2020年秋季濟(jì)南市一次沙塵天氣污染特征研究

張文娟，夏志勇，葛璇，孫曉艷，李敏，孫鳳娟，呂波

（山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東濟(jì)南250101）

沙塵天氣是在特定地理環(huán)境，特殊的下墊面條件以及大尺度環(huán)流背景的氣象條件影響下誘發(fā)的一種災(zāi)害性天氣[1-3]。沙塵是造成顆粒物污染的最大自然流動(dòng)源，通過(guò)區(qū)域輸送，對(duì)城市環(huán)境、體健康、地區(qū)氣候有重大影響[4-6]。近年來(lái)，受外來(lái)沙塵影響造成空氣質(zhì)量重度及重度以上污染的情形近幾年頻繁發(fā)生。沙塵天氣造成城市大氣中顆粒物濃度急劇增加，大氣環(huán)境質(zhì)量下降。因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開(kāi)展了大量沙塵天氣過(guò)程及其對(duì)大氣顆粒物污染影響的研究[7-11]。

濟(jì)南市是山東省省會(huì)城市，地勢(shì)南高北低，呈淺碟狀，污染物易于累積。針對(duì)2020 年10 月21-22 日濟(jì)南市經(jīng)歷的一次秋季沙塵過(guò)程，對(duì)PM2.5、PM10、消光及退偏比、顆粒物組分等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，分析沙塵天氣過(guò)程的污染演變、垂直分布及其PM2.5主要化學(xué)成分，以期為濟(jì)南市大氣顆粒物精細(xì)化治理和空氣質(zhì)量持續(xù)改善提供科學(xué)支撐。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于濟(jì)南市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站中市轄區(qū)8 個(gè)國(guó)控點(diǎn)（不包括萊蕪區(qū)、鋼城區(qū)）的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)儀器均采用BAM-1020（美國(guó)MetOne）顆粒物監(jiān)測(cè)儀。研究時(shí)間為2020年10月21-22日。

氣象資料數(shù)據(jù)來(lái)自于中央氣象臺(tái)網(wǎng)站(http://www.nmc.cn/)發(fā)布的同期高空和地面的實(shí)況觀測(cè)資料。

1.2 儀器與觀測(cè)方法

激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自微脈沖激光雷達(dá)（北京艾沃思科技有限公司生產(chǎn)）對(duì)氣溶膠的遙感反演結(jié)果。該激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)為532nm，頻率為2500kHz，空間分辨率為15m。

PM2.5中水溶性離子數(shù)據(jù)來(lái)自MARGA ADI 2080（瑞士萬(wàn)通）在線氣體組分及氣溶膠監(jiān)測(cè)儀，該儀器能夠連續(xù)測(cè)量NO3-、NH4+、SO42-、Na+等水溶性離子濃度。碳質(zhì)組分（OC、EC）數(shù)據(jù)來(lái)自DRI Model 2001 熱-光碳分析儀，分析方法為IMPROVE熱光反射法。

1.3 HYSPLIT 后向軌跡模式

研究采用HYSPLIT 后向軌跡模式進(jìn)行氣團(tuán)軌跡的模擬分析。HYSPLIT 后向軌跡模式是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)開(kāi)發(fā)，被廣泛應(yīng)用于大氣污染傳輸軌跡、擴(kuò)散及沉降研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過(guò)程演變

2020 年10 月20 日，蒙古國(guó)中南部出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，沙塵氣溶膠隨著大氣環(huán)流不斷南下，10月21-22日逐漸影響濟(jì)南市。選取沙塵沿途呼和浩特、北京、德州和濟(jì)南4 個(gè)城市，分析沙塵過(guò)境前后對(duì)城市PM10小時(shí)濃度變化影響，如圖1所示。

