王含月,程 龍,趙思文

(1.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，安徽 合肥 230000;2.遼寧省撫順市氣象局，遼寧 撫順 113006)

1 引言

沙塵天氣包括揚(yáng)沙、浮塵、沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴等[1]。每年春秋季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，中國(guó)北方沙源地起沙后，沙塵顆粒物可長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中，并經(jīng)遠(yuǎn)距離輸送影響更多區(qū)域。在向下游地區(qū)的長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中，沙塵氣團(tuán)中的粗顆粒物較細(xì)顆粒物沉降速率更高，大部分粗顆粒物經(jīng)重力沉降隨著傳輸逐漸流失，細(xì)顆粒卻能繼續(xù)向下游輸送，導(dǎo)致沙塵氣團(tuán)進(jìn)入江淮區(qū)域時(shí)沙塵特征已不明顯，常以浮塵為主。處于春秋季節(jié)轉(zhuǎn)換期間的江淮地區(qū)，受江淮氣旋和北方寒流交互作用影響，風(fēng)向轉(zhuǎn)換頻繁，時(shí)有沙塵隨北方冷氣團(tuán)入境后未完全沉降，即轉(zhuǎn)受偏南暖濕氣流影響，氣團(tuán)中的顆粒物回流、緩慢沉降而長(zhǎng)時(shí)間影響當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的現(xiàn)象。安徽省位于江淮地區(qū)，受沙塵影響時(shí)，雖不會(huì)出現(xiàn)上游地區(qū)遮天蔽日，黃沙閉目的“壯觀”景象，但其對(duì)空氣質(zhì)量的影響卻不容忽視。另江淮區(qū)域受地理因素影響，晨昏交替時(shí)常出現(xiàn)高濕小風(fēng)的氣象條件，此時(shí)上游輸入的浮塵伴隨出現(xiàn)顆粒物吸濕增長(zhǎng)，難以與普通的污染傳輸區(qū)分開來(lái)，國(guó)際上對(duì)于沙塵和霾的鑒別也一直存在爭(zhēng)議，韓國(guó)沙塵監(jiān)測(cè)中通過(guò)PM2.5/PM10的比例變化區(qū)分人為細(xì)顆粒物污染與沙塵天氣影響：當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中PM2.5/PM10≥0.8時(shí)，判斷主要為人為細(xì)顆粒物污染，PM2.5/PM10≤0.4時(shí)判斷主要為沙塵天氣影響。日本將懸浮顆粒物濃度(SPM)的初始值(最接近激光雷達(dá)安裝地點(diǎn)的一般環(huán)境大氣測(cè)量站的SPM觀測(cè)數(shù)據(jù))超過(guò)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)值0.2 mg/m3，及激光雷達(dá)判斷附近的黃沙是高濃度(超過(guò)0.3 mg/m3)且多為不規(guī)則非球形形顆粒物時(shí)，判斷為沙塵。我國(guó)對(duì)于沙塵下游地區(qū)如何區(qū)分沙塵影響和人為排放兩者疊加的研究較少，未見(jiàn)統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，因此本文將著重探討江淮區(qū)域沙塵天氣的污染特征。

為研究沙塵對(duì)下游安徽省的影響，自北向南選取淮北市、亳州市和六安市作為研究對(duì)象，對(duì)2018年11月27日至11月30日一次典型沙塵過(guò)程進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)資料和分析方法

2.1 污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

空氣質(zhì)量選取安徽省68個(gè)國(guó)控空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為代表。除特殊說(shuō)明外，PM2.5、PM10的日及小時(shí)數(shù)據(jù)均為國(guó)控站點(diǎn)平均值，顆粒物為實(shí)際狀況(監(jiān)測(cè)采樣時(shí)為實(shí)際氣溫和氣壓)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，氣態(tài)污染物為參比狀態(tài)(25 ℃，1013.25 hPa)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

