呼和浩特市沙尘活动特征及其对大气环境的影响

陶格斯，王海兵，毫斯巴乙拉，赵杉杉

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古风沙物理与防沙治沙工程重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011；2.克什克腾旗生态环境监控分中心，内蒙古 赤峰 025350；3.内蒙古自治区环境监测总站呼和浩特分站，内蒙古 呼和浩特 010030；4.内蒙古自治区环境监测总站，内蒙古 呼和浩特 010011)

1 引言

沙尘对人类健康有密切关系，沙尘携带的颗粒物可经呼吸道进入肺部、血液，对人体的呼吸系统、心血管系统等造成严重影响[1，2]。在全球范围内研究评估颗粒物空气污染对居民死亡的影响，发现PM10(粒径≤10 μm)和PM2.5(粒径≤2.5 μm)颗粒浓度与每日死亡率独立相关[3]。因此，认识并了解城市沙尘活动特征及其对大气环境质量产生的影响，对城市大气环境治理尤为重要。

沙尘随天气系统影响着沙尘源区及输送路径上的地区，在近源区和远源区表现为不同程度的大气污染。过境沙尘强度、频度及其持续时间显著影响着城市空气质量的污染程度[4]。沙尘的出现具有明显的季节变化[5]，因而大气颗粒物污染季节性特性也明显。春季近源区城市的空气PM10浓度、空气污染程度与沙尘发生次数显著正相关[6～8]。距沙尘源较远的城市如北京、石家庄、济南等在沙尘发生时，空气质量变差，沙尘持续时间越长，PM10日平均值增幅越大[9]。沙尘除空气颗粒物之外对大气其他气态污染物也有一定影响，沙尘气溶胶表面易吸附SO2、NOx等酸性污染气体，并作为载体对大气污染成分进行长距离输送[10]。

呼和浩特市是内蒙古省会城市，地区政治经济中心，位于内蒙古中部，也是主要沙尘输移过境地区，属于近源区加强源地[11]。呼和浩特春季沙尘天气主要受到风速、气温、降水量等气候因素的综合影响，并且与冷空气活动有较为紧密的联系[12]，主要表现为气压上升、气温下降、风速增大[13]。沙尘高空远距离输送是导致呼和浩特市春季空气质量显著下降的重要原因，少降水、不稳定的空气热力条件，植被尚未返青也是PM10浓度迅速增加的原因之一[14]。本文基于城市颗粒物的浓度变化，反应呼和浩特市沙尘天气过程的特征。采用2015～2019年呼和浩特市环境空气质量自动监测站监测数据，分析了PM10、PM2.5浓度变化特征，通过颗粒物浓度变化判定沙尘天气及辨识沙尘强度，并解析了不同强度沙尘暴过程中O3、CO、NO2和SO2等污染物浓度变化规律，阐明了区域沙尘活动特征及其对城市大气环境的影响，为城市空气污染预警预测和治理提供理论依据和数据支撑。

2 数据源与分析方法

2.1 研究数据简介

数据来源于内蒙古生态环境厅公布的呼和浩特市环境空气自动监测站的空气质量监测数据，呼和浩特市设有8个环境空气质量自动监测站，均为国控站点，通过自动监测系统能够实时对城市空气质量开展监测和进行评价。主要采用2015～2019年环境空气气溶胶PM2.5和PM10的小时值和日均值及气态污染物O3、CO、NO2和SO2的小时浓度数据，对于数据中缺失值，采用时间线性插值的方法进行处理，即：

(1)

式(1)中：Xn为第n个时刻的缺失值，Xi与Xj分别为缺失前后(时刻i与j)的浓度值。

2.2 研究方法

依据环办监测〔2016〕120号的规定，判定沙尘天气影响起始时间：城市PM10小时平均浓度大于等于前6 h PM10平均浓度的2倍且大于150 μg/m3作为受影响起始时间；以城市PM10小时平均浓度首次降至与沙尘天气前6 h PM10平均浓度相对偏差小于等于10%作为沙尘天气影响结束时间的判定依据[15]。根据《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准限值，评定超标天数。

