春季一次典型沙尘天气对贵阳市空气质量影响研究

赵晓韵 张春辉 刘 群 钟敏文 石 宇

(1.贵阳市环境信息中心;2.贵阳市环境空气质量预测预报中心,贵阳 550000)

沙尘天气是强风将干旱、半干旱地表大量尘沙扬起,使空气变浑浊、水平能见度降低的一种天气现象,沙尘天气过程通常伴随着大风、低能见度、大气污染以及流沙尘土覆盖和掩埋等,影响交通、建筑、农、林、牧业、公共设施和社会活动,以及人类的健康和生活[1]。春季是我国北方沙尘活跃多发季节,随着风向及大气环流系统的变化,南方地区容易陆续受到沙尘传输的影响[2]。

贵阳市地处西南地区贵州省中部,距离蒙古等沙尘源2000 km以上,自2015年以来,我市受沙尘天气影响较大并出现首要污染物为PM10的污染天气较为罕见。本文以2021年3月沙尘天气过程中贵阳市空气质量监测和统计资料为依据,从PM10浓度变化、气象条件演变以及区域性污染传输等方面进行分析,以期提高对春季沙尘天气区域传输影响的认识,为贵阳市污染天气预警预报提供参考。

1 资料

2021年3月21-25日贵阳市AQI、PM10、PM2.5等日均及小时数据来源于贵阳市10个空气质量自动监测国控站;3月21日-25日贵州省其他地州市AQI数据来源于中国环境监测总站数据公开发布平台。气象观测数据由贵阳国家基本气象站(57816)观测,来源于国家气象科学数据中心(中国气象数据网)。

2 结果与讨论

2.1 沙尘天气发展与传输概况

沙尘颗粒在空气中可长时间悬浮、传输甚至随洋流进入全球大气循环中,包括浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5种类型[3-5]。我国沙尘主要来源于西北省份、内蒙古和境外的蒙古等地,多发于春秋季节[6],在沙尘源附近,沙尘可以被扬起到10 km的高空层[7-8],在无降水情况下,沙尘随气流向下游地区长距离传输,我国中东部地区历来易受沙尘气溶胶影响[9-11]。

2021年3月,我国共发生3次沙尘天气过程,按沙尘类型分,强沙尘暴2次,扬沙1次。3月13日上午,蒙古国西南部发生沙尘暴天气,沙尘随气流向南移动,于14日傍晚在蒙古国与内蒙古中西部交界处入境,15日晚间至19日,沙尘主体自西北向南经河北、北京、天津、山东至河南,20日至23日再到湖北、湖南、贵州、广西(其中郑州19-21日、武汉21日、岳阳21日、长沙21-22日、贵阳22-23日、桂林22日、河池22-23日出现污染),是近10年我国遭遇强度偏强、范围偏广的沙尘天气过程[12-13]。

表1 2021年3月沙尘天气基本情况统计[14]

3月21-24日受较强冷空气携沙尘南下影响(见图1),贵州省中部(贵阳)、东南地区(黔东南和黔南)及北部地区(遵义)轻度污染,省西北及西南地区受到沙尘天气影响虽未出现颗粒物轻度污染,但浓度较平常也有一定的升高。

图1a 颗粒物浓度传输轨迹

图1b 颗粒物浓度传输轨迹

2.2 沙尘对贵阳市环境空气质量影响变化特征分析

沙尘主体从21日19时从黔东南进入我省,传输路径为黔东南-黔南-贵阳,贵阳市作为省会城市,经济发展及能源消耗量远高于黔东南州和黔南州,加之近年来人为活动及机动车保有量显著增多,贵阳市本地排放源的影响对空气质量的贡献也大于黔东南州和黔南州,因此本次沙尘天气过程中贵阳市AQI值高于黔东南和黔南。按照《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)中沙尘天气影响起始和结束时间的判定方法,贵阳市自3月21日23时起受沙尘天气过程影响至3月24日05时影响结束,共计54h,导致3月22日-23日贵阳市空气质量指数(AQI)分别为127和114,为轻度污染,首要污染物为PM10。在研究污染物在不同地区的传输、扩散方面,后向轨迹(HYSPLIT)模型具有处理多种气象要素输入场、物理过程和不同类型污染物排放源较为完整的输送、扩散和沉降的能力[15],是一种有效的方法模型。本次沙尘天气过程后向轨迹如图2所示,可以看出3月17日-19日郑州受到此次沙尘天气影响,贵阳市随后在20日-23日受到影响。

