2021年春季蘭州市典型沙塵天氣空氣質量特征研究

甘肅省環境監測中心站 張良

一、引言

受氣候、降水、溫度和下墊面等因素的影響，我國北方地區容易發生大面積的沙塵天氣，其中包括危害更為嚴重的沙塵暴天氣，特別是在春季我國北方干旱、半干旱區更容易發生[1]。沙塵暴主要影響空氣質量以及工業、農業生產，日常交通運輸和人民的身體健康造成嚴重危害等[2]。沙塵暴天氣發生時攜帶大顆粒物，同時還夾雜泥、沙之類的污染物，主要污染物一般是可吸入顆粒物PM10[3]。

2021年3月14日，我國北方遭遇近10年強度最大的一次沙塵天氣，發生大面積的沙塵暴，波及范圍廣，持續時間長和視覺能見度低。其中蘭州市位于沙塵暴途徑區域，地處“二山夾一川”，且常年天氣條件處于穩定狀態[4]，空氣質量受此次沙塵暴影響更為明顯。本文采用蘭州市2021年3月的城市環境空氣國控自動監測數據，對春季蘭州市典型的沙塵天氣過程中的PM10和PM2.5變化特征進行研究，空氣質量指標（AQI、PM10和PM2.5）和氣象因素（日均溫度、日均濕度、日均風速、日氣壓、日見能見度、日總降水量和日平均總云量）相關性進行分析，為我國北方沙塵暴天氣發生過程總結規律，加強沙塵天氣對空氣質量變化的科學認識，為今后長期生態環境的綜合治理提供參考依據。

二、研究材料與方法

（一）研究區概況

蘭州市周圍環繞易發沙塵天氣區域，其中北面主要是巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠，是沙塵暴的頻繁發生區域，西南方向是青藏高原，東邊與黃土高原接壤，是我國西北地區沙塵暴向東移動的必須經路線[5]。蘭州屬溫帶大陸性氣候，境內主要是黃土地貌，生態環境相對脆弱，植被稀少、降水量低、土壤含水率也低，容易形成沙塵天氣。

（二）數據來源

蘭州市2021年3月城市環境空氣國控自動監測數據和氣象要素數據來源于甘肅省蘭州市6個國控環境空氣質量自動監測站評價點，分別是生物制品所、鐵路設計院、百合公園、蘭煉賓館、教育港和榆中和平。評價項目為可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）和AQI。各自動監測站點儀器均參照《環境空氣質量自動監測技術規范》（HJ/T193-2005）定期校準，并嚴格實施指控措施，確保監測數據的有效性和準確性。

（三）計算方法和分析

環境空氣自動監測數據主要依據《環境空氣質量評價技術規范（試行）》（HJ663）、《環境質量報告書編寫技術規范》中的相關規定進行統計，顆粒物和空氣質量綜合指數（PM10、PM2.5和AQI）采用SPSS26整理分析，采用OriginPro2021制圖。

三、結果與分析

（一）3月空氣質量級別

由圖1可知，2021年3月蘭州市環境空氣質量評價為“優”的天數為零，空氣質量評價為“良”的天數占比為45.2%，評價為“輕度污染”天數占比為19.4%，評價為“中度污染”天數占比為12.9%，評價為“重度污染”天數占比為3.2%，評價為“嚴重污染”天數占比為19.4%。結果顯示，此次我國北方大面積的沙塵暴天氣對蘭州市3月環境空氣質量造成了很大的影響，中度污染和嚴重污染天數明顯增多。

圖1 蘭州市3月空氣質量級別

（二）PM10和PM2.5特征分析

由圖2可知，2021年3月蘭州市的顆粒物濃度（PM10和PM2.5）出現了兩次波峰，時間為3月14日至3月20日，持續將近6天。其中，3月16日PM10濃度值為3646μg/m3，相比3月14日沙塵天氣初始時間，濃度值暴增7倍。3月16日PM2.5濃度值達到峰值，為668μg/m3，相比3月14日沙塵天氣初始時間，濃度值增加近6倍。3月第二次沙塵天氣影響相對影響較小且持續時間短，發生在3月29日，PM10和PM2.5的濃度分別為653μg/m3和165μg/m3。結果顯示，3月蘭州市的顆粒物濃度（PM10和PM2.5）時間點與我國北方大面積沙塵暴天氣時間吻合，受沙塵暴的影響，PM10濃度的變化大于PM2.5的濃度的變化，說明沙塵天氣對PM10濃度的影響大于對PM2.5濃度的影響。

圖2 蘭州市3月顆粒物日均值濃度變化

（三）氣象因素與空氣質量的關系

由圖3可知，在沙塵天氣影響過程時，AQI、PM10和PM2.5均呈現出增加的趨勢，同時，日平均總云量和日能見度也出現了相應的變化。對3月的空氣質量指標（AQI、PM10和PM2.5）和氣象因素（日均溫度、日均濕度、日均風速、日氣壓、日見能見度、日總降水量和日平均總云量）進行了相關性分析，由圖4可知，AQI與PM2.5、PM10呈顯著性正相關，而與日均濕度、日氣壓和日見能見度呈顯著負相關；PM10與日均風速呈現弱正相關，與日均濕度、日氣壓和日能見度呈顯著負相關；PM2.5與日均溫度呈現弱正相關，與日均濕度、日氣壓和日能見度呈顯著負相關。結果表明，沙塵暴過境時，造成AQI、PM10和PM2.5均升高，而日均濕度、日氣壓和日能見度降低，AQI、PM10和PM2.5均與日均濕度、日氣壓和日能見度有良好的相關性。

圖3 蘭州市3月氣象因素、空氣質量日變化趨勢

圖4 氣象因素與空氣質量的關系

四、小結

（1）2021年3月蘭州市空氣質量評價為“良”的天數占比為45.2%，評價為“中度污染”和“嚴重污染”天數占比明顯增大；

（2）2021年3月蘭州市的顆粒物濃度出現了兩次波峰，分別在3月16日（PM10和 PM2.5濃度值為3646μg/m3和668μg/m3）和3月29日（PM10和PM2.5的濃度分別為653μg/m3和165μg/m3），沙塵天氣對PM10濃度的影響大于對PM2.5濃度的影響。

（3）沙塵天氣過程造成PM10和PM2.5濃度值和AQI升高，而日均濕度、日氣壓和日見能見度降低，AQI、PM10和PM2.5均與日均濕度、日氣壓和日能見度有良好的相關性。