圖1 2020年10月20-21日沿途城市PM10小時(shí)濃度變化

10 月20 日16 時(shí)內(nèi)蒙古中部的呼和浩特PM10小時(shí)濃度明顯上升，該小時(shí)PM10濃度為241 ug/m3，是前6 個(gè)小時(shí)PM10平均濃度的2.5倍。至10月20日20時(shí)達(dá)到沙塵過(guò)程的污染峰值，PM10小時(shí)濃度高達(dá)771 ug/m3。北京市在10月21日03時(shí)PM10小時(shí)濃度迅速上升至340ug/m3。隨著沙塵進(jìn)一步東移南下，10 月21 日07時(shí)德州市PM10小時(shí)濃度明顯上升，21 日10 時(shí)沙塵開(kāi)始影響濟(jì)南市，PM10小時(shí)濃度呈逐漸上升的變化趨勢(shì)，15 時(shí)，濟(jì)南市PM10小時(shí)濃度達(dá)到峰值（349ug/m3）。

圖2所示為沙塵污染過(guò)程濟(jì)南市顆粒物濃度變化。根據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站《關(guān)于沙塵天氣過(guò)程影響扣除有關(guān)問(wèn)題的通知》（總站氣字〔2020〕76號(hào)）中關(guān)于沙塵天氣影響起始和結(jié)束時(shí)間的確定方法：以城市PM10濃度大于等于前6 個(gè)小時(shí)PM10平均濃度的2 倍且大于150ug/m3作為受影響起始時(shí)間；以城市PM10小時(shí)濃度首次降至與沙塵天氣前6 個(gè)小時(shí)PM10平均濃度相對(duì)偏差小于等于10%作為沙塵天氣影響結(jié)束時(shí)間。10 月21 日13 時(shí)，濟(jì)南市PM10小時(shí)濃度320 ug/m3，該小時(shí)PM10濃度值大于等于前6個(gè)小時(shí)PM10平均濃度值（164 ug/m3）的2倍且大于15 ug/m3，因此2020 年10 月21 日13 時(shí)作為沙塵受影響起始時(shí)間。2020 年10 月22 日19時(shí)，PM10小時(shí)濃度為143 ug/m3，該小時(shí)濃度與沙塵天氣前6 個(gè)小時(shí)PM10平均濃度的相對(duì)偏差小于等于10%，因此2020年10月22日19時(shí)作為沙塵受影響結(jié)束時(shí)間。

圖2 污染過(guò)程期間PM10、PM2.5小時(shí)變化特征

污染期間ρ（PM10）、ρ（PM2.5）變化趨勢(shì)較一致，表明ρ（PM10）和ρ（PM2.5）受到相同污染源的影響。ρ（PM10）濃度在整個(gè)污染期間的均值為203 ug/m3，超出GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)》二 級(jí) 標(biāo) 準(zhǔn) 限 值 的1.9 倍，ρ（PM2.5）/ρ（PM10）平均值為0.20，表明PM10在污染期間占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.2 氣象條件分析

濟(jì)南市沙塵期間氣象觀測(cè)資料如圖3 所示。分析沙塵期間高空和地面氣象資料（中央氣象臺(tái)，http://www.nmc.cn/）得到：2020年10月21 日，濟(jì)南市高空500hPa 槽前西南氣流轉(zhuǎn)槽底偏西氣流，中低層700hPa、850hPa干槽過(guò)境，受槽后強(qiáng)大的下沉氣流影響，上午11h 地面冷峰過(guò)境，近地面北風(fēng)增大，上游沙塵隨著系統(tǒng)發(fā)展向東向南發(fā)展，沿途城市PM10濃度迅速上升。22日槽過(guò)境轉(zhuǎn)為槽后西北氣流控制，中低層700hPa、850hPa 受一致的西北氣流控制，近地面處于高壓前部，冷空氣持續(xù)影響，沙塵不斷傳輸沉降，導(dǎo)致濟(jì)南市PM10濃度仍維持在較高水平，隨著冷空氣主體推進(jìn)，22 日晚上沙塵影響逐漸結(jié)束。

