重慶市冬季一次沙塵天氣過程綜合觀測

熊桂洪 陳 思 蔣昌潭 許麗萍

（重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 城市大氣環(huán)境綜合觀測與污染防控重慶市重點實驗室 重慶 401147）

引言

沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分，沙塵氣溶膠能夠懸浮于大氣環(huán)境中并且在一定大氣環(huán)流作用下進行遠距離輸送，對沙塵氣溶膠經(jīng)過的下游區(qū)域空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響[1]。我國西北地區(qū)為中亞沙塵暴部分區(qū)域，是東亞沙塵氣溶膠的主要源區(qū)，其產(chǎn)生的沙塵在西風帶系統(tǒng)的引導下能夠輸送到中國東部地區(qū)、日本、韓國甚至能夠到達美國的夏威夷和西海岸[2]。

重慶位于西北沙塵源地的下游，重慶特殊的地形使沙塵暴天氣發(fā)生幾率較小，而沙塵天氣時有發(fā)生。目前，學者研究主要集中于重慶細顆粒物的濃度[3]、化學特征[4]、時空分布[5]、組分[6]等，對于外源輸入的重慶地區(qū)沙塵氣溶膠污染過程研究較少，對于沙塵影響下重慶地區(qū)顆粒物的化學性質(zhì)研究缺乏，可用于沙塵氣溶膠污染過程的環(huán)境空氣質(zhì)量預警預報研究經(jīng)驗不多。

故本文結(jié)合地面觀測結(jié)果、天氣背景圖、HYSPLIT 模式模擬結(jié)果對我們捕捉到的2017 年12 月29 日-2018 年1 月1 日重慶地區(qū)一次沙塵影響的污染過程進行研究，分析了沙塵氣溶膠的來源和路徑，以期為重慶地區(qū)氣溶膠的全面研究提供個例。

1 數(shù)據(jù)資料與儀器

1.1 數(shù)據(jù)資料

氣象數(shù)據(jù)來源于中央氣象臺，空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站和重慶市環(huán)境保護局對外公布的數(shù)據(jù)，HYSPLIT 模型模擬結(jié)果由網(wǎng)站（https：//ready.arl.noaa.gov/index.php）在線獲取。

1.2 主要觀測儀器

大氣氣溶膠垂直探測數(shù)據(jù)來自于EV-LIDAR 微脈沖激光雷達，探測波長532 nm。各監(jiān)測儀器嚴格按照國家標準或者儀器廠商推薦運維方法進行定期運維，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性及可靠性。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染現(xiàn)狀分析

本次污染過程中顆粒物質(zhì)量濃度變化情況見圖1。12 月29日由于污染積累導致PM10 與PM2.5 濃度值較高。30 日，PM10 質(zhì)量濃度急劇增加，最大值出現(xiàn)于30 日16：00，濃度為240μg/m3。

根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站《受沙塵天氣過程影響城市空氣質(zhì)量評價補充規(guī)定》中影響時段判定[7]，將本次沙塵污染過程劃分為3 個階段：第1 階段為沙塵影響前階段（12 月29 日0：00-12月30 日3：00），沙塵前鋒尚未到達測點上空，PM2.5 在PM10 中平均占比為72.5%，與任麗紅[8]的研究成果一致。第2 階段為沙塵影響階段(12 月30 日4：00-12 月31 日11：00)，PM10 濃度快速增加，重慶城區(qū)開始以大粒徑顆粒物為主。30 日16：00PM10 質(zhì)量濃度達到峰值，此后PM2.5/PM10 逐漸升高。沙塵影響階段PM2.5/PM10 最小值僅為0.30。第3 階段為沙塵影響后階段（2017 年12 月31 日12：00-2018 年1 月2 日0：00），PM10 濃度降低，PM10 和PM2.5 小時均值分別為98、64μg/m3，污染特征體現(xiàn)為細顆粒物為主。

