王愛平，陳誠,2*,王劍，曹軍，陸維青，徐政

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036；2.江蘇省蘇力環(huán)境科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019；3.江蘇藍(lán)創(chuàng)智能科技股份有限公司，江蘇 無錫 214100)

沙塵天氣是沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵天氣的統(tǒng)稱，它是一種由大風(fēng)將地面沙塵吹(卷)起，或被高空氣流帶到下游地區(qū)而造成的一種大氣混濁現(xiàn)象[1]。目前在國內(nèi)外已開展了大量的關(guān)于沙塵氣溶膠污染特征、輸送過程及其環(huán)境和氣候效應(yīng)等的研究。夏訓(xùn)誠等[2]和錢正安等[3]研究我國西北地區(qū)沙塵特征，發(fā)現(xiàn)大風(fēng)、沙源和不穩(wěn)定大氣是沙塵暴發(fā)生的3個(gè)基本條件，幕建利等[4]和江遠(yuǎn)安等[5]認(rèn)為我國西北沙源地區(qū)起沙主要發(fā)生在3—6月，一般出現(xiàn)在下午和傍晚。多數(shù)研究[6-9]均表明，沙塵暴發(fā)生后的主要特征比較明顯，PM10濃度先劇烈增大，然后逐漸減小，最終達(dá)到本底濃度。王宏等[10]和陳勇等[11]從沙塵對輻射平衡產(chǎn)生的影響方面分析，認(rèn)為沙塵粒子在空中傳輸時(shí)會(huì)反射和吸收太陽短波輻射和地面長波輻射，造成地面降溫和空氣升溫，改變地氣系統(tǒng)熱力分布，進(jìn)而對局地乃至全球氣候造成一定影響。以上關(guān)于沙塵的研究多集中在北方沙塵起源地或鄰近地區(qū)，而針對沙塵天氣影響范圍界定比較模糊的江淮地區(qū)研究相對較少。通常沙塵氣團(tuán)進(jìn)入江淮地區(qū)時(shí)沙塵特征已不明顯，常以浮塵為主。浮塵是無風(fēng)或風(fēng)較小的天氣條件下，塵土、細(xì)沙均勻浮游在空中，且水平能見度<10 km的天氣現(xiàn)象[12]。

江蘇省位于江淮地區(qū)，受沙塵影響時(shí)，雖不會(huì)出現(xiàn)華北或西北地區(qū)黃沙遮天蔽日的現(xiàn)象，但北方輸送到本地的沙塵或浮塵對空氣質(zhì)量的影響卻不容忽視。2021年3月15日，我國新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、北京等12個(gè)省市遭遇明顯的沙塵天氣,局地能見度不足300 m，初步判斷這是近10年來我國遭遇強(qiáng)度最高、范圍最廣的一次沙塵天氣過程，已達(dá)到強(qiáng)沙塵暴級別[13]。現(xiàn)以江蘇省作為江淮地區(qū)的典型代表省份，研究2021年3月15日強(qiáng)沙塵過程對下游區(qū)域的影響，自北向南選取連云港和蘇州2市代表蘇北和蘇南區(qū)域，分析強(qiáng)沙塵過程對江蘇省空氣質(zhì)量的影響。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 顆粒物數(shù)據(jù)

顆粒物是沙塵污染最重要的特征因子，選取2021年3月15—17日江蘇省連云港和蘇州2市的顆粒物質(zhì)量濃度[ρ(PM10)和ρ(PM2.5)]進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(http://106.37.208.233:20035/)。激光雷達(dá)垂直退偏振比參數(shù)來自蘇州和連云港環(huán)境監(jiān)測部門自建的大氣超級觀測站。

1.1.2 氣象數(shù)據(jù)

近地面天氣圖來自中央氣象臺官網(wǎng)發(fā)布的天氣實(shí)況分析(http://www.nmc.cn/)。近地面氣象要素(溫度、壓力、濕度、風(fēng)速)來自江蘇省氣象臺。高空氣象要素隨高度的分布規(guī)律可以研究大氣熱力和動(dòng)力過程，其中溫度垂直廓線可以反映大氣層結(jié)穩(wěn)定性，選取本次沙源地蒙古國烏蘭巴托高空氣象觀測站(編號44292)數(shù)據(jù)分析起沙時(shí)空氣的熱力條件。高空探空數(shù)據(jù)來自美國懷俄明大學(xué)公布的歷史探空數(shù)據(jù)(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)。

