羅 葳

一次罕見空氣污染的天氣過程分析

羅 葳

福建省長汀縣氣象局

該文針對2010年3月21～23日福建省出現(xiàn)的大范圍嚴(yán)重影響全省空氣質(zhì)量和能見度的環(huán)境污染事件，利用PM10（可吸入顆粒物）監(jiān)測資料和氣象資料進(jìn)行該事件的天氣過程分析，結(jié)果表明：此次空氣污染與北方強(qiáng)冷空氣引起的沙塵暴、揚(yáng)沙過后其尚未下沉的塵土和細(xì)沙隨高空氣流進(jìn)入本省的沙塵天氣之間存在對應(yīng)關(guān)系，其污染物所屬的天氣現(xiàn)象為浮塵。

空氣污染 浮塵天氣 過程分析

0 引言

2010年3月中旬末至下旬初，我國出現(xiàn)了一次大范圍的嚴(yán)重的由沙塵暴和揚(yáng)沙引發(fā)的空氣污染過程。此次污染過程強(qiáng)度強(qiáng)、范圍大，不僅對北方等地區(qū)造成了影響，沙塵還伴隨大風(fēng)一路南下，蔓延至黃淮、江漢、江淮、華南大部等，累計影響21個?。▍^(qū)、市），并波及到日本、韓國。此次沙塵天氣所造成的嚴(yán)重空氣污染中的PM10濃度在多地突破歷史極值，受其影響，當(dāng)年3月21～23日福建省自北而南由沿海到內(nèi)陸出現(xiàn)多年來罕見的大范圍嚴(yán)重影響全省空氣質(zhì)量和能見度的環(huán)境污染（簡稱“3.22”空氣污染）。據(jù)環(huán)境部門監(jiān)測，當(dāng)時全省9個設(shè)區(qū)市城市中有7個城市空氣中的PM10指數(shù)最大時達(dá)到（或超過）儀器所能測量的最大上限值500，而根據(jù)我國空氣污染指數(shù)范圍及相應(yīng)的空氣質(zhì)量類別標(biāo)準(zhǔn)[1]，PM10指數(shù)＞300時，屬于最高級別的重污染。本文通過環(huán)境監(jiān)測部門的監(jiān)測資料以及造成此次污染事件的地面氣象資料和高空氣象資料進(jìn)行綜合分析，說明此次污染物的成因、遷移和對我省的影響，從而為PM10的監(jiān)測、預(yù)警和科學(xué)研究提供參考。

1 資料來源

1.1 空氣污染物資料

2010年3月20～24日空氣污染首要污染物為PM10，PM10指數(shù)取全省9個設(shè)區(qū)市環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測到的PM10濃度進(jìn)行換算。資料來源于福建省環(huán)境保護(hù)廳環(huán)境監(jiān)測空氣質(zhì)量日報。其日均值統(tǒng)計時段為北京時間前一日12時至當(dāng)日12時止的24小時平均值。

1.2 氣象觀測資料

2010年3月20～24日氣象觀測資料來源于福建省氣象信息中心。

2 “3.22”空氣污染實(shí)況、變化特征及成因

2.1 空氣污染實(shí)況

PM10為飄浮在空氣中的當(dāng)量直徑小于10微米的顆粒物，又稱為可吸入顆粒物或飄塵，可吸入顆粒物的濃度以每立方米空氣中可吸入顆粒物的毫克數(shù)表示。PM10可由被風(fēng)揚(yáng)起的塵土產(chǎn)生，其對人體健康和大氣能見度的影響很大，PM10能夠引起一系列嚴(yán)重的心血管及呼吸道疾病[2]。

根據(jù)設(shè)區(qū)市監(jiān)測到的空氣污染物PM10指數(shù)情況（見表1），從3月21日起，寧德市的PM10指數(shù)較前一日增大了3倍，空氣質(zhì)量狀況已達(dá)中度重污染程度。南平、福州、莆田、泉州等設(shè)區(qū)市的PM10與前一日相比，也有一定程度的上升。而到了3月22日，在9個設(shè)區(qū)市城市里，PM10全部上升，除三明和龍巖兩個內(nèi)陸山區(qū)城市的PM10指數(shù)處于輕度污染外，其余7個城市更是達(dá)到了空氣污染物PM10指數(shù)儀器量程測算的最高值，也就是說這7個設(shè)區(qū)市城市的空氣污染物PM10的指數(shù)至少為500，比20日分別至少上升了2～7倍，空氣質(zhì)量狀況屬于重污染。3月23日，處于沿海的寧德和漳州PM10指數(shù)仍保持在500（或以上），福州、泉州和廈門的PM10指數(shù)雖有所下降，但空氣質(zhì)量狀況仍達(dá)到了重污染的水平，莆田空氣質(zhì)量狀況屬于中度重污染，只有龍巖、三明和南平等內(nèi)陸城市的空氣質(zhì)量狀況回落到良～輕度污染之間。到了3月24日，全省的PM10指數(shù)完全降到100以下，回落到良的范圍。根據(jù)報道，當(dāng)時福建省許多地區(qū)天空一片昏黃，空氣中彌漫著塵土的味道，露天、室內(nèi)物體的平面上均布滿了細(xì)沙和塵土。

