劉筱冉,王金艷,2*,邱繼勇,3,李全喜,董繼元,魏林波

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沙塵天氣對(duì)蘭州市大氣污染物置換和疊加作用

劉筱冉1,王金艷1,2*,邱繼勇1,3,李全喜1,董繼元4,魏林波1

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué),半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000；3.中國人民解放軍95871部隊(duì),湖南 衡陽 421000；4.蘭州大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

本文分析了2014~2015年蘭州市春季沙塵天氣期間顆粒污染物PM10、PM2.5及氣態(tài)污染物SO2、NO2、CO和O3質(zhì)量濃度的演變規(guī)律.結(jié)果表明,沙塵天氣造成PM10和PM2.5濃度上升,而SO2、NO2和CO濃度表現(xiàn)為降低(置換型)或升高(疊加型),O3濃度受沙塵天氣影響不明顯.置換型的PM10和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為1086.9和286μg/m3,SO2、NO2和CO平均質(zhì)量濃度分別為16.7、41.0和1.02×103μg/m3.疊加型的PM10和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為383.2和116.2μg/m3,SO2、NO2和CO平均質(zhì)量濃度分別為24.5、49.1和1.19×103μg/m3.置換型的PM10和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為疊加型的2.8和2.4倍,疊加型的SO2、NO2和CO平均質(zhì)量濃度分別為置換型的1.47、1.2和1.17倍.置換型對(duì)應(yīng)的氣象條件為近地面東北方向大風(fēng)、顯著降溫和高壓,即強(qiáng)冷空氣活動(dòng)時(shí),PM10和PM2.5濃度上升,而SO2、NO2和CO濃度顯著減小,沙塵源地主要為塔克拉瑪干沙漠和青藏高原北部地區(qū),影響氣流多為1500~6000m高空西北氣流.疊加型則為近地面東北風(fēng)向弱風(fēng),氣溫和氣壓無明顯波動(dòng),即弱冷空氣活動(dòng)時(shí),初期PM10和PM2.5濃度上升,同時(shí)SO2、NO2和CO濃度略下降,而后PM10和PM2.5維持高值時(shí)SO2、NO2和CO濃度亦上升,沙塵源地主要為巴丹吉林沙漠,影響氣流多為1500m以下低空西北氣流.

沙塵天氣；蘭州市；大氣污染物；置換；疊加

沙塵天氣作為一種災(zāi)害性天氣,分為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴四類.沙塵天氣不僅對(duì)空氣質(zhì)量、人類健康和交通安全等造成嚴(yán)重影響,而且對(duì)區(qū)域和全球氣候變化產(chǎn)生重要改變[1-7].蘭州市由于地處西北沙塵暴多發(fā)區(qū)的下風(fēng)方向,春季常受到上游頻發(fā)的沙塵天氣影響,導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量在一定程度上出現(xiàn)惡化[8-13].已有研究發(fā)現(xiàn),春季河西走廊的沙塵活動(dòng)使蘭州市沙塵影響日PM10濃度增加數(shù)倍[11].通過計(jì)算潛在貢獻(xiàn)因子和濃度權(quán)重軌跡,得出影響蘭州市春季PM10濃度的潛在源區(qū)和不同源區(qū)對(duì)蘭州市春季PM10濃度貢獻(xiàn)的差異[12].此外,根據(jù)2002~2011年蘭州市大氣污染數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)蘭州市春季沙塵污染期間,PM10濃度急劇升高,而NO2和SO2濃度則明顯下降[13].

目前已經(jīng)有大量學(xué)者做了沙塵天氣對(duì)大氣污染物影響的個(gè)例研究,認(rèn)為沙塵天氣對(duì)不同類型污染物濃度的影響存在差異[14-24].本文結(jié)合以往的研究成果,利用2014和2015年蘭州市春季空氣質(zhì)量逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),深入探討了沙塵天氣對(duì)顆粒污染物PM10、PM2.5及氣態(tài)污染物SO2、NO2、O3、CO質(zhì)量濃度變化的影響,并歸納總結(jié)出兩種類型,為空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、預(yù)警和改善蘭州市大氣環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù).

