江蘇省一次典型沙塵污染過程分析

梁 進(jìn) 楚翠姣 楊 雪 秦 瑋 曹 軍 江 飛 蔣益荃

(1. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，南京 210019;2.南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，南京 210023;3. 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

0 引言

沙塵天氣可分為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴及強(qiáng)沙塵暴等四類。浮塵為細(xì)沙漂浮在空中能見度小于10 km的現(xiàn)象；揚(yáng)沙是地面塵沙被風(fēng)吹起使能見度在1 km至10 km的現(xiàn)象；沙塵暴是由強(qiáng)風(fēng)將地面大量塵沙吹起能見度在1 km以內(nèi)的現(xiàn)象；強(qiáng)沙塵暴是大風(fēng)將塵沙吹起能見度小于500 m的現(xiàn)象。對城市受沙塵影響開始時(shí)間以及沙塵影響日的判定，一般按照生態(tài)環(huán)境部及中國環(huán)境監(jiān)測總站相關(guān)文件要求，需滿足以下任一條件：(1)PM10小時(shí)濃度大于等于前6小時(shí)PM10平均濃度的2倍,同時(shí)高于150 μg/m3；(2) ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值小于等于兩者前6小時(shí)比值平均值的0.5倍，同時(shí)PM10小時(shí)濃度需高于150 μg/m3。城市受沙塵影響日判定依據(jù)為任一時(shí)段受沙塵影響，同時(shí)當(dāng)日PM10的AQI分指數(shù)大于等于PM2.5的AQI分指數(shù)[1]。

每年春秋兩季，中國北方地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)天氣，導(dǎo)致沙源地(蒙古國及周邊區(qū)域)出現(xiàn)起沙的現(xiàn)象。沙塵顆粒被大風(fēng)卷起后，可以較長時(shí)間地漂浮在大氣中，同時(shí)大片裸露農(nóng)田也會(huì)排放多種顆粒物，而當(dāng)蒙古氣旋攜冷空氣南下時(shí)，這些顆粒物就會(huì)向下游南方地區(qū)輸送[2-3]。粗顆粒物在傳輸過程中受重力影響逐漸沉降，細(xì)顆粒卻能伴隨大風(fēng)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的地區(qū)，影響當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量[4-5]。2021年春季，影響我國沙塵次數(shù)較往年增多，達(dá)沙塵暴及以上級別過程次數(shù)是2013年以來同期最多的，2021年沙塵頻發(fā)原因是前期蒙古國周邊地區(qū)氣溫偏高，積雪融化致使北方沙土暴露，提供了充足的沙源；蒙古氣旋活躍，大風(fēng)天氣增多，提供了動(dòng)力條件[6]。江蘇省地理位置位于江淮地區(qū)，受北方沙塵影響時(shí)，雖然不會(huì)出現(xiàn)沙塵暴等能見度極低的情況，但對于設(shè)區(qū)市空氣質(zhì)量的影響仍需重視，沙塵可以造成ρ(PM10)迅速升高，同時(shí)ρ(PM2.5)也有一定程度的升高，影響空氣質(zhì)量優(yōu)良率[7-9]。

本文首先結(jié)合天氣形勢和氣象條件分析2021年4月16日至4月18日這一次影響江蘇省的典型沙塵污染過程，再自北向南選取徐州市、泰州市和蘇州市三個(gè)代表城市作為研究對象進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)資料和分析方法

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自國家生態(tài)環(huán)境部官網(wǎng)的全國空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(https://www.mee.gov.cn/)。顆粒物PM2.5、PM10的日和小時(shí)數(shù)據(jù)均為國控站點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心，采用的是中國高空氣象站定時(shí)觀測資料，中國地面氣象站逐小時(shí)觀測資料。

觀測激光雷達(dá)位于徐州市云龍區(qū)彭祖大道環(huán)境監(jiān)測中心樓頂，型號(hào)為AGHJ-I-LIDAR，垂直探測距離大約在1.5～3 km[10]。葵花8號(hào)衛(wèi)星云圖由北京市環(huán)境監(jiān)測中心制作。采用美國NOAA的Hysplit模式進(jìn)行后向軌跡研究，分析沙塵來源。

2 影響江蘇省的典型沙塵過程分析

2.1 天氣形勢和氣象條件分析

蒙古氣旋一年四季皆可生成，北方冷空氣在春秋季活動(dòng)頻繁，常伴隨蒙古氣旋南下，這是江蘇省受沙塵污染過程影響的主要原因。蒙古氣旋之后往往伴隨著一個(gè)冷高壓系統(tǒng)，冷高壓系統(tǒng)前部會(huì)給江蘇省帶來東北氣流，一般有利于前期聚集在江淮地區(qū)的沙塵消散；冷高壓后部的偏西氣流也有可能造成后期浮塵回流江蘇的過程[11-12]。2021年4月16日至4月18日影響江蘇省的沙塵污染過程是一次典型的受較強(qiáng)蒙古氣旋南下影響,隨后冷高壓前部偏北風(fēng)或東北風(fēng)使沙塵消散的過程。

