沙塵天氣對山東省環(huán)境空氣質(zhì)量的影響研究

張慧 劉本運 張淼 譚偉 宋永超 李彥

（1 山東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 山東濟南 250014 2 國網(wǎng)濟南供電公司 山東濟南 250001）

0 引言

沙塵天氣是風將地面塵土、沙粒卷入空中，使空氣混濁的一種天氣現(xiàn)象的統(tǒng)稱。沙塵天氣過程分為5 類：浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴［1］。據(jù)中國氣象局2021 年4 月新聞發(fā)布會可知，2021 年1 月—3 月，我國發(fā)生6 次沙塵天氣過程，為2005 年以來北方地區(qū)平均沙塵日數(shù)同期最多，其中，2 次為強沙塵暴過程，4 次為揚沙過程；1 月10 日發(fā)生的沙塵天氣為2002 年以來出現(xiàn)時間最早的一次，3 月15 日發(fā)生的沙塵天氣為近10 a 來最強。沙塵天氣主要影響我國西北、華北、東北地區(qū)，是我國北方地區(qū)主要災害性天氣之一，對人民生命財產(chǎn)造成極大影響［2-5］。

山東省位于中國的東部沿海、黃河下游，距離沙塵源相對較遠，但是省內(nèi)大部分地區(qū)仍受沙塵天氣影響較大。目前僅有極少文獻分析了沙塵天氣發(fā)生時省內(nèi)部分城市環(huán)境空氣污染特性［6-7］，針對沙塵天氣發(fā)生時全省環(huán)境空氣質(zhì)量整體變化情況及形成原因的研究較少。本文深入分析了沙塵天氣對山東省整體環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，重點說明了山東省易受沙塵影響的原因，并提出了減輕沙塵影響的措施建議，以期為更好應(yīng)對沙塵天氣提供參考依據(jù)。

1 沙塵天氣對山東省環(huán)境空氣質(zhì)量的影響

1.1 沙塵對全省實時環(huán)境空氣質(zhì)量的影響

以2021 年3 月15 日山東省出現(xiàn)的沙塵天氣為例，這次大范圍沙塵天氣主要起源于蒙古國。14 日上午，蒙古國西南部發(fā)生沙塵暴天氣，沙塵隨氣流向南移動，15 日凌晨，沙塵開始影響京津冀地區(qū)，15 日14 時，沙塵進入山東境內(nèi)，首先影響德州市，德州市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)率先達到500。隨著沙塵向東南方向移動，16 日09 時，德州市天氣有所好轉(zhuǎn)，但全省大部分地市陷入嚴重污染（見表1），16 日14 時，沙塵天氣在山東省開始逐漸減弱，全省一半城市空氣質(zhì)量指數(shù)轉(zhuǎn)為300 以下，其后沙塵天氣逐漸在山東省消失。

表1 2021 年3 月16 日09 時山東全省環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)

總體來說，沙塵天氣對山東全省環(huán)境空氣質(zhì)量均有影響，對德州、聊城、菏澤、濟寧、泰安、濟南等中西部城市影響較大，對煙臺、威海等沿海城市影響相對較小。沙塵天氣進入山東境內(nèi)后，一般首先影響德州市，進而向東南方向移動，影響省內(nèi)大部分城市；嚴重時，煙臺、威海等沿海城市也會陷入重度污染或嚴重污染天氣。

1.2 沙塵對環(huán)境空氣中6 項常規(guī)污染物的影響

對山東省濟南市2021 年3 月份經(jīng)歷的2 次沙塵天氣進行分析，相關(guān)數(shù)據(jù)來自山東省環(huán)境App（見表2）。3 月15 日沙塵天氣發(fā)生時，當天濟南PM10濃度為505 μg/m3，16 日濃度達到539 μg/m3，17 日沙塵天氣稍有緩解，濃度降為413 μg/m3，本次沙塵天氣持續(xù)時間較長，15—17 日PM10濃度為14 日（107 μg/m3，沙塵天氣發(fā)生前）的3.9～5.0 倍；15—17 日濟南市PM2.5濃度分別為122、124、80 μg/m3，為14 日（72 μg/m3）的1.1～1.7 倍，PM2.5濃度的增幅遠小于PM10；15—17 日PM2.5占PM10的比例（PM2.5/PM10）分別為0.24、0.23 和0.19，遠低于14 日（占比為0.67），且18 日沙塵天氣基本結(jié)束時，PM2.5/PM10仍比14 日的低，說明沙塵天氣發(fā)生時，PM10中主要是空氣動力學當量直徑>2.5 μm 的顆粒物，且PM10對空氣質(zhì)量的影響時間比PM2.5的影響時間長。3 月28 日沙塵天氣發(fā)生時，當天濟南市PM10濃度為552 μg/m3，29日濃度為359 μg/m3，30日為184 μg/m3，28—30 日PM10濃度為27 日（126 μg/m3，沙塵天氣發(fā)生前）的1.5～4.4 倍；28—30 日PM2.5濃度分別為133、74、50 μg/m3，為27 日（88 μg/m3）的0.6～1.5 倍，30 日PM2.5較27 日（未發(fā)生沙塵天氣時）低，可能是由于沙塵天氣伴隨的大風有利于本土PM2.5的擴散；28—30 日PM2.5/PM10分別為0.24、0.21和0.27，遠低于27 日（占比為1.4）；同時，31 日沙塵天氣基本結(jié)束時，PM2.5/PM10仍比27 日的比值低，同樣說明沙塵天氣發(fā)生時PM10中主要是大粒徑顆粒物，且PM10對空氣的影響時間比PM2.5的影響時間長。綜合分析說明，沙塵天氣發(fā)生時，PM10濃度急劇增加，PM2.5濃度上升緩慢，個別時候會出現(xiàn)下降，PM2.5/PM10顯著下降，且PM10的影響較PM2.5持久。

