安徽省輸入型沙塵疊加本地污染過程分析

王含月,程 龍,趙思文

(1.安徽省生態環境監測中心，安徽 合肥 230000;2.遼寧省撫順市氣象局，遼寧 撫順 113006)

1 引言

沙塵天氣包括揚沙、浮塵、沙塵暴和強沙塵暴等[1]。每年春秋季節轉換期間，中國北方沙源地起沙后，沙塵顆粒物可長時間懸浮在空氣中，并經遠距離輸送影響更多區域。在向下游地區的長距離輸送過程中，沙塵氣團中的粗顆粒物較細顆粒物沉降速率更高，大部分粗顆粒物經重力沉降隨著傳輸逐漸流失，細顆粒卻能繼續向下游輸送，導致沙塵氣團進入江淮區域時沙塵特征已不明顯，常以浮塵為主。處于春秋季節轉換期間的江淮地區，受江淮氣旋和北方寒流交互作用影響，風向轉換頻繁，時有沙塵隨北方冷氣團入境后未完全沉降，即轉受偏南暖濕氣流影響，氣團中的顆粒物回流、緩慢沉降而長時間影響當地空氣質量的現象。安徽省位于江淮地區，受沙塵影響時，雖不會出現上游地區遮天蔽日，黃沙閉目的“壯觀”景象，但其對空氣質量的影響卻不容忽視。另江淮區域受地理因素影響，晨昏交替時常出現高濕小風的氣象條件，此時上游輸入的浮塵伴隨出現顆粒物吸濕增長，難以與普通的污染傳輸區分開來，國際上對于沙塵和霾的鑒別也一直存在爭議，韓國沙塵監測中通過PM2.5/PM10的比例變化區分人為細顆粒物污染與沙塵天氣影響：當監測數據中PM2.5/PM10≥0.8時，判斷主要為人為細顆粒物污染，PM2.5/PM10≤0.4時判斷主要為沙塵天氣影響。日本將懸浮顆粒物濃度(SPM)的初始值(最接近激光雷達安裝地點的一般環境大氣測量站的SPM觀測數據)超過環境標準小時值0.2 mg/m3，及激光雷達判斷附近的黃沙是高濃度(超過0.3 mg/m3)且多為不規則非球形形顆粒物時，判斷為沙塵。我國對于沙塵下游地區如何區分沙塵影響和人為排放兩者疊加的研究較少，未見統一的評判標準，因此本文將著重探討江淮區域沙塵天氣的污染特征。

為研究沙塵對下游安徽省的影響，自北向南選取淮北市、亳州市和六安市作為研究對象，對2018年11月27日至11月30日一次典型沙塵過程進行分析。

2 數據資料和分析方法

2.1 污染物濃度監測數據

空氣質量選取安徽省68個國控空氣質量監測點位監測數據作為代表。除特殊說明外，PM2.5、PM10的日及小時數據均為國控站點平均值，顆粒物為實際狀況(監測采樣時為實際氣溫和氣壓)監測數據資料，氣態污染物為參比狀態(25 ℃，1013.25 hPa)監測數據資料。

2.2 氣象數據

本文氣象資料選取NCEP/NCAR共享的全球空間分辨率為2.5°×2.5°的一日4次(00，06，12，18時)再分析格點資料數據集，用于分析安徽省受沙塵影響期間的天氣形勢及氣象要素分布情況。

3 影響安徽省的典型沙塵過程分析

3.1 天氣形勢分析氣象條件分析

蒙古氣旋一年四季皆可生成，其中秋冬季冷空氣活動頻繁[1]，常伴隨蒙古氣旋南下入侵，偏北大風將沙塵帶到華中和華東平原，東亞沿岸穩定的西風槽在被短暫破壞后又穩定建成，槽后部為安徽省南部帶來東南氣流，導致江淮地區在北方污染傳輸后常轉受偏南的暖濕氣流影響，造成沙塵回流和在本地的二次擴散，形成持續性的污染。其中2018年11月25至30日的沙塵過程便是一次較為典型的蒙古氣旋伴隨冷空氣活動，后轉受東亞大槽后部東南氣流的過程，導致了安徽省持續近4 d的嚴重大氣污染天氣。