4月14日上午8時(shí)，蒙古國西北部高空出現(xiàn)一個(gè)淺槽并開始增強(qiáng)(如圖1a)，中午12時(shí)起蒙古氣旋迅速增強(qiáng)，中心氣壓降至1 006 hPa以下，受蒙古氣旋帶來的大風(fēng)影響，蒙古國中南部開始起沙，15時(shí)開始，在地面大風(fēng)作用下，中國內(nèi)蒙古中西部地區(qū)也開始起沙，20時(shí)，蒙古氣旋中心氣壓降至1 000 hPa以下，強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，其后部大風(fēng)風(fēng)速高達(dá)12～16 m/s(如圖2a)。22時(shí)，甘肅省金昌市ρ(PM10)迅速上升到640 μg/m3。14日，整個(gè)江淮地區(qū)主要受弱高壓控制，近地面為偏東風(fēng)，空氣質(zhì)量級別較好為優(yōu)良。

15日8時(shí)，高空槽加深并東移至蒙古國東部至我國內(nèi)蒙古中部上空，20時(shí)，高空槽進(jìn)一步東移至內(nèi)蒙古至華北地區(qū)上空(如圖1b)，在地面天氣圖上，蒙古氣旋進(jìn)一步加強(qiáng)，中心氣壓降至994 hPa以下，中心位置也向東移動(dòng)至內(nèi)蒙古東部(如圖2b)。蒙古氣旋后部的偏北大風(fēng)區(qū)也向東移動(dòng)，至內(nèi)蒙古中東部、河北和山西地區(qū)，受其影響，內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、山西、陜西、京津冀、河南、山東、遼寧、吉林及黑龍江等地區(qū)先后受到沙塵影響。15日受沙塵影響較大的省份有內(nèi)蒙古、山西和河北，內(nèi)蒙古ρ(PM10)小時(shí)濃度最高值出現(xiàn)在烏海市，最高達(dá)2 699 μg/m3；山西省在呂梁市，最高達(dá)1 907 μg/m3；河北省在保定市，最高達(dá)1 775 μg/m3。江淮地區(qū)15日受海上大氣高壓系統(tǒng)后部影響，近地面為東南風(fēng)，江蘇省空氣質(zhì)量以良為主，首要污染物是臭氧，仍未受到沙塵過程的影響。

16日，高空低壓中心移向中國東北地區(qū)，高空槽線呈現(xiàn)為東北-西南向(如圖1c)，地面蒙古氣旋中心位置也向東北地區(qū)移動(dòng)，蒙古氣旋后部的西北風(fēng)攜沙塵顆粒物影響我國黃淮地區(qū)，河北、河南、山東、山西、江蘇和安徽等省份當(dāng)日受沙塵影響較大，如葵花8號(hào)衛(wèi)星云圖所示(圖3)。16日凌晨，蘇皖魯豫交界處近地面開始轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，江蘇西北部城市開始受到沙塵影響。徐州市16日03時(shí)開始ρ(PM10)迅速上升，在3小時(shí)內(nèi)PM10濃度由108 μg/m3上升到401 μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)重度污染；同時(shí)，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)小時(shí)濃度比值從0.62迅速下降到0.17。伴隨西北風(fēng)進(jìn)一步影響，16日上午，蘇北城市PM10濃度相繼升高，到中午12時(shí)，徐州、連云港、淮安、宿遷4市PM10小時(shí)濃度分別達(dá)510、510、541、481 μg/m3，空氣質(zhì)量均達(dá)到嚴(yán)重污染級別；鹽城市PM10濃度自上午9時(shí)開始升高，到下午15時(shí)ρ(PM10)也達(dá)嚴(yán)重污染級別。16日傍晚開始，江蘇省沿江城市也陸續(xù)受到沙塵過程影響，揚(yáng)州、泰州、常州3市ρ(PM10)開始上升，小時(shí)濃度最高均超過150 μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)輕度污染級別(如圖2c、2d)。

圖1 2021年4月14日-17日高空500hPa天氣圖(a)4月14日08時(shí)；(b)4月15日20時(shí)；(c)4月16日20時(shí)；(d)4月17日08時(shí)

圖2 2021年4月14日-17日地面ρ(PM10)(單位：μg/m3)與地面氣象場空間分布圖(單位：hPa)(a)4月14日20時(shí)；(b)4月15日20時(shí)；(c)4月16日08時(shí)；(d)4月16日20時(shí)；(e)4月17日08時(shí)；(f)4月17日20時(shí)

