北方沙塵對四川盆地環境空氣質量影響和特征分析

廖乾邑,羅 彬,杜云松,劉培川,張 巍,曹 攀,饒芝菡

四川省環境監測總站，四川 成都 610000

北方沙塵對四川盆地環境空氣質量影響和特征分析

廖乾邑,羅 彬,杜云松,劉培川,張 巍,曹 攀,饒芝菡

四川省環境監測總站，四川 成都 610000

利用沙塵天氣資料和顆粒物濃度、激光雷達監測數據以及后向軌跡，分析浮塵天氣的氣象特征及傳輸路徑，構建了浮塵天氣對四川盆地各城市大氣環境質量影響的量化指標，并利用該量化指標分析了浮塵天氣對四川盆地各城市大氣環境的影響，得出2013—2015年浮塵對四川盆地PM10年均質量濃度的貢獻，2013—2015年約為4.82、1.00、0.56 μg/m3；浮塵對PM10年均質量濃度的貢獻川西區域最大，川東北區域次之，川中區域最小，其貢獻量分別為3.5、2.2、1.4 μg/m3。同時還進一步分析浮塵對區域PM10影響差異的原因。

四川；浮塵； PM10；貢獻

沙塵天氣是不可忽視的重大環境問題[1]。由于受大尺度環流場和天氣系統的影響，沙塵會隨著天氣系統移動，不僅直接對沙塵源區的大氣環境質量產生影響，使大氣中的顆粒物濃度急劇增加，并且對沿途經過的地區也會造成不同程度的污染[2]。近年來, 不少學者對沙塵暴的源區、形成的主要控制因素、高度等進行了深入的觀測和研究[3]。因沙塵影響較大的城市主要是北方城市，以往的研究多側重于對北方城市的影響[4]，而北方沙塵對四川盆地空氣質量的影響，則研究很少。受秦嶺、大巴山對北方沙塵的阻隔，沙塵進入四川盆地相對較少，主要以浮塵的形式體現。近年監測數據顯示，北方沙塵對四川盆地城市空氣的影響客觀存在。為此研究分析了2013—2015年沙塵對四川盆地內城市地區環境空氣質量的影響。

影響中國的大多數沙塵暴主要來自河西走廊、內蒙古高原中西部和塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區，具體受沙塵影響區域取決于沙源條件和受天氣系統控制的沙塵傳輸路徑。中國沙塵氣溶膠的傳輸路徑主要有3條：西北路、西路和北路。影響四川盆地的主要沙塵傳輸路徑為形成于新疆、中亞沙塵源區，經塔里木盆地、甘肅、陜西南下到達四川盆地。雖然四川盆地處于中國西北甘肅、寧夏等主要沙源地的下游，但盆地周圍有秦嶺和大巴山等山脈的阻擋，使得集中、持續、嚴重的沙塵天氣在四川較少發生。四川省的浮塵天氣發生時間主要集中在春季，尤以3月初最為嚴重，對四川省大氣中PM10的貢獻尤為明顯。受春季和秋季冷空氣影響，來自四川盆地上游(新疆、甘肅、內蒙古等地區)的強沙塵暴在合適的大氣流場配合下，翻越秦嶺，使四川盆地形成區域性浮塵天氣。

1 資料與方法

1.1 資料獲取

利用四川盆地內19個城市的環境空氣自動監測網絡，分別對2013—2015年PM10、2014年PM2.5(部分城市)的質量濃度進行在線監測，并且對2015年19個城市的PM2.5小時質量濃度發布數據進行分析統計。

1)四川盆地浮塵天氣的識別基于中國沙塵暴網監測公布信息；PM10/PM2.5相關性(沙塵天氣下PM10/PM2.5比值浮動較大，介于1.8～5之間，其比值大于2的占62.5%；四川盆地PM10/PM2.5的比值通常為1.25～2)[5]；后向軌跡；日常監測工作記錄；激光雷達監測高空散射強度和退偏振率等參數。

2)秸稈焚燒的識別基于PM10、PM2.5、CO等監測濃度變化[6]和日常監測記錄等進行統計。

3)煙花爆竹燃放污染天主要集中在每年除夕、初一及正月十五幾天，基于燃放煙花爆竹時環境空氣中SO2、NO2、PM10、PM2.5的質量濃度變化等進行判別[7]。

4)區域污染天氣識別基于空氣質量評價結果及日常工作記錄，本文所統計的區域重污染天數是指出現AQI≥200或API>150 的5個及以上連片城市的天數(且持續時間超過3 d)。

1.2 對四川盆地PM10貢獻計算辦法

PM10貢獻量與PM10貢獻率：以PM10監測日均質量濃度積分計算浮塵天氣期間因浮塵造成PM10升高部分對全年PM10質量濃度的貢獻量。城市浮塵對PM10貢獻率計算見公式(1)，貢獻量計算見公式(2)。