圖1 2017 年12 月29 日-2018 年1 月1 日顆粒物質(zhì)量濃度隨時間變化情況

2.2 沙塵成因分析

2.2.1 天氣背景分析

圖2 為28-30 日地面氣壓場變化情況圖。28-30 日，中心強度為1045hPa 的地面冷高壓發(fā)展東移南壓，30 日14：00，高壓擴散南壓至重慶主城區(qū)，北方干冷空氣攜帶沙塵粒子向東向南輸送，所經(jīng)之處對應地面多出現(xiàn)沙塵天氣：根據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，28日4：00，甘肅省酒泉、張掖等城市出現(xiàn)沙塵天氣，空氣中PM10 質(zhì)量濃度突升，最大小時質(zhì)量濃度大于3000μg/m3，隨著冷空氣繼續(xù)往東南方向移動，29 日，西安、寶雞PM10 質(zhì)量濃度超過800μg/m3，隨后漢中、巴中、達州、重慶等城市PM10 質(zhì)量濃度突升。

圖2 2017 年12 月(a)28 日17:00,(b)30 日14:00 地面氣壓場

2.2.2 垂直結(jié)構(gòu)分析

顆粒物激光雷達的探測結(jié)果顯示（見圖3），30 日開始，污染邊界層開始抬升，外來輸送的沙塵進入邊界層，測點上空1.2 km 以下區(qū)域退偏比明顯增大，0.5 km 左右高度退偏振比達到了0.25，氣溶膠粗顆粒特征明顯增強。隨著沙塵氣溶膠的沉降，近地面PM10 濃度上升明顯，此時污染特征以粗顆粒物為主。

圖3 顆粒物激光雷達探測的退偏比數(shù)據(jù)

2.2.3 后向軌跡分析

圖4 后向軌跡分析2017 年12 月30 日16:00

選擇30 日16：00 進行HYSPLIT 后向72h 軌跡分析（圖4），模擬高度為500m。28 日，氣團起始高度為2500m 高度左右，來自我國甘肅省蘭州、定西等城市，隨著氣團的逐漸降低，沙塵氣溶膠也隨著降低，導致地面PM10 質(zhì)量濃度的升高。氣團傳輸方向為自西北輸送至陜西西南部后，轉(zhuǎn)為西南方向到達四川盆地，從重慶西北方向進入重慶地區(qū)，影響重慶地區(qū)空氣質(zhì)量。

綜合以上分析，導致重慶地區(qū)2017 年12 月29-2018 年1月1 日沙塵污染的主要原因為來自我國西北地區(qū)沙塵粒子的長距離輸送在適合的環(huán)境背景影響下沉降。冬季和春季是沙塵天氣高發(fā)季節(jié)，重慶市距離沙塵產(chǎn)生區(qū)域相對較遠，發(fā)生沙塵暴的幾率較小，但是重慶地區(qū)的西北部和中部大多丘陵、低山，來自中亞沙塵源區(qū)的沙塵氣溶膠通過漢中、巴中、達州等城市進入四川盆地[9-10]，進而影響重慶地區(qū)，對重慶地區(qū)的空氣質(zhì)量造成污染。

3 結(jié)論

綜合利用天氣背景分析、地面觀測數(shù)據(jù)和激光雷達探測等手段，結(jié)合HYSPLIT 模式分析了沙塵氣溶膠的來源及路徑，主要結(jié)論如下：

（1）受沙塵影響，PM10 濃度大幅升高，PM10 最大小時濃度值為240μg/m3，PM2.5/PM10 最小值為0.30，顆粒物以粗顆粒物污染為主。

（2）沙塵過境期間影響近地面顆粒物的沙塵高度主要分布在1.2 km 以下區(qū)域，探測到最大退偏振比達到0.25。

（3）源自我國西北地區(qū)的沙塵粒子通過高空輸送，通過漢中、巴中等城市進入四川盆地，進而影響重慶地區(qū)空氣質(zhì)量。

結(jié)語

（1）科學防沙治沙。美國和前蘇聯(lián)分別提出了農(nóng)業(yè)措施和林業(yè)措施以應對沙塵。我國可借鑒其他沙塵多發(fā)地區(qū)的先進經(jīng)驗，制定科學的適合我國的沙塵應對措施。

（2）保護植被環(huán)境。不僅需要保護現(xiàn)有植被，對于我國西北地區(qū)，發(fā)展適合當?shù)厣L的植被，提高植被覆蓋率，減少沙塵源頭，保護生態(tài)環(huán)境。

（3）加強污染管控。對于沙塵經(jīng)過的各區(qū)域，需要加大對高排放工業(yè)企業(yè)的管控，需加強對大貨車燃油車的抽檢，減少本地排放，改善空氣質(zhì)量。