1 資料與方法

本文所用資料為2014和2015年蘭州市春季3~5月份空氣質(zhì)量逐小時(shí)監(jiān)測(cè)資料、中川機(jī)場(chǎng)逐小時(shí)氣象觀測(cè)資料和中國氣象局氣象觀測(cè)資料.其中空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)資料來源于蘭州市職工醫(yī)院、蘭煉賓館、榆中蘭大校區(qū)、生物制品所和鐵路設(shè)計(jì)院共5個(gè)監(jiān)測(cè)站,包括PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3逐小時(shí)濃度資料,數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性高,對(duì)所有站點(diǎn)各污染物的小時(shí)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均,得到各變量的日均濃度和時(shí)均濃度,進(jìn)而分析蘭州市大氣污染狀況.

中川機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)資料包括逐小時(shí)氣溫、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速,通過分析沙塵天氣日、前一日和后一日氣溫和氣壓距平值的逐時(shí)變化特征,研究氣溫和氣壓的演變規(guī)律.距平值計(jì)算公式如下:

中國氣象局氣象觀測(cè)資料包括逐日每3h(北京時(shí)間02:00、05:00、08:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00)共8次地面天氣現(xiàn)象觀測(cè)記錄,其中天氣現(xiàn)象代碼06(浮塵)、07和08(揚(yáng)沙)、(09和30~32)沙塵暴、(33~35)強(qiáng)沙塵暴,1天中某個(gè)觀測(cè)時(shí)次出現(xiàn)浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴4類天氣現(xiàn)象中的一種,即判定為1個(gè)沙塵天氣日.

2 結(jié)果與討論

2.1 蘭州市春季沙塵天氣統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)中國氣象局氣象觀測(cè)資料中春季沙塵天氣現(xiàn)象的記錄分析得知,2014年蘭州市共出現(xiàn)沙塵天氣5次,其中浮塵5次,無揚(yáng)沙和沙塵暴出現(xiàn).2015年共出現(xiàn)14次,其中浮塵9次,揚(yáng)沙5次,無沙塵暴出現(xiàn).

2.2 蘭州市春季空氣質(zhì)量狀況

圖1為2015年蘭州市春季顆粒污染物PM10、PM2.5及氣態(tài)污染物SO2、NO2、CO和O3質(zhì)量濃度日均濃度值變化.對(duì)2014(圖略)和2015年春季共19次沙塵天氣進(jìn)行普查,發(fā)現(xiàn)沙塵天氣造成PM10和PM2.5濃度上升,對(duì)O3濃度變化無明顯影響,而SO2、NO2和CO濃度有偏低和偏高兩種情況.將沙塵天氣過程對(duì)SO2、NO2和CO影響的這兩種情況進(jìn)行分類,沙塵天氣初期,PM10和PM2.5濃度上升,SO2、NO2和CO濃度則下降,沙塵天氣后期,PM10和PM2.5下降到較低濃度時(shí),SO2、NO2和CO濃度逐漸上升,這種分為置換型.沙塵天氣初期,PM10和PM2.5濃度上升,SO2、NO2和CO濃度先略下降,PM10和PM2.5濃度維持高值時(shí),SO2、NO2和CO濃度上升,這種分為疊加型.

圖1 2014年和2015年蘭州市3~5月份PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3日均濃度值變化

