安徽省输入型沙尘叠加本地污染过程分析

王含月,程 龙,赵思文

(1.安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230000;2.辽宁省抚顺市气象局，辽宁 抚顺 113006)

1 引言

沙尘天气包括扬沙、浮尘、沙尘暴和强沙尘暴等[1]。每年春秋季节转换期间，中国北方沙源地起沙后，沙尘颗粒物可长时间悬浮在空气中，并经远距离输送影响更多区域。在向下游地区的长距离输送过程中，沙尘气团中的粗颗粒物较细颗粒物沉降速率更高，大部分粗颗粒物经重力沉降随着传输逐渐流失，细颗粒却能继续向下游输送，导致沙尘气团进入江淮区域时沙尘特征已不明显，常以浮尘为主。处于春秋季节转换期间的江淮地区，受江淮气旋和北方寒流交互作用影响，风向转换频繁，时有沙尘随北方冷气团入境后未完全沉降，即转受偏南暖湿气流影响，气团中的颗粒物回流、缓慢沉降而长时间影响当地空气质量的现象。安徽省位于江淮地区，受沙尘影响时，虽不会出现上游地区遮天蔽日，黄沙闭目的“壮观”景象，但其对空气质量的影响却不容忽视。另江淮区域受地理因素影响，晨昏交替时常出现高湿小风的气象条件，此时上游输入的浮尘伴随出现颗粒物吸湿增长，难以与普通的污染传输区分开来，国际上对于沙尘和霾的鉴别也一直存在争议，韩国沙尘监测中通过PM2.5/PM10的比例变化区分人为细颗粒物污染与沙尘天气影响：当监测数据中PM2.5/PM10≥0.8时，判断主要为人为细颗粒物污染，PM2.5/PM10≤0.4时判断主要为沙尘天气影响。日本将悬浮颗粒物浓度(SPM)的初始值(最接近激光雷达安装地点的一般环境大气测量站的SPM观测数据)超过环境标准小时值0.2 mg/m3，及激光雷达判断附近的黄沙是高浓度(超过0.3 mg/m3)且多为不规则非球形形颗粒物时，判断为沙尘。我国对于沙尘下游地区如何区分沙尘影响和人为排放两者叠加的研究较少，未见统一的评判标准，因此本文将着重探讨江淮区域沙尘天气的污染特征。

为研究沙尘对下游安徽省的影响，自北向南选取淮北市、亳州市和六安市作为研究对象，对2018年11月27日至11月30日一次典型沙尘过程进行分析。

2 数据资料和分析方法

2.1 污染物浓度监测数据

空气质量选取安徽省68个国控空气质量监测点位监测数据作为代表。除特殊说明外，PM2.5、PM10的日及小时数据均为国控站点平均值，颗粒物为实际状况(监测采样时为实际气温和气压)监测数据资料，气态污染物为参比状态(25 ℃，1013.25 hPa)监测数据资料。

2.2 气象数据

本文气象资料选取NCEP/NCAR共享的全球空间分辨率为2.5°×2.5°的一日4次(00，06，12，18时)再分析格点资料数据集，用于分析安徽省受沙尘影响期间的天气形势及气象要素分布情况。

3 影响安徽省的典型沙尘过程分析

3.1 天气形势分析气象条件分析

蒙古气旋一年四季皆可生成，其中秋冬季冷空气活动频繁[1]，常伴随蒙古气旋南下入侵，偏北大风将沙尘带到华中和华东平原，东亚沿岸稳定的西风槽在被短暂破坏后又稳定建成，槽后部为安徽省南部带来东南气流，导致江淮地区在北方污染传输后常转受偏南的暖湿气流影响，造成沙尘回流和在本地的二次扩散，形成持续性的污染。其中2018年11月25至30日的沙尘过程便是一次较为典型的蒙古气旋伴随冷空气活动，后转受东亚大槽后部东南气流的过程，导致了安徽省持续近4 d的严重大气污染天气。

