春季沙尘天气对内蒙古地区颗粒物污染影响研究

朱　蓉，杨丽桃，柳志慧，王式功*

（1.成都信息工程大学大气科学学院/环境气象与健康研究院，四川　成都 610225；2.内蒙古自治区气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古自治区气象台，内蒙古 呼和浩特 010051）

沙尘天气作为一种气象灾害，给工农业生产和人民生命财产造成了重大损失，其危害是有目共睹的。除此之外，沙尘天气还是一种流动性的颗粒物污染源，中国学者已对沙尘天气的频繁发生对颗粒物污染的影响做了一些有益的研究[1-2]，KUO等的研究表明，沙尘暴天气发生时，室内外空气中的PM2.5和PM10浓度都将会成倍增加，特别是室内这种增加趋势尤为显著[3]。已有的研究表明，由于外来沙尘暴输送的大量沙尘，造成相关地区空气中不同粒径颗粒物的浓度会显著增加，其中TSP和PM10的浓度升幅最大[4-6]。颗粒物在形成和长途传输过程中，可以成为其他污染物的载体，产生大量的化学和生物学污染物，从而对沿途的环境和暴露人群的健康造成极大危害[7]。现在越来越多的人认识到沙尘天气是不可忽视的大气和生态环境问题之一。

国外从20世纪20年代就开始了沙尘天气时空分布、成因与结构以及监测与对策方面的研究，而我国从20世纪70年代开始对沙尘天气进行研究[8]。王式功等[9]指出20世纪沙尘暴平均发生日数10 d及以上的区域主要分布在南疆盆地、河西地区及青藏高原东北部。钱正安等[10]指出中国北方沙尘暴源区主要分布在河西走廊和阿拉善地区、南疆盆地南缘以及内蒙古中部地区。内蒙古中西部地区是我国西北地区沙尘暴的主要源地之一，我国沙尘暴的3条主要路径中有2条经过该地区[11]，对该地区的沙尘天气及其环境影响进行研究很有必要。

迄今为止，对内蒙古沙尘暴特征及危害的研究已经颇多。沙尘暴往往是在很短的瞬间里，由静风或小风，突然转为10 m/s以上的大风；同时，飞沙走石、水平能见度急剧减小[12]。与沙尘暴相伴的大风本身就具有强大的致灾力量。沙尘天气同时还引发众多的次生灾害：所产生的“风沙电”经常干扰通讯及控制设备；“电晕”现象也可导致严重的人身及设备事故。铁路如遭到流沙掩埋，可造成交通中断甚至发生出轨事故[13～14]等。同时，还使生存环境恶化，人身健康受到损害。刘景涛等[15]研究表明：内蒙古中西部有3个强和特强沙尘暴多发中心，20世纪70年代和60年代次数最多，强度也最强，80年代开始减少，强和特强沙尘暴集中出现在春季的3—5月。所以，本文将研究的时间段定在沙尘天气发生强度比较集中的春季。

但是，目前针对内蒙古地区沙尘天气对当地空气质量影响的研究还少有报道，面对大气环境问题日趋凸显的今天，开展沙尘天气对相关城市颗粒物污染影响的研究，可为当地大气污染防治政策和措施的合理制定提供科学依据，具有重要的科学价值和现实意义。

1　资料来源与研究方法

本文使用了内蒙古自治区11个站点2014—2016年多种来源的气象与环境观测资料，这些资料包括：

（1）常规气象观测资料来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//data.cma.cn），包括能见度（m）、平均风速（m/s）、极大风速（m/s）等常规气象观测值。

（2）污染物浓度资料取自国家环保总局正式发布的全国重点城市空气质量日报（http：//daracenter.mep.gov.cn）。空气污染等级划分采用国家环境保护部 2012年发布并实施的《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中规定各污染物浓度等级限值及相应的空气质量等级。2014年的资料部分缺失，只有包头、赤峰、鄂尔多斯、呼和浩特4个站点有观测资料记录。