本文氣象資料選取NCEP/NCAR共享的全球空間分辨率為2.5°×2.5°的一日4次(00，06，12，18時(shí))再分析格點(diǎn)資料數(shù)據(jù)集，用于分析安徽省受沙塵影響期間的天氣形勢(shì)及氣象要素分布情況。

3 影響安徽省的典型沙塵過(guò)程分析

3.1 天氣形勢(shì)分析氣象條件分析

蒙古氣旋一年四季皆可生成，其中秋冬季冷空氣活動(dòng)頻繁[1]，常伴隨蒙古氣旋南下入侵，偏北大風(fēng)將沙塵帶到華中和華東平原，東亞沿岸穩(wěn)定的西風(fēng)槽在被短暫破壞后又穩(wěn)定建成，槽后部為安徽省南部帶來(lái)東南氣流，導(dǎo)致江淮地區(qū)在北方污染傳輸后常轉(zhuǎn)受偏南的暖濕氣流影響，造成沙塵回流和在本地的二次擴(kuò)散，形成持續(xù)性的污染。其中2018年11月25至30日的沙塵過(guò)程便是一次較為典型的蒙古氣旋伴隨冷空氣活動(dòng)，后轉(zhuǎn)受東亞大槽后部東南氣流的過(guò)程，導(dǎo)致了安徽省持續(xù)近4 d的嚴(yán)重大氣污染天氣。

11月25日06:00，較穩(wěn)定的西風(fēng)帶平均槽在140°E的東亞沿岸附近，副高勢(shì)力減弱，脊線退至20°N以南的太平洋海面，高空為西風(fēng)帶氣流操控。地面蒙古冷型高壓中心位于75°～80°E，40°～50°N附近，發(fā)展強(qiáng)盛十分穩(wěn)定，相對(duì)的蒙古氣旋勢(shì)力較弱，被冷高壓擠壓，呈現(xiàn)“L”型特征，分化出2個(gè)低壓中心，其中一個(gè)低壓中心位于100°～110°E，45°～50°N，即甘肅省附近，受蒙古氣旋地面較強(qiáng)的輻合上升作用，開始形成沙塵暴，見(jiàn)圖1(a)。此時(shí)安徽省受靜穩(wěn)天氣控制，地面平均風(fēng)速小于2 m/s，本地污染逐漸積累。11月26日06:00，冬季強(qiáng)盛的冷型高壓被短暫破壞后迅速恢復(fù)，并誘導(dǎo)強(qiáng)冷空氣向南移動(dòng)，高壓前部的西北大風(fēng)為沙塵暴向南傳輸提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力支持，見(jiàn)圖1(b)。11月26日18:00，隨著冷高壓向東南方向移動(dòng)，沙塵氣團(tuán)的前沿已經(jīng)達(dá)到京津冀區(qū)域，受前期本地污染積累影響，京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量此時(shí)已達(dá)重度污染(圖略)，11月27日00:00，地面冷高壓中心在西風(fēng)帶環(huán)流帶領(lǐng)下東移南下，控制京津冀區(qū)域，清潔的冷氣團(tuán)首先從底層入侵，前期積累的細(xì)顆粒物污染被迅速清除。污染氣團(tuán)向南緩慢擴(kuò)散，安徽北部地勢(shì)平坦，北部淮北、亳州等市PM2.5濃度受傳輸影響開始緩慢上升，冷高壓中心下沉氣流使部分沙塵沉降至地面，影響京津冀的大氣污染物轉(zhuǎn)為PM10等粗顆粒物，見(jiàn)圖2。11月27日06:00，冷高壓維持在京津冀地區(qū)，高壓前部持續(xù)的北風(fēng)將沙塵氣團(tuán)帶入安徽省，見(jiàn)圖1(c)。最北部的亳州市開始受沙塵影響，但首先達(dá)到的底層冷空氣前期累積了北方的污染物，導(dǎo)致亳州市前期本地積累的細(xì)顆粒物又疊加北方傳輸，PM2.5濃度并未得到改善降低，反而隨PM10濃度一起上升。11月27日06:00～11月28日，冷高壓移速減緩，影響范圍擴(kuò)大，東部向東擴(kuò)展到達(dá)山東，山東省受沙塵影響，污染物濃度陡升。底部持續(xù)南下入侵安徽北部。以淮北市為例，在沙塵氣團(tuán)影響當(dāng)?shù)?2小時(shí)后，28日18:00開始污染物被全部清除；安徽南部受東亞大槽后部偏南氣流影響，江淮之間存在風(fēng)向輻合，沙塵逐漸沉降至地面，污染物濃度在江淮區(qū)域持續(xù)累積，見(jiàn)圖1(d)。11月29日06:00開始，冷高壓勢(shì)力減弱，影響范圍擴(kuò)大，高壓中心移至渤海灣附近，安徽北部又轉(zhuǎn)受高壓底部東北風(fēng)影響。11月30日06:00，冷高壓東移入海，全省地面轉(zhuǎn)受高壓后部東南氣流控制。江淮之間沙塵向北回流，逐漸被清除。于此同時(shí)內(nèi)蒙和寧夏區(qū)域地面又發(fā)展出一個(gè)強(qiáng)盛的蒙古氣旋，開始新一輪的沙塵過(guò)程。

