北京市氣象局 佘 峰

蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 陶 燕

沙塵天氣對(duì)大氣環(huán)境和人體健康的影響

Impact of sand and dust weather on atmospheric environment and human health

北京市氣象局 佘 峰

蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 陶 燕

沙塵天氣概述

沙塵天氣是指大風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中或被高空氣流帶到下游地區(qū)而造成大氣混濁、水平能見(jiàn)度明顯下降的一種天氣現(xiàn)象的統(tǒng)稱。

沙塵來(lái)源

全球范圍內(nèi)約1/4的陸地遭到沙漠化的危害，有4大沙塵暴多發(fā)區(qū)，分別位于北美、澳大利亞、中亞以及中東地區(qū)，我國(guó)作為中亞多發(fā)區(qū)的一部分，主要多發(fā)于北方尤其是西北地區(qū)。

我國(guó)沙塵來(lái)源根據(jù)沙塵暴發(fā)生源地，分為境外源和國(guó)內(nèi)源，其中70%左右為來(lái)自蒙古國(guó)的境外源。由于沙塵天氣發(fā)生過(guò)程極為復(fù)雜，選擇的研究對(duì)象和研究方法不同，沙塵來(lái)源不盡相同，但總體來(lái)講，沙塵天氣的來(lái)源主要為沙漠和戈壁，其中包括塔克拉瑪干沙漠、蒙古國(guó)、柴達(dá)木盆地、內(nèi)蒙古東部沙地（渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地）、內(nèi)蒙古西部沙地（巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地和烏蘭布和沙漠），此外，黃土高原、沙漠化嚴(yán)重的農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)以及干涸湖床沉積物對(duì)我國(guó)沙塵天氣也存在一定的“貢獻(xiàn)”。

不同來(lái)源的沙塵對(duì)我國(guó)的影響區(qū)域有所不同，一般影響我國(guó)沙塵天氣路徑有西北路徑、偏西路徑和偏北路徑，其中西北路徑又分為兩條，一條起源于蒙古高原中西部或內(nèi)蒙古西部的阿拉善高原，主要影響我國(guó)的西北和華北地區(qū)，一條起源于蒙古國(guó)南部或內(nèi)蒙古中西部，主要影響西北地區(qū)東部、華北北部及東北大部；偏西路徑起源于蒙古國(guó)西南部的戈壁和內(nèi)蒙古西部的沙漠，主要影響西北和華北；偏北路徑起源于蒙古國(guó)烏蘭巴托以南的廣大地區(qū)，主要影響西北地區(qū)東部、華北大部及東北南部。

沙塵天氣等級(jí)

2006年由中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)檢總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)發(fā)布的《沙塵暴天氣等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)沙塵天氣的等級(jí)進(jìn)行了規(guī)定。

按照沙塵天氣發(fā)生時(shí)的水平能見(jiàn)度劃分為5個(gè)等級(jí)。

浮塵——無(wú)風(fēng)或平均風(fēng)速≤3 m/s，水平能見(jiàn)度小于10 km；

揚(yáng)沙——風(fēng)將地面塵沙吹起，使空氣相當(dāng)混濁，水平能見(jiàn)度在1～10 km；

沙塵暴——強(qiáng)風(fēng)將地面塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見(jiàn)度小于1 km；

強(qiáng)沙塵暴——風(fēng)速介于17.2 m/s～24.5 m/s的大風(fēng)即將地面塵沙吹起，使空氣非?；鞚?，水平能見(jiàn)度小于500 m；

特強(qiáng)沙塵暴——風(fēng)速＞24.5 m/s的狂風(fēng)即將地面塵沙吹起，使空氣特別混濁，水平能見(jiàn)度小于50 m。

沙塵天氣的監(jiān)測(cè)

為提高沙塵暴預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)預(yù)警、減緩沙塵暴的影響，依據(jù)《中華人民共和國(guó)氣象法》和《中華人民共和國(guó)防沙治沙法》，由中國(guó)氣象局牽頭編制，于2006年由國(guó)家質(zhì)檢總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《沙塵暴天氣監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB/T20479-2006），使得我國(guó)對(duì)于沙塵天氣的監(jiān)測(cè)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化階段。主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含：能見(jiàn)度、30 μm氣溶膠（PM30）粒子濃度、PM10濃度、大氣降塵、淺層土壤濕度及地面風(fēng)速等。

