春季一次典型沙塵天氣對貴陽市空氣質量影響研究

趙曉韻 張春輝 劉 群 鐘敏文 石 宇

(1.貴陽市環境信息中心;2.貴陽市環境空氣質量預測預報中心,貴陽 550000)

沙塵天氣是強風將干旱、半干旱地表大量塵沙揚起,使空氣變渾濁、水平能見度降低的一種天氣現象,沙塵天氣過程通常伴隨著大風、低能見度、大氣污染以及流沙塵土覆蓋和掩埋等,影響交通、建筑、農、林、牧業、公共設施和社會活動,以及人類的健康和生活[1]。春季是我國北方沙塵活躍多發季節,隨著風向及大氣環流系統的變化,南方地區容易陸續受到沙塵傳輸的影響[2]。

貴陽市地處西南地區貴州省中部,距離蒙古等沙塵源2000 km以上,自2015年以來,我市受沙塵天氣影響較大并出現首要污染物為PM10的污染天氣較為罕見。本文以2021年3月沙塵天氣過程中貴陽市空氣質量監測和統計資料為依據,從PM10濃度變化、氣象條件演變以及區域性污染傳輸等方面進行分析,以期提高對春季沙塵天氣區域傳輸影響的認識,為貴陽市污染天氣預警預報提供參考。

1 資料

2021年3月21-25日貴陽市AQI、PM10、PM2.5等日均及小時數據來源于貴陽市10個空氣質量自動監測國控站;3月21日-25日貴州省其他地州市AQI數據來源于中國環境監測總站數據公開發布平臺。氣象觀測數據由貴陽國家基本氣象站(57816)觀測,來源于國家氣象科學數據中心(中國氣象數據網)。

2 結果與討論

2.1 沙塵天氣發展與傳輸概況

沙塵顆粒在空氣中可長時間懸浮、傳輸甚至隨洋流進入全球大氣循環中,包括浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5種類型[3-5]。我國沙塵主要來源于西北省份、內蒙古和境外的蒙古等地,多發于春秋季節[6],在沙塵源附近,沙塵可以被揚起到10 km的高空層[7-8],在無降水情況下,沙塵隨氣流向下游地區長距離傳輸,我國中東部地區歷來易受沙塵氣溶膠影響[9-11]。

2021年3月,我國共發生3次沙塵天氣過程,按沙塵類型分,強沙塵暴2次,揚沙1次。3月13日上午,蒙古國西南部發生沙塵暴天氣,沙塵隨氣流向南移動,于14日傍晚在蒙古國與內蒙古中西部交界處入境,15日晚間至19日,沙塵主體自西北向南經河北、北京、天津、山東至河南,20日至23日再到湖北、湖南、貴州、廣西(其中鄭州19-21日、武漢21日、岳陽21日、長沙21-22日、貴陽22-23日、桂林22日、河池22-23日出現污染),是近10年我國遭遇強度偏強、范圍偏廣的沙塵天氣過程[12-13]。

表1 2021年3月沙塵天氣基本情況統計[14]

3月21-24日受較強冷空氣攜沙塵南下影響(見圖1),貴州省中部(貴陽)、東南地區(黔東南和黔南)及北部地區(遵義)輕度污染,省西北及西南地區受到沙塵天氣影響雖未出現顆粒物輕度污染,但濃度較平常也有一定的升高。

圖1a 顆粒物濃度傳輸軌跡

圖1b 顆粒物濃度傳輸軌跡

2.2 沙塵對貴陽市環境空氣質量影響變化特征分析

沙塵主體從21日19時從黔東南進入我省,傳輸路徑為黔東南-黔南-貴陽,貴陽市作為省會城市,經濟發展及能源消耗量遠高于黔東南州和黔南州,加之近年來人為活動及機動車保有量顯著增多,貴陽市本地排放源的影響對空氣質量的貢獻也大于黔東南州和黔南州,因此本次沙塵天氣過程中貴陽市AQI值高于黔東南和黔南。按照《受沙塵天氣過程影響城市空氣質量評價補充規定》(環辦監測〔2016〕120號)中沙塵天氣影響起始和結束時間的判定方法,貴陽市自3月21日23時起受沙塵天氣過程影響至3月24日05時影響結束,共計54h,導致3月22日-23日貴陽市空氣質量指數(AQI)分別為127和114,為輕度污染,首要污染物為PM10。在研究污染物在不同地區的傳輸、擴散方面,后向軌跡(HYSPLIT)模型具有處理多種氣象要素輸入場、物理過程和不同類型污染物排放源較為完整的輸送、擴散和沉降的能力[15],是一種有效的方法模型。本次沙塵天氣過程后向軌跡如圖2所示,可以看出3月17日-19日鄭州受到此次沙塵天氣影響,貴陽市隨后在20日-23日受到影響。