（3）沙尘天气观测资料来源于内蒙古自治区气象网（http：//172.18.112.200/Article/index.asp）。

（4）2016年3月4—6日和2016年4月8日的遥感卫星资料来自内蒙古生态与农业气象中心。

研究采用数理统计及聚类分析方法，以此说明沙尘天气对当地颗粒物污染的影响程度。聚类分析是数据挖掘技术中重要的一部分，是将物理或抽象对象的集合分组成为由类似对象组成的多个类的分析过程[16]。

通常将内蒙古地区分为3个部分：蒙东四盟市（赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市）属于东北地区；蒙中三盟市（呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟）属于华北地区；蒙西五盟市（包头市、鄂尔多斯市、乌海市、巴彦淖尔市、阿拉善盟）属于西北地区。其中，中部地区乌兰察布市没有相关浓度资料的记录。将2014—2016年11个站点颗粒物浓度的年变化整理出来之后，发现中部的呼和浩特市和西部5个站点春季的年变化趋势相同，锡林郭勒盟和东部3个站点春季的年变化趋势相同。因此，本文将11个站点分成东部和西部2个区域分别进行讨论，其中，将阿拉善、巴彦淖尔、乌海、包头、鄂尔多斯、呼和浩特6个站点归为西部，剩余的5个站点归为东部。

2　2014—2016年内蒙古主要城市颗粒物污染年变化特征及其与沙尘天气的关系

2.1　颗粒物浓度的年变化特征

当沙尘天气发生时，对当地空气质量的影响最直观的表现是颗粒物浓度的变化，内蒙古主要城市颗粒物浓度年变化特征见图1、图2，将春季与其他季节的颗粒物浓度作对比，由此来说明春季沙尘天气对颗粒物浓度的影响。

图1　内蒙古西部和东部2014—2016年PM10浓度的年变化

由图1可见，内蒙古西部PM10浓度最高值出现在春季的3月，为128.4 μg/m3，最低值出现在8月，为67.9 μg/m3，最高值是最低值的1.9倍。西部PM10浓度最大值出现在3月，是当地燃煤供暖排放与沙尘天气发生的叠加效应，6、7、8、9月是全年浓度值的低值区，夏秋季沙尘天气发生较少并且多降水，降水对气溶胶的清除是维持大气中悬浮粒子源汇平衡，大气自清洁的重要过程[17]。冬季12月PM10的浓度值仅低于3月，对比而言，虽然冬季沙尘暴发生频率低，但是由于当地供暖的排放和不利的大气扩散条件，PM10浓度值仍然居高不下。

东部PM10年变化的浓度值均低于西部，年变化趋势和西部略有不同，春季最为明显，东部春季的PM10浓度值在4月达到峰值，浓度值为86 μg/m3，西部4月的PM10浓度却是春季最低的。春季西部PM10浓度呈下降又上升的趋势，而东部与之相反。东西部春季PM10浓度的变化完全不同，推测与沙尘天气发生的次数有关，在下文中将进一步探讨。

图2　内蒙古西部和东部2014—2016年PM2.5浓度的年变化

由图2可见，内蒙古东、西部PM2.5浓度的差异并不大，明显小于PM10，春季PM2.5浓度和其他季节相比，并没有明显的增加，表明春季沙尘天气对细颗粒物浓度值的影响小于粗颗粒物。全年PM2.5浓度的最大值不在春季，而在冬季，内蒙古冬季的供暖时间是本年的10月—次年3月，当地供暖结束之后，4月东、西部PM2.5浓度骤降，表明冬季供暖对PM2.5浓度有显著影响，导致冬季PM2.5的浓度成为全年最高。图1中PM10浓度的年变化作对比发现，PM10浓度年变化的最高值在春季，而PM2.5浓度年变化的最高值出现在冬季，又根据导致这一现象的不同原因，可得出春季沙尘天气对PM10浓度的影响强度大于PM2.5，而当地供暖排放与之相反。

