一次強(qiáng)沙塵暴天氣對(duì)襄陽(yáng)空氣質(zhì)量的影響分析

趙 飛，王 成，崔衛(wèi)濤，張 揆，梁悅鋒

(1.襄陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖北 襄陽(yáng) 441000；2.襄陽(yáng)市氣象臺(tái)，湖北 襄陽(yáng) 441022；3.襄陽(yáng)市城區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，湖北 襄陽(yáng) 441000；4.武漢天虹環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司，湖北 武漢 430014；5.北京艾沃思科技有限公司，北京 102206)

1 引言

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面沙塵卷入空中，使空氣變得特別混濁，并且水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。李江南[2]、錢正安[3]、王長(zhǎng)松[4]、柏仇勇[5]等研究表明，影響我國(guó)的主要沙塵源地有：境內(nèi)和境外河西走廊和阿拉善高原、南疆盆地及周邊、蒙古國(guó)南部及內(nèi)蒙古中部、中蒙邊境、柴達(dá)木盆地、黃土高原等 ；我國(guó)北方引發(fā)沙塵暴過程的原因有:由于熱力和動(dòng)力兩種因子的聯(lián)合作用，使地面氣旋一面向前移動(dòng),一面加深發(fā)展,高空槽因冷平流加深，并因渦度平流而向前移動(dòng)，而大氣下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)位于高空急流動(dòng)量下傳區(qū)的后部,上升運(yùn)動(dòng)區(qū)則位于高空急流動(dòng)量下傳區(qū)的前部,這種上升與下沉運(yùn)動(dòng)的相互作用,為地面沙塵卷入大氣提供了持續(xù)的動(dòng)力，沙塵暴期間東移發(fā)展的蒙古氣旋附近始終存在大氣不穩(wěn)定區(qū)域，這些區(qū)域有利于沙塵的揚(yáng)起，沙塵暴爆發(fā)前后24h變溫變壓劇烈[6]；總的來看，強(qiáng)沙塵天氣的產(chǎn)生需要強(qiáng)風(fēng)、沙塵源、不穩(wěn)定層結(jié)三要素配合，缺一不可[2，4，5]。李亮等[7]總結(jié)每年沙塵天氣過程對(duì)我國(guó)城市空氣質(zhì)量影響的時(shí)間不短,尤其在春季對(duì)我國(guó)東中部地區(qū)城市造成了很嚴(yán)重的影響，沙塵傳輸對(duì)空氣質(zhì)量影響引起廣泛重視。辛艾萱等[8]從大氣污染物區(qū)域輸送特征來看，武漢市春季來自新疆、青海省、甘肅省南部、陜西省南部的氣團(tuán)對(duì)顆粒物(PM10)污染貢獻(xiàn)較大；鄧萌杰等[9]研究表明春夏季沙塵為高空沉降傳輸，影響范圍大，區(qū)域傳輸貢獻(xiàn)明顯；陳楠等[10]研究表明受風(fēng)向風(fēng)速影響，沙塵先由襄陽(yáng)傳輸進(jìn)入湖北?。粎羌异鞯萚11]關(guān)于通風(fēng)廊道研究襄陽(yáng)市地處南襄盆地的南緣，是南襄盆地的通風(fēng)廊道，也是北方大氣污染物、沙塵南下擴(kuò)散的必經(jīng)之道。因此，有必要對(duì)襄陽(yáng)的沙塵傳輸進(jìn)行監(jiān)測(cè)及溯源。

2021年3月14日至15日晨，蒙古國(guó)南部和內(nèi)蒙古中西部交界地在大風(fēng)天氣作用下，迅速起沙，中國(guó)南疆盆地西部、甘肅中西部、內(nèi)蒙古及山西北部、河北北部、北京、天津等地出現(xiàn)揚(yáng)沙或浮塵，部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴。這是近10年中國(guó)遭遇強(qiáng)度最大的一次沙塵天氣過程，沙塵暴范圍也是近10年最廣。

襄陽(yáng)市作為華中地區(qū)城市，從3月16日9時(shí)起也受到了此次沙塵暴傳輸影響，直至3月17日23時(shí)結(jié)束，共持續(xù)了40 h，其中重度污染31 h。