表2 濟南市2021 年3 月份2 次沙塵過境期間環(huán)境空氣質(zhì)量及污染物濃度數(shù)據(jù)

3 月份2 次沙塵天氣發(fā)生期間，SO2濃度均在21 μg/m3以下，NO2濃度均在55 μg/m3以下，CO濃度均在1.2 mg/m3以下，O3濃度均在137 μg/m3以下，沙塵對SO2、NO2、CO 和O3無明顯規(guī)律性影響。但從O3濃度看，沙塵天氣期間，臭氧濃度呈下降趨勢，這與沙塵伴隨的大風有利于本地擴散有關(guān)，而SO2、NO2、CO 由于本身濃度就被控制在了比較低的水平，所以大風的擴散作用對其影響較小。

1.3 沙塵對環(huán)境空氣中顆粒物主要元素的影響

地殼中含量最多的化學元素是氧（O），占總重量的48.6%，其次是硅（Si）、鋁（Al）、鐵（Fe）、鈣（Ca），分別占26.30%、7.73%、4.75%、3.45%。濟南市某超級站對顆粒物PM2.5中的主要地殼元素進行了實時監(jiān)測，3 月10—31 日PM2.5中的Si、Al、Fe、Ca 監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖1。由圖1 可以看出，沙塵天氣發(fā)生時，4 種主要元素濃度激增，3 月16 日的總含量是3 月14 日的33 倍，3 月28 日的總含量是3 月27 日的11 倍，說明沙塵天氣發(fā)生時，雖然PM2.5濃度變化不顯著，但主要元素的組成發(fā)生了較大變化，組分受到了大風卷起的地面浮塵及沙塵源區(qū)輸送而來的沙塵顆粒影響。沙塵天氣帶來了大量污染物的增加，是影響生態(tài)環(huán)境的“污染暴”。

圖1 2021 年3 月10—31 日PM2.5 中的Si、Al、Fe、Ca 濃度

2 山東省易受沙塵影響的主要原因

2.1 沙塵源地氣候原因?qū)е挛覈硥m天氣頻發(fā)

影響我國的沙塵源地可分境外源地和境內(nèi)源地，蒙古國和我國西北地區(qū)是沙塵形成的重要地區(qū)。自2020 年入冬以來，該部分地區(qū)氣溫明顯偏高、地表基本沒有積雪覆蓋、淺層土壤相對濕度較低，植被覆蓋少，抑沙條件差。特別是3 月份，我國平均氣溫為6.6 ℃，較常年同期偏高2.5 ℃，為1961 年以來歷史同期第二高；全國平均降水量27.8 mm，較常年同期偏少6%。另外，2021 年以來，歐亞中高緯的大氣環(huán)流多次出現(xiàn)明顯的階段性調(diào)整，特別是影響我國空氣的西伯利亞高壓，出現(xiàn)了多次增強過程，造成歐亞中緯度環(huán)流經(jīng)向度加大，為沙塵天氣的形成提供了有利動力條件。尤其是3 月13—18 日，出現(xiàn)了近10 a 我國最強的沙塵天氣過程，持續(xù)時間長、影響范圍廣，涉及19 個省（區(qū)、市），影響范圍456.2 萬km2。沙塵源地頻繁發(fā)生的沙塵天氣過程是我國大部分省份易受沙塵天氣影響的源頭因素。

