沙塵天氣過(guò)程對(duì)安陽(yáng)空氣質(zhì)量的影響分析

王 穎，趙海麗，丁金杰，徐瑞紅，丁志安，唐 敏，常艷文，李世華，和暐杰

(河南省安陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 安陽(yáng) 455000)

1 引言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，我們生存的環(huán)境也在遭受不同程度的污染。在大氣環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，沙塵天氣也備受關(guān)注[1～3]。沙塵天氣包括揚(yáng)沙、沙塵暴和浮塵3類天氣[4，5]，是由于強(qiáng)風(fēng)將地面沙塵卷到空中，在特定大尺度環(huán)流背景下誘發(fā)的一種災(zāi)害性天氣，是大氣運(yùn)動(dòng)和自然地理環(huán)境的綜合產(chǎn)物[4]。沙塵使大氣中的顆粒物濃度急劇增加不僅對(duì)沙塵源區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且對(duì)途經(jīng)地區(qū)的農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)生活和生態(tài)系統(tǒng)均造成一定危害，因此，沙塵天氣是不可忽視的重大環(huán)境問(wèn)題[6，7]。

安陽(yáng)市是重要的工業(yè)城市，本地源排放較高，且易受周邊區(qū)域污染的影響，頻頻出現(xiàn)重度污染天氣。2020年安陽(yáng)市空氣質(zhì)量定性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為1.35，空氣質(zhì)量級(jí)別為輕污染，安陽(yáng)市空氣質(zhì)量主要受顆粒物的影響，其中顆粒物污染負(fù)荷比為54.1%，以顆粒物為首要污染物的污染天數(shù)占全部污染天數(shù)的比例為55.6%[8]。在關(guān)注顆粒物污染的同時(shí)，沙塵天氣是一個(gè)不可忽視的因素。冬春季節(jié)我國(guó)沙塵頻繁發(fā)生，導(dǎo)致大氣顆粒物含量和降塵量急劇增多，污染大氣環(huán)境[9]，安陽(yáng)市也未能避免遭受沙塵天氣的襲擾，探究外來(lái)沙塵輸送對(duì)安陽(yáng)市空氣質(zhì)量的影響規(guī)律，并對(duì)2020年經(jīng)歷的一次典型沙塵天氣過(guò)境情況進(jìn)行分析，以期為安陽(yáng)市大氣污染防治以及今后預(yù)報(bào)和有效應(yīng)對(duì)沙塵天氣過(guò)程提供參考。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以2017～2020年安陽(yáng)市大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)垂直觀測(cè)數(shù)據(jù)及2016～2020年安陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量年鑒數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?？晌腩w粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)采用《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與討論

3.1 空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

2020年安陽(yáng)市達(dá)標(biāo)天數(shù)為181 d，年綜合指數(shù)為6.16，在“2+26”和“168”城市中均倒排第1，空氣質(zhì)量定性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為1.35，空氣質(zhì)量級(jí)別為輕污染，其中顆粒物污染負(fù)荷比為54.1%，以顆粒物為首要污染物的污染天數(shù)占全部污染天數(shù)的比例為55.6%；其中以細(xì)顆粒物為首要污染物的污染天數(shù)占全部污染天數(shù)的比例為49.7%，可吸入顆粒物占5.9%，說(shuō)明安陽(yáng)市顆粒物污染仍較為嚴(yán)重。詳見(jiàn)表1。

表1 2020年安陽(yáng)市空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

3.2 2020年沙塵天氣分析

2020年，受西部、北部、東北部沙塵和浮塵傳輸影響，安陽(yáng)市共出現(xiàn)14次沙塵天氣過(guò)程，分別是3月11日至3月12日、3月18日至3月21日、4月4日至4月5日、4月17日、4月24日至25日、5月3日、5月12日至13日、5月16日至17日、6月2日至6日、6月8日至9日、10月21日至24日、11月1日至2日、11月6日至7日、12月13日，共計(jì)32 d。全年沙塵影響過(guò)程中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的是6月2日至6月6日，共計(jì)5 d；可吸入顆粒物日均濃度最大值出現(xiàn)在10月21日，為228 μg/m3，超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.5倍。

3.2.1 沙塵天氣對(duì)顆粒物月均值的影響

用未剔除沙塵天氣影響與剔除沙塵天氣影響后的可吸入顆粒物或細(xì)顆粒物之差來(lái)表示沙塵天氣對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)(PC)，即：

PC=PCa-PCb

(1)