本文依托傳輸通道上國(guó)家環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、環(huán)境空氣豫鄂邊界站、大氣監(jiān)測(cè)超級(jí)站等連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過對(duì)沙塵過程發(fā)生發(fā)展的監(jiān)測(cè)分析，結(jié)合粒徑分布變化及顆粒物組分的變化情況，分析此次沙塵過程的污染變化特征，以期對(duì)沙塵過程的污染防治提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源

環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于襄陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心。其中邊界站位于襄陽(yáng)北部(112°7′53″E，32°19′0″N)，大氣超級(jí)站位于南端(112°9′27″E，31°59′52″N)，與邊界站直線距離約40 km。氣象數(shù)據(jù)來源于襄陽(yáng)市氣象局。氣象站點(diǎn)(112°4′34″E，32°0′10″N)點(diǎn)位分布見圖1。所用儀器均按照國(guó)家規(guī)范定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和質(zhì)量控制。

3 國(guó)家環(huán)境空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化

3.1 顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)變化

2021年3月份以來，襄陽(yáng)空氣質(zhì)量一直保持優(yōu)良狀況，PM10日均值小于70 μg/m3，自16日6時(shí)起逐漸升高至100 μg/m3左右，根據(jù)環(huán)辦監(jiān)測(cè)〔2016〕120號(hào)文，將16日9時(shí)至17日23時(shí)作為受影響時(shí)間(圖2)，圖2中可見：受影響時(shí)間持續(xù)40 h，其中空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)大于200持續(xù)31 h。造成3月16日PM10日均值達(dá)522 μg/m3，至嚴(yán)重污染，為執(zhí)行環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)以來襄陽(yáng)最大值；3月17日重度污染。

3.2 其他常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化

所監(jiān)測(cè)6項(xiàng)目小時(shí)變化趨勢(shì)圖(圖3)可見，3月16日9時(shí)開始PM10大幅升高； PM2.5在沙塵過程時(shí)段稍有波動(dòng)，后期明顯降低。其他參數(shù)無明顯變化。污染過程首要污染物均為PM10，本文重點(diǎn)對(duì)顆粒物進(jìn)行分析。

將3月16日0～8時(shí)作為傳輸前時(shí)段，與沙塵過程時(shí)段(3月16日9時(shí)至17日23時(shí))進(jìn)行比較。

圖3 2021年3月16～18日六項(xiàng)目濃度小時(shí)變化

4 氣象條件分析

4.1 衛(wèi)星影像

圖4為風(fēng)四衛(wèi)星影像觀測(cè)結(jié)果，反映了沙塵傳入華中地區(qū)的過程。2021年3月14日至15日晨，蒙古國(guó)南部和內(nèi)蒙古中西部交界地在大風(fēng)天氣作用下，迅速起沙，并在冷空氣推動(dòng)下向我國(guó)北方大部快速進(jìn)發(fā)；15日上午開始，西北冷空氣攜強(qiáng)沙塵暴逐漸影響河北省及華中地區(qū)，多地出現(xiàn)不同程度沙塵天氣，16～17日持續(xù)向東南傳輸。

圖4 2021年3月15～17日風(fēng)四云圖

4.2 氣象要素監(jiān)測(cè)及診斷分析

4.2.1 高層大氣環(huán)流

3月15日20時(shí)(圖5)、3月16日14時(shí)(圖6)，500 hPa環(huán)流天氣圖上，中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”型，兩槽分別位于我國(guó)東北地區(qū)和烏拉爾山附近，我國(guó)北方處于廣闊的脊區(qū)，以下沉氣流為主，造成大氣湍流，形成不穩(wěn)定層結(jié)，同時(shí)空氣干燥，出現(xiàn)沙塵天氣。

圖5 2021年3月15日20時(shí)500hPa位勢(shì)高度(gpm)

圖6 2021年3月16日14時(shí)500hPa位勢(shì)高度(gpm)

