一次强沙尘过程对江苏省空气质量的影响研究

王爱平，陈诚,2*,王剑，曹军，陆维青，徐政

(1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036；2.江苏省苏力环境科技有限责任公司，江苏 南京 210019；3.江苏蓝创智能科技股份有限公司，江苏 无锡 214100)

沙尘天气是沙尘暴、扬沙和浮尘天气的统称，它是一种由大风将地面沙尘吹(卷)起，或被高空气流带到下游地区而造成的一种大气混浊现象[1]。目前在国内外已开展了大量的关于沙尘气溶胶污染特征、输送过程及其环境和气候效应等的研究。夏训诚等[2]和钱正安等[3]研究我国西北地区沙尘特征，发现大风、沙源和不稳定大气是沙尘暴发生的3个基本条件，幕建利等[4]和江远安等[5]认为我国西北沙源地区起沙主要发生在3—6月，一般出现在下午和傍晚。多数研究[6-9]均表明，沙尘暴发生后的主要特征比较明显，PM10浓度先剧烈增大，然后逐渐减小，最终达到本底浓度。王宏等[10]和陈勇等[11]从沙尘对辐射平衡产生的影响方面分析，认为沙尘粒子在空中传输时会反射和吸收太阳短波辐射和地面长波辐射，造成地面降温和空气升温，改变地气系统热力分布，进而对局地乃至全球气候造成一定影响。以上关于沙尘的研究多集中在北方沙尘起源地或邻近地区，而针对沙尘天气影响范围界定比较模糊的江淮地区研究相对较少。通常沙尘气团进入江淮地区时沙尘特征已不明显，常以浮尘为主。浮尘是无风或风较小的天气条件下，尘土、细沙均匀浮游在空中，且水平能见度<10 km的天气现象[12]。

江苏省位于江淮地区，受沙尘影响时，虽不会出现华北或西北地区黄沙遮天蔽日的现象，但北方输送到本地的沙尘或浮尘对空气质量的影响却不容忽视。2021年3月15日，我国新疆、甘肃、内蒙古、北京等12个省市遭遇明显的沙尘天气,局地能见度不足300 m，初步判断这是近10年来我国遭遇强度最高、范围最广的一次沙尘天气过程，已达到强沙尘暴级别[13]。现以江苏省作为江淮地区的典型代表省份，研究2021年3月15日强沙尘过程对下游区域的影响，自北向南选取连云港和苏州2市代表苏北和苏南区域，分析强沙尘过程对江苏省空气质量的影响。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1.1.1 颗粒物数据

颗粒物是沙尘污染最重要的特征因子，选取2021年3月15—17日江苏省连云港和苏州2市的颗粒物质量浓度[ρ(PM10)和ρ(PM2.5)]进行分析，数据来自中国环境监测总站的全国空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035/)。激光雷达垂直退偏振比参数来自苏州和连云港环境监测部门自建的大气超级观测站。

1.1.2 气象数据

近地面天气图来自中央气象台官网发布的天气实况分析(http://www.nmc.cn/)。近地面气象要素(温度、压力、湿度、风速)来自江苏省气象台。高空气象要素随高度的分布规律可以研究大气热力和动力过程，其中温度垂直廓线可以反映大气层结稳定性，选取本次沙源地蒙古国乌兰巴托高空气象观测站(编号44292)数据分析起沙时空气的热力条件。高空探空数据来自美国怀俄明大学公布的历史探空数据(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)。