圖3 沙塵期間氣象觀測(cè)資料

根據(jù)美國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)開(kāi)發(fā)的HYSPLIT 后向軌跡模型定性分析此次沙塵期間氣團(tuán)不同氣團(tuán)的來(lái)向，其中氣象數(shù)據(jù)來(lái)自GDAS 數(shù)據(jù)庫(kù)[12-15]。研究點(diǎn)選擇濟(jì)南市開(kāi)發(fā)區(qū)站點(diǎn)（36.6772°N，117.1164°E），選取500、1500、3000 m 高度，對(duì)北京時(shí)間10 月21 日19: 00(UTC 時(shí)間為10月21日11:00)的氣團(tuán)后向軌跡進(jìn)行模擬，追蹤過(guò)去48 h 軌跡變化。

圖4 后向軌跡分析

結(jié)果表明，不同高度氣團(tuán)傳輸路徑較一致，都是沿西北方向傳輸至濟(jì)南地區(qū)。其中，離地3000 m 的氣溶膠后向軌跡顯示氣團(tuán)來(lái)源于蒙古國(guó)4000 m高度以上;而蒙古國(guó)3000m高度的氣溶膠，沿西北方向在傳輸?shù)倪^(guò)程中垂直剖線在10月21日0:00(UTC 時(shí)間為10月20日16:00)明顯下降至濟(jì)南市500m。后向軌跡模擬的不同高度氣團(tuán)傳輸路徑與實(shí)況天氣形勢(shì)基本吻合。

2.3 激光雷達(dá)退偏比垂直分布

激光雷達(dá)可以獲取顆粒物的消光系數(shù)與退偏振比的光學(xué)特性，氣溶膠的質(zhì)量濃度與其消光系數(shù)有顯著正相關(guān)性。退偏振比與粒子的尺度和形狀有關(guān)，粒子的非球形程度越大，尺度越大，則退偏振比越大。圖5所示為本次沙塵過(guò)程中濟(jì)南市消光系數(shù)和退偏振比的時(shí)空分布特征[3,16-19]。

圖5 激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠消光系數(shù)及退偏振比垂直分布

21 日03:00-06:00，濟(jì)南地區(qū)高空退偏比明顯上升，沙塵主體從高空進(jìn)入，在0.5～3.5km高度形成一條明顯沙塵帶，而近地面的退偏比和消光系數(shù)值均較低，表明此時(shí)段沙塵以高空傳輸為主，沉降并不明顯。

06:00-12 :00 ，近地面1km 以下，消光系數(shù)迅速上升。0.1km 高度處，最大消光系數(shù)為0.94km-1，而退偏比處于低值水平，此時(shí)段ρ（PM10）和ρ（PM2.5）開(kāi)始快速攀升，首要污染物為PM2.5，這主要是由于處于冷空氣前鋒，南北風(fēng)轉(zhuǎn)向期間形成靜穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)疊加邊界層的下壓，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，污染物濃度上升造成的。

隨著冷空氣主體的推進(jìn)，12:00起，近地面至高空2.0km 消光系數(shù)逐漸下降，而退偏比發(fā)生劇烈變化，其值迅速上升，氣溶膠非球形特征明顯增強(qiáng)，顆粒物以粗粒子污染為主。至22日21:00，沙塵氣溶膠始終在2.5km 以下積聚。22日21:00起，大氣退偏比整體減小，大氣中粗離子占比不斷降低，沙塵影響趨于結(jié)束。

2.4 PM2.5化學(xué)組分變化特征

2.4.1 碳質(zhì)組分污染特征分析

污染期間ρ（OC）和ρ（EC）的平均值分別是4.71 ug/m3、1.89 ug/m3，分 別 占ρ（PM2.5）的12.1%和4.8%。ρ（OC）明顯高于ρ（EC），表明濟(jì)南市PM2.5中碳質(zhì)氣溶膠主要以O(shè)C為主。

EC 化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，常溫條件下一般很難發(fā)生反應(yīng)，而OC比較活潑，其成分中既有污染源

直接排放的一次有機(jī)碳（POC），又有大氣中化學(xué)反應(yīng)生成的二次有機(jī)碳（SOC）[14，20-22]。圖6 為沙塵污染期間OC 和EC 散點(diǎn)圖及相關(guān)性。由圖可知，污染期間OC和EC相關(guān)性較好（R=0.53，P＜0.01），表明二者來(lái)自相同的污染源，均來(lái)源于一次污染物的排放。通常利用大氣中OC/EC 比值來(lái)識(shí)別碳質(zhì)組分的排放和轉(zhuǎn)化特征，表征大氣中的二次污染的程度。有研究表明，當(dāng)OC/EC超過(guò)2.0的時(shí)候，表明有SOC的存在。沙塵期間，濟(jì)南市OC/EC為2.5，說(shuō)明沙塵期間有大量的SOC 生成。SOC 可以通過(guò)EC示蹤法進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：