11月25日06:00，较稳定的西风带平均槽在140°E的东亚沿岸附近，副高势力减弱，脊线退至20°N以南的太平洋海面，高空为西风带气流操控。地面蒙古冷型高压中心位于75°～80°E，40°～50°N附近，发展强盛十分稳定，相对的蒙古气旋势力较弱，被冷高压挤压，呈现“L”型特征，分化出2个低压中心，其中一个低压中心位于100°～110°E，45°～50°N，即甘肃省附近，受蒙古气旋地面较强的辐合上升作用，开始形成沙尘暴，见图1(a)。此时安徽省受静稳天气控制，地面平均风速小于2 m/s，本地污染逐渐积累。11月26日06:00，冬季强盛的冷型高压被短暂破坏后迅速恢复，并诱导强冷空气向南移动，高压前部的西北大风为沙尘暴向南传输提供了强劲的动力支持，见图1(b)。11月26日18:00，随着冷高压向东南方向移动，沙尘气团的前沿已经达到京津冀区域，受前期本地污染积累影响，京津冀地区空气质量此时已达重度污染(图略)，11月27日00:00，地面冷高压中心在西风带环流带领下东移南下，控制京津冀区域，清洁的冷气团首先从底层入侵，前期积累的细颗粒物污染被迅速清除。污染气团向南缓慢扩散，安徽北部地势平坦，北部淮北、亳州等市PM2.5浓度受传输影响开始缓慢上升，冷高压中心下沉气流使部分沙尘沉降至地面，影响京津冀的大气污染物转为PM10等粗颗粒物，见图2。11月27日06:00，冷高压维持在京津冀地区，高压前部持续的北风将沙尘气团带入安徽省，见图1(c)。最北部的亳州市开始受沙尘影响，但首先达到的底层冷空气前期累积了北方的污染物，导致亳州市前期本地积累的细颗粒物又叠加北方传输，PM2.5浓度并未得到改善降低，反而随PM10浓度一起上升。11月27日06:00～11月28日，冷高压移速减缓，影响范围扩大，东部向东扩展到达山东，山东省受沙尘影响，污染物浓度陡升。底部持续南下入侵安徽北部。以淮北市为例，在沙尘气团影响当地42小时后，28日18:00开始污染物被全部清除；安徽南部受东亚大槽后部偏南气流影响，江淮之间存在风向辐合，沙尘逐渐沉降至地面，污染物浓度在江淮区域持续累积，见图1(d)。11月29日06:00开始，冷高压势力减弱，影响范围扩大，高压中心移至渤海湾附近，安徽北部又转受高压底部东北风影响。11月30日06:00，冷高压东移入海，全省地面转受高压后部东南气流控制。江淮之间沙尘向北回流，逐渐被清除。于此同时内蒙和宁夏区域地面又发展出一个强盛的蒙古气旋，开始新一轮的沙尘过程。

(a)11月25日06:00；(b)11月26日06:00；(c)11月27日06:00；(d)11月28日18:00； (e) 06:00 on November 29; (f) 06:00 on November 30

3.2 污染物小时变化特征

本次输入型沙尘污染颗粒物浓度多呈现的双峰特征间歇式峰值过程，现以淮北、亳州、合肥和六安4个市为例进行分析。

3.2.1 淮北市

淮北市位于安徽省最北部，地势平坦，为西北路径沙尘最先影响的城市之一，污染过程基本分为3个阶段，第一时段中，受西北风方向的沙尘传输影响，淮北市出现沙尘天气。2018年11月27日10:00起始淮北市PM10浓度急剧上升至291 μg/m3，而PM2.5浓度反而开始降低，PM2.5/PM10由0.85迅速下降到0.53。至当日17:00，PM2.5/PM10回升，提示第一时段受西北风方向的沙尘传输影响结束，沙尘持续时间7 h。