11月25日06:00，較穩定的西風帶平均槽在140°E的東亞沿岸附近，副高勢力減弱，脊線退至20°N以南的太平洋海面，高空為西風帶氣流操控。地面蒙古冷型高壓中心位于75°～80°E，40°～50°N附近，發展強盛十分穩定，相對的蒙古氣旋勢力較弱，被冷高壓擠壓，呈現“L”型特征，分化出2個低壓中心，其中一個低壓中心位于100°～110°E，45°～50°N，即甘肅省附近，受蒙古氣旋地面較強的輻合上升作用，開始形成沙塵暴，見圖1(a)。此時安徽省受靜穩天氣控制，地面平均風速小于2 m/s，本地污染逐漸積累。11月26日06:00，冬季強盛的冷型高壓被短暫破壞后迅速恢復，并誘導強冷空氣向南移動，高壓前部的西北大風為沙塵暴向南傳輸提供了強勁的動力支持，見圖1(b)。11月26日18:00，隨著冷高壓向東南方向移動，沙塵氣團的前沿已經達到京津冀區域，受前期本地污染積累影響，京津冀地區空氣質量此時已達重度污染(圖略)，11月27日00:00，地面冷高壓中心在西風帶環流帶領下東移南下，控制京津冀區域，清潔的冷氣團首先從底層入侵，前期積累的細顆粒物污染被迅速清除。污染氣團向南緩慢擴散，安徽北部地勢平坦，北部淮北、亳州等市PM2.5濃度受傳輸影響開始緩慢上升，冷高壓中心下沉氣流使部分沙塵沉降至地面，影響京津冀的大氣污染物轉為PM10等粗顆粒物，見圖2。11月27日06:00，冷高壓維持在京津冀地區，高壓前部持續的北風將沙塵氣團帶入安徽省，見圖1(c)。最北部的亳州市開始受沙塵影響，但首先達到的底層冷空氣前期累積了北方的污染物，導致亳州市前期本地積累的細顆粒物又疊加北方傳輸，PM2.5濃度并未得到改善降低，反而隨PM10濃度一起上升。11月27日06:00～11月28日，冷高壓移速減緩，影響范圍擴大，東部向東擴展到達山東，山東省受沙塵影響，污染物濃度陡升。底部持續南下入侵安徽北部。以淮北市為例，在沙塵氣團影響當地42小時后，28日18:00開始污染物被全部清除；安徽南部受東亞大槽后部偏南氣流影響，江淮之間存在風向輻合，沙塵逐漸沉降至地面，污染物濃度在江淮區域持續累積，見圖1(d)。11月29日06:00開始，冷高壓勢力減弱，影響范圍擴大，高壓中心移至渤海灣附近，安徽北部又轉受高壓底部東北風影響。11月30日06:00，冷高壓東移入海，全省地面轉受高壓后部東南氣流控制。江淮之間沙塵向北回流，逐漸被清除。于此同時內蒙和寧夏區域地面又發展出一個強盛的蒙古氣旋，開始新一輪的沙塵過程。

(a)11月25日06:00；(b)11月26日06:00；(c)11月27日06:00；(d)11月28日18:00； (e) 06:00 on November 29; (f) 06:00 on November 30

3.2 污染物小時變化特征

本次輸入型沙塵污染顆粒物濃度多呈現的雙峰特征間歇式峰值過程，現以淮北、亳州、合肥和六安4個市為例進行分析。

3.2.1 淮北市

淮北市位于安徽省最北部，地勢平坦，為西北路徑沙塵最先影響的城市之一，污染過程基本分為3個階段，第一時段中，受西北風方向的沙塵傳輸影響，淮北市出現沙塵天氣。2018年11月27日10:00起始淮北市PM10濃度急劇上升至291 μg/m3，而PM2.5濃度反而開始降低，PM2.5/PM10由0.85迅速下降到0.53。至當日17:00，PM2.5/PM10回升，提示第一時段受西北風方向的沙塵傳輸影響結束，沙塵持續時間7 h。