沙塵天氣時(shí)空分布

（1）空間分布

我國(guó)沙塵天氣主要發(fā)生在干旱半干旱（年平均降水量小于400 mm）的北方地區(qū)，從西北大部分地區(qū)經(jīng)華北到東北地區(qū)西部形成條帶狀，總體呈現(xiàn)為西北多發(fā)于東北地區(qū)，平原或盆地多發(fā)于山區(qū)，沙漠及邊緣多發(fā)于其它地區(qū)。多發(fā)區(qū)主要集中在兩大區(qū)域：一是位于南疆盆地的塔克拉瑪干沙漠及其周邊，年平均沙塵暴日數(shù)超過(guò)20天；二是巴丹吉林沙漠、河西走廊、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠及其周邊地區(qū)，年平均沙塵暴日數(shù)超過(guò)15天（圖1）。

諸多研究表明，春季是我國(guó)沙塵天氣的多發(fā)季節(jié)，但不同等級(jí)的沙塵天氣在春季呈現(xiàn)出不同的空間分布。春季沙塵暴多發(fā)區(qū)在塔里木盆地及其周邊地區(qū)、柴達(dá)木盆地西部、河西走廊、阿拉善高原、河套平原、鄂爾多斯高原和西藏高原局部地區(qū)，年平均日數(shù)均大于5天，其中兩個(gè)高發(fā)中心在塔里木盆地及其周邊地區(qū)和阿拉善高原及河西走廊東北部，年平均日數(shù)均超過(guò)10天。與沙塵暴發(fā)生頻次相比，出現(xiàn)揚(yáng)塵和浮塵的區(qū)域進(jìn)一步向東、向南擴(kuò)展，但高頻中心仍在塔里木盆地及其周邊地區(qū)，其年平均最高值達(dá)76天（圖2）。

（2）時(shí)間分布

沙塵天氣的發(fā)生由于受到氣候特征的影響具有明顯的時(shí)間變化規(guī)律，1951－2012年期間我國(guó)北方沙塵天氣總體呈下降趨勢(shì)，以20世紀(jì)50年代呈增加趨勢(shì)，60～70年代發(fā)生頻繁，1980－1997年呈顯著下降趨勢(shì)，1998－2002年有所回升，2003－2005年急劇減少，2006年又大幅增加，2007－2012年又逐漸下降，近15年以來(lái)，我國(guó)沙塵天氣過(guò)程的年平均次數(shù)不到15次。

沙塵天氣具有明顯的季節(jié)變化特征，春季沙塵天氣最多，約占全年的一半，夏季次之，秋季最少；按照月份來(lái)看，沙塵天氣則體現(xiàn)為3～4月份發(fā)生頻率最高，5月份次之，9月份最低，從1961－2006年各月沙塵暴日數(shù)占全年的百分比看，4月最多，占全年22.7%，5月次之，占16.8%，10月最低，僅為1.8%（圖3）。此外，研究表明年沙塵天氣有一定的日變化特征，主要發(fā)生在午后至傍晚之間，清晨到中午期間發(fā)生的相對(duì)較少。

圖1 1961－2006年我國(guó)年沙塵暴日數(shù)

圖2 1951－2000年春季年平均沙塵天氣日數(shù)分布圖（A.沙塵暴 B.沙塵天氣）

圖3 中國(guó)各月沙塵暴日數(shù)占全年的百分比（1961－2006年平均）

沙塵天氣的影響

對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響

沙塵天氣的發(fā)生主要導(dǎo)致大氣環(huán)境中顆粒物濃度在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，水平能見(jiàn)度下降。不僅如此，沙塵顆粒物可長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中并經(jīng)長(zhǎng)距離輸送。有研究顯示，亞洲沙塵天氣的沙塵僅約30%沉降在沙漠地區(qū)，20%遷移到其他地區(qū)，其余50%能夠長(zhǎng)距離輸送到我國(guó)海區(qū)乃至韓國(guó)、日本甚至到達(dá)北太平洋。

沙塵天氣發(fā)生時(shí)，對(duì)大氣環(huán)境最顯著影響為水平能見(jiàn)度急劇下降。離沙塵源地越近能見(jiàn)度下降越明顯，新疆和內(nèi)蒙古等地區(qū)在發(fā)生沙塵天氣時(shí)能見(jiàn)度下降最明顯。如2013年4月17日，新疆兵團(tuán)多地遭遇強(qiáng)沙塵暴，局地能見(jiàn)度不足20 m；2014年5月22日，南疆盆地發(fā)生當(dāng)年第七次沙塵天氣過(guò)程，多地出現(xiàn)能見(jiàn)度不足500 m的強(qiáng)沙塵暴；2015年3月4日，新疆地處塔克拉瑪干南源某兵團(tuán)遭受強(qiáng)烈沙塵暴襲擊，能見(jiàn)度不足5 m；2015年4月27日上午，烏魯木齊市出現(xiàn)沙塵天氣，能見(jiàn)度下降至不足100 m。2014年4月23日，內(nèi)蒙古西部額濟(jì)納旗遭遇強(qiáng)沙塵天氣侵襲，能見(jiàn)度不足300 m，2015年5月16日的強(qiáng)沙塵暴天氣，使該地能見(jiàn)度不足10 m。