4.2.2 襄陽(yáng)上空風(fēng)場(chǎng)及溫度

由氣象站監(jiān)測(cè)可見從氣溫風(fēng)矢圖上(圖7)可知，3月15日08時(shí)至18日00時(shí)，襄陽(yáng)上空925 hPa以下，一致為北風(fēng)或東北風(fēng)，其中16日02～08時(shí)，16日20時(shí)有兩個(gè)風(fēng)速大值區(qū)，對(duì)應(yīng)時(shí)段的PM10升高；從溫度層結(jié)來看，15日白天近地層出現(xiàn)20 ℃以上的氣溫，午后，10 ℃層的高度緩慢下降，至16日05時(shí)，10 ℃層的高度劇烈下降，16日20時(shí)小幅升高后再次下降，同PM10有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 2021年3月15日08時(shí)至18日02時(shí)襄陽(yáng)上空風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)和溫度(℃)

4.2.3 地面氣象要素監(jiān)測(cè)

從襄陽(yáng)站地面風(fēng)速(圖8)來看，16日9時(shí)前，小時(shí)最大風(fēng)速在5 m/s左右,冷空氣影響最強(qiáng)；16日10時(shí)起，襄陽(yáng)逐小時(shí)風(fēng)速在2～3 m/s。對(duì)應(yīng)在逐小時(shí)氣溫持續(xù)下降，尤其是16日0時(shí)至17日0時(shí)，小時(shí)最高氣溫從18 ℃降至10 ℃，下降8 ℃，之后在8～13 ℃波動(dòng)。17日17～18時(shí)出現(xiàn)降雨，降雨量4.2 mm，顆粒物濃度持續(xù)下降，6 h后降至沙塵開始前水平。

圖8 2021年3月16日0時(shí)至18日06時(shí)襄陽(yáng)逐小時(shí)風(fēng)速(m/s)氣溫(℃)

4.2.4 邊界站和超站顆粒物雷達(dá)的響應(yīng)過程和通量情況

激光雷達(dá)測(cè)得的退偏振比可以區(qū)分非球形粒子與球形粒子，沙塵顆粒中主要以非球形粒子為主，細(xì)顆粒物主要以球形粒子為主，因此，利用激光雷達(dá)可以對(duì)沙塵粒子進(jìn)行監(jiān)測(cè)與識(shí)別；退偏振比越大沙塵比例越高，一般消光系數(shù)與顆粒物濃度正相關(guān)[12]。

4.2.4.1 邊界站通量激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)分析

通過邊界站風(fēng)羽圖和通量圖分析(圖9、10)可知，16日7:30時(shí)起，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上空800 m以下消光系數(shù)減小，退偏振比增大，為粗顆粒物占比較高的沙塵氣團(tuán)傳輸。8時(shí)后退偏振比持續(xù)在0.2左右。16日18時(shí)至17日2時(shí)期間消光系數(shù)相對(duì)較高，表明該時(shí)段內(nèi)沙塵傳輸加強(qiáng)。16日5時(shí)至17日24時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，PM2.5和PM10對(duì)襄陽(yáng)市瞬時(shí)輸入量均較大，沙塵由東北側(cè)向襄陽(yáng)傳輸。整個(gè)沙塵氣團(tuán)傳輸期間，近地面(小于200 m)、低空層(200～600 m)、中高層(600～1000 m)主導(dǎo)風(fēng)向均為東北風(fēng)，風(fēng)向一致性較好，且風(fēng)速總體在2 m/s以上，有利于沙塵向襄陽(yáng)輸入；PM10傳輸通量均為正值，即以輸入為主。

3月17日12時(shí)后傳輸強(qiáng)度相對(duì)減弱，退偏振比逐漸減小。17日17～18時(shí)出現(xiàn)短暫降水過程，利于顆粒物污染沉降。

圖9 3.16～3.17通量雷達(dá)消光系數(shù)(a)和PM2.5瞬時(shí)通量與風(fēng)羽圖(b)

4.2.4.2 超級(jí)站顆粒物雷達(dá)響應(yīng)情況

由襄陽(yáng)超級(jí)站顆粒物雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖11)可知，16日凌晨起，800m以下氣溶膠消光系數(shù)隨之增大，顆粒物濃度升高，8:30時(shí)后退偏振比增大明顯，對(duì)比邊界站雷達(dá)分析，PM10特征顯現(xiàn)稍晚1 h，表明沙塵氣團(tuán)由襄陽(yáng)邊界往城區(qū)持續(xù)輸送，該階段污染以PM2.5和PM10為主。9時(shí)后退偏振比增大至0.28左右，且氣溶膠消光系數(shù)有減小趨勢(shì)，污染以PM10為主；結(jié)合消光系數(shù)圖來看，16日18時(shí)至次日4時(shí)近地面消光系數(shù)再次增大，表明此階段沙塵作用有所增強(qiáng)，污染加重；自17日12時(shí)開始，消光系數(shù)和退偏振比均呈下降趨勢(shì)，為沙塵衰減過程，污染有所減輕。