2.2 沙塵移動路徑導致山東省易受到影響

研究表明，我國沙塵的主要移動路徑每次都不盡相同，主要路徑如下。①南疆盆地型：起源于新疆南部，并主要影響該地區(qū)。②局地型：局部地區(qū)有沙塵天氣出現(xiàn)，但沙塵主體沒有明顯的移動。③偏北路徑型：起源于蒙古國或我國東北地區(qū)西部，主要影響我國西北地區(qū)東部、華北大部和東北地區(qū)南部。④偏西路徑型：起源于蒙古國、我國內(nèi)蒙古西部或新疆南部，主要影響我國西北、華北地區(qū)。⑤西北路徑型：一般起源于蒙古國或我國內(nèi)蒙古西部，主要影響我國西北和華北地區(qū)。沙塵主要移動路徑中，偏北路徑型、偏西路徑型和西北路徑型均可能導致山東省出現(xiàn)沙塵天氣，進而導致空氣質(zhì)量受到嚴重影響。

2.3 山東省自身地理位置原因?qū)е律硥m不易擴散

我國地勢西高東低，呈三級階梯狀逐級下降。山東省處于第三階梯，地勢低，易受來自于第二階梯方向的沙塵影響，而且沙塵傳輸高度一般較高，難以被太行山等山脈阻擋。以濟南市2021 年3 月15 日發(fā)生的沙塵天氣為例，由激光雷達垂直觀測可知，沙塵高達2 500 m 左右，此類高空傳輸?shù)纳硥m給山東省大部分地區(qū)帶來極大影響。而對于其他傳輸高度稍低的沙塵天氣過程，由于南北方向的太行山和東西方向的秦嶺中間有黃河蜿蜒穿過，此類地形給沙塵向山東省傳輸帶來了便利條件，導致山東省西部地區(qū)極易受沙塵天氣影響。而同時山東省中南部地區(qū)有大量山脈阻擋，如泰山（1 532 m）、蒙山（1 156 m），魯山（1 108 m）、沂山（1 032 m），海拔均超過1 000 m，這些高山導致沙塵不易擴散，更是加重了山東中西部地區(qū)的污染程度和持續(xù)時間。由于地形原因，山東省中西部地區(qū)沙塵不易擴散，導致沙塵天氣影響較大、持續(xù)時間較長。

2.4 山東省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)一定程度上加劇了沙塵對本地的污染

山東產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重工業(yè)，能源結(jié)構(gòu)偏煤特征比較突出。作為全國工業(yè)大省、實體經(jīng)濟大省，全國重要的工業(yè)品、消費品供給基地，山東省能源消耗無論是總量還是單位能耗，一直位居全國前列。由《山東省統(tǒng)計年鑒2020》可知，2017 年、2018年、2019 年，全省能源消費量（折標準煤）分別為40 097.7 萬t、40 580.5 萬t 和41 390.0 萬t 標準煤，其中煤炭消費占比分別為72.70%、69.32%和67.28%，2019 年山東煤炭消費量占能源消費總量的比例超過全國水平（57.7%）近10%。目前，山東省結(jié)構(gòu)性污染問題依然突出，給環(huán)境空氣質(zhì)量帶來了極大挑戰(zhàn)。沙塵天氣發(fā)生時，污染物難以向外擴散，而且沙塵帶來的大量顆粒物加大對其他空氣污染物的吸附，從而導致本地污染進一步加重。

3 減輕沙塵影響的具體措施

（1）加強沙塵天氣預報。進一步提高沙塵天氣預報的準確度，加大宣傳力度，提醒公眾合理應(yīng)對沙塵天氣，注意生命和財產(chǎn)安全。

（2）加大植被覆蓋度。推進植樹造林，增加土壤表層覆蓋度，減少沙塵來臨時大風吹起本地裸露土壤造成的污染加重現(xiàn)象。

（3）加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。山東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)路徑依賴、技術(shù)鎖定效應(yīng)較強，慣性發(fā)展勢頭較大，持續(xù)推進結(jié)構(gòu)調(diào)整是解決山東污染問題的根本舉措，建議研究編制全省碳達峰、碳中和行動方案，啟動新一輪“四減四增”行動，從源頭上大幅減少污染物排放量。

4 結(jié)語

沙塵天氣過境時，山東全省16 個地級市環(huán)境空氣質(zhì)量均受到影響，德州、聊城、菏澤、濟寧、泰安、濟南等中西部地區(qū)受影響較大，煙臺、威海等東部沿海城市受影響程度相對較小。通過數(shù)據(jù)分析可知，沙塵天氣發(fā)生時，PM10濃度急劇增加，PM2.5濃度上升緩慢，個別時候會出現(xiàn)下降，PM2.5/PM10顯著下降，且PM10的影響較PM2.5持久；沙塵天氣對空氣中SO2、NO2、CO 等污染物濃度影響不大，O3濃度有所降低；PM2.5中主要地殼元素Si、Al、Fe、Ca 濃度激增。本文深入研究了山東省易受沙塵影響的主要原因：沙塵源地氣候因素、沙塵移動路徑、山東省自身地理位置及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。下一步，建議山東省從加強沙塵天氣預報、加大植被覆蓋度、加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整等方面著手，減少沙塵對本地環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，保障人民的生命和財產(chǎn)安全。