北方沙尘对四川盆地环境空气质量影响和特征分析

廖乾邑,罗 彬,杜云松,刘培川,张 巍,曹 攀,饶芝菡

四川省环境监测总站，四川 成都 610000

北方沙尘对四川盆地环境空气质量影响和特征分析

廖乾邑,罗 彬,杜云松,刘培川,张 巍,曹 攀,饶芝菡

四川省环境监测总站，四川 成都 610000

利用沙尘天气资料和颗粒物浓度、激光雷达监测数据以及后向轨迹，分析浮尘天气的气象特征及传输路径，构建了浮尘天气对四川盆地各城市大气环境质量影响的量化指标，并利用该量化指标分析了浮尘天气对四川盆地各城市大气环境的影响，得出2013—2015年浮尘对四川盆地PM10年均质量浓度的贡献，2013—2015年约为4.82、1.00、0.56 μg/m3；浮尘对PM10年均质量浓度的贡献川西区域最大，川东北区域次之，川中区域最小，其贡献量分别为3.5、2.2、1.4 μg/m3。同时还进一步分析浮尘对区域PM10影响差异的原因。

四川；浮尘； PM10；贡献

沙尘天气是不可忽视的重大环境问题[1]。由于受大尺度环流场和天气系统的影响，沙尘会随着天气系统移动，不仅直接对沙尘源区的大气环境质量产生影响，使大气中的颗粒物浓度急剧增加，并且对沿途经过的地区也会造成不同程度的污染[2]。近年来, 不少学者对沙尘暴的源区、形成的主要控制因素、高度等进行了深入的观测和研究[3]。因沙尘影响较大的城市主要是北方城市，以往的研究多侧重于对北方城市的影响[4]，而北方沙尘对四川盆地空气质量的影响，则研究很少。受秦岭、大巴山对北方沙尘的阻隔，沙尘进入四川盆地相对较少，主要以浮尘的形式体现。近年监测数据显示，北方沙尘对四川盆地城市空气的影响客观存在。为此研究分析了2013—2015年沙尘对四川盆地内城市地区环境空气质量的影响。

影响中国的大多数沙尘暴主要来自河西走廊、内蒙古高原中西部和塔克拉玛干沙漠及其周边地区，具体受沙尘影响区域取决于沙源条件和受天气系统控制的沙尘传输路径。中国沙尘气溶胶的传输路径主要有3条：西北路、西路和北路。影响四川盆地的主要沙尘传输路径为形成于新疆、中亚沙尘源区，经塔里木盆地、甘肃、陕西南下到达四川盆地。虽然四川盆地处于中国西北甘肃、宁夏等主要沙源地的下游，但盆地周围有秦岭和大巴山等山脉的阻挡，使得集中、持续、严重的沙尘天气在四川较少发生。四川省的浮尘天气发生时间主要集中在春季，尤以3月初最为严重，对四川省大气中PM10的贡献尤为明显。受春季和秋季冷空气影响，来自四川盆地上游(新疆、甘肃、内蒙古等地区)的强沙尘暴在合适的大气流场配合下，翻越秦岭，使四川盆地形成区域性浮尘天气。

1 资料与方法

1.1 资料获取

利用四川盆地内19个城市的环境空气自动监测网络，分别对2013—2015年PM10、2014年PM2.5(部分城市)的质量浓度进行在线监测，并且对2015年19个城市的PM2.5小时质量浓度发布数据进行分析统计。

1)四川盆地浮尘天气的识别基于中国沙尘暴网监测公布信息；PM10/PM2.5相关性(沙尘天气下PM10/PM2.5比值浮动较大，介于1.8～5之间，其比值大于2的占62.5%；四川盆地PM10/PM2.5的比值通常为1.25～2)[5]；后向轨迹；日常监测工作记录；激光雷达监测高空散射强度和退偏振率等参数。

2)秸秆焚烧的识别基于PM10、PM2.5、CO等监测浓度变化[6]和日常监测记录等进行统计。

3)烟花爆竹燃放污染天主要集中在每年除夕、初一及正月十五几天，基于燃放烟花爆竹时环境空气中SO2、NO2、PM10、PM2.5的质量浓度变化等进行判别[7]。

4)区域污染天气识别基于空气质量评价结果及日常工作记录，本文所统计的区域重污染天数是指出现AQI≥200或API>150 的5个及以上连片城市的天数(且持续时间超过3 d)。

1.2 对四川盆地PM10贡献计算办法

PM10贡献量与PM10贡献率：以PM10监测日均质量浓度积分计算浮尘天气期间因浮尘造成PM10升高部分对全年PM10质量浓度的贡献量。城市浮尘对PM10贡献率计算见公式(1)，贡献量计算见公式(2)。