图2 2018年11月25～30日淮北市单点(116°E，33°N)相对湿度(单位：%)和温度(单位：K)剖面

第二时段：11月28日05:00起始，受27日下午至28日上午东北风风速增大影响，东北方向沙尘再次影响淮北。PM10浓度由263 μg/m3快速上升至411 μg/m33，PM2.5浓度反而开始持续下降，PM2.5/PM10由0.90迅速下降到0.56，此后西北风和东北风交替，风速减缓，沙尘气团推进放缓，在安徽省滞留。受静稳天气和沙尘共同作用，PM10浓度持续升高，由342 μg/m3再次迅速升至443 μg/m3，PM2.5/PM10维持0.60左右，至29日18:00，PM10和PM2.5均迅速下降，提示第二时段沙尘传输影响结束，持续28 h。

第三时段：受东北风影响，原传输至山东及江苏北部的沙尘气团再次影响淮北，11月30日08:00起，出现PM10浓度再度上升，PM2.5浓度和PM2.5/PM10下降的沙尘影响特征，至14:00 PM10浓度下降加速，PM2.5浓度下降速度相对较慢， PM2.5/PM10不断上升，第三时段沙尘影响结束，受污染物传输叠加本地污染共持续7 h。本次沙尘天气淮北市经历3个时段，受沙尘影响达42 h。如图3(a)所示。

图3 淮北市(a)、亳州市(b)沙尘过程PM10、PM2.5质量浓度(单位：μg/m3)

3.2.1 亳州市

亳州市位于安徽省最北部，地势平坦，也是西北路径沙尘最先抵达的城市之一，此次过程沙尘气团27日02:00左右到达亳州境内，PM10浓度由01:00的139 μg/m3迅速升高，至08:00已达320 μg/m3，较沙尘影响前上升181 μg/m3，随后十几个小时一直保持在300 μg/m3以上。PM10上升过程中，PM2.5/PM10由前期平均的0.74，下降到0.33，为典型沙尘天气特征。28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00共两个时段，亳州市在偏东北风影响下，多次受到持续浮尘影响，空气质量再度恶化。PM2.5/PM10的比值再度降至0.5以下。12月1～2日浮尘天气持续。此次过程中亳州市明显受沙尘天气过程影响的具体时间段为11月27日02:00～14:00，28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00。受沙尘影响时段共37 h，过程中颗粒物浓度变化呈现双峰特征，见图3(b)。

3.2.3 六安市

六安市位于安徽省江淮之间西部，在西北路径的沙尘过程中常首先受到河南和湖北等西北方污染传输影响，27日13:00开始，PM10浓度显著上升，28日12:00达到峰值364 μg/m3，29日08:00 PM10浓度首次降至沙尘开始前水平135 μg/m3，第一阶段影响结束。29日17:00风向转换，再次受到东北方向沙尘影响，PM10浓度再度急剧升高，30日00:00达到峰值394 μg/m3，PM2.5变化幅度较小。此时影响六安市的沙尘气团主要来自山东枣庄，江苏徐州及安徽淮北等东北部地区。第二阶段持续至30日08:00时，本次沙尘天气影响结束。第一阶段受影响持续时间44 h，第二阶段持续时间16 h，过程中颗粒物浓度变化呈现双峰特征。

4 结论

(1)安徽省春秋季节受北方锋区和南方锋区天气系统交替影响，沙尘气团易出现回流现象。输入型沙尘污染颗粒物浓度常呈现出明显的双峰特征。

(2)安徽省春秋季节未受沙尘影响时段内，PM2.5/PM10维持在0.65～0.85之间，受沙尘影响时段，PM2.5/PM10将出现显著的降低。若前期本地空气清洁，受典型输入型沙尘影响期间，PM2.5/PM10比值可降至0.30以下，PM2.5浓度上升缓慢，甚至有所下降。若前期本地及北方接壤省份，如京津冀及周边河南、山东存在污染物累积，受沙尘影响期间，沙尘气团前锋达到安徽省时，伴随的冷锋底部冷空气会先裹挟西北方向污染气团向下游传输，造成安徽省PM2.5的缓慢上升，受沙尘影响期间，PM2.5/PM10比值最多只能降至0.35～0.55。