全省浮塵對PM10貢獻率計算為各城市累計算數平均，計算公式為

(1)

全省浮塵對PM10貢獻量為各城市累計算數平均，計算公式為

(2)

式中：NCPM10表示通常情況下的年均質量濃度，指除浮塵天氣、秸稈焚燒、煙花爆竹燃放、區域污染天氣影響后的日平均濃度；FDCPM10表示浮塵期間PM10日平均質量濃度；DAYfd表示浮塵天數，DAYtotal表示有效監測總天數。

2 結果與討論

2.1 對年度PM10貢獻及年際變化情況

監測數據顯示，2013—2015年，四川省共經歷14次不同規模的、對空氣質量有影響的浮塵天氣，總計超過40 d，PM10日均質量濃度最高達1 029 μg/m3(成都市)，各城市具體影響天數見表1。

表1 2013—2015年四川省各城市受浮塵影響天數 d

2013—2015年浮塵對全年PM10貢獻約為4.82、1.00、0.56 μg/m3，浮塵對四川盆地2013—2015年PM10年均質量濃度貢獻見表2。

表2 浮塵對四川省2013—2015年PM10貢獻值

浮塵對四川盆地的影響主要取決于北方沙塵源地的起沙量以及天氣系統控制的沙塵路徑，2013年春季北方特大沙塵暴及天氣系統，導致2013年四川盆地PM10年均質量濃度受沙塵影響很大，2014年北方沙塵活動較少，而2015年雖有北方春季特大沙塵，但是沙塵以西北路徑為主，對四川盆地影響相對較小。

2.2 對各城市貢獻

2.2.1 各區域浮塵期間濃度情況及貢獻量

浮塵期間各區域PM10質量濃度見圖1，浮塵對各區域PM10年均質量濃度貢獻見圖2。

圖1 浮塵期間各區域PM10質量濃度范圍及平均值

圖2 浮塵對各區域PM10年均質量濃度貢獻

由圖1可見，四川盆地除攀西高原外，其余區域(川東北、川西、川南、川中)均受到不同程度的浮塵影響，浮塵造成盆地西部和川南的PM10污染相對較大。2013—2015年浮塵期間，川西城市PM10平均質量濃度最高為150 μg/m3，其次川南區域城市PM10平均質量濃度為132 μg/m3，川中城市PM10平均質量濃度最低為123 μg/m3。

分析浮塵對各區域城市PM10年均質量濃度的貢獻情況，由圖2可見，對川西盆地和川東北區域城市貢獻最大，川南區域城市和川中區域城市次之。2013—2015年期間，浮塵對川東北城市PM10年均質量濃度貢獻為2.6 μg/m3，對川西城市PM10年均質量濃度貢獻為3.5 μg/m3。川南區域城市PM10日均質量濃度對年均質量濃度貢獻為2.2 μg/m3，川中城市PM10日均質量濃度對年均質量濃度貢獻為1.4 μg/m3。

2.2.2 浮塵影響通道

四川省浮塵天氣污染主要受來自西北方向(新疆、甘肅)沙塵天氣影響，北方干冷空氣攜帶沙塵進入四川盆地并沿盆地內輸送通道推進，主要影響相鄰城市間存在1～2 h滯后。進入盆地路徑一種是以經隴南入川冷空氣偏北路徑為主要路徑，盆地內浮塵輸送由北到南，經廣元-綿陽-德陽-成都-樂山-雅安向南輸送，但由于盆地內龍泉山脈對入川氣流的分支和阻隔作用，浮塵對資陽及川南區域內江、自貢、瀘州、宜賓的影響較小；另外一種冷空氣路徑偏東，經隴南、漢中以覆蓋式由南向北影響城市，浮塵由廣元、巴中、達州入川后，一路沿廣元-綿陽、德陽、成都；一路沿巴中、達州-南充、遂寧、資陽，隨后傳輸至川南區域，盆地內受下墊面影響，在川南形成回流路徑，影響川南區域。

圖3為2013—2015年浮塵期間PM10質量濃度及對年均PM10質量濃度貢獻GIS圖。

從圖3來看，2013年四川盆地受浮塵影響最大，受浮塵影響主要區域是川東北區域偏北和川西區域；2014、2015年受浮塵影響相對較弱，但仍然對PM10年均值有所貢獻，2014年受浮塵影響的主要區域是川東北區域偏東、川西區域和川南區域，川南區域受浮塵本身攜帶PM10影響，同時川南形成“渦旋區”導致擴散較差引起PM10增高幅度較大。2015年浮塵影響最弱，主要影響川東北區域和川西平原。