1.2 研究方法

国内外对于沙尘判定方法没有统一的标准，对于沙尘和霾影响的判定也一直存在争议[14]。韩国[15]研究认为：ρ(PM2.5)/ρ(PM10)≥0.8时，主要为人为细颗粒物(PM2.5)污染；ρ(PM2.5)/ρ(PM10)≤0.4时，主要为沙尘天气影响。日本[16]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质量浓度超过0.3 mg/m3且多为不规则非球形颗粒物时，判断为沙尘。我国对于沙尘影响的判定主要参考生态环境部印发的《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》(环办监测〔2016〕120号)(以下简称《规定》)。《规定》中给出了沙尘起始时间的2种判定方法：(1)城市PM10小时平均质量浓度≥前6 h PM10小时平均质量浓度的2倍且>150 μg/m3，此时作为受影响起始时间；(2)城市PM2.5与PM10小时质量浓度比值≤前6 h比值平均值的50%，此时作为受影响起始时间。《规定》中指出，可以扣除沙尘天气影响区域范围内源区及下游城市当日PM2.5和PM10监测数据，客观评估和反映人为大气污染治理成效。

后向轨迹(HYSPLIT)模型是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送和扩散轨迹的专业模型[17]。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式,已经被广泛地应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散研究中。

2 结果与讨论

2.1 起沙的气象条件

强沙尘暴起沙时常需要动力和热力条件的共同作用。本次强沙尘过程起源于蒙古国南部和我国内蒙古中部交界地区，2021年3月14日20:00 时地面天气形势和沙源地温度廓线见图1(a)(b)。由图1(a)可见，沙源地等压线密集，低压气旋后部和冷高压前部近地面出现6级以上强风区(紫色区域)。由图1(b)可见，夜间700 hPa(约3 km)以下气团的温度层结曲线(右侧黑色实线)与干绝热曲线(灰色线)重合，说明不稳定大气层结较高，700 hPa以下湍流旺盛，有利于沙尘混合并向高空发展。本次强沙尘过程热力条件好，动力充足，起沙前期蒙古国以及我国西北部气温明显偏高，降水较少，持续干暖的气候容易造成土质疏松，从而导致起沙。本次沙尘过程的气象条件和起沙时间与其他研究类似，钱正安等[3]分析了我国1952—2001年292个北方强和特强沙尘暴案例，发现沙尘暴主要出现在春季午后至傍晚间，要具有丰富的沙源、强风和不稳定的大气层结等条件因素。

图1 起沙时(2021-03-14 20:00)地面天气形势和沙源地温度廓线

2.2 沙尘传输

2021年3月15、16日PM10质量浓度与气象场空间分布见图2(a)(b)。由图2可见，3月14日夜间起沙后，在冷空气推动下沙尘快速传输至我国西北、华北、东北等区域，15日已经影响新疆、内蒙古、甘肃、宁夏、陕西、山西、河北、北京、天津、辽宁、吉林、黑龙江等12个省市。起沙后约24 h，随着冷高压向南移动，16日凌晨沙尘主体南侧边缘开始影响江苏北部，16日徐州、连云港2市空气质量指数(AQI)日均值达严重污染，淮安、宿迁2市达重度污染，其他9市为良或轻度污染，首要污染物为PM10。17日近地面为持续偏东风，沙尘主体向内陆省份移动，江苏省PM10质量浓度开始下降，但13市首要污染物仍为PM10，说明江苏省继续受浮尘天气影响。

图2 2021年3月15、16日PM10质量浓度与气象场空间分布

HYSPLIT模型的气团轨迹结果可以反映不同高度的气团来源。以连云港和苏州为起点，采用该模型模拟气团来源，取沙尘影响时间为起点分别向后推移48 和72 h，模拟不同高度的气团来源移动轨迹。沙尘期间连云港和苏州后向轨迹见图3(a)(b)。由图3可见，连云港和苏州市不同高度的气团均来自西北方向，此次沙尘为典型北方传输影响，自西北向东南途径我国内蒙古、辽宁、山东等地区，经黄海后由东北方向进入江苏省。

图3 沙尘期间连云港和苏州后向轨迹

2.3 沙尘过程对江苏省颗粒物的影响

本次强沙尘过程对苏北和苏南的影响差异较大，现以连云港和苏州2市为例进行分析。激光雷达的退偏振比值可以反映大气中气溶胶或云粒子的非球形特征[10]，根据不同高度退偏振比值大小来区分气溶胶粒子类型，当沙尘过境时，激光雷达的退偏振比值较高。