(a)11月25日06:00；(b)11月26日06:00；(c)11月27日06:00；(d)11月28日18:00； (e) 06:00 on November 29; (f) 06:00 on November 30

3.2 污染物小時(shí)變化特征

本次輸入型沙塵污染顆粒物濃度多呈現(xiàn)的雙峰特征間歇式峰值過(guò)程，現(xiàn)以淮北、亳州、合肥和六安4個(gè)市為例進(jìn)行分析。

3.2.1 淮北市

淮北市位于安徽省最北部，地勢(shì)平坦，為西北路徑沙塵最先影響的城市之一，污染過(guò)程基本分為3個(gè)階段，第一時(shí)段中，受西北風(fēng)方向的沙塵傳輸影響，淮北市出現(xiàn)沙塵天氣。2018年11月27日10:00起始淮北市PM10濃度急劇上升至291 μg/m3，而PM2.5濃度反而開始降低，PM2.5/PM10由0.85迅速下降到0.53。至當(dāng)日17:00，PM2.5/PM10回升，提示第一時(shí)段受西北風(fēng)方向的沙塵傳輸影響結(jié)束，沙塵持續(xù)時(shí)間7 h。

圖2 2018年11月25～30日淮北市單點(diǎn)(116°E，33°N)相對(duì)濕度(單位：%)和溫度(單位：K)剖面

第二時(shí)段：11月28日05:00起始，受27日下午至28日上午東北風(fēng)風(fēng)速增大影響，東北方向沙塵再次影響淮北。PM10濃度由263 μg/m3快速上升至411 μg/m33，PM2.5濃度反而開始持續(xù)下降，PM2.5/PM10由0.90迅速下降到0.56，此后西北風(fēng)和東北風(fēng)交替，風(fēng)速減緩，沙塵氣團(tuán)推進(jìn)放緩，在安徽省滯留。受靜穩(wěn)天氣和沙塵共同作用，PM10濃度持續(xù)升高，由342 μg/m3再次迅速升至443 μg/m3，PM2.5/PM10維持0.60左右，至29日18:00，PM10和PM2.5均迅速下降，提示第二時(shí)段沙塵傳輸影響結(jié)束，持續(xù)28 h。

第三時(shí)段：受東北風(fēng)影響，原傳輸至山東及江蘇北部的沙塵氣團(tuán)再次影響淮北，11月30日08:00起，出現(xiàn)PM10濃度再度上升，PM2.5濃度和PM2.5/PM10下降的沙塵影響特征，至14:00 PM10濃度下降加速，PM2.5濃度下降速度相對(duì)較慢， PM2.5/PM10不斷上升，第三時(shí)段沙塵影響結(jié)束，受污染物傳輸疊加本地污染共持續(xù)7 h。本次沙塵天氣淮北市經(jīng)歷3個(gè)時(shí)段，受沙塵影響達(dá)42 h。如圖3(a)所示。