從浮塵期間四川盆地各城市顆粒物質量濃度及對全年顆粒物平均質量濃度的貢獻來看，并非離沙塵源區的距離越遠，浮塵天氣對大氣環境質量的影響越小。各年浮塵對各區域影響程度大不相同，主要是與入川浮塵的高度、浮塵強度、進川入口及盆地下墊面情況有密切關系。浮塵入川第一站雖為川東北區域，但浮塵貢獻最大的是川西區域的成都、綿陽、德陽等城市。分析可能的原因為①盆地浮塵來源于中國西北地區沙塵的長距離輸送[8]，雖廣元等北部城市處于輸送通道的入川位置，但受盆地北部邊緣秦嶺的阻擋作用，進入盆地的浮塵多為高空覆蓋式輸送為主，高空沙塵輸送較快，沉降落區反而集中在偏北輸送通道的成都、德陽等下游城市。②浮塵氣溶膠團到成都平原及周邊后，受平原東南部龍泉山脈阻擋，移動緩慢，在龍泉山脈以西(成都)滯留時間更長，沉降時間更長，貢獻更大。浮塵影響城市其次是川南區域宜賓、瀘州、內江，研究結果表明，進入盆地內，浮塵以邊界層輸送為主[9]，盆地內邊界層氣流在川南的自貢、瀘州等地形成局地渦旋匯流，入川浮塵隨氣流進入川南渦旋區沉降是川南區域城市PM10升高相對較大的原因。③浮塵對川東北達州、巴中也有一定影響，是因為浮塵以偏東的路徑由覆蓋式進入盆地路徑，造成對巴中、達州偏東北一帶的影響，但這種路徑的概率相對較小。

圖3 2013—2015年浮塵期間PM10質量濃度及對年均PM10質量濃度貢獻GIS圖

3 結論

1)北方沙塵翻越秦嶺后進入四川盆地，易形成區域性浮塵天氣，四川省的浮塵天氣發生時間主要集中在春季和秋季，集中出現在3、4月，尤以3月初最為嚴重，對四川省大氣中PM10貢獻尤為明顯。2013—2015年浮塵對四川盆地PM10年均質量濃度貢獻逐漸降低，2013—2015年約為4.82、1.00、0.56 μg/m3。

2)2013—2015年浮塵期間，四川盆地除攀西高原外，其余區域(川東北、川西、川南、川中)PM10均受到不同程度的影響，浮塵影響期間PM10平均質量濃度自北向南持續升高, 其中對盆地西部和南部的影響相對較大。川西城市PM10平均質量濃度最高為150 μg/m3，川中城市PM10平均質量濃度最低為123 μg/m3。

3)分析浮塵對各區域城市PM10年均質量濃度的貢獻情況，對川西盆地和川東北區域城市貢獻最大，川南區域城市和川中區域城市次之。川西區域城市PM10日均質量濃度對年均濃度貢獻最大為3.5 μg/m3，其次為川東北區域城市PM10日均質量濃度對年均濃度貢獻為2.6 μg/m3，川中區域城市PM10日均質量濃度對年均濃度貢獻最小為1.4 μg/m3。

4)浮塵對四川盆地傳輸路徑有偏北路徑、偏東覆蓋式路徑以及盆地內川南回流路徑對川南區域造成影響等，各區域受PM10質量濃度的影響取決于北方沙塵源強度以及浮塵期間的天氣形勢、氣象條件和盆地下墊面情況等。

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[3 ] CHEN S ,HUANG J,ZHAO C,et al.Modeling the transport and radiative forcing of Taklimakan dust over the Tibetan Plateanu: a case study in the summer of 2006[J].Journal of Gophysical Research: Atmospheres,2013,118(2):797-812.

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Effects and Characteristics of Floating Dust Weather on Air Quality in Sichuan Basin

LIAO Qianyi,LUO Bin,DU Yunsong,LIU Peichuan,ZHANG Wei,CAO Pan,RAO Zhihan

Sichuan Environmental Monitoring Centre,Chengdu 610000，China

Based on the data of sandstorm weather, laser radar system observed particulate matter concentration and backward trajectory, this study analyzed the meteorology characteristics and transmission paths of floating dust weather, defined the quantitative index, which were then used to analyze the effects of floating dust weather on ambient air quality of local cities in Sichuan．The results showed that the contribution rate of the floating dust effect on PM10annual average concentration in Sichuan basin was 4.82 μg/m3in 2013, 1.00 μg/m3in 2014 and 0.56 μg/m3in 2015. The contribution rate of the floating dust effect was maximum in western Sichuan basin and then in the northeast, minimum in middle Sichuan basin, which was 3.5 μg/m3, 2.2 μg/m3and 1.4 μg/m3respectively. Moreover, the difference of impacts in each region of Sichuan basin was analyzed.

Sichuan province;floating dust;PM10;contribution

2016-02-25;

2016-05-06

廖乾邑(1984-)，女，四川成都人，碩士，工程師。

X823

A

1002-6002(2016)05- 0051- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.10