表1 各設(shè)區(qū)市空氣污染物PM10指數(shù)表

2.2 空氣污染變化特征

全省空氣污染物PM10指數(shù)變化圖（見圖1）顯示，該次嚴(yán)重空氣污染是從21日起自北而南從沿海到內(nèi)陸開始順次影響福建省的，最先影響福建省的東北部。至22日，已全面影響福建省，處于福建省內(nèi)陸的西部地區(qū)影響程度較弱。23日從內(nèi)陸往沿海影響程度依次減弱。到24日全面結(jié)束，空氣質(zhì)量狀況已恢復(fù)到污染物入侵影響前水平。

圖1 各代表站空氣污染物PM10變化圖

2.3 空氣污染成因

沙塵天氣的形成必須具備“沙源地”這一物質(zhì)條件以及相應(yīng)的氣象條件。福建省處于我國的南方，遠(yuǎn)離沙源地，省內(nèi)森林茂密，森林覆蓋率達(dá)68.3%（二類調(diào)查），位居全國第一，再加上當(dāng)時也算不上干旱，因此，不可能由本地或附近區(qū)域形成如此大范圍嚴(yán)重的高PM10濃度空氣污染。

蒙古國南部、我國內(nèi)蒙古西部的阿拉善盟和甘肅西部等地區(qū)存在著大片廣闊荒蕪的沙漠，這里降水稀少，氣候干燥，土質(zhì)松散，多年來這里都是影響我國沙塵天氣的主要沙源地之一，本次侵襲我國沙塵天氣的塵土主要來自這些地方。進(jìn)入3月中旬，這里的氣溫明顯回升，地表溫度急劇升高至4℃～6℃，土壤全面解凍，沙塵天氣的衛(wèi)星監(jiān)測圖像顯示，主要沙塵區(qū)域的積雪已經(jīng)融化，大量裸露、松散的沙土為沙塵天氣的出現(xiàn)提供了良好的物質(zhì)條件。3月19～20日，受從西伯利亞地區(qū)東移南下的冷空氣影響，我國北方大部地區(qū)風(fēng)力普遍達(dá)到5～7級，陣風(fēng)8～9級，并出現(xiàn)了沙塵暴或強(qiáng)沙塵暴或揚(yáng)沙等天氣現(xiàn)象。其沙塵天氣過程伴有蒙古氣旋的發(fā)生，導(dǎo)致沙塵主要源地產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，強(qiáng)風(fēng)將地面的沙塵卷至高空，入侵我國冷空氣相伴隨的高空槽也明顯向南伸展，致使我國東部地區(qū)高空西北氣流加強(qiáng)。因高空風(fēng)力大（風(fēng)速達(dá)到40米/秒），裹著沙塵的空氣沿途逗留時間短，途中沙塵沉降少、損耗小，隨著高空上下一致的西北氣流向東南長驅(qū)直入，直撲我國中、東部，造成我國中、東部大部分地區(qū)出現(xiàn)揚(yáng)沙或浮塵的天氣。3月20日，500百帕、700百帕東亞大槽繼續(xù)加強(qiáng)并東移南伸，20時槽線已移出我國大陸，我國整個中、東部高空均在槽后的西北氣流控制之下。3月21～22日，隨著沙塵天氣向東南繼續(xù)擴(kuò)散，導(dǎo)致福建省“3.22”嚴(yán)重空氣污染事件的發(fā)生。受山脈和低層氣流從偏東路徑侵入的影響，這次沙塵天氣主要經(jīng)福建省沿海上空自北而南從沿海到內(nèi)陸影響福建省，對福建省西部地區(qū)影響較小。

3 天氣現(xiàn)象實(shí)況及要素變化特征

3.1 天氣現(xiàn)象實(shí)況

根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范定義，浮塵是指塵土、細(xì)沙均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0km的視程障礙現(xiàn)象[3]。浮塵多為遠(yuǎn)處塵沙經(jīng)上層氣流傳播而來，俗稱“落黃沙”，或?yàn)樯硥m暴、揚(yáng)沙出現(xiàn)后尚未下沉的細(xì)粒浮游空中而成。嚴(yán)重的會在水平面上形成一層灰塵，所以浮塵對PM10濃度的貢獻(xiàn)很大[4]。出現(xiàn)浮塵時相對濕度會比較低，當(dāng)高空浮塵下傳時，相對濕度會迅速下降[5]。浮塵對能見度變化的影響較快，當(dāng)浮塵由上層氣流傳播而來時，風(fēng)力一般較強(qiáng)，影響范圍大，垂直能見度較差[6]。