为分析沙尘天气对空气质量的影响程度，引用沙尘影响指数表达，其含义是:选择无明显沙尘天气发生的9月份PM10浓度月均值作为本底值，3、4、5月份PM10月均值的平均值作为沙尘天气影响值，其比值作为城市本身的沙尘影响指数[4]，能够反应城市一年内所受沙尘影响的平均值。公式表示为：

I=P3、4、5/P9

(2)

式(2)中:I为沙尘影响指数，P9为9月份城市PM10月均值，P3、4、5为3、4、5月份PM10月均值的平均值。

为较好地定量分析一次沙尘过程的影响，对上述沙尘影响指数公式进行了改进，改进后的公式以年度PM10浓度月均值作为本底值，一次沙尘过程的PM10均值作为沙尘天气影响值，其比值作为一次沙尘过程的的沙尘影响指数。公式表示为：

I=P/Pmin

(3)

式(3)中:I为沙尘影响指数，Pmin为当年城市PM10月均值最低值，P为一次沙尘活动中PM10小时值的平均值。根据2015～2019年呼和浩特市城市PM10质量浓度月均值，最低月均值2015年出现在9月份，其余年份出现在8月份。

皮尔逊积矩相关系数，是用于度量两个变量X和Y之间的相关，广泛用于度量两个变量之间的相关程度[16]，其值介于-1与1之间。取1时表示变量X和Y之间具有线性变化的关系，即Y随X的增加而增加；取-1时变量Y随X的增加而减小；值为0表示变量之间没有线性相关关系。估算样本的协方差和标准差，可得到皮尔逊相关系数，即：

(3)

3 结果与分析

3.1 呼和浩特市PM10和PM2.5质量浓度变化特征

从图1看出呼和浩特市PM10和PM2.5日均值变化。5年间污染天数集中在冬季和春季，PM10日均值峰值分别出现在2015年4月15日、2016年3月4日、2017年5月4日、2018年3月28日和2019年5月12日，2018年PM10浓度峰较多，2017年PM10浓度峰值达到1477 μg/m3为5年最高值；3～5月份PM10日均值超标天数占全年超标天数的24%～59%，2018年3～5月份PM10日均值超标天数占比最大达到59%；春冬季PM10污染明显，而冬季为采暖季节空气污染多与消耗化石燃料有关，加上冬季降水少较干燥或逆温天气等气候因素，污染物难于扩散[17]；而PM10日均值最高值多数出现在春季，春季污染特征为PM10浓度峰值较高，具有突发性，多集中在3～5月份，这与春季沙尘活动有关系。PM2.5日均值变化与PM10不同，PM2.5日均值峰值分别出现在2015年11月30日、2016年2月8日、2017年5月4日、2018年2月17日和2019年2月5日，5年日均值较高值多数出现在冬季，与冬季采暖期消耗化石燃料有关；春季偶发性的出现峰值，并且与沙尘活动引起的PM10浓度峰重合；3～5月份PM2.5日均值超标天数占全年超标天数的4%～33%，相比较PM10超标率春季PM2.5超标率较低。

图1 呼和浩特市2015～2019年PM10和PM2.5日均值变化

3.2 沙尘天气过程中大气PM10和PM2.5浓度特征

3.2.1 沙尘天气中颗粒物浓度变化趋势

图2为沙尘过程判定结果及沙尘过程中颗粒物浓度变化，2015年4月15日发生的沙尘过程，城市PM10小时浓度最大达到1233.6 μg/m3(4月15日16时)，此时PM2.5小时浓度为56.3 μg/m3；沙尘来袭时，PM10浓度值急剧上升，但并未带来PM2.5浓度的明显上升。2016年5月20～21日发生的沙尘过程中PM10小时浓度峰值为1423.6 μg/m3(5月21日00时)，此时PM2.5小时浓度达到270.0 μg/m3，PM2.5小时浓度峰值为200.0 μg/m3(3月4日14时)；PM2.5浓度峰值提前与PM10浓度峰值。2017年5月3～5日沙尘天气过程中PM10小时浓度峰值均超出2000 μg/m3，持续时间较长，沙尘后期发生二次峰值。2018年4月2日和4月29日两次沙尘天气过程中PM10小时浓度峰值均超出2000 μg/m3；PM10浓度急剧上升，PM2.5浓度有明显上升(表1)。