2.2　沙尘天气的统计分析

分析了近3 a颗粒物浓度的年变化特征之后，发现春季颗粒物浓度值明显偏高，接着统计近3 a春季沙尘天气的发生次数，详细探究沙尘天气与颗粒物浓度年变化特征的关系。

由图3可知，2014—2016年春季内蒙古地区共有16次沙尘过程，2014年3次，2015年6次，2016年7次，统计资料来源于内蒙古自治区气象网。图3中柱形图的高度与该站点沙尘天气的发生次数成正比，相同颜色的柱形代表发生沙尘天气次数相同。其中，阿拉善和巴彦淖尔2个站点沙尘天气的发生次数最多，有9次沙尘过程，中西部6个站点的沙尘次数都较高，是沙尘天气频发的地区；而东部地区沙尘天气发生相对较少，其中锡林郭勒盟沙尘天气发生次数最多有4次。东部沙尘过程发生较少的原因在于：东部地区自北向南有大兴安岭森林和著名的呼伦贝尔、锡林郭勒和科尔沁大草原，植被覆盖浓密，这里的地表不具备起沙或扬沙的物质条件。即使在这里出现沙尘天气，也是由于中、西部地区发生了沙尘暴后，沙尘被输送后产生的[18]。

图3　2014—2016年春季内蒙古各个站点沙尘天气发生的次数

这3 a沙尘天气的统计结果与PM10浓度值的年变化特征有很好的对应关系，3 a共有16次沙尘天气过程，发生在内蒙古中西部地区的有9次，与之相对应，颗粒物的年变化中西部地区的浓度值高于东部，沙尘天气对颗粒物浓度的影响显著，对内蒙古西部的影响强于东部。

2.3　不同阶段颗粒物污染浓度的对比

由图3统计结果可知，2014年春季有3次沙尘天气，2015年有6次，2016年7次，统计每年春季有沙尘天气发生的日数，自定义为春季沙尘期，然后求平均得到春季沙尘期间PM10的浓度值；每年春季没有沙尘天气发生的日数标记为春季非沙尘期，求平均得到春季非沙尘期间PM10的浓度值；每年剩余日数标记为其他季节，求平均得到其他季节PM10的浓度值。得到3个不同时段PM10浓度值，将它们作对比见表1。

由表1可见，全年3个时段PM10浓度值的变化特征是：春季沙尘期间＞春季非沙尘期间＞其他季节，春季沙尘期间PM10的平均浓度比非沙尘期间高68%，比其他季节高100%。其中，春季沙尘期间PM10浓度值包头市最高，为232 μg/m3；呼伦贝尔市的浓度值最低为82 μg/m3。春季非沙尘期间仍然是包头市的PM10浓度值最高，为129 μg/m3；兴安盟的PM10浓度值最低为62 μg/m3。鄂尔多斯市春季沙尘期间PM10浓度高于非沙尘的百分比最大，为116%；其他季节所有站点的PM10浓度值都低于春季沙尘期间和非沙尘期间，由此可见，沙尘天气对粗颗粒物浓度的显著影响。

表1　内蒙古2014—2016年3个不同时段PM10浓度值对比　μg/m3

由于沙尘天气输送来的沙尘在大气扩散条件不利时，会在当地空气中悬浮停留，导致沙尘天气对相关城市颗粒物污染的影响不仅反映在春季沙尘天气发生期间，春季非沙尘天气发生期间仍然有影响，在PM2.5的浓度变化方面也有反映（表2）。

表2　内蒙古2014—2016年3个不同时段PM2.5浓度平均值的对比　μg/m3

从表2可看出，全年3个时间段总体上PM2.5的浓度排序为：春季沙尘期间＞其他季节＞春季非沙尘期间；其中，春季沙尘期间PM2.5的平均浓度比春季非沙尘期间高29%，比其他季节高16%。春季沙尘期间PM2.5高于非沙尘期间、高于其他季节的百分比均小于PM10，差异明显，春季沙尘天气对粗颗粒物浓度的影响大于细颗粒物，沙尘输送以粗颗粒物为主。