圖3 淮北市(a)、亳州市(b)沙塵過(guò)程PM10、PM2.5質(zhì)量濃度(單位：μg/m3)

3.2.1 亳州市

亳州市位于安徽省最北部，地勢(shì)平坦，也是西北路徑沙塵最先抵達(dá)的城市之一，此次過(guò)程沙塵氣團(tuán)27日02:00左右到達(dá)亳州境內(nèi)，PM10濃度由01:00的139 μg/m3迅速升高，至08:00已達(dá)320 μg/m3，較沙塵影響前上升181 μg/m3，隨后十幾個(gè)小時(shí)一直保持在300 μg/m3以上。PM10上升過(guò)程中，PM2.5/PM10由前期平均的0.74，下降到0.33，為典型沙塵天氣特征。28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00共兩個(gè)時(shí)段，亳州市在偏東北風(fēng)影響下，多次受到持續(xù)浮塵影響，空氣質(zhì)量再度惡化。PM2.5/PM10的比值再度降至0.5以下。12月1～2日浮塵天氣持續(xù)。此次過(guò)程中亳州市明顯受沙塵天氣過(guò)程影響的具體時(shí)間段為11月27日02:00～14:00，28日20:00～29日09:00，30日02:00～14:00。受沙塵影響時(shí)段共37 h，過(guò)程中顆粒物濃度變化呈現(xiàn)雙峰特征，見(jiàn)圖3(b)。

3.2.3 六安市

六安市位于安徽省江淮之間西部，在西北路徑的沙塵過(guò)程中常首先受到河南和湖北等西北方污染傳輸影響，27日13:00開始，PM10濃度顯著上升，28日12:00達(dá)到峰值364 μg/m3，29日08:00 PM10濃度首次降至沙塵開始前水平135 μg/m3，第一階段影響結(jié)束。29日17:00風(fēng)向轉(zhuǎn)換，再次受到東北方向沙塵影響，PM10濃度再度急劇升高，30日00:00達(dá)到峰值394 μg/m3，PM2.5變化幅度較小。此時(shí)影響六安市的沙塵氣團(tuán)主要來(lái)自山東棗莊，江蘇徐州及安徽淮北等東北部地區(qū)。第二階段持續(xù)至30日08:00時(shí)，本次沙塵天氣影響結(jié)束。第一階段受影響持續(xù)時(shí)間44 h，第二階段持續(xù)時(shí)間16 h，過(guò)程中顆粒物濃度變化呈現(xiàn)雙峰特征。

4 結(jié)論

(1)安徽省春秋季節(jié)受北方鋒區(qū)和南方鋒區(qū)天氣系統(tǒng)交替影響，沙塵氣團(tuán)易出現(xiàn)回流現(xiàn)象。輸入型沙塵污染顆粒物濃度常呈現(xiàn)出明顯的雙峰特征。

(2)安徽省春秋季節(jié)未受沙塵影響時(shí)段內(nèi)，PM2.5/PM10維持在0.65～0.85之間，受沙塵影響時(shí)段，PM2.5/PM10將出現(xiàn)顯著的降低。若前期本地空氣清潔，受典型輸入型沙塵影響期間，PM2.5/PM10比值可降至0.30以下，PM2.5濃度上升緩慢，甚至有所下降。若前期本地及北方接壤省份，如京津冀及周邊河南、山東存在污染物累積，受沙塵影響期間，沙塵氣團(tuán)前鋒達(dá)到安徽省時(shí)，伴隨的冷鋒底部冷空氣會(huì)先裹挾西北方向污染氣團(tuán)向下游傳輸，造成安徽省PM2.5的緩慢上升，受沙塵影響期間，PM2.5/PM10比值最多只能降至0.35～0.55。