圖2 2018年11月25～30日淮北市單點(116°E，33°N)相對濕度(單位：%)和溫度(單位：K)剖面

第二時段：11月28日05:00起始，受27日下午至28日上午東北風風速增大影響，東北方向沙塵再次影響淮北。PM10濃度由263 μg/m3快速上升至411 μg/m33，PM2.5濃度反而開始持續下降，PM2.5/PM10由0.90迅速下降到0.56，此后西北風和東北風交替，風速減緩，沙塵氣團推進放緩，在安徽省滯留。受靜穩天氣和沙塵共同作用，PM10濃度持續升高，由342 μg/m3再次迅速升至443 μg/m3，PM2.5/PM10維持0.60左右，至29日18:00，PM10和PM2.5均迅速下降，提示第二時段沙塵傳輸影響結束，持續28 h。

第三時段：受東北風影響，原傳輸至山東及江蘇北部的沙塵氣團再次影響淮北，11月30日08:00起，出現PM10濃度再度上升，PM2.5濃度和PM2.5/PM10下降的沙塵影響特征，至14:00 PM10濃度下降加速，PM2.5濃度下降速度相對較慢， PM2.5/PM10不斷上升，第三時段沙塵影響結束，受污染物傳輸疊加本地污染共持續7 h。本次沙塵天氣淮北市經歷3個時段，受沙塵影響達42 h。如圖3(a)所示。

圖3 淮北市(a)、亳州市(b)沙塵過程PM10、PM2.5質量濃度(單位：μg/m3)

3.2.1 亳州市

亳州市位于安徽省最北部，地勢平坦，也是西北路徑沙塵最先抵達的城市之一，此次過程沙塵氣團27日02:00左右到達亳州境內，PM10濃度由01:00的139 μg/m3迅速升高，至08:00已達320 μg/m3，較沙塵影響前上升181 μg/m3，隨后十幾個小時一直保持在300 μg/m3以上。PM10上升過程中，PM2.5/PM10由前期平均的0.74，下降到0.33，為典型沙塵天氣特征。28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00共兩個時段，亳州市在偏東北風影響下，多次受到持續浮塵影響，空氣質量再度惡化。PM2.5/PM10的比值再度降至0.5以下。12月1～2日浮塵天氣持續。此次過程中亳州市明顯受沙塵天氣過程影響的具體時間段為11月27日02:00～14:00，28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00。受沙塵影響時段共37 h，過程中顆粒物濃度變化呈現雙峰特征，見圖3(b)。

3.2.3 六安市

六安市位于安徽省江淮之間西部，在西北路徑的沙塵過程中常首先受到河南和湖北等西北方污染傳輸影響，27日13:00開始，PM10濃度顯著上升，28日12:00達到峰值364 μg/m3，29日08:00 PM10濃度首次降至沙塵開始前水平135 μg/m3，第一階段影響結束。29日17:00風向轉換，再次受到東北方向沙塵影響，PM10濃度再度急劇升高，30日00:00達到峰值394 μg/m3，PM2.5變化幅度較小。此時影響六安市的沙塵氣團主要來自山東棗莊，江蘇徐州及安徽淮北等東北部地區。第二階段持續至30日08:00時，本次沙塵天氣影響結束。第一階段受影響持續時間44 h，第二階段持續時間16 h，過程中顆粒物濃度變化呈現雙峰特征。

4 結論

(1)安徽省春秋季節受北方鋒區和南方鋒區天氣系統交替影響，沙塵氣團易出現回流現象。輸入型沙塵污染顆粒物濃度常呈現出明顯的雙峰特征。

(2)安徽省春秋季節未受沙塵影響時段內，PM2.5/PM10維持在0.65～0.85之間，受沙塵影響時段，PM2.5/PM10將出現顯著的降低。若前期本地空氣清潔，受典型輸入型沙塵影響期間，PM2.5/PM10比值可降至0.30以下，PM2.5濃度上升緩慢，甚至有所下降。若前期本地及北方接壤省份，如京津冀及周邊河南、山東存在污染物累積，受沙塵影響期間，沙塵氣團前鋒達到安徽省時，伴隨的冷鋒底部冷空氣會先裹挾西北方向污染氣團向下游傳輸，造成安徽省PM2.5的緩慢上升，受沙塵影響期間，PM2.5/PM10比值最多只能降至0.35～0.55。