2.3.1 沙尘过程对连云港的影响

连云港市位于江苏省东北部，北接山东，东临黄海，地势平坦。沙尘期间连云港PM10和PM2.5质量浓度和风速变化趋势，以及激光雷达退偏振比见图4(a)(b)。由图4(a)可见，3月15日23:00，连云港市近地面偏北风突然增大，16日00:00—06:00，PM2.5和PM10质量浓度变化特征符合《规定》中的沙尘起始时间判定条件，PM10质量浓度急剧抬升至最高值(978 μg/m3)，短时达到严重污染，而PM2.5质量浓度不升反降，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)由0.81迅速下降到0.12。截至17日23:00，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)<0.4，仍维持较低水平。由图4(b)可见，16日00:00开始，近地面至高空2 km 范围内激光雷达退偏振比值增加至0.3左右，与PM10质量浓度急剧抬升的时间段较为吻合，表明沙尘开始影响连云港，14:00之后高层沙尘逐渐沉降至近地面1 km以内，近地面沙尘影响程度减弱至浮尘。由此可见，连云港16日沙尘特征较明显，PM10短时达到严重污染，符合《规定》中沙尘天气颗粒物浓度扣除的条件，17日颗粒物浓度下降，首要污染物仍为PM10，主要以浮尘天气为主。

图4 沙尘期间连云港PM10和PM2.5质量浓度、风速变化趋势及激光雷达退偏振比

2.3.2 沙尘过程对苏州的影响

苏州位于江苏省东南部地区，毗邻上海和浙江，海拔较低。沙尘期间苏州PM10和PM2.5质量浓度和风速变化趋势，以及激光雷达退偏振比见图5(a)(b)。由图5(a)可见，3月16—17日，苏州市近地面以东北风为主，与连云港相比风速较小。16日14:00—23:00，苏州市PM10质量浓度开始上升，PM2.5质量浓度同步下降，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)由0.94 下降至0.13。至17日06:00，苏州市PM10质量浓度达本次沙尘过程最大值(155 μg/m3)，超过150 μg/m3，短时达轻度污染，PM2.5维持在较低水平(20 μg/m3左右)，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)<0.45。由图5(b)可见，16日16:00开始，高空0.9～1.5 km 处退偏振比值增强，结合16:00 PM10质量浓度开始升高的现象，表明沙尘开始影响苏州。16:00—23:00退偏振比不断增强，且范围不断向近地面扩大，表明沙尘有下沉趋势。本次沙尘过程对苏州的影响时间较连云港滞后约14 h，PM10短时达轻度污染，PM2.5和PM10质量浓度变化特征均不符合《规定》中的沙尘起始时间判定条件，污染程度较轻，对苏州市的影响以浮尘天气为主。

图5 沙尘期间苏州PM10、PM2.5质量浓度及风速变化趋势激光雷达退偏振比

3 结语

本次沙尘过程于3月14日傍晚20:00起源于蒙古国南部，沙源地持续干暖的气候造成土质疏松，容易起沙，近地面出现6级以上强风，700 hPa以下为干绝热状态，湍流旺盛,本次沙尘过程具备起沙时沙源丰富、强风和不稳定大气层结这3个要素。

起沙后在冷空气推动下快速自西北向东南传输，15日凌晨开始影响我国西北、华北、东北等地区城市，起沙后约24 h沙尘输送至江苏省，主要影响时段为16—17日，其中16日全省4个城市空气质量达到重度及以上污染，17日全省受沙尘影响减弱为以浮尘天气为主。从空间上看，沙尘对苏北和苏南城市空气影响差异较大，16日连云港市PM10质量浓度短时飙升至978 μg/m3，近地面至高空2 km退偏振比值达0.3左右，沙尘污染特征明显，符合《规定》中剔除沙尘日的条件。苏州受沙尘影响时间较连云港滞后约14 h，污染程度较轻，PM10质量浓度峰值仅为155 μg/m3，16—17日均以浮尘天气为主。