趙 飛，王 成，崔衛(wèi)濤，張 揆，梁悅鋒

(1.襄陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖北 襄陽 441000；2.襄陽市氣象臺，湖北 襄陽 441022；3.襄陽市城區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，湖北 襄陽 441000；4.武漢天虹環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司，湖北 武漢 430014；5.北京艾沃思科技有限公司，北京 102206)

1 引言

沙塵暴是指強風(fēng)將地面沙塵卷入空中，使空氣變得特別混濁，并且水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。李江南[2]、錢正安[3]、王長松[4]、柏仇勇[5]等研究表明，影響我國的主要沙塵源地有：境內(nèi)和境外河西走廊和阿拉善高原、南疆盆地及周邊、蒙古國南部及內(nèi)蒙古中部、中蒙邊境、柴達木盆地、黃土高原等 ；我國北方引發(fā)沙塵暴過程的原因有:由于熱力和動力兩種因子的聯(lián)合作用，使地面氣旋一面向前移動,一面加深發(fā)展,高空槽因冷平流加深，并因渦度平流而向前移動，而大氣下沉運動區(qū)位于高空急流動量下傳區(qū)的后部,上升運動區(qū)則位于高空急流動量下傳區(qū)的前部,這種上升與下沉運動的相互作用,為地面沙塵卷入大氣提供了持續(xù)的動力，沙塵暴期間東移發(fā)展的蒙古氣旋附近始終存在大氣不穩(wěn)定區(qū)域，這些區(qū)域有利于沙塵的揚起，沙塵暴爆發(fā)前后24h變溫變壓劇烈[6]；總的來看，強沙塵天氣的產(chǎn)生需要強風(fēng)、沙塵源、不穩(wěn)定層結(jié)三要素配合，缺一不可[2，4，5]。李亮等[7]總結(jié)每年沙塵天氣過程對我國城市空氣質(zhì)量影響的時間不短,尤其在春季對我國東中部地區(qū)城市造成了很嚴重的影響，沙塵傳輸對空氣質(zhì)量影響引起廣泛重視。辛艾萱等[8]從大氣污染物區(qū)域輸送特征來看，武漢市春季來自新疆、青海省、甘肅省南部、陜西省南部的氣團對顆粒物(PM10)污染貢獻較大；鄧萌杰等[9]研究表明春夏季沙塵為高空沉降傳輸，影響范圍大，區(qū)域傳輸貢獻明顯；陳楠等[10]研究表明受風(fēng)向風(fēng)速影響，沙塵先由襄陽傳輸進入湖北?。粎羌异鞯萚11]關(guān)于通風(fēng)廊道研究襄陽市地處南襄盆地的南緣，是南襄盆地的通風(fēng)廊道，也是北方大氣污染物、沙塵南下擴散的必經(jīng)之道。因此，有必要對襄陽的沙塵傳輸進行監(jiān)測及溯源。

2021年3月14日至15日晨，蒙古國南部和內(nèi)蒙古中西部交界地在大風(fēng)天氣作用下，迅速起沙，中國南疆盆地西部、甘肅中西部、內(nèi)蒙古及山西北部、河北北部、北京、天津等地出現(xiàn)揚沙或浮塵，部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴。這是近10年中國遭遇強度最大的一次沙塵天氣過程，沙塵暴范圍也是近10年最廣。

襄陽市作為華中地區(qū)城市，從3月16日9時起也受到了此次沙塵暴傳輸影響，直至3月17日23時結(jié)束，共持續(xù)了40 h，其中重度污染31 h。

本文依托傳輸通道上國家環(huán)境空氣自動監(jiān)測站點、環(huán)境空氣豫鄂邊界站、大氣監(jiān)測超級站等連續(xù)監(jiān)測結(jié)果，通過對沙塵過程發(fā)生發(fā)展的監(jiān)測分析，結(jié)合粒徑分布變化及顆粒物組分的變化情況，分析此次沙塵過程的污染變化特征，以期對沙塵過程的污染防治提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源

環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于襄陽市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心。其中邊界站位于襄陽北部(112°7′53″E，32°19′0″N)，大氣超級站位于南端(112°9′27″E，31°59′52″N)，與邊界站直線距離約40 km。氣象數(shù)據(jù)來源于襄陽市氣象局。氣象站點(112°4′34″E，32°0′10″N)點位分布見圖1。所用儀器均按照國家規(guī)范定期進行維護保養(yǎng)和質(zhì)量控制。

3 國家環(huán)境空氣自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)變化

3.1 顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)變化

2021年3月份以來，襄陽空氣質(zhì)量一直保持優(yōu)良狀況，PM10日均值小于70 μg/m3，自16日6時起逐漸升高至100 μg/m3左右，根據(jù)環(huán)辦監(jiān)測〔2016〕120號文，將16日9時至17日23時作為受影響時間(圖2)，圖2中可見：受影響時間持續(xù)40 h，其中空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)大于200持續(xù)31 h。造成3月16日PM10日均值達522 μg/m3，至嚴重污染，為執(zhí)行環(huán)境空氣質(zhì)量標準(GB3095-2012)以來襄陽最大值；3月17日重度污染。

