沙塵天氣過程對安陽空氣質量的影響分析

王 穎，趙海麗，丁金杰，徐瑞紅，丁志安，唐 敏，常艷文，李世華，和暐杰

(河南省安陽生態環境監測中心，河南 安陽 455000)

1 引言

在經濟高速發展的同時，我們生存的環境也在遭受不同程度的污染。在大氣環境問題日益突出的今天，沙塵天氣也備受關注[1～3]。沙塵天氣包括揚沙、沙塵暴和浮塵3類天氣[4，5]，是由于強風將地面沙塵卷到空中，在特定大尺度環流背景下誘發的一種災害性天氣，是大氣運動和自然地理環境的綜合產物[4]。沙塵使大氣中的顆粒物濃度急劇增加不僅對沙塵源區的大氣環境質量產生影響，并且對途經地區的農業、生產生活和生態系統均造成一定危害，因此，沙塵天氣是不可忽視的重大環境問題[6，7]。

安陽市是重要的工業城市，本地源排放較高，且易受周邊區域污染的影響，頻頻出現重度污染天氣。2020年安陽市空氣質量定性綜合評價指數為1.35，空氣質量級別為輕污染，安陽市空氣質量主要受顆粒物的影響，其中顆粒物污染負荷比為54.1%，以顆粒物為首要污染物的污染天數占全部污染天數的比例為55.6%[8]。在關注顆粒物污染的同時，沙塵天氣是一個不可忽視的因素。冬春季節我國沙塵頻繁發生，導致大氣顆粒物含量和降塵量急劇增多，污染大氣環境[9]，安陽市也未能避免遭受沙塵天氣的襲擾，探究外來沙塵輸送對安陽市空氣質量的影響規律，并對2020年經歷的一次典型沙塵天氣過境情況進行分析，以期為安陽市大氣污染防治以及今后預報和有效應對沙塵天氣過程提供參考。

2 數據來源及評價標準

以2017～2020年安陽市大氣環境自動監測站的在線監測數據、激光雷達垂直觀測數據及2016～2020年安陽市生態環境質量年鑒數據為基礎進行數據分析。可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)采用《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)評價。

3 結果與討論

3.1 空氣質量現狀

2020年安陽市達標天數為181 d，年綜合指數為6.16，在“2+26”和“168”城市中均倒排第1，空氣質量定性綜合評價指數為1.35，空氣質量級別為輕污染，其中顆粒物污染負荷比為54.1%，以顆粒物為首要污染物的污染天數占全部污染天數的比例為55.6%；其中以細顆粒物為首要污染物的污染天數占全部污染天數的比例為49.7%，可吸入顆粒物占5.9%，說明安陽市顆粒物污染仍較為嚴重。詳見表1。

表1 2020年安陽市空氣質量統計

3.2 2020年沙塵天氣分析

2020年，受西部、北部、東北部沙塵和浮塵傳輸影響，安陽市共出現14次沙塵天氣過程，分別是3月11日至3月12日、3月18日至3月21日、4月4日至4月5日、4月17日、4月24日至25日、5月3日、5月12日至13日、5月16日至17日、6月2日至6日、6月8日至9日、10月21日至24日、11月1日至2日、11月6日至7日、12月13日，共計32 d。全年沙塵影響過程中持續時間最長的是6月2日至6月6日，共計5 d；可吸入顆粒物日均濃度最大值出現在10月21日，為228 μg/m3，超二級標準0.5倍。

3.2.1 沙塵天氣對顆粒物月均值的影響

用未剔除沙塵天氣影響與剔除沙塵天氣影響后的可吸入顆粒物或細顆粒物之差來表示沙塵天氣對大氣環境質量的貢獻(PC)，即：

PC=PCa-PCb

(1)

式(1)中:PCa為未剔除沙塵天氣影響的可吸入顆粒物或細顆粒物月均值，PCb為剔除沙塵影響后的可吸入顆粒物或細顆粒物月均值。

2020年安陽市受沙塵天氣影響大多是在春、夏季的3～6月份，其次是秋冬季的10～12月份。影響最重的是5月份和6月份，其次是3月份。沙塵天氣對5月份和6月份可吸入顆粒物的貢獻均為16 μg/m3；對3月份可吸入顆粒物濃度的貢獻為13 μg/m3。詳見圖1。

圖1 2020年沙塵天氣對顆粒物月均值的貢獻

3.2.2 沙塵天氣對顆粒物年均值的影響

2020年安陽市扣除沙塵前可吸入顆粒物年均值為109 μg/m3、細顆粒物年均值為63 μg/m3；扣除沙塵后可吸入顆粒物年均值為104 μg/m3、細顆粒物年均值為62 μg/m3。對可吸入顆粒物年均濃度的貢獻為5 μg/m3，對細顆粒物年均濃度的貢獻為1 μg/m3，可見沙塵天氣的發生對城市可吸入顆粒物的影響尤為突出。

3.2.3 沙塵天氣對輕度以上污染天氣的影響

2020年安陽市出現輕度污染120 d、中度污染37 d，重度污染23 d，嚴重污染5 d。在受沙塵傳輸影響期間，其中輕度污染12 d，中度污染3 d，重度污染1 d。占輕度污染、中度污染、重度污染的比例依次是10.0%、8.1%、4.3%。詳見表2。