圖3 2021年4月16日10時(shí)北方地區(qū)云物理遙感圖(葵花8號(hào)衛(wèi)星云圖)

17日，高空槽移到江蘇以東洋面上空，且轉(zhuǎn)為豎槽(如圖1d)，地面天氣圖上隨著蒙古氣旋低壓系統(tǒng)進(jìn)一步向東北風(fēng)向移動(dòng)，其后部冷高壓底部的偏北風(fēng)開始影響江淮地區(qū)。蘇北城市ρ(PM10)開始下降，除徐州市以外，連云港、淮安、鹽城、宿遷4市ρ(PM10)自17日上午起明顯下降，空氣質(zhì)量逐步回到良的級別。與此同時(shí)，沙塵污染氣團(tuán)自北向南移動(dòng)，全面影響江蘇沿江城市。揚(yáng)州、泰州ρ(PM10)進(jìn)一步升高，小時(shí)濃度最高超過了310 μg/m3，達(dá)中度污染級別，沿江其他城市如南京、無錫、蘇州、南通、鎮(zhèn)江等ρ(PM10)也從17日凌晨開始上升，最高時(shí)都超過了250 μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)中度污染級別。

17日下午起，在江淮地區(qū)地面高壓系統(tǒng)帶來的偏北風(fēng)或東北風(fēng)的持續(xù)影響下，影響江蘇地區(qū)的沙塵過程開始消散，徐州、常州、南通、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江、泰州6市ρ(PM10)自14時(shí)起下降，空氣質(zhì)量回到良的級別，南京、無錫、蘇州3市 ρ(PM10)自18時(shí)起下降，達(dá)良的級別，沙塵污染過程基本結(jié)束(如圖2e、2f)。

18日，江蘇省近地面受高壓控制，風(fēng)力較小，風(fēng)向散亂，未出現(xiàn)沙塵回流江蘇的情況。除徐州受浮塵影響，當(dāng)日首要污染物為顆粒物(PM10)以外，其余城市首要污染物均變?yōu)闅鈶B(tài)污染物臭氧。

2.2 典型城市污染特征分析

2.2.1 徐州市

徐州市位于江蘇省西北部，往往最先受到沙塵污染過程的影響。4月16日至17日，受沙塵傳輸影響，徐州市顆粒物濃度明顯偏高，具體情況如下：4月16日03時(shí)起(圖4)，徐州ρ(PM10)開始迅速升高，04時(shí)，徐州市空氣質(zhì)量達(dá)中度污染級別，首要污染物變?yōu)镻M10，PM10小時(shí)濃度值最高達(dá)310 μg/m3，超過前6個(gè)小時(shí)顆粒物(PM10)平均濃度的2倍，符合沙塵影響開始的判定條件，沙塵過程開始影響徐州。17日14時(shí)，徐州市空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良，ρ(PM10)小時(shí)濃度為122 μg/m3，首次降至與沙塵天氣前6個(gè)小時(shí)PM10平均濃度相對偏差小于10%，符合沙塵結(jié)束判定條件，本次沙塵對徐州的影響結(jié)束。

圖4 4月16日—17日徐州市沙塵過程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

從徐州市顆粒物激光雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)圖(圖5)可以看出，4月15日夜間至16日凌晨期間，徐州市1.0-2.0 km高空出現(xiàn)低消光、高退偏值現(xiàn)象，表征粗顆粒物傳輸。之后，高空粗顆粒物不斷向近地面擴(kuò)散，與近地面污染物混合。

利用Hysplit模式作后向軌跡分析(圖6)，4月16日11時(shí)徐州市48h后向軌跡結(jié)果顯示徐州市上空氣團(tuán)來源于西北方向，運(yùn)動(dòng)軌跡如下：4月15日8時(shí)污染氣團(tuán)從2.0-3.0 km及以上高空下沉，15日20時(shí)左右沉降至1.0-2.0 km高空后，繼續(xù)沉降至近地面，與近地面污染物混合，顆粒物濃度出現(xiàn)高值，與雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果基本一致。