陰影部分代表沙塵天氣發(fā)生日、前一日和后一日

2.3 沙塵天氣期間污染物濃度的變化特征

表1列出了置換型和疊加型出現(xiàn)時(shí)間及氣象要素和污染物濃度變化特征,通過對(duì)比分析,置換型發(fā)生頻次多于疊加型,浮塵和揚(yáng)沙天氣均有出現(xiàn)置換型和疊加型.對(duì)于氣象要素,置換型的最大風(fēng)速、最大氣壓差和最大氣溫差均偏高于疊加型,說明影響置換型沙塵天氣過程的冷空氣強(qiáng)度比疊加型的大.對(duì)于顆粒污染物,置換型的PM10濃度變化范圍為345~2576.8μg/m3,平均值為1086.9μg/m3,而疊加型的變化范圍為230.2~ 652μg/m3,平均值為383.2μg/m3;置換型的PM2.5濃度變化范圍為84.6~752.6μg/m3,平均值為286μg/m3,而疊加型的變化范圍為63.8~197.7μg/ m3,平均值為116.2μg/m3,置換型的PM10和PM2.5平均濃度值分別為疊加型的2.8倍和2.4倍.由此可見,置換型的PM10和PM2.5濃度明顯偏高于疊加型.對(duì)于氣態(tài)污染物,置換型的SO2濃度平均值為16.7μg/m3,疊加型的為24.5μg/m3,置換型的NO2濃度平均值為41.0μg/m3,疊加型的為49.1μg/m3,置換型的CO濃度平均值為1.02× 103μg/m3,疊加型的為1.19×103μg/m3,疊加型的SO2、NO2和CO平均質(zhì)量濃度分別為置換型的1.47、1.2和1.17倍.可以看出,SO2、NO2和CO濃度在置換型沙塵天氣過程中普遍偏低于疊加型.

為進(jìn)一步分析置換型和疊加型沙塵天氣過程對(duì)空氣質(zhì)量的影響選取兩次典型的置換型和疊加型沙塵天氣個(gè)例進(jìn)行詳細(xì)探討,并分析了兩種天氣過程的氣象條件和影響源地.

程對(duì)空氣質(zhì)量的影響,選取兩次典型的置換型和

2.3.1 置換型

(1)2014年4月23~25日沙塵個(gè)例分析 2014年4月23日,新疆南部、甘肅西北部地區(qū)相繼出現(xiàn)自西向東逐漸推移的沙塵天氣,24日上午蘭州市出現(xiàn)浮塵天氣,空氣質(zhì)量為嚴(yán)重污染水平.

從圖2可以看出,此次沙塵天氣過程PM10和PM2.5濃度呈現(xiàn)單峰型變化規(guī)律.24日08:00隨著沙塵天氣的爆發(fā),PM10和PM2.5濃度驟然上升,18:00分別達(dá)到峰值.24日SO2、NO2和CO濃度下降明顯,分別從36.2,58.2和1.65μg/m3下降到最低值7.6,16和0.68,接著SO2、NO2和CO濃度維持較低水平.25日隨著沙塵天氣的結(jié)束,PM10和PM2.5下降到較低濃度時(shí),SO2、NO2和CO濃度出現(xiàn)明顯上升.已經(jīng)有大量研究表明,沙塵可以有效降低SO2、NO2和CO氣態(tài)污染物濃度[22],這與本次沙塵天氣過程得到的研究結(jié)果較一致.

(2)氣象要素分析 從圖3可以看出,24日06:00蘭州市氣溫距平值從6.2℃迅速下降, 18:00達(dá)到最低值-15.2℃,而后維持低溫狀態(tài).24日氣壓距平值從-7.5hPa迅速上升至7.7hPa,至25日維持高壓狀態(tài).說明此次沙塵天氣伴隨強(qiáng)冷空氣的到來,氣溫出現(xiàn)大幅下降,氣壓明顯升高,蘭州市處于低溫、高壓狀態(tài).此外,蘭州市主要受東北風(fēng)向控制,沙塵天氣發(fā)生日風(fēng)速較大,擴(kuò)散條件好.

表1 2014~2015年蘭州市春季沙塵日氣象要素和污染物濃度

圖2 2014年4月23~25日蘭州市PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO3濃度時(shí)均值變化

(3)后向軌跡分析 圖4給出了HYSPLIT模式氣團(tuán)向后追蹤48h軌跡的模擬結(jié)果,使用了NCEP Global Datat Assimiloation System(GDAS) 1°×1°氣象資料,起始時(shí)間為北京時(shí)間2014年4月25日16:00,模擬抵達(dá)蘭州市的氣團(tuán)距離地面高度為500m.由圖4可以看出,蘭州市此次沙塵過程主要受高空西北氣流對(duì)外來沙塵顆粒物輸送的影響,氣流起始高度較高,最高達(dá)6000m以上,多處于1500~6000m之間,自源區(qū)途徑河西走廊到達(dá)蘭州市,沙塵源地主要為南疆盆地的塔克拉瑪干沙漠和青藏高原北部地區(qū).