近沙塵源區(qū)的甘肅西部地區(qū)及寧夏等地飽受沙塵肆虐，如2010年4月24日敦煌、酒泉、張掖、民勤等地出現(xiàn)沙塵暴，其中民勤出現(xiàn)特強(qiáng)沙塵暴，其能見(jiàn)度接近0 m；2014年4月23日下午14時(shí)，甘肅敦煌遭遇一場(chǎng)特強(qiáng)沙塵天氣，市區(qū)瞬間白晝變黑天，能見(jiàn)度小于50 m；2015年5月5日16時(shí)，甘肅河西酒泉市瓜州縣境內(nèi)出現(xiàn)沙塵暴天氣，能見(jiàn)度同樣不足50 m。2013年3月9日，寧夏銀川市出現(xiàn)揚(yáng)沙或浮塵天氣，使許多高速公路路段能見(jiàn)度不足100 m，部分路段低于50 m；2011年3月17日，青海格爾木夜間出現(xiàn)沙塵暴，能見(jiàn)度最低時(shí)僅為10 m。

首都北京也不可避免地遭受沙塵天氣的影響，1971－2000年北京及其沙塵天氣發(fā)生頻率與能見(jiàn)度的研究表明，沙塵天氣發(fā)生頻率減少1次，能見(jiàn)度方差就會(huì)增強(qiáng)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。1999年10月5日產(chǎn)生的局地重污染，市區(qū)能見(jiàn)度不足1 km，2000年4月6日和2002年3月20日發(fā)生的沙塵暴，使北京市的能見(jiàn)度不足50 m，2010年3月19～20日沙塵天氣使北京市區(qū)能見(jiàn)度平均在5～10 km，2011年4月30日上午10點(diǎn)，北京遭受沙塵天氣影響，能見(jiàn)度只有1～2 km；2015年4月15日北京遭遇13年來(lái)最強(qiáng)沙塵暴天氣，能見(jiàn)度急劇下降，部分路段能見(jiàn)度小于1 km。

而遠(yuǎn)離沙塵源區(qū)的區(qū)域同樣受到沙塵天氣的影響，如 2010年3月23日，深圳受沙塵天氣影響，城市最低能見(jiàn)度僅3 km，由此可見(jiàn)，沙塵天氣的影響遠(yuǎn)超出公眾的認(rèn)識(shí)。

沙塵天氣對(duì)大氣環(huán)境的另一個(gè)顯著影響為大氣中顆粒物的急劇增加，且粗顆粒物增加更為顯著，從而影響空氣質(zhì)量。沙塵天氣發(fā)生時(shí)，會(huì)造成下游城市中顆粒物污染程度加重，空氣質(zhì)量惡化，根據(jù)距沙源地遠(yuǎn)近的不同，沙塵天氣對(duì)城市的影響也有所不同。1993年“5·5”特強(qiáng)沙塵暴，甘肅金昌市室外空氣中TSP高達(dá)1016 mg/m3，室內(nèi)為80 mg/m3，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)40倍。2015年4月27日上午9時(shí)，烏魯木齊市出現(xiàn)沙塵天氣，PM10濃度水平達(dá)到998 mg/m3。2006年4月5～15日，蘭州市發(fā)生沙塵天氣，沙塵日之前，城市空氣質(zhì)量為良或輕度污染，10日受強(qiáng)沙塵天氣影響PM10迅速升高到1860 μg/m3，是重度污染的4.43倍，11日隨著沙塵天氣的結(jié)束，PM10日均濃度迅速降低到131 mg/m3，空氣質(zhì)量恢復(fù)為良。2008年4月17～23日，在塔克拉瑪干沙漠腹地測(cè)定沙塵暴期間TSP和PM10濃度，可以看出，TSP和PM10在經(jīng)歷浮塵——揚(yáng)塵和浮塵——沙塵暴——揚(yáng)塵和浮塵——浮塵的過(guò)程中，分別由716.8 μg/m3和445.7 μg/m3——5531.4 μg/m3和1095.0 μg/m3——11879.9 μg/m3和4614.5 μg/m3——3068.8 μg/m3和2693.2 μg/m3——1331.9 μg/m3和1014.6 μg/m3——1100.5 μg/m3和941.1 μg/m3，即由低到高，再降低。2009年4月23～24日甘肅發(fā)生一次大范圍的沙塵天氣，其中敦煌發(fā)生了特強(qiáng)沙塵暴，蘭州空氣質(zhì)量迅速達(dá)到重度污染，沙塵天氣當(dāng)日PM10日平均濃度超過(guò)600 μg/ m3，PM10最大濃度高達(dá)5450 μg/m3，次日PM10日平均濃度仍為546 μg/m3。