圖2 3月17-22日沙塵天氣過程沙塵傳輸路徑后向軌跡圖

表2 貴州省各市州3月21-24日AQI變化情況表

3月22日貴陽市PM10日均值為203 μg/m3,超過《環境空氣質量標準》(GB3095—2012)[16]二級標準限值約1.36倍。由圖3可見,3月21日23時起PM10濃度開始異常升高,且PM10的濃度值為PM2.5的3倍以上,表明貴陽市空氣質量受到較大顆粒物的影響,之后空氣質量連續輕度以上污染。沙塵影響期間PM10小時濃度連續出現高值,在3月21日的23：00和22日的11：00出現波動高值,分別為220 μg/m3和270 μg/m3,雙峰現象明顯,質量濃度上升迅速。PM2.5小時質量濃度變化特征與PM10基本一致,2次高值分別為46 μg/m3和59 μg/m3。24日05：00起PM10質量濃度回落至正常水平。

圖3 貴陽市2021年3月21-25日PM10與PM2.5濃度變化趨勢

沙塵天氣的出現使得空氣質量明顯下降,根據我國《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012) 規定, PM10和PM2.5的二級濃度限值分別為150 μg/m3和 75 μg/m3, 貴陽市春季PM2.5/PM10主要集中在0.61～0.80之間[17],從圖3和圖4可以看出,本次沙塵天氣過程貴陽市PM2.5/PM10在0.4以下,說明受沙塵天氣過程影響,粗顆粒態的顆粒物增加[18]。由圖5可見,3月22日-23日貴陽市顆粒物組分分析顯示污染物偏粗顆粒型,說明3月22日-23日貴陽市空氣質量受沙塵天氣過程影響。

圖4 貴陽市2021年3月22-24日PM2.5/PM10日均值

2.3 沙塵過程天氣形勢及氣象條件分析

結合中央氣象臺發布地面實況圖(圖6),3月22日08時-3月23日20時貴陽市基本處于高壓前部均壓場控制(圖6圓圈所示為高壓系統,紅色三角形表示貴陽的位置),天氣形勢靜穩,風力較弱,污染物擴散條件不利。

沙塵暴天氣通常是強冷空氣活動造成的[19],從圖7可以看出,從3月20日起,受冷空氣影響,貴陽市氣溫驟降,風速減弱,3月21日夜間開始沙塵主體影響貴陽市,22-23日風速持續偏弱,污染物不易擴散,在我市滯留時間長,導致3月22日-23日空氣質量達輕度污染,首要污染物為可吸入顆粒物(PM10);24日午后溫度回升,風速增強,水平和垂直擴散條件轉好,顆粒物濃度快速沉降和擴散,沙塵天氣過程影響結束。

圖7 沙塵過程期間貴陽市氣象要素小時變化圖

3 結論

(1)2021年3月13日-23日,沙塵從蒙古自西北向南傳輸,經河北、北京、天津、山東至河南,再到湖北、湖南、貴州、廣西,強度偏強,影響范圍偏廣,是貴陽市自2015年以來首次受沙塵天氣影響并出現首要污染物為PM10的污染天氣。

(2)貴陽市受此次沙塵傳輸污染影響長達54 h(21日23：00—24日05：00),直接導致貴陽市3月22日-23日空氣質量為輕度污染,首要污染物為PM10。

(3)此次沙塵天氣過程貴陽市受均壓場控制,天氣形勢靜穩,擴散條件不利,受冷空氣南下攜帶沙塵傳輸影響,污染物濃度持續累積,PM10濃度維持較高。

(4)沙塵天氣的監測及預測工作已成為環境空氣質量研究的重要組成部分,在春季沙塵天氣高發季節,貴陽市應密切關注區域傳輸的影響,提高沙塵天氣的預報和預警服務能力。