总体来看，春季沙尘期间的PM2.5浓度最高，沙尘天气的输送虽然以粗颗粒物为主，同时也有细颗粒物成分，使得当地空气中细颗粒物的含量增加；已有研究表明，内蒙古四季平均风速由大到小依次为春季＞秋季＞冬季＞夏季，风速平均值分别为3.81、2.93、2.90、2.84 m/s[19]，在春季风速最大的有利扩散条件下，沙尘过程输送来的细颗粒物得到很好的扩散，使得春季非沙尘期间相关城市的PM2.5浓度最低。

分析了全年3个时段的PM10和PM2.5各自浓度的变化之后，为了更全面地得到沙尘天气对内蒙古春季相关城市颗粒物浓度的影响，计算PM2.5平均浓度占PM10的百分比，排序为春季沙尘期间＜春季非沙尘期间＜其他季节。与全年3个时间段PM2.5的浓度值比较发现，虽然春季沙尘期间PM2.5的浓度值最高，但是PM2.5的平均浓度占PM10的比例却是最小的，沙尘天气的输送以粗颗粒物为主，当地颗粒物污染物的排放以细颗粒物为主。

3　三类典型沙尘天气个例对内蒙古主要城市颗粒物污染影响的研究

3.1　典型沙尘暴天气个例对内蒙古主要城市颗粒物污染的影响

2000年春季发生了一次特大沙尘暴，总悬浮颗粒物浓度高达6000 μg/m3，周秀骥[20]等研究了这次沙尘暴的动力学特征，庄国顺等[21，22]、张仁健等[23]、王玮等[24]报道了此次沙尘暴的理化特性，发现沙尘暴气溶胶的污染水平极高，且粗离子占绝大部分。Zhang等[25]报道了发生在2001年亚洲沙尘暴总悬浮颗粒物和细颗粒物中大量元素和离子分析数据，论证了沙尘暴各组分的来源，阐述了沙尘暴细粒子的重大作用。借鉴前人的研究，我们确信细致分析和研究典型沙尘暴输沙尘暴过程具有重要意义。

因此，选取2016年3月4—6日的沙尘暴个例进行细致分析，这次过程强度大，受到影响的地区范围广，并且FY3A极轨卫星对此次沙尘暴过程也进行了监测。

2016年3月4—6日阿拉善盟东北部、巴彦淖尔市西部、乌海市、鄂尔多斯市北部、呼和浩特市南部、包头市、乌兰察布市东部和北部、锡林郭勒盟和赤峰市西部地区出现扬沙或沙尘暴天气，其中锡林郭勒盟大部、包头市北部及鄂尔多斯市杭锦旗出现沙尘暴天气，最大风速在10～21 m/s之间，其中锡林郭勒盟二连浩特市沙尘暴天气最强，最大风速为21.2 m/s，最小能见度接近0 m。

内蒙古省中西部地区出现沙尘暴天气，主要影响区域为阿拉善盟大部、巴彦淖尔市北部、鄂尔多斯市南部、包头市北部、乌兰察布市、锡林郭勒盟西部和北部地区（图4）。

此次沙尘暴天气主要影响区域为阿拉善盟局部、巴彦淖尔市北部、鄂尔多斯市中部和南部、包头市大部、乌兰察布市北部、呼和浩特市北部、锡林郭勒盟西北部地区（图5）。

2016年3月4日10时的卫星遥感图中此次沙尘暴过程的影响区域在内蒙古西部和东部，3月4日15时的卫星遥感图显示西部和东部受此次沙尘暴过程的影响已经消散，15时沙尘影响的范围向内蒙古北部移动。