圖6 污染期間ρ（OC）、ρ（EC）相關(guān)性分析

式中，(OC/EC)min指監(jiān)測(cè)中OC與EC質(zhì)量濃度比值的最小值。通過(guò)計(jì)算，沙塵污染期間POC 和SOC 質(zhì) 量 濃 度 分 別 為1.44μg/m3、3.23μg/m3。SOC的生成，這可能是由于沙塵過(guò)境，低溫低濕的空氣環(huán)境有利于SOC前體物發(fā)生氣－粒轉(zhuǎn)化造成的[20，23-24]。

2.4.2 水溶性離子污染特征分析

沙塵期間及過(guò)境前后PM2.5中水溶性離子變化特征如圖7 所示。沙塵過(guò)境前，濟(jì)南市PM2.5中水溶性離子以NH4+、SO42-和NO3-為主，體現(xiàn)了大量氣態(tài)污染物的二次化學(xué)轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)更為明顯；沙塵影響期間，NH4+、SO42-和NO3-明顯下降，而Mg2+、Ca2+則迅速上升，體現(xiàn)了沙塵期間一次污染源貢獻(xiàn)顯著。

圖7 沙塵期間及過(guò)境前后水溶性離子變化

沙塵過(guò)境前（10月21日0:00-12:00）水溶性離子SO42-、NO3-、NH4+、Ca2+、Mg2+平均質(zhì)量濃度分 別為6.75μg/m3、32.67μg/m3、13.38μg/m3、0.39μg/m3、0.09μg/m3，10月21日13:00至14:00，SO42-、NO3-、NH4+濃度分別較上一個(gè)小時(shí)下降3.65μg/m3、23.43μg/m3、8.90μg/m3，二次離子大幅下降。Ca2+、Mg2+濃度分別較上一個(gè)小時(shí)上升37.2%和10.5%，礦物離子明顯增長(zhǎng)，一次源影響顯著。這與各相關(guān)學(xué)者[25-26]發(fā)現(xiàn)沙塵期間水溶性離子中Ca2+濃度顯著增加的結(jié)論相一致。

3 結(jié)論

（1）受沙塵過(guò)境影響，PM10濃度大幅升高，其最大小時(shí)濃度為771 ug/m3，ρ（PM2.5）/ρ（PM10）平均值為0.20，表明PM10在污染期間占據(jù)主導(dǎo)地位。

（2）冷鋒過(guò)境是造成本次沙塵天氣過(guò)程的主要原因。通過(guò)氣象資料分析及后向軌跡模式可知，本次沙塵天氣過(guò)程傳輸通道主要為西北路，且軌跡路徑上各城市均出現(xiàn)不同程度的強(qiáng)沙塵天氣。沙塵污染期間，濟(jì)南市近地面退偏比迅速上升，氣溶膠非球形特征明顯增強(qiáng)，顆粒物以粗粒子污染為主。

（3）污染期間OC 是PM2.5中主要的碳質(zhì)氣溶膠，OC與EC相關(guān)系數(shù)為0.53，表明二者來(lái)自相同的污染源。濟(jì)南市OC/EC 為2.5，說(shuō)明沙塵期間有大量的SOC生成。沙塵過(guò)境前，濟(jì)南市PM2.5中水溶性離子以NH4+、SO42-和NO3-為主，體現(xiàn)了大量氣態(tài)污染物的二次化學(xué)轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)更為明顯；沙塵影響期間，NH4+、SO42-和NO3-明顯下降，而Mg2+、Ca2+則迅速上升，其濃度分別較上一個(gè)小時(shí)上升37.2%和10.5%，礦物離子明顯增長(zhǎng)，一次源影響顯著。