式(1)中:PCa為未剔除沙塵天氣影響的可吸入顆粒物或細(xì)顆粒物月均值，PCb為剔除沙塵影響后的可吸入顆粒物或細(xì)顆粒物月均值。

2020年安陽(yáng)市受沙塵天氣影響大多是在春、夏季的3～6月份，其次是秋冬季的10～12月份。影響最重的是5月份和6月份，其次是3月份。沙塵天氣對(duì)5月份和6月份可吸入顆粒物的貢獻(xiàn)均為16 μg/m3；對(duì)3月份可吸入顆粒物濃度的貢獻(xiàn)為13 μg/m3。詳見(jiàn)圖1。

圖1 2020年沙塵天氣對(duì)顆粒物月均值的貢獻(xiàn)

3.2.2 沙塵天氣對(duì)顆粒物年均值的影響

2020年安陽(yáng)市扣除沙塵前可吸入顆粒物年均值為109 μg/m3、細(xì)顆粒物年均值為63 μg/m3；扣除沙塵后可吸入顆粒物年均值為104 μg/m3、細(xì)顆粒物年均值為62 μg/m3。對(duì)可吸入顆粒物年均濃度的貢獻(xiàn)為5 μg/m3，對(duì)細(xì)顆粒物年均濃度的貢獻(xiàn)為1 μg/m3，可見(jiàn)沙塵天氣的發(fā)生對(duì)城市可吸入顆粒物的影響尤為突出。

3.2.3 沙塵天氣對(duì)輕度以上污染天氣的影響

2020年安陽(yáng)市出現(xiàn)輕度污染120 d、中度污染37 d，重度污染23 d，嚴(yán)重污染5 d。在受沙塵傳輸影響期間，其中輕度污染12 d，中度污染3 d，重度污染1 d。占輕度污染、中度污染、重度污染的比例依次是10.0%、8.1%、4.3%。詳見(jiàn)表2。

表2 安陽(yáng)市2020年沙塵天氣期間與全年污染天氣級(jí)別對(duì)比

3.3 “十三五”期間沙塵天氣分析

3.3.1 “十三五”期間受沙塵天氣影響分析

“十三五”期間共計(jì)115 d受沙塵影響，其中2016年安陽(yáng)市未認(rèn)定沙塵天，沙塵天最多及可吸入顆粒物日均濃度最大值均出現(xiàn)在2017年(48 d沙塵天，可吸入顆粒物日均值550 μg/m3，超標(biāo)2.7倍)，詳見(jiàn)圖2。

圖2 安陽(yáng)市“十三五”期間受沙塵影響分析

3.3.2 對(duì)顆粒物年均值的影響

“十三五”期間受沙塵影響最嚴(yán)重的是2017年，對(duì)可吸入顆粒物年均值的貢獻(xiàn)為13 μg/m3，貢獻(xiàn)比為9.0%；對(duì)細(xì)顆粒物年均值的貢獻(xiàn)為5 μg/m3，貢獻(xiàn)比為6.0%；詳見(jiàn)圖3。

圖3 “十三五”期間沙塵天氣對(duì)顆粒物年均值的貢獻(xiàn)

3.3.3 “十三五”期間沙塵天氣對(duì)輕度以上污染天氣的影響

與2017年相比，安陽(yáng)市2020年沙塵天氣對(duì)輕度污染天氣的影響占比下降5.9%，中度污染天氣的影響占比下降24.6%，重度污染天氣的影響占比下降16.9%，尤其是2020年沙塵期間未出現(xiàn)嚴(yán)重污染天，受影響占比下降31.2%?！笆濉逼陂g沙塵天氣對(duì)安陽(yáng)市輕度及以上污染天氣影響詳見(jiàn)圖4。

圖4 “十三五”期間沙塵天氣對(duì)輕度及以上污染天氣影響對(duì)比

4 典型沙塵天氣分析

沙塵過(guò)境產(chǎn)生的顆粒物傳輸造成安陽(yáng)地區(qū)顆粒物濃度大幅上升，是安陽(yáng)市春、冬季空氣污染的一個(gè)重要因素。2020年沙塵影響過(guò)程中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的是6月2日至6月6日，共計(jì)5天。在6月4～6日安陽(yáng)市經(jīng)歷了一次中度污染，對(duì)此時(shí)段沙塵過(guò)境情況進(jìn)行分析，為安陽(yáng)市今后預(yù)報(bào)和有效應(yīng)對(duì)沙塵天氣過(guò)程提供借鑒。