此次沙塵天氣過程中污染物的演變規(guī)律表現(xiàn)為置換型特征.特點(diǎn)為:蘭州市主要受高空西北氣流影響,近地面多為風(fēng)速較大的東北風(fēng),氣溫降低,氣壓升高.顆粒污染物PM10和PM2.5濃度呈現(xiàn)單峰型變化規(guī)律,PM10和PM2.5濃度上升,而氣態(tài)污染物SO2、NO2和CO濃度下降,PM10和PM2.5下降到一定低濃度時(shí),SO2、NO2和CO濃度上升.

圖3 2014年4月23~25日蘭州市氣溫和海平面氣壓距平值小時(shí)變化

2.3.2 疊加型 (1)2015年5月17~19日沙塵個(gè)例分析 受內(nèi)蒙古阿拉善旗沙塵天氣影響,2015年5月17~18日,蘭州市出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣,達(dá)到嚴(yán)重污染級(jí)別.

由圖5可以看出,此次沙塵天氣PM10和PM2.5濃度呈現(xiàn)多峰型變化規(guī)律.17日18:00隨著沙塵天氣的到來,PM10和PM2.5濃度驟然上升,19:00 PM10和PM2.5濃度分別達(dá)到第一個(gè)峰值,隨后急劇下降,原因是出現(xiàn)的降雨對(duì)沙塵顆粒物的濕清除作用[23].受沙塵天氣的持續(xù)影響,17日22:00 PM10和PM2.5濃度再次驟然上升,18日00:00分別達(dá)到第二個(gè)峰值,00:00~09:00PM10和PM2.5維持高濃度.隨著沙塵天氣的減弱, 09:00PM10和PM2.5濃度下降.17日SO2、NO2和CO濃度驟然下降,隨后一段時(shí)間內(nèi)保持較低濃度.18日PM10和PM2.5維持高濃度的同時(shí),SO2、NO2和CO濃度出現(xiàn)明顯上升,原因是沙塵中后期,風(fēng)速較小,擴(kuò)散條件減弱,本地源排放的SO2、NO2和CO積累導(dǎo)致濃度升高[14].

圖4 2014年4月25日16:00時(shí)蘭州市48h氣團(tuán)后向軌跡

圖5 2015年5月17~19日蘭州市PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO濃度時(shí)均值變化

(2)氣象要素分析從圖6可以看出,17~18日氣溫距平值由3.8℃下降至1.7℃,氣壓距平值由-1.5hPa上升至-0.1hPa,由此可以看出,此次沙塵天氣受弱冷空氣的影響,氣溫?zé)o明顯下降,氣壓無明顯升高.此外,蘭州市主要受東北風(fēng)向控制,風(fēng)速較低,擴(kuò)散條件弱.

(3)后向軌跡分析圖7為蘭州市2015年5月18日04:00時(shí)48h氣團(tuán)后向軌跡.可以看出,此次沙塵天氣過程的影響氣流高度最高為1500m左右,主要受低空西北氣流影響,沙塵源地主要為內(nèi)蒙古地區(qū)的巴丹吉林沙漠.

圖6 2015年5月17~19日蘭州市氣溫和海平面氣壓距平值小時(shí)變化

圖7 2015年5月18日04:00蘭州市48h氣團(tuán)后向軌跡

此次沙塵天氣過程中污染物的演變規(guī)律表現(xiàn)為疊加型特征.特點(diǎn)為:蘭州市主要受低空西北氣流的影響,近地面多為風(fēng)速較小的東北風(fēng),氣溫和氣壓無明顯波動(dòng).顆粒污染物PM10和PM2.5濃度呈現(xiàn)多峰型變化規(guī)律,PM10和PM2.5濃度上升,濃度峰值相比置換型偏小,氣態(tài)污染物SO2、NO2和CO濃度先下降,而后PM10和PM2.5濃度持續(xù)高值期間,SO2、NO2和CO濃度逐漸上升.

3 結(jié)論

3.1 蘭州市春季沙塵天氣期間,顆粒污染物PM10和PM2.5濃度明顯升高,而氣態(tài)污染物(SO2、NO2和CO)濃度的變化主要取決于冷空氣的強(qiáng)弱,沙塵天氣對(duì)O3濃度變化的影響并不明顯.