圖5 4月15日至17日徐州市激光雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果

圖6 徐州市4月16日11時(shí)200 m，500 m和1 000 m高度上的48小時(shí)后向軌跡圖

2.2.2 泰州市

自4月16日18時(shí)起，受沙塵侵入影響，泰州市ρ(PM10)小時(shí)濃度持續(xù)升高(如圖7)。17日凌晨，地面轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，沙塵氣團(tuán)明顯南移；7時(shí)，泰州市ρ(PM10)最高達(dá)到318 μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)到中度污染級別，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速下降，最低降至0.21，首要污染物為PM10，之后顆粒物濃度迅速下降；14時(shí)，ρ(PM10)降至94 μg/m3，沙塵影響結(jié)束，沙塵影響期間首要污染物全部為顆粒物(PM10)。4月16-17日，IAQI(PM10)分指數(shù)大于IAQI(PM2.5)分指數(shù)，符合沙塵影響日的判定條件。按照沙塵起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的規(guī)定進(jìn)行判定，4月16日18時(shí)起，泰州地區(qū)受沙塵影響，17日14時(shí)影響結(jié)束。泰州市空氣污染存在ρ(PM10)顯著升高的情況，同時(shí)ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速下降，期間比值最低降至0.21。

2.2.3 蘇州市

4月17日蘇州市近地面轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，受沙塵氣團(tuán)南移影響，5時(shí)蘇州市ρ(PM10)小時(shí)濃度開始上升，8時(shí)ρ(PM10)為168 μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)到輕度污染級別，11時(shí)-14時(shí)ρ(PM10)小時(shí)濃度達(dá)到中度污染級別，12時(shí)ρ(PM10)達(dá)到峰值285 μg/m3(如圖8)。4月17日10時(shí)，蘇州市ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值開始小于0.45，10時(shí)-23時(shí)ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值均低于0.45，16時(shí)ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值最低，為0.16。4月17日10時(shí)顆粒物(PM10)成為小時(shí)首要污染物，且10-17時(shí)達(dá)到輕度-中度污染級別。4月17日10時(shí)顆粒物(PM10)成為小時(shí)首要污染物，并持續(xù)至17日23時(shí)。4月17日PM10AQI和PM2.5AQI分指數(shù)分別為107和85，滿足“當(dāng)城市任一時(shí)段受沙塵天氣影響且當(dāng)日PM10AQI分指數(shù)大于等于PM2.5AQI分指數(shù)時(shí)，該自然日可判定為沙塵影響日”這一條件，17日為蘇州沙塵影響日。

圖7 4月15日至18日泰州市沙塵過程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

圖8 4月17日蘇州市沙塵過程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

3 結(jié)論

(1)2021年4月16日至18日，江蘇省受到一次北方沙塵污染輸送影響，在此過程中，多個(gè)城市空氣質(zhì)量明顯下降，首要污染物為顆粒物(PM10)。其中，16日，受沙塵過程影響，蘇北城市中的徐州市空氣質(zhì)量達(dá)重度污染級別，連云港、淮安、鹽城、宿遷4市空氣質(zhì)量達(dá)中度污染級別，沿江城市中常州和鎮(zhèn)江空氣質(zhì)量達(dá)輕度污染級別，11個(gè)設(shè)區(qū)市當(dāng)日首要污染物為顆粒物(PM10)。17日，江蘇省有6個(gè)城市空氣質(zhì)量達(dá)輕度污染，13個(gè)設(shè)區(qū)市首要污染物均為顆粒物(PM10)。18日，沙塵污染過程基本結(jié)束，僅徐州市受浮塵影響，首要污染物為顆粒物(PM10)。

(2)這次沙塵過程對江蘇省的影響可以分為兩個(gè)階段：第一階段，在蒙古氣旋后部西北風(fēng)的影響下，蘇北城市從16日凌晨開始ρ(PM10)相繼升高達(dá)嚴(yán)重污染級別，沿江個(gè)別城市16日傍晚開始相繼達(dá)中度污染級別；第二階段，蒙古氣旋中心向東北方向移動(dòng)，蒙古氣旋后面冷高壓帶來的偏北風(fēng)影響江蘇，導(dǎo)致17日沙塵氣團(tuán)位置明顯南移，沿江城市ρ(PM10)從17日凌晨開始上升，陸續(xù)達(dá)中度污染級別，而同時(shí)蘇北城市ρ(PM10)則開始下降。在冷高壓偏北風(fēng)持續(xù)影響下，全省沙塵過程在17日夜間基本結(jié)束。18日除少數(shù)城市受浮塵影響外，未出現(xiàn)沙塵過程回流影響江蘇的情況。

(3)江蘇省春秋季易受大面積裸露農(nóng)田在大風(fēng)天氣引起揚(yáng)塵等的影響，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值一般維持在0.60～0.85之間。沙塵影響的顯著特征是，ρ(PM10)濃度迅速顯著升高，同時(shí)ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值快速下降。本次沙塵影響江蘇前，江蘇13市ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值維持在0.60～0.75之間，當(dāng)沙塵氣團(tuán)前鋒到達(dá)江蘇省時(shí)，冷空氣攜帶北方污染氣團(tuán)向下游傳輸，造成江蘇省ρ(PM10)快速上升，同時(shí)ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速降至0.15～0.23之間。