表1 沙尘过程判定结果及沙尘过程中颗粒物浓度对比

5年间出现两次PM10浓度超出3000 μg/m3的沙尘过程，分别在2018年4月13日和2019年5月12日发生，城市PM10小时浓度峰值达到3323.4 μg/m3(4月13日23时)和3367.7 μg/m3(5月12日07时)，PM2.5小时浓度达到262.3 μg/m3和714.1 μg/m3；PM10浓度急剧上升，PM2.5浓度有明显上升，PM10小时浓度峰值与PM2.5小时浓度峰值几乎同步出现；通过两次沙尘活动PM2.5浓度差异，发现PM2.5浓度与沙尘持续时间有一定关系，沙尘持续时间越长PM2.5浓度会越高。

图2 沙尘过程判定结果及沙尘过程中颗粒物浓度变化

3.2.2 PM2.5/PM10浓度比值变化分析

图3(a)表示2015～2019年3～5月份沙尘天气过程PM2.5/PM10浓度比值变化规律。根据箱线图差异可以看出：沙尘天气期间PM2.5/PM10浓度比值较低，PM2.5占PM10总质量的比例都在0.4以下，沙尘天气过程25%～75%的区间值在0.12～0.25之间，PM2.5/PM10浓度比均值范围为0.18～0.22之间。可见沙尘天气过程中PM10浓度达到峰值时PM2.5/PM10浓度比值最低，在一次沙尘天气发生、发展、消失过程中PM2.5/PM10浓度比发生规律的变化。在沙尘天气过程初期PM2.5/PM10浓度比值低，沙尘中PM10浓度占比较高，随着沙尘过程的持续PM2.5浓度增加，PM2.5/PM10浓度比值逐渐增大[18]。图3(b)表示2015～2019年3～5月份非沙尘天气PM2.5/PM10浓度比值变化规律。根据箱线图差异可以看出非沙尘天气PM2.5/PM10浓度比值高于沙尘天气，非沙尘天气25%～75%的区间值在0.21～0.49，PM2.5/PM10浓度比值均值范围为0.31～0.41。

图3 沙尘天气过程PM2.5/PM10浓度比值变化

3.3 沙尘影响指数及沙尘影响时间

通过沙尘活动中PM10质量浓度，计算沙尘活动的沙尘影响指数，呼和浩特市2015～2019年春季沙尘影响指数分别为4.31、6.63、7.02、12.80和14.90，有逐年上升趋势，一次沙尘过程的强度影响比较明显。2019年度沙尘活动并不频繁，而沙尘影响指数最高值出现在2019年为39.95，此次特强沙尘活动中PM10质量浓度峰值达到3367.7 μg/m3，沙尘过程持续时间10 h，导致沙尘影响指数在5年中最高。

呼和浩特市5年沙尘影响时间有772 h，年均154.4 h；沙尘影响时间最小值为4 h，最大38 h，中位数为13.5 h。5年间持续影响时间超过24 h的沙尘活动有10次，持续影响时间12～23 h的有20次。从图4看出，2018年出现5年间沙尘过程持续时间最长的一次沙尘过程为38 h，此次过程中PM10质量浓度峰值为788.6 μg/m3，沙尘影响指数为20.22。从上述分析可知：沙尘影响指数不仅与PM10浓度有直接关系，而且与沙尘过程持续时间有着间接的联系。

图4 2015～2019年沙尘影响指数分布情况

3.4 沙尘天气对呼和浩特市气态污染物的影响

根据沙尘影响指数的大小选取5年中典型沙尘过程天气进行分析。根据图5、图6可知，城市大气气态污染物浓度随沙尘过程的经过而发生相应变化，NO2、SO2和CO的浓度随PM10浓度的上升而有一定程度的下降趋势，在沙尘过程后期随着PM10浓度下降而NO2、SO2和CO浓度上升；O3浓度在沙尘过程中变化趋势较复杂，波动性大，沙尘经过时O3浓度随着PM10浓度的上升而有上升趋势，且沙尘过后保持相对高的浓度水平。