2008年4～6月北京沙塵天氣期間，PM10和PM2.5的濃度分別比非沙塵期增加171.1%和17.2%，阿拉善盟的則分別增加166.7%和105.4%。2012年4月27～29日北京地區(qū)的沙塵天氣，使得PM10最高日均值達(dá)到755.54 μg/m3，不僅如此PM10中的有機(jī)碳、硝酸根和硫酸根濃度遠(yuǎn)高于非沙塵期間。2015年4月15日，北京受沙塵天氣影響，PM10由17時(shí)128 μg/m3急劇上升到18時(shí)的445 μg/m3。2011年4月28日～5月18日，遠(yuǎn)離沙塵源區(qū)的上海市受沙塵天氣影響，沙塵天氣期間PM10和PM2.5的濃度明顯高于非沙塵天氣，最高日均濃度分別達(dá)787.2 μg/m3和139.5 μg/m3。由此可見(jiàn)，沙塵天氣對(duì)大氣顆粒物的貢獻(xiàn)不容忽視。

我國(guó)北方環(huán)保重點(diǎn)城市大氣的研究成果表明，沙塵天氣對(duì)中國(guó)北方城市顆粒物污染的影響范圍之廣、程度之大，值得我們關(guān)注，其中春季顆粒物高污染狀況與沙塵天氣的關(guān)系更為密切，不同城市受沙塵影響的程度也不同，而各地受污染的程度從沙塵暴中心區(qū)向外圍逐漸減輕，在上游沙塵輸送的作用下，即使在遠(yuǎn)離沙塵源地的地區(qū)，沙塵天氣依然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要影響。

對(duì)人體健康的影響

近年來(lái)，沙塵天氣與人體健康的關(guān)系受到公眾的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此開(kāi)展了初步研究，發(fā)現(xiàn)沙塵天氣尤其是沙塵暴，既對(duì)人體健康產(chǎn)生急性健康效應(yīng)，引起呼吸系統(tǒng)、心腦血管以及過(guò)敏性疾病等的發(fā)病與死亡，也可能引起非職業(yè)性塵肺即沙塵肺或沙漠肺的慢性健康效應(yīng)。沙塵天氣對(duì)人體健康的影響，一方面與沙塵顆粒的粒徑大小有關(guān)，粒徑越小越易進(jìn)入呼吸系統(tǒng)深部甚至循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)人體健康的危害也越大；另一方面，沙塵顆粒在傳輸過(guò)程中，吸附傳輸路徑中重金屬、有機(jī)物、花粉、細(xì)菌、病毒等有毒有害成分，并與沿途的大氣成分發(fā)生復(fù)雜的相互作用，從而危害人體健康。

特強(qiáng)沙塵暴會(huì)導(dǎo)致巨大的損失及人員傷亡。1993年5月5日的特大沙塵暴使甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古部分地區(qū)遭受巨大損失，85人死亡，31人失蹤，264人傷殘；1998年4月19日，新疆北部和東部吐鄯托盆地遭特大風(fēng)沙災(zāi)害，造成6人死亡、44人失蹤何256人受傷；2000年3月27日，沙塵暴襲擊北京城，正在樓頂施工的7名工人被大風(fēng)刮下，2人當(dāng)場(chǎng)死亡；2002年4月5～9日，內(nèi)蒙古、河北及遼寧等地部分地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴，致使內(nèi)蒙古9人死亡；2010年4月24～25日，新疆及甘肅部分地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴或特強(qiáng)沙塵暴，其中吐魯番地區(qū)災(zāi)害嚴(yán)重，造成3人死亡，1人失蹤。

不僅如此，沙塵天氣的頻發(fā)使得大氣中顆粒物濃度增加，粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物（PM10）可通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體，導(dǎo)致人群死亡率、不同疾病尤其是呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病的患病率（急診人數(shù)、住院人數(shù)）增加。輕者可發(fā)生鼻咽部干燥發(fā)癢、咳嗽、打噴嚏、皮膚和眼睛的刺激癥狀，重者可導(dǎo)致鼻炎、感冒、急性支氣管炎、急性肺炎等，如果長(zhǎng)期生活在沙塵天氣多發(fā)地區(qū)，可導(dǎo)致慢性阻塞性肺?。灾夤苎住⑾龋┖蜕衬畨m肺等。我國(guó)調(diào)查新疆部分地區(qū)居住長(zhǎng)達(dá)30年以上的居民，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與生活在揚(yáng)沙、浮塵環(huán)境密切相關(guān)的非職業(yè)性塵肺或沙塵肺患者占一定比例。