圖10 3.16～3.17通量雷達(dá)退偏振比(a)和PM10瞬時(shí)通量與風(fēng)羽圖(b)

圖11 2021年3月16日至17日(19時(shí))襄陽(yáng)市超級(jí)站顆粒物雷達(dá)監(jiān)測(cè)

4.2.4.3 后向軌跡模式

通過襄陽(yáng)市過去48 h大氣后向軌跡模式(HYSPLIT Trajectory Model)模擬(圖12)顯示：此次高空大規(guī)模沙塵氣團(tuán)源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位西北方向較遠(yuǎn)位置，在較強(qiáng)東北氣流作用下，先向東南方向移動(dòng)后轉(zhuǎn)而向西南方向移動(dòng)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的遠(yuǎn)距離傳輸，受東北風(fēng)作用下由北側(cè)輸入襄陽(yáng)境內(nèi)。

5 顆粒物組分變化分析

5.1 沙塵示蹤成分變化

超級(jí)站主要無機(jī)元素(圖13)K、Fe、Ca、Zn的變化趨勢(shì)與PM10的變化趨勢(shì)基本一致，其中PM10超標(biāo)時(shí)段K平均濃度為1.75 μg/m3，較傳輸前升高2.8倍；Fe平均濃度為1.59 μg/m3，較傳輸前升高11.2倍；Ca平均濃度為0.92 μg/m3，較傳輸前升高14.3倍；Zn平均濃度為0.24 μg/m3，較傳輸前升高20.0%。與賈曉鵬等[13]研究的甘肅河西地區(qū)大氣沙塵顆粒表面的化學(xué)成分相近。

圖12 3月16日10時(shí)襄陽(yáng)市48 h后向軌跡

5.2 顆粒物粒徑變化

顆粒物粒徑變化(圖14)可知，超標(biāo)時(shí)段在1.0 μm以下的顆粒物數(shù)濃度較沙塵傳輸前下降153%；大于1.0 μm顆粒物數(shù)濃度升高,其中2.5～10 μm的顆粒物升高顯著。

6 結(jié)論與討論

對(duì)2021年3月15～17日襄陽(yáng)市空氣質(zhì)量站點(diǎn)顆粒物演變及氣象因素分析，得到相關(guān)結(jié)論如下。

(1)本次大規(guī)模沙塵源位于蒙古國(guó)南部和內(nèi)蒙古中西部交界地，大氣湍流形成不穩(wěn)定層結(jié)；在較強(qiáng)東北氣流作用下，攜帶高濃度沙塵氣團(tuán)先向東南方向移動(dòng)后轉(zhuǎn)而向西南方向移動(dòng)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的遠(yuǎn)距離傳輸，由北側(cè)輸入襄陽(yáng)境內(nèi)。后向軌跡變化與環(huán)境氣象的變化呈現(xiàn)出一致性。這次沙塵天氣是在高低空配合的氣象條件下發(fā)生發(fā)展的，通量強(qiáng)度集中在近地面1000 m以下。

時(shí)間

時(shí)間

(2)沙塵天氣過程中，超級(jí)站沙塵示蹤成分較沙塵傳輸前明顯升高；PM10超標(biāo)時(shí)段顆粒物粒徑分布具明顯沙塵輸入特征。

(3)作為湖北大氣輸入重要通道，通過分析、研究鄂豫邊界站監(jiān)測(cè)沙塵傳輸規(guī)律，可為污染預(yù)警預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持。

(4)17日18時(shí)后降水過程對(duì)空氣質(zhì)量改善明顯，說明降水對(duì)顆粒物洗刷效果顯著，可在污染防治中考慮在上游地區(qū)人工增雨通過降水減少對(duì)下游傳輸影響。

(5)沙塵暴治理不是一國(guó)之事，需要國(guó)際合作，共享信息與技術(shù)，才能有效解決。