1.2 研究方法

國內(nèi)外對于沙塵判定方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對于沙塵和霾影響的判定也一直存在爭議[14]。韓國[15]研究認(rèn)為：ρ(PM2.5)/ρ(PM10)≥0.8時(shí)，主要為人為細(xì)顆粒物(PM2.5)污染；ρ(PM2.5)/ρ(PM10)≤0.4時(shí)，主要為沙塵天氣影響。日本[16]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)境大氣測量站的SPM觀測數(shù)據(jù))超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)值(0.2 mg/m3)，及激光雷達(dá)判斷附近的黃沙質(zhì)量濃度超過0.3 mg/m3且多為不規(guī)則非球形顆粒物時(shí)，判斷為沙塵。我國對于沙塵影響的判定主要參考生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的《受沙塵天氣過程影響城市空氣質(zhì)量評價(jià)補(bǔ)充規(guī)定》(環(huán)辦監(jiān)測〔2016〕120號)(以下簡稱《規(guī)定》)?！兑?guī)定》中給出了沙塵起始時(shí)間的2種判定方法：(1)城市PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度≥前6 h PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度的2倍且>150 μg/m3，此時(shí)作為受影響起始時(shí)間；(2)城市PM2.5與PM10小時(shí)質(zhì)量濃度比值≤前6 h比值平均值的50%，此時(shí)作為受影響起始時(shí)間。《規(guī)定》中指出，可以扣除沙塵天氣影響區(qū)域范圍內(nèi)源區(qū)及下游城市當(dāng)日PM2.5和PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)，客觀評估和反映人為大氣污染治理成效。

后向軌跡(HYSPLIT)模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送和擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型[17]。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散研究中。

2 結(jié)果與討論

2.1 起沙的氣象條件

強(qiáng)沙塵暴起沙時(shí)常需要?jiǎng)恿蜔崃l件的共同作用。本次強(qiáng)沙塵過程起源于蒙古國南部和我國內(nèi)蒙古中部交界地區(qū)，2021年3月14日20:00 時(shí)地面天氣形勢和沙源地溫度廓線見圖1(a)(b)。由圖1(a)可見，沙源地等壓線密集，低壓氣旋后部和冷高壓前部近地面出現(xiàn)6級以上強(qiáng)風(fēng)區(qū)(紫色區(qū)域)。由圖1(b)可見，夜間700 hPa(約3 km)以下氣團(tuán)的溫度層結(jié)曲線(右側(cè)黑色實(shí)線)與干絕熱曲線(灰色線)重合，說明不穩(wěn)定大氣層結(jié)較高，700 hPa以下湍流旺盛，有利于沙塵混合并向高空發(fā)展。本次強(qiáng)沙塵過程熱力條件好，動(dòng)力充足，起沙前期蒙古國以及我國西北部氣溫明顯偏高，降水較少，持續(xù)干暖的氣候容易造成土質(zhì)疏松，從而導(dǎo)致起沙。本次沙塵過程的氣象條件和起沙時(shí)間與其他研究類似，錢正安等[3]分析了我國1952—2001年292個(gè)北方強(qiáng)和特強(qiáng)沙塵暴案例，發(fā)現(xiàn)沙塵暴主要出現(xiàn)在春季午后至傍晚間，要具有豐富的沙源、強(qiáng)風(fēng)和不穩(wěn)定的大氣層結(jié)等條件因素。

圖1 起沙時(shí)(2021-03-14 20:00)地面天氣形勢和沙源地溫度廓線

2.2 沙塵傳輸

2021年3月15、16日PM10質(zhì)量濃度與氣象場空間分布見圖2(a)(b)。由圖2可見，3月14日夜間起沙后，在冷空氣推動(dòng)下沙塵快速傳輸至我國西北、華北、東北等區(qū)域，15日已經(jīng)影響新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、陜西、山西、河北、北京、天津、遼寧、吉林、黑龍江等12個(gè)省市。起沙后約24 h，隨著冷高壓向南移動(dòng)，16日凌晨沙塵主體南側(cè)邊緣開始影響江蘇北部，16日徐州、連云港2市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)日均值達(dá)嚴(yán)重污染，淮安、宿遷2市達(dá)重度污染，其他9市為良或輕度污染，首要污染物為PM10。17日近地面為持續(xù)偏東風(fēng)，沙塵主體向內(nèi)陸省份移動(dòng)，江蘇省PM10質(zhì)量濃度開始下降，但13市首要污染物仍為PM10，說明江蘇省繼續(xù)受浮塵天氣影響。

圖2 2021年3月15、16日PM10質(zhì)量濃度與氣象場空間分布

HYSPLIT模型的氣團(tuán)軌跡結(jié)果可以反映不同高度的氣團(tuán)來源。以連云港和蘇州為起點(diǎn)，采用該模型模擬氣團(tuán)來源，取沙塵影響時(shí)間為起點(diǎn)分別向后推移48 和72 h，模擬不同高度的氣團(tuán)來源移動(dòng)軌跡。沙塵期間連云港和蘇州后向軌跡見圖3(a)(b)。由圖3可見，連云港和蘇州市不同高度的氣團(tuán)均來自西北方向，此次沙塵為典型北方傳輸影響，自西北向東南途徑我國內(nèi)蒙古、遼寧、山東等地區(qū)，經(jīng)黃海后由東北方向進(jìn)入江蘇省。

圖3 沙塵期間連云港和蘇州后向軌跡

2.3 沙塵過程對江蘇省顆粒物的影響

本次強(qiáng)沙塵過程對蘇北和蘇南的影響差異較大，現(xiàn)以連云港和蘇州2市為例進(jìn)行分析。激光雷達(dá)的退偏振比值可以反映大氣中氣溶膠或云粒子的非球形特征[10]，根據(jù)不同高度退偏振比值大小來區(qū)分氣溶膠粒子類型，當(dāng)沙塵過境時(shí)，激光雷達(dá)的退偏振比值較高。