在6月4～6日整個(gè)污染過(guò)程中，安陽(yáng)市可吸入顆粒物小時(shí)濃度超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)39個(gè)小時(shí)，于6月4日20時(shí)達(dá)到峰值263 μg/m3，AQI為157，屬中度污染；同時(shí)整個(gè)污染過(guò)程粗顆粒占比均高達(dá)61%～80%，主要受可吸入顆粒物污染影響最大，詳見(jiàn)圖5。

圖5 2020年6月4～6日安陽(yáng)市環(huán)境空氣污染變化過(guò)程

6月4～6日，邊界層高度1000～1500 km之間，屬于短距離傳輸。其次退偏振比高達(dá)0.15～0.2，表明當(dāng)天受沙塵影響較大[10,11]，詳見(jiàn)圖6。

圖6 2020年6月4-6日沙塵雷達(dá)圖

從后向軌跡圖可以看出，6月4日早間3000 m高空污染源自東北方向地區(qū)(衡水、德州、聊城、邢臺(tái)、邯鄲等地)輸送至安陽(yáng)，且輸送高度不斷下壓，浮塵嚴(yán)重[12]，在6月4日20時(shí)左右高度下降至2000 m，這與安陽(yáng)市可吸入顆粒物達(dá)到峰值263 μg/m3的時(shí)間相一致，說(shuō)明東北方向的高空輸送也是促使安陽(yáng)市可吸入顆粒物污染程度加重的主要因素，詳見(jiàn)圖7。

圖7 安陽(yáng)市污染過(guò)程后向軌跡

整個(gè)污染過(guò)程中，安陽(yáng)市可吸入顆粒物輕度污染時(shí)長(zhǎng)達(dá)21個(gè)小時(shí)，中度污染時(shí)長(zhǎng)達(dá)2個(gè)小時(shí)，其中是唯一達(dá)到中度污染城市。較上風(fēng)向城市(邯鄲、邢臺(tái)、衡水)輕度污染時(shí)長(zhǎng)分別長(zhǎng)11、13、16小時(shí)；較周邊城市(鶴壁)輕度污染時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)9小時(shí)。即此次污染過(guò)程安陽(yáng)市在周邊城市中污染最重。詳見(jiàn)圖8。

圖8 安陽(yáng)市上風(fēng)向及周邊城市可吸入顆粒物污染時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

5 結(jié)論

沙塵過(guò)境產(chǎn)生的顆粒物傳輸造成安陽(yáng)地區(qū)大氣環(huán)境中顆粒物濃度大幅上升，是安陽(yáng)市春、冬季空氣污染的一個(gè)重要因素。基于安陽(yáng)市空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了沙塵過(guò)程對(duì)安陽(yáng)市空氣質(zhì)量的影響，主要結(jié)論如下。

(1)2020年安陽(yáng)市受沙塵天氣影響大多是在春、夏季的3～6月份，其次是秋冬季的10～12月份。影響最重的是5月份和6月份，其次是3月份。

(2)2020年在受沙塵傳輸影響期間，輕度以上污染天占總污染天數(shù)的22.4%，沙塵對(duì)安陽(yáng)市對(duì)可吸入顆粒物年均濃度的貢獻(xiàn)為5 μg/m3，對(duì)細(xì)顆粒物年均濃度的貢獻(xiàn)為1 μg/m3，即沙塵天氣的發(fā)生對(duì)城市可吸入顆粒物的影響尤為突出。

(3)“十三五”期間安陽(yáng)市共計(jì)115 d受沙塵影響，沙塵天最多及可吸入顆粒物日均濃度最大值均出現(xiàn)在2017年，對(duì)可吸入顆粒物年均值的貢獻(xiàn)為13 μg/m3，貢獻(xiàn)比為9.0%；對(duì)細(xì)顆粒物年均值的貢獻(xiàn)為5 μg/m3，貢獻(xiàn)比為6.0%。

近年來(lái)沙塵天氣過(guò)程對(duì)我國(guó)空氣質(zhì)量影響仍較為顯著，減緩沙塵天氣的頻度與強(qiáng)度的關(guān)鍵還是在于持續(xù)做好地面生態(tài)保護(hù)與建設(shè)，建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，對(duì)源頭區(qū)和沙塵加強(qiáng)區(qū)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償，減弱外來(lái)沙塵影響，擴(kuò)大北方地區(qū)的森林和草原等植被面積，不斷減少沙地面積，改善水土條件，從源頭上治理沙塵天氣。