表2 安陽市2020年沙塵天氣期間與全年污染天氣級別對比

3.3 “十三五”期間沙塵天氣分析

3.3.1 “十三五”期間受沙塵天氣影響分析

“十三五”期間共計115 d受沙塵影響，其中2016年安陽市未認定沙塵天，沙塵天最多及可吸入顆粒物日均濃度最大值均出現在2017年(48 d沙塵天，可吸入顆粒物日均值550 μg/m3，超標2.7倍)，詳見圖2。

圖2 安陽市“十三五”期間受沙塵影響分析

3.3.2 對顆粒物年均值的影響

“十三五”期間受沙塵影響最嚴重的是2017年，對可吸入顆粒物年均值的貢獻為13 μg/m3，貢獻比為9.0%；對細顆粒物年均值的貢獻為5 μg/m3，貢獻比為6.0%；詳見圖3。

圖3 “十三五”期間沙塵天氣對顆粒物年均值的貢獻

3.3.3 “十三五”期間沙塵天氣對輕度以上污染天氣的影響

與2017年相比，安陽市2020年沙塵天氣對輕度污染天氣的影響占比下降5.9%，中度污染天氣的影響占比下降24.6%，重度污染天氣的影響占比下降16.9%，尤其是2020年沙塵期間未出現嚴重污染天，受影響占比下降31.2%。“十三五”期間沙塵天氣對安陽市輕度及以上污染天氣影響詳見圖4。

圖4 “十三五”期間沙塵天氣對輕度及以上污染天氣影響對比

4 典型沙塵天氣分析

沙塵過境產生的顆粒物傳輸造成安陽地區顆粒物濃度大幅上升，是安陽市春、冬季空氣污染的一個重要因素。2020年沙塵影響過程中持續時間最長的是6月2日至6月6日，共計5天。在6月4～6日安陽市經歷了一次中度污染，對此時段沙塵過境情況進行分析，為安陽市今后預報和有效應對沙塵天氣過程提供借鑒。

在6月4～6日整個污染過程中，安陽市可吸入顆粒物小時濃度超過二級標準39個小時，于6月4日20時達到峰值263 μg/m3，AQI為157，屬中度污染；同時整個污染過程粗顆粒占比均高達61%～80%，主要受可吸入顆粒物污染影響最大，詳見圖5。

圖5 2020年6月4～6日安陽市環境空氣污染變化過程

6月4～6日，邊界層高度1000～1500 km之間，屬于短距離傳輸。其次退偏振比高達0.15～0.2，表明當天受沙塵影響較大[10,11]，詳見圖6。

圖6 2020年6月4-6日沙塵雷達圖

從后向軌跡圖可以看出，6月4日早間3000 m高空污染源自東北方向地區(衡水、德州、聊城、邢臺、邯鄲等地)輸送至安陽，且輸送高度不斷下壓，浮塵嚴重[12]，在6月4日20時左右高度下降至2000 m，這與安陽市可吸入顆粒物達到峰值263 μg/m3的時間相一致，說明東北方向的高空輸送也是促使安陽市可吸入顆粒物污染程度加重的主要因素，詳見圖7。

圖7 安陽市污染過程后向軌跡

整個污染過程中，安陽市可吸入顆粒物輕度污染時長達21個小時，中度污染時長達2個小時，其中是唯一達到中度污染城市。較上風向城市(邯鄲、邢臺、衡水)輕度污染時長分別長11、13、16小時；較周邊城市(鶴壁)輕度污染時長長9小時。即此次污染過程安陽市在周邊城市中污染最重。詳見圖8。

圖8 安陽市上風向及周邊城市可吸入顆粒物污染時長對比

5 結論

沙塵過境產生的顆粒物傳輸造成安陽地區大氣環境中顆粒物濃度大幅上升，是安陽市春、冬季空氣污染的一個重要因素。基于安陽市空氣自動監測數據，利用激光雷達觀測數據分析了沙塵過程對安陽市空氣質量的影響，主要結論如下。

(1)2020年安陽市受沙塵天氣影響大多是在春、夏季的3～6月份，其次是秋冬季的10～12月份。影響最重的是5月份和6月份，其次是3月份。

(2)2020年在受沙塵傳輸影響期間，輕度以上污染天占總污染天數的22.4%，沙塵對安陽市對可吸入顆粒物年均濃度的貢獻為5 μg/m3，對細顆粒物年均濃度的貢獻為1 μg/m3，即沙塵天氣的發生對城市可吸入顆粒物的影響尤為突出。

(3)“十三五”期間安陽市共計115 d受沙塵影響，沙塵天最多及可吸入顆粒物日均濃度最大值均出現在2017年，對可吸入顆粒物年均值的貢獻為13 μg/m3，貢獻比為9.0%；對細顆粒物年均值的貢獻為5 μg/m3，貢獻比為6.0%。

近年來沙塵天氣過程對我國空氣質量影響仍較為顯著，減緩沙塵天氣的頻度與強度的關鍵還是在于持續做好地面生態保護與建設，建立生態補償機制，對源頭區和沙塵加強區進行生態補償，減弱外來沙塵影響，擴大北方地區的森林和草原等植被面積，不斷減少沙地面積，改善水土條件，從源頭上治理沙塵天氣。