2.3.1 沙塵過程對連云港的影響

連云港市位于江蘇省東北部，北接山東，東臨黃海，地勢平坦。沙塵期間連云港PM10和PM2.5質(zhì)量濃度和風(fēng)速變化趨勢，以及激光雷達(dá)退偏振比見圖4(a)(b)。由圖4(a)可見，3月15日23:00，連云港市近地面偏北風(fēng)突然增大，16日00:00—06:00，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征符合《規(guī)定》中的沙塵起始時(shí)間判定條件，PM10質(zhì)量濃度急劇抬升至最高值(978 μg/m3)，短時(shí)達(dá)到嚴(yán)重污染，而PM2.5質(zhì)量濃度不升反降，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)由0.81迅速下降到0.12。截至17日23:00，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)<0.4，仍維持較低水平。由圖4(b)可見，16日00:00開始，近地面至高空2 km 范圍內(nèi)激光雷達(dá)退偏振比值增加至0.3左右，與PM10質(zhì)量濃度急劇抬升的時(shí)間段較為吻合，表明沙塵開始影響連云港，14:00之后高層沙塵逐漸沉降至近地面1 km以內(nèi)，近地面沙塵影響程度減弱至浮塵。由此可見，連云港16日沙塵特征較明顯，PM10短時(shí)達(dá)到嚴(yán)重污染，符合《規(guī)定》中沙塵天氣顆粒物濃度扣除的條件，17日顆粒物濃度下降，首要污染物仍為PM10，主要以浮塵天氣為主。

圖4 沙塵期間連云港PM10和PM2.5質(zhì)量濃度、風(fēng)速變化趨勢及激光雷達(dá)退偏振比

2.3.2 沙塵過程對蘇州的影響

蘇州位于江蘇省東南部地區(qū)，毗鄰上海和浙江，海拔較低。沙塵期間蘇州PM10和PM2.5質(zhì)量濃度和風(fēng)速變化趨勢，以及激光雷達(dá)退偏振比見圖5(a)(b)。由圖5(a)可見，3月16—17日，蘇州市近地面以東北風(fēng)為主，與連云港相比風(fēng)速較小。16日14:00—23:00，蘇州市PM10質(zhì)量濃度開始上升，PM2.5質(zhì)量濃度同步下降，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)由0.94 下降至0.13。至17日06:00，蘇州市PM10質(zhì)量濃度達(dá)本次沙塵過程最大值(155 μg/m3)，超過150 μg/m3，短時(shí)達(dá)輕度污染，PM2.5維持在較低水平(20 μg/m3左右)，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)<0.45。由圖5(b)可見，16日16:00開始，高空0.9～1.5 km 處退偏振比值增強(qiáng)，結(jié)合16:00 PM10質(zhì)量濃度開始升高的現(xiàn)象，表明沙塵開始影響蘇州。16:00—23:00退偏振比不斷增強(qiáng)，且范圍不斷向近地面擴(kuò)大，表明沙塵有下沉趨勢。本次沙塵過程對蘇州的影響時(shí)間較連云港滯后約14 h，PM10短時(shí)達(dá)輕度污染，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征均不符合《規(guī)定》中的沙塵起始時(shí)間判定條件，污染程度較輕，對蘇州市的影響以浮塵天氣為主。

圖5 沙塵期間蘇州PM10、PM2.5質(zhì)量濃度及風(fēng)速變化趨勢激光雷達(dá)退偏振比

3 結(jié)語

本次沙塵過程于3月14日傍晚20:00起源于蒙古國南部，沙源地持續(xù)干暖的氣候造成土質(zhì)疏松，容易起沙，近地面出現(xiàn)6級以上強(qiáng)風(fēng)，700 hPa以下為干絕熱狀態(tài)，湍流旺盛,本次沙塵過程具備起沙時(shí)沙源豐富、強(qiáng)風(fēng)和不穩(wěn)定大氣層結(jié)這3個(gè)要素。

起沙后在冷空氣推動(dòng)下快速自西北向東南傳輸，15日凌晨開始影響我國西北、華北、東北等地區(qū)城市，起沙后約24 h沙塵輸送至江蘇省，主要影響時(shí)段為16—17日，其中16日全省4個(gè)城市空氣質(zhì)量達(dá)到重度及以上污染，17日全省受沙塵影響減弱為以浮塵天氣為主。從空間上看，沙塵對蘇北和蘇南城市空氣影響差異較大，16日連云港市PM10質(zhì)量濃度短時(shí)飆升至978 μg/m3，近地面至高空2 km退偏振比值達(dá)0.3左右，沙塵污染特征明顯，符合《規(guī)定》中剔除沙塵日的條件。蘇州受沙塵影響時(shí)間較連云港滯后約14 h，污染程度較輕，PM10質(zhì)量濃度峰值僅為155 μg/m3，16—17日均以浮塵天氣為主。