图5 2015～2017典型沙尘天气大气污染物浓度变化趋势

图6 2018～2019典型沙尘天气大气污染物浓度变化趋势

将沙尘天气PM10小时值与O3、CO、NO2和SO2的小时值做相关性分析，使用双尾显著检验，在0.05的水平下相关性显著。CO、NO2和SO2等污染物浓度与PM10浓度负相关，O3浓度与PM10浓度正相关(表3)。

表3 沙尘天气PM10质量浓度与气态污染物浓度的相关性

4 讨论

沙尘暴研究通常是以水平能见度指标对沙尘天气分类[19]。尽管夜间空气污染和逆温天气造成的污染对使用颗粒物浓度变化判定沙尘天气过程时干扰较明显，通过城市PM10浓度判定沙尘天气结果基本符合气象部门数据，判定结果可靠。比较5年同期沙尘活动，2018年沙尘活动较频繁受沙尘影响较严重，短时高强度沙尘活动多发，2018年春季、夏季内蒙古全区大部地区气温偏高，平均气温达到历史高值，高气温是沙尘暴形成的有力条件，初春气温高土壤解冻迅速，使地表干燥疏松，影响沙源地起沙作用的强弱[20]，这导致了较多频次的沙尘天气过程。

沙尘发生时，PM10浓度值上升，PM2.5浓度有不同程度的上升，也有时PM2.5浓度不随沙尘天气PM10浓度上升而变化。通过对比，PM2.5浓度受沙尘活动持续时间影响较明显，沙尘颗粒物的寿命随其体积的增大而缩短，细颗粒物(<20 μm)的寿命为1～2周，而粗颗粒物(>20 μm)约为几小时或几天。因此，细颗粒物才能够悬浮在大气中，并有足够的时间影响天气[21]。同时，Sow等发现沙尘颗粒物大小的变化与风速并没有密切联系[22]。

目前城市沙尘天气与大气气态污染物影响研究中发现沙尘活动对O3、CO、NO2和SO2等气态污染物浓度的影响较为复杂，因研究区域不同而作用不同。崔娟等研究认为榆林市沙尘天气对SO2、NOx、CO和O3等环境要素没有显著影响[8]。刘筱冉研究认为兰州市春季沙尘天气期间，SO2、NO2和CO浓度表现为降低或升高，O3浓度受沙尘天气影响不明显[23]。董晓波等研究石家庄一次沙尘天气过程发现，SO2、NO2和CO的浓度变化趋势一致，O3浓度变化较小[24]。方丽娟等研究哈尔滨市沙尘天气发现，SO2呈明显减弱趋势；NO2的浓度变化则不确定[25]。沙尘天气O3浓度变化的特性可能与近年城市O3二次污染有关有待进一步研究。

4 结论

呼和浩特市沙尘天气多发生在春季3～5月份，沙尘发生频率高达9.2次/年。5年46次沙尘过程中67.4%为强沙尘过程；2015～2019年春季沙尘影响指数分别为4.31、6.63、7.02、12.80和14.90，有逐年上升趋势。

沙尘暴发生时PM10浓度值急剧上升，PM2.5浓度峰值提前或同步与PM10浓度峰值。PM2.5浓度与沙尘持续时间有一定关系，沙尘持续时间越长PM2.5浓度会越高。沙尘天气期间PM2.5/PM10浓度比值较低，25%～75%的区间值在0.12～0.25之间，PM10浓度达到峰值时PM2.5/PM10浓度比值最低。

城市大气气态污染物浓度随沙尘过程的经过而发生相应变化，沙尘过程前期NO2、SO2和CO的浓度随PM10浓度的上升而下降，在沙尘过程后期随着PM10浓度下降而NO2、SO2和CO浓度上升；O3浓度在沙尘过程中变化趋势较为复杂，浓度波动性大，且沙尘过后保持相对高的浓度水平。