全省浮尘对PM10贡献率计算为各城市累计算数平均，计算公式为

(1)

全省浮尘对PM10贡献量为各城市累计算数平均，计算公式为

(2)

式中：NCPM10表示通常情况下的年均质量浓度，指除浮尘天气、秸秆焚烧、烟花爆竹燃放、区域污染天气影响后的日平均浓度；FDCPM10表示浮尘期间PM10日平均质量浓度；DAYfd表示浮尘天数，DAYtotal表示有效监测总天数。

2 结果与讨论

2.1 对年度PM10贡献及年际变化情况

监测数据显示，2013—2015年，四川省共经历14次不同规模的、对空气质量有影响的浮尘天气，总计超过40 d，PM10日均质量浓度最高达1 029 μg/m3(成都市)，各城市具体影响天数见表1。

表1 2013—2015年四川省各城市受浮尘影响天数 d

2013—2015年浮尘对全年PM10贡献约为4.82、1.00、0.56 μg/m3，浮尘对四川盆地2013—2015年PM10年均质量浓度贡献见表2。

表2 浮尘对四川省2013—2015年PM10贡献值

浮尘对四川盆地的影响主要取决于北方沙尘源地的起沙量以及天气系统控制的沙尘路径，2013年春季北方特大沙尘暴及天气系统，导致2013年四川盆地PM10年均质量浓度受沙尘影响很大，2014年北方沙尘活动较少，而2015年虽有北方春季特大沙尘，但是沙尘以西北路径为主，对四川盆地影响相对较小。

2.2 对各城市贡献

2.2.1 各区域浮尘期间浓度情况及贡献量

浮尘期间各区域PM10质量浓度见图1，浮尘对各区域PM10年均质量浓度贡献见图2。

图1 浮尘期间各区域PM10质量浓度范围及平均值

图2 浮尘对各区域PM10年均质量浓度贡献

由图1可见，四川盆地除攀西高原外，其余区域(川东北、川西、川南、川中)均受到不同程度的浮尘影响，浮尘造成盆地西部和川南的PM10污染相对较大。2013—2015年浮尘期间，川西城市PM10平均质量浓度最高为150 μg/m3，其次川南区域城市PM10平均质量浓度为132 μg/m3，川中城市PM10平均质量浓度最低为123 μg/m3。

分析浮尘对各区域城市PM10年均质量浓度的贡献情况，由图2可见，对川西盆地和川东北区域城市贡献最大，川南区域城市和川中区域城市次之。2013—2015年期间，浮尘对川东北城市PM10年均质量浓度贡献为2.6 μg/m3，对川西城市PM10年均质量浓度贡献为3.5 μg/m3。川南区域城市PM10日均质量浓度对年均质量浓度贡献为2.2 μg/m3，川中城市PM10日均质量浓度对年均质量浓度贡献为1.4 μg/m3。

2.2.2 浮尘影响通道

四川省浮尘天气污染主要受来自西北方向(新疆、甘肃)沙尘天气影响，北方干冷空气携带沙尘进入四川盆地并沿盆地内输送通道推进，主要影响相邻城市间存在1～2 h滞后。进入盆地路径一种是以经陇南入川冷空气偏北路径为主要路径，盆地内浮尘输送由北到南，经广元-绵阳-德阳-成都-乐山-雅安向南输送，但由于盆地内龙泉山脉对入川气流的分支和阻隔作用，浮尘对资阳及川南区域内江、自贡、泸州、宜宾的影响较小；另外一种冷空气路径偏东，经陇南、汉中以覆盖式由南向北影响城市，浮尘由广元、巴中、达州入川后，一路沿广元-绵阳、德阳、成都；一路沿巴中、达州-南充、遂宁、资阳，随后传输至川南区域，盆地内受下垫面影响，在川南形成回流路径，影响川南区域。

图3为2013—2015年浮尘期间PM10质量浓度及对年均PM10质量浓度贡献GIS图。

从图3来看，2013年四川盆地受浮尘影响最大，受浮尘影响主要区域是川东北区域偏北和川西区域；2014、2015年受浮尘影响相对较弱，但仍然对PM10年均值有所贡献，2014年受浮尘影响的主要区域是川东北区域偏东、川西区域和川南区域，川南区域受浮尘本身携带PM10影响，同时川南形成“涡旋区”导致扩散较差引起PM10增高幅度较大。2015年浮尘影响最弱，主要影响川东北区域和川西平原。