1991年，在美國(guó)華盛頓地區(qū)發(fā)生沙塵暴2天時(shí)間里，鼻竇炎和支氣管炎的急診量分別增加4.5%和3.5%；芝加哥庫(kù)克縣的研究發(fā)現(xiàn)，在沙塵天氣期間，心肌梗塞和急性腦血管的意外的病例分別增加2.5倍和1倍，心絞痛和心律不齊增加了50%，死亡增加了20%；在德克薩斯州沙塵天氣引起急性支氣管炎住院人數(shù)的增加。

澳大利亞研究顯示，由風(fēng)蝕土壤引起的沙塵暴是導(dǎo)致該國(guó)200萬(wàn)人哮喘的元兇。意大利的研究表明，沙塵期間，呼吸系統(tǒng)疾病死亡的人數(shù)增加22%。西班牙研究了撒哈拉沙塵期間PM2.5～10每天增加10 μg/m3，死亡人數(shù)則增加8.4%，而非沙塵期間則僅增加1.4%。我國(guó)沙塵期間總死亡、老年人群死亡及心血管疾病死亡人數(shù)增加1.9%～4.5%，心肺疾病急診人次、肺炎住院人數(shù)及中風(fēng)在沙塵期較非沙塵期明顯增加。

在沙塵天氣高發(fā)的河西走廊民勤縣，沙塵天氣使得因呼吸系統(tǒng)疾?。òㄉ虾粑栏腥?、肺炎等）住院的人數(shù)比非沙塵期間增加14%～28%；甘肅武威沙塵天氣研究發(fā)現(xiàn)，沙塵天氣期間的PM10可引起居民多種心血管系統(tǒng)疾病門診人數(shù)明顯增多；蘭州市春季沙塵天氣的研究表明，沙塵天氣使得呼吸系統(tǒng)疾病的入院人數(shù)比非沙塵期增加11.9%～26.6%，其中老年人群增加最多。

應(yīng)對(duì)沙塵天氣的防災(zāi)減災(zāi)措施

（1）恢復(fù)植被，加強(qiáng)生物防護(hù)體系的構(gòu)建

在沙塵多發(fā)的北方尤其是西北和華北地區(qū)，進(jìn)一步推進(jìn)退耕還林還草，并對(duì)宜林的荒山荒地進(jìn)行人工造林種草，從而遏制沙漠?dāng)U大化及沙塵大范圍的輸送。同時(shí)在綠洲周邊營(yíng)造防風(fēng)防沙的生物防護(hù)體系，控制和減少沙塵天氣尤其是沙塵暴對(duì)綠洲的危害。

（2）建立完善的沙塵預(yù)測(cè)預(yù)警體系

為減少沙塵天氣尤其是沙塵暴所造成的災(zāi)害性影響，我國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)在2012年批準(zhǔn)發(fā)布了《沙塵暴天氣預(yù)警》，但沙塵天氣的預(yù)測(cè)預(yù)警依然是建立在沙塵發(fā)生后經(jīng)過(guò)對(duì)沙塵的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)沙塵未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，導(dǎo)致預(yù)測(cè)預(yù)警的滯后性明顯，因此需要相關(guān)部門加強(qiáng)并完善預(yù)測(cè)預(yù)警體系，真正指導(dǎo)防沙減災(zāi)工作。

（3）加強(qiáng)宣傳力度，提高公眾防沙減災(zāi)意識(shí)

建立多層次、全方位的宣傳體系，根據(jù)沙塵發(fā)生的時(shí)空分布特點(diǎn)、沙塵對(duì)人體健康的危害等有針對(duì)性的進(jìn)行宣傳，如在我國(guó)西北、華北等地，在春季沙塵多發(fā)期，進(jìn)行全方位包括多種媒體、政府相關(guān)部門甚至社區(qū)等進(jìn)行宣傳，提高民眾的防沙意識(shí)。如在沙塵天氣里，盡量減少外出，尤其是老年人、兒童和體弱多病者；及時(shí)關(guān)閉門窗并采取必要的防范措施；外出必須做好個(gè)人防護(hù)以減少對(duì)健康的損傷；交通運(yùn)輸工作減速慢行甚至停運(yùn)以減少不必要的損失。