图2 3月17-22日沙尘天气过程沙尘传输路径后向轨迹图

表2 贵州省各市州3月21-24日AQI变化情况表

3月22日贵阳市PM10日均值为203 μg/m3,超过《环境空气质量标准》(GB3095—2012)[16]二级标准限值约1.36倍。由图3可见,3月21日23时起PM10浓度开始异常升高,且PM10的浓度值为PM2.5的3倍以上,表明贵阳市空气质量受到较大颗粒物的影响,之后空气质量连续轻度以上污染。沙尘影响期间PM10小时浓度连续出现高值,在3月21日的23：00和22日的11：00出现波动高值,分别为220 μg/m3和270 μg/m3,双峰现象明显,质量浓度上升迅速。PM2.5小时质量浓度变化特征与PM10基本一致,2次高值分别为46 μg/m3和59 μg/m3。24日05：00起PM10质量浓度回落至正常水平。

图3 贵阳市2021年3月21-25日PM10与PM2.5浓度变化趋势

沙尘天气的出现使得空气质量明显下降,根据我国《环境空气质量标准》(GB 3095-2012) 规定, PM10和PM2.5的二级浓度限值分别为150 μg/m3和 75 μg/m3, 贵阳市春季PM2.5/PM10主要集中在0.61～0.80之间[17],从图3和图4可以看出,本次沙尘天气过程贵阳市PM2.5/PM10在0.4以下,说明受沙尘天气过程影响,粗颗粒态的颗粒物增加[18]。由图5可见,3月22日-23日贵阳市颗粒物组分分析显示污染物偏粗颗粒型,说明3月22日-23日贵阳市空气质量受沙尘天气过程影响。

图4 贵阳市2021年3月22-24日PM2.5/PM10日均值

2.3 沙尘过程天气形势及气象条件分析

结合中央气象台发布地面实况图(图6),3月22日08时-3月23日20时贵阳市基本处于高压前部均压场控制(图6圆圈所示为高压系统,红色三角形表示贵阳的位置),天气形势静稳,风力较弱,污染物扩散条件不利。

沙尘暴天气通常是强冷空气活动造成的[19],从图7可以看出,从3月20日起,受冷空气影响,贵阳市气温骤降,风速减弱,3月21日夜间开始沙尘主体影响贵阳市,22-23日风速持续偏弱,污染物不易扩散,在我市滞留时间长,导致3月22日-23日空气质量达轻度污染,首要污染物为可吸入颗粒物(PM10);24日午后温度回升,风速增强,水平和垂直扩散条件转好,颗粒物浓度快速沉降和扩散,沙尘天气过程影响结束。

图7 沙尘过程期间贵阳市气象要素小时变化图

3 结论

(1)2021年3月13日-23日,沙尘从蒙古自西北向南传输,经河北、北京、天津、山东至河南,再到湖北、湖南、贵州、广西,强度偏强,影响范围偏广,是贵阳市自2015年以来首次受沙尘天气影响并出现首要污染物为PM10的污染天气。

(2)贵阳市受此次沙尘传输污染影响长达54 h(21日23：00—24日05：00),直接导致贵阳市3月22日-23日空气质量为轻度污染,首要污染物为PM10。

(3)此次沙尘天气过程贵阳市受均压场控制,天气形势静稳,扩散条件不利,受冷空气南下携带沙尘传输影响,污染物浓度持续累积,PM10浓度维持较高。

(4)沙尘天气的监测及预测工作已成为环境空气质量研究的重要组成部分,在春季沙尘天气高发季节,贵阳市应密切关注区域传输的影响,提高沙尘天气的预报和预警服务能力。