3.2 氣態(tài)污染物濃度的演變可分為置換和疊加型兩種情況.置換型為受強(qiáng)冷空氣活動(dòng)的影響,近地面為東北方向大風(fēng)、低溫和高壓,氣態(tài)污染物濃度顯著降低,SO2、NO2和CO最低濃度分別為6.3,22.6,0.56×103μg/m3,沙塵源地主要為南疆盆地的塔克拉瑪干沙漠和青藏高原北部地區(qū),影響氣流多為1500~6000m高空西北氣流.

3.3 疊加型為受弱冷空氣活動(dòng)的影響,近地面為弱風(fēng),氣溫和氣壓無明顯波動(dòng),初期PM10和PM2.5濃度上升,同時(shí)氣態(tài)污染物濃度略下降,而后PM10和PM2.5維持高值時(shí),由于本地源氣態(tài)污染物的持續(xù)積累,氣態(tài)污染物濃度上升,SO2、NO2和CO日均濃度分別為24.5,49.1,1.19×103μg/m3,分別是置換型的1.47、1.2和1.17倍.沙塵源地主要為內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠和本地沙塵,影響氣流多為1500m以下低空西北氣流.

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Influence of dust storms on air pollution for replacement and addition in Lanzhou.

LIU Xiao-ran1, WANG Jin-yan1,2*, QIU Ji-yong1,3, LI Quan-xi1, DONG Ji-yuan4, WEI Lin-bo1

(1.College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；2.Key Laboratory for Semi-Arid Climate Changes with the Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；3. 95871Troops of PLA, Hengyang 421000, China；4.School of Public health, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)., 2018,38(5)：1646~1652

Characteristics of the concentrations of particulate pollutants PM10, PM2.5and gaseous pollutants SO2, NO2, CO and O3during spring dust storms in 2014 and 2015 were analyzed. The result showed that dust storms could cause the increasement of PM10and PM2.5for both the replacement type and the addition type, while the decreasement of SO2、NO2and CO for the replacement type, while the increasement for the addition type. However, the concentration of O3almost kept stable during spring dust storms. For the replacement type, the average concentrations of PM10and PM2.5were 1086.9 and 286μg/m3respectively, and those of SO2, NO2and CO were 6.7, 41.0 and 1.02′103μg/m3respectively. For the addition type, the average concentrations of PM10and PM2.5were 383.2 and 116.2μg/m3respectively, and those of SO2, NO2and CO were 24.5, 49.1 and 1.19′103μg/m3respectively. In short, the average concentrations of PM10and PM2.5of the replacement type were 2.8 and 2.4 times more than those of the addition type, and the average concentrations of SO2, NO2and CO of the replacement type were 1.47, 1.2 and 1.17times more than those of the addition type. The meteorological conditions of the replacement type were strong northeast wind near surface, significant temperature decreasement and high pressure. In other words, strong cold air activity resulted in increase of PM10and PM2.5and decrease of SO2, NO2and CO. The dust sources of this type were in Taklimakan Desert and the northern part of Qinghai Tibet Plateau, and the influence flow were high-altitude northwest wind at the height of 1500 to 6000 meters. However, the meteorological conditions of the addition type were weak northeast wind near surface, no significant change of temperature and pressure. In other words, weak cold air activity resulted in increacement of PM10and PM2.5and decreacement of SO2, NO2and CO at the early stage. And then, the concentrations of PM10and PM2.5kept at high levels, and the concentrations of SO2, NO2and CO start to rise. The dust source of this type were mainly in Badan Jilin desert, and the influence flow was low-altitude northwest wind below 1500meters.

dust weahter；lanzhou；air pollutants；replacement；addition

X513

A

1000-6923(2018)05-1646-07

2017-09-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41575138);國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41505083);蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(lzujbky-2017-68);甘肅省自然科學(xué)基金(1506RJZA208)

* 責(zé)任作者, 副教授, wangjny@lzu.edu.cn

劉筱冉(1993-),女,河南周口人,蘭州大學(xué)碩士研究生,主要從事空氣污染數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)研究.