據(jù)福建省氣象觀測站所記錄的霾和浮塵資料統(tǒng)計，3月20日僅有1個站記有霾。從3月21日開始，全省記有霾和浮塵的站數(shù)開始陡增，其站數(shù)為39個，占全省總站數(shù)的57%。3月22日記有霾和浮塵的站數(shù)達(dá)到最多，為44個，占全省總站數(shù)的64%。3月23日仍有16個站記有霾和浮塵，占全省總站數(shù)的23%。從3月24日起恢復(fù)平常狀態(tài)，未再出現(xiàn)霾和浮塵。根據(jù)這些霾和浮塵所出現(xiàn)的時段與全省各環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測到的PM10指數(shù)所出現(xiàn)的時段比較，兩者之間存在著對應(yīng)關(guān)系，呈正相關(guān)。參考劉從容[7]、趙惠芳[8]等的研究分析，產(chǎn)生這次PM10指數(shù)猛增達(dá)到嚴(yán)重污染的污染物所屬的天氣現(xiàn)象應(yīng)為由北方出現(xiàn)的沙塵暴和揚(yáng)沙隨高空西北氣流向東南擴(kuò)散下來的浮塵，其所記載的霾，也應(yīng)屬沙塵天氣影響，按浮塵考慮。這次空氣污染過程中，福建的西部地區(qū)影響較輕，全省有23個站未記有霾或浮塵。

3.2 地面要素變化特征

這次沙塵天氣首先影響的是福建省東北邊的福鼎市，該地在3月20日23時后，濕度迅速下降。從3月21日6時起風(fēng)向偏東，風(fēng)力1～2級，持續(xù)至21時，21時起轉(zhuǎn)為偏北，風(fēng)力在靜風(fēng)到1級之間，3月21日極大風(fēng)速為4.7米/秒，風(fēng)向東南，出現(xiàn)時間為13時57分。3月21日平均相對濕度56%，比前一日偏小20%，最小相對濕度34%，比前一日偏小16%，屬顯著下降。3月21日5時41分，能見度開始小于10.0千米，天氣現(xiàn)象記浮塵，一直持續(xù)至3月22日12時20分。3月21日3時起，福建省最南端的東山開始吹東風(fēng)，風(fēng)力2級，7時風(fēng)向轉(zhuǎn)東北風(fēng)，風(fēng)力突然增大到5～6級，9時13分出現(xiàn)8級大風(fēng)。9時后相對濕度迅速下降，當(dāng)日平均相對濕度58%，比前一日偏小11%，最小相對濕度31%，比前一日偏小15%，顯著下降。14時能見度記3.0千米，比前一日14時下降了29.0千米，天氣現(xiàn)象記霾（根據(jù)綜合分析，應(yīng)屬浮塵）。而位于福建省西部的長汀縣因處于內(nèi)陸山區(qū)，雖然22日相對濕度和最小相對濕度也有大幅減小，分別比3月21日偏小15%和10%，但3月21日、3月22日風(fēng)向以偏南風(fēng)為主，風(fēng)力僅1級左右，垂直能見度不會很差，天空雖也昏黃，遠(yuǎn)物呈土黃色，大陽呈淡黃色，但其程度較輕，未出現(xiàn)視程障礙現(xiàn)象。

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)空氣污染事件污染物實(shí)況、變化特征及成因，結(jié)合當(dāng)時的天氣實(shí)況及其變化特征分析，2010年3月21日～23日嚴(yán)重影響福建省空氣污染的污染物為來自北方強(qiáng)冷空氣引起的沙塵暴和揚(yáng)沙過后其尚未下沉的塵土和細(xì)沙隨高空氣流進(jìn)入福建省的浮塵。此次沙塵天氣對福建的影響，入侵時迅速，消散時也迅速。

4.2 福建省地處我國的南方，森林履蓋率高，不可能由本地形成大范圍的高PM10濃度的空氣污染。要形成大范圍的高PM10濃度的空氣污染，必定是由北方強(qiáng)冷空氣引起的沙塵暴、揚(yáng)沙經(jīng)上層氣流南下傳播而來的浮塵。對于福建省來說，浮塵天氣多出現(xiàn)在春季的三四月份。

[1] 空氣污染指數(shù)范圍及相應(yīng)的空氣質(zhì)量類別表[EB/OL]. http://environment. fudan.edu.cn/CACS/API.htm

[2] Fuentes M, Song H R, Ghosh S K, et al. Spatial association between speciated fine particles and mortality [J]. Biometrics,2006, 62 (5) : 855-863.

[3] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.

[4] 易仕明.略談輕霧、霾、浮塵、煙幕[J].氣象，1982(11)：25-28.

[5] 楊志彪，張本正，汪孝清，等.地面氣象觀測員基本業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)課程[EB/OL]. 中國氣象局遠(yuǎn)程教育網(wǎng)，2010.

[6] 余小平. 霾與浮塵的區(qū)別及觀測記錄[J]. 江西氣象科技，1994(4)：36-37.

[7] 劉從容.沙塵天氣對環(huán)境空氣中PM10影響分析[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2005，31(2)：44-46.

[8] 趙惠芳，洪志聰，施俊岳，等.一次引起晉江市空氣質(zhì)量重污染事件的天氣現(xiàn)象分析[J]. 福建氣象，2010(4)：58-61.