸入型沙塵污染顆粒物濃度多呈現(xiàn)的雙峰特征間歇式峰值過程，現(xiàn)以淮北、亳州、合肥和六安4個(gè)市為例進(jìn)行分析。

3.2.1 淮北市

淮北市位于安徽省最北部，地勢平坦，為西北路徑沙塵最先影響的城市之一，污染過程基本分為3個(gè)階段，第一時(shí)段中，受西北風(fēng)方向的沙塵傳輸影響，淮北市出現(xiàn)沙塵天氣。2018年11月27日10:00起始淮北市PM10濃度急劇上升至291 μg/m3，而PM2.5濃度反而開始降低，PM2.5/PM10由0.85迅速下降到0.53。至當(dāng)日17:00，PM2.5/PM10回升，提示第一時(shí)段受西北風(fēng)方向的沙塵傳輸影響結(jié)束，沙塵持續(xù)時(shí)間7 h。

圖2 2018年11月25～30日淮北市單點(diǎn)(116°E，33°N)相對濕度(單位：%)和溫度(單位：K)剖面

第二時(shí)段：11月28日05:00起始，受27日下午至28日上午東北風(fēng)風(fēng)速增大影響，東北方向沙塵再次影響淮北。PM10濃度由263 μg/m3快速上升至411 μg/m33，PM2.5濃度反而開始持續(xù)下降，PM2.5/PM10由0.90迅速下降到0.56，此后西北風(fēng)和東北風(fēng)交替，風(fēng)速減緩，沙塵氣團(tuán)推進(jìn)放緩，在安徽省滯留。受靜穩(wěn)天氣和沙塵共同作用，PM10濃度持續(xù)升高，由342 μg/m3再次迅速升至443 μg/m3，PM2.5/PM10維持0.60左右，至29日18:00，PM10和PM2.5均迅速下降，提示第二時(shí)段沙塵傳輸影響結(jié)束，持續(xù)28 h。

第三時(shí)段：受東北風(fēng)影響，原傳輸至山東及江蘇北部的沙塵氣團(tuán)再次影響淮北，11月30日08:00起，出現(xiàn)PM10濃度再度上升，PM2.5濃度和PM2.5/PM10下降的沙塵影響特征，至14:00 PM10濃度下降加速，PM2.5濃度下降速度相對較慢， PM2.5/PM10不斷上升，第三時(shí)段沙塵影響結(jié)束，受污染物傳輸疊加本地污染共持續(xù)7 h。本次沙塵天氣淮北市經(jīng)歷3個(gè)時(shí)段，受沙塵影響達(dá)42 h。如圖3(a)所示。

圖3 淮北市(a)、亳州市(b)沙塵過程PM10、PM2.5質(zhì)量濃度(單位：μg/m3)

3.2.1 亳州市

亳州市位于安徽省最北部，地勢平坦，也是西北路徑沙塵最先抵達(dá)的城市之一，此次過程沙塵氣團(tuán)27日02:00左右到達(dá)亳州境內(nèi)，PM10濃度由01:00的139 μg/m3迅速升高，至08:00已達(dá)320 μg/m3，較沙塵影響前上升181 μg/m3，隨后十幾個(gè)小時(shí)一直保持在300 μg/m3以上。PM10上升過程中，PM2.5/PM10由前期平均的0.74，下降到0.33，為典型沙塵天氣特征。28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00共兩個(gè)時(shí)段，亳州市在偏東北風(fēng)影響下，多次受到持續(xù)浮塵影響，空氣質(zhì)量再度惡化。PM2.5/PM10的比值再度降至0.5以下。12月1～2日浮塵天氣持續(xù)。此次過程中亳州市明顯受沙塵天氣過程影響的具體時(shí)間段為11月27日02:00～14:00，28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00。受沙塵影響時(shí)段共37 h，過程中顆粒物濃度變化呈現(xiàn)雙峰特征，見圖3(b)。

3.2.3 六安市

六安市位于安徽省江淮之間西部，在西北路徑的沙塵過程中常首先受到河南和湖北等西北方污染傳輸影響，27日13:00開始，PM10濃度顯著上升，28日12:00達(dá)到峰值364 μg/m3，29日08:00 PM10濃度首次降至沙塵開始前水平135 μg/m3，第一階段影響結(jié)束。29日17:00風(fēng)向轉(zhuǎn)換，再次受到東北方向沙塵影響，PM10濃度再度急劇升高，30日00:00達(dá)到峰值394 μg/m3，PM2.5變化幅度較小。此時(shí)影響六安市的沙塵氣團(tuán)主要來自山東棗莊，江蘇徐州及安徽淮北等東北部地區(qū)。第二階段持續(xù)至30日08:00時(shí)，本次沙塵天氣影響結(jié)束。第一階段受影響持續(xù)時(shí)間44 h，第二階段持續(xù)時(shí)間16 h，過程中顆粒物濃度變化呈現(xiàn)雙峰特征。

4 結(jié)論

(1)安徽省春秋季節(jié)受北方鋒區(qū)和南方鋒區(qū)天氣系統(tǒng)交替影響，沙塵氣團(tuán)易出現(xiàn)回流現(xiàn)象。輸入型沙塵污染顆粒物濃度常呈現(xiàn)出明顯的雙峰特征。

(2)安徽省春秋季節(jié)未受沙塵影響時(shí)段內(nèi)，PM2.5/PM10維持在0.65～0.85之間，受沙塵影響時(shí)段，PM2.5/PM10將出現(xiàn)顯著的降低。若前期本地空氣清潔，受典型輸入型沙塵影響期間，PM2.5/PM10比值可降至0.30以下，PM2.5濃度上升緩慢，甚至有所下降。若前期本地及北方接壤省份，如京津冀及周邊河南、山東存在污染物累積，受沙塵影響期間，沙塵氣團(tuán)前鋒達(dá)到安徽省時(shí)，伴隨的冷鋒底部冷空氣會(huì)先裹挾西北方向污染氣團(tuán)向下游傳輸，造成安徽省PM2.5的緩慢上升，受沙塵影響期間，PM2.5/PM10比值最多只能降至0.35～0.55。