图6是2016年3月4—5日内蒙古PM10浓度增长值的空间分布，利用3月4—5日的小时浓度值资料，筛选出各个站点在此次过程中的最大浓度值，与3月4日0：00的浓度值作比值，得到各个站点浓度值的增长值。柱形图的高度与增长值的比例是1：2，相同颜色的柱形表示达到PM10浓度最大值的时刻相同。西部3个站点阿拉善盟、巴彦淖尔、乌海在05：00达到最大值，鄂尔多斯和包头在13：00达到最大值。此次过程发生的中心带是西部，PM10浓度的增加幅度最大的是鄂尔多斯市为15.1，受沙尘暴天气的影响最大；西部6个站点PM10浓度的增加幅度均大于4，受沙尘暴天气的影响强于东部地区。东部地区中，通辽PM10浓度的增加幅度最大是9.6，其余3个站点的增加幅度均小于4，此次沙尘暴过程PM10浓度的增加幅度在2.3～15.1之间。

3.2　典型扬沙天气个例对内蒙古主要城市颗粒物污染的影响

统计3 a内蒙古春季的扬沙过程，2014—2016年内蒙古地区共有2次扬沙过程，选取2016年4月8日的扬沙过程进行分析，与沙尘暴个例的结果进行对比。

2016年4月8日16时NOAA-18卫星遥感监测发现：内蒙古中东部地区出现扬沙天气，主要影响区域为兴安盟南部、通辽市、赤峰市东部和南部、锡林郭勒盟南部和乌兰察布市中东部地区（图7）。

图8中柱形图的含义、各个站点浓度增长值的计算与图6中相同。此次扬沙过程中心地带在内蒙古中东部地区，赤峰市PM10浓度的增加幅度为5.6，是此次过程中PM10浓度值升幅最大的站点，通辽次之。此次扬沙天气过程的中心点在东部的赤峰和通辽，西部地区虽然有4个站点受到影响，但是影响强度较小，扬沙过程PM10浓度的增加幅度在0.8～5.6之间。与沙尘暴个例的PM10浓度增长值相比可看出，扬沙过程对颗粒物污染的影响小于沙尘暴过程。

图4　2016年3月4日10时内蒙古接收的FY3A极轨卫星图

图5　2016年3月4日15时内蒙古接收的FY3B极轨卫星图

图6　2016年3月4—5日内蒙古PM10浓度增长值

图7　2016年4月8日16时内蒙古接收的NOAA-18遥感卫星图

图8　2016年4月8日内蒙古PM10浓度增长值的空间分布

由于浮尘过程是伴随着扬沙和沙尘暴过程发生的，并没有找到单一的浮尘过程，因此本文不予单另分析。

4　结论与讨论

（1）2014—2016年内蒙古春季共发生了16次沙尘天气过程，2014年3次，2015年6次，2016年7次，其中内蒙古中西部是沙尘天气频发地带，与之相对应，中西部地区颗粒物浓度的年变化大于东部，且春季出现最大值，表明沙尘天气对颗粒物浓度有显著影响。

（2）全年3个时间段的PM10浓度值排序是：春季沙尘期间＞春季非沙尘期间＞其他季节，其中春季沙尘期间PM10浓度比非沙尘期间高69%，比其他季节高101%。PM2.5浓度排序为：春季沙尘期间＞其他季节＞春季非沙尘期间；春季沙尘期间PM2.5的浓度比其他季节高16%，比春季非沙尘期间高29%。沙尘天气对粗颗粒物浓度影响更显著。

（3）PM2.5的平均浓度与PM10的平均浓度比值的排序为：春季沙尘期间＜春季非沙尘期间＜其他季节。与全年3个时间段PM10和PM2.5浓度值的排序比较得出：沙尘天气输送来的沙尘以粗颗粒物为主；当地污染源排放物中细颗粒物比例较高。

（4）典型沙尘天气个例的颗粒物污染影响分析表明，不同类型沙尘天气过境前后，PM10浓度值的变化都异常明显，沙尘暴个例中PM10浓度的增加幅度在2.3～15.1之间，扬沙过程PM10浓度的增加幅度在0.8～5.6之间，表明沙尘暴过程对颗粒物污染的影响明显大于扬沙过程。

本研究仅仅分析了沙尘天气对内蒙古主要城市颗粒物质量浓度的影响，对其化学组分的影响还有待今后深入研究。