从浮尘期间四川盆地各城市颗粒物质量浓度及对全年颗粒物平均质量浓度的贡献来看，并非离沙尘源区的距离越远，浮尘天气对大气环境质量的影响越小。各年浮尘对各区域影响程度大不相同，主要是与入川浮尘的高度、浮尘强度、进川入口及盆地下垫面情况有密切关系。浮尘入川第一站虽为川东北区域，但浮尘贡献最大的是川西区域的成都、绵阳、德阳等城市。分析可能的原因为①盆地浮尘来源于中国西北地区沙尘的长距离输送[8]，虽广元等北部城市处于输送通道的入川位置，但受盆地北部边缘秦岭的阻挡作用，进入盆地的浮尘多为高空覆盖式输送为主，高空沙尘输送较快，沉降落区反而集中在偏北输送通道的成都、德阳等下游城市。②浮尘气溶胶团到成都平原及周边后，受平原东南部龙泉山脉阻挡，移动缓慢，在龙泉山脉以西(成都)滞留时间更长，沉降时间更长，贡献更大。浮尘影响城市其次是川南区域宜宾、泸州、内江，研究结果表明，进入盆地内，浮尘以边界层输送为主[9]，盆地内边界层气流在川南的自贡、泸州等地形成局地涡旋汇流，入川浮尘随气流进入川南涡旋区沉降是川南区域城市PM10升高相对较大的原因。③浮尘对川东北达州、巴中也有一定影响，是因为浮尘以偏东的路径由覆盖式进入盆地路径，造成对巴中、达州偏东北一带的影响，但这种路径的概率相对较小。

图3 2013—2015年浮尘期间PM10质量浓度及对年均PM10质量浓度贡献GIS图

3 结论

1)北方沙尘翻越秦岭后进入四川盆地，易形成区域性浮尘天气，四川省的浮尘天气发生时间主要集中在春季和秋季，集中出现在3、4月，尤以3月初最为严重，对四川省大气中PM10贡献尤为明显。2013—2015年浮尘对四川盆地PM10年均质量浓度贡献逐渐降低，2013—2015年约为4.82、1.00、0.56 μg/m3。

2)2013—2015年浮尘期间，四川盆地除攀西高原外，其余区域(川东北、川西、川南、川中)PM10均受到不同程度的影响，浮尘影响期间PM10平均质量浓度自北向南持续升高, 其中对盆地西部和南部的影响相对较大。川西城市PM10平均质量浓度最高为150 μg/m3，川中城市PM10平均质量浓度最低为123 μg/m3。

3)分析浮尘对各区域城市PM10年均质量浓度的贡献情况，对川西盆地和川东北区域城市贡献最大，川南区域城市和川中区域城市次之。川西区域城市PM10日均质量浓度对年均浓度贡献最大为3.5 μg/m3，其次为川东北区域城市PM10日均质量浓度对年均浓度贡献为2.6 μg/m3，川中区域城市PM10日均质量浓度对年均浓度贡献最小为1.4 μg/m3。

4)浮尘对四川盆地传输路径有偏北路径、偏东覆盖式路径以及盆地内川南回流路径对川南区域造成影响等，各区域受PM10质量浓度的影响取决于北方沙尘源强度以及浮尘期间的天气形势、气象条件和盆地下垫面情况等。

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[2] 陈跃浩,高庆先,高文康，等．沙尘天气对大气环境质量影响的量化研究[J].环境科学研究，2013，26(4):364-369．

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[5] 樊璠，陈义珍，陆建刚，等．北京春季强沙尘过程前后的激光雷达观测[J].环境科学研究,2013,26(11):1 155-1 161．

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Effects and Characteristics of Floating Dust Weather on Air Quality in Sichuan Basin

LIAO Qianyi,LUO Bin,DU Yunsong,LIU Peichuan,ZHANG Wei,CAO Pan,RAO Zhihan

Sichuan Environmental Monitoring Centre,Chengdu 610000，China

Based on the data of sandstorm weather, laser radar system observed particulate matter concentration and backward trajectory, this study analyzed the meteorology characteristics and transmission paths of floating dust weather, defined the quantitative index, which were then used to analyze the effects of floating dust weather on ambient air quality of local cities in Sichuan．The results showed that the contribution rate of the floating dust effect on PM10annual average concentration in Sichuan basin was 4.82 μg/m3in 2013, 1.00 μg/m3in 2014 and 0.56 μg/m3in 2015. The contribution rate of the floating dust effect was maximum in western Sichuan basin and then in the northeast, minimum in middle Sichuan basin, which was 3.5 μg/m3, 2.2 μg/m3and 1.4 μg/m3respectively. Moreover, the difference of impacts in each region of Sichuan basin was analyzed.

Sichuan province;floating dust;PM10;contribution

2016-02-25;

2016-05-06

廖乾邑(1984-)，女，四川成都人，硕士，工程师。

X823

A

1002-6002(2016)05- 0051- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.10