3.2 其他常規(guī)監(jiān)測項目變化

所監(jiān)測6項目小時變化趨勢圖(圖3)可見，3月16日9時開始PM10大幅升高； PM2.5在沙塵過程時段稍有波動，后期明顯降低。其他參數(shù)無明顯變化。污染過程首要污染物均為PM10，本文重點對顆粒物進行分析。

將3月16日0～8時作為傳輸前時段，與沙塵過程時段(3月16日9時至17日23時)進行比較。

圖3 2021年3月16～18日六項目濃度小時變化

4 氣象條件分析

4.1 衛(wèi)星影像

圖4為風(fēng)四衛(wèi)星影像觀測結(jié)果，反映了沙塵傳入華中地區(qū)的過程。2021年3月14日至15日晨，蒙古國南部和內(nèi)蒙古中西部交界地在大風(fēng)天氣作用下，迅速起沙，并在冷空氣推動下向我國北方大部快速進發(fā)；15日上午開始，西北冷空氣攜強沙塵暴逐漸影響河北省及華中地區(qū)，多地出現(xiàn)不同程度沙塵天氣，16～17日持續(xù)向東南傳輸。

圖4 2021年3月15～17日風(fēng)四云圖

4.2 氣象要素監(jiān)測及診斷分析

4.2.1 高層大氣環(huán)流

3月15日20時(圖5)、3月16日14時(圖6)，500 hPa環(huán)流天氣圖上，中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”型，兩槽分別位于我國東北地區(qū)和烏拉爾山附近，我國北方處于廣闊的脊區(qū)，以下沉氣流為主，造成大氣湍流，形成不穩(wěn)定層結(jié)，同時空氣干燥，出現(xiàn)沙塵天氣。

圖5 2021年3月15日20時500hPa位勢高度(gpm)

圖6 2021年3月16日14時500hPa位勢高度(gpm)

4.2.2 襄陽上空風(fēng)場及溫度

由氣象站監(jiān)測可見從氣溫風(fēng)矢圖上(圖7)可知，3月15日08時至18日00時，襄陽上空925 hPa以下，一致為北風(fēng)或東北風(fēng)，其中16日02～08時，16日20時有兩個風(fēng)速大值區(qū)，對應(yīng)時段的PM10升高；從溫度層結(jié)來看，15日白天近地層出現(xiàn)20 ℃以上的氣溫，午后，10 ℃層的高度緩慢下降，至16日05時，10 ℃層的高度劇烈下降，16日20時小幅升高后再次下降，同PM10有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖7 2021年3月15日08時至18日02時襄陽上空風(fēng)場(風(fēng)矢)和溫度(℃)

4.2.3 地面氣象要素監(jiān)測

從襄陽站地面風(fēng)速(圖8)來看，16日9時前，小時最大風(fēng)速在5 m/s左右,冷空氣影響最強；16日10時起，襄陽逐小時風(fēng)速在2～3 m/s。對應(yīng)在逐小時氣溫持續(xù)下降，尤其是16日0時至17日0時，小時最高氣溫從18 ℃降至10 ℃，下降8 ℃，之后在8～13 ℃波動。17日17～18時出現(xiàn)降雨，降雨量4.2 mm，顆粒物濃度持續(xù)下降，6 h后降至沙塵開始前水平。

圖8 2021年3月16日0時至18日06時襄陽逐小時風(fēng)速(m/s)氣溫(℃)

4.2.4 邊界站和超站顆粒物雷達的響應(yīng)過程和通量情況

激光雷達測得的退偏振比可以區(qū)分非球形粒子與球形粒子，沙塵顆粒中主要以非球形粒子為主，細顆粒物主要以球形粒子為主，因此，利用激光雷達可以對沙塵粒子進行監(jiān)測與識別；退偏振比越大沙塵比例越高，一般消光系數(shù)與顆粒物濃度正相關(guān)[12]。

4.2.4.1 邊界站通量激光雷達監(jiān)測分析

通過邊界站風(fēng)羽圖和通量圖分析(圖9、10)可知，16日7:30時起，監(jiān)測點位上空800 m以下消光系數(shù)減小，退偏振比增大，為粗顆粒物占比較高的沙塵氣團傳輸。8時后退偏振比持續(xù)在0.2左右。16日18時至17日2時期間消光系數(shù)相對較高，表明該時段內(nèi)沙塵傳輸加強。16日5時至17日24時主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，PM2.5和PM10對襄陽市瞬時輸入量均較大，沙塵由東北側(cè)向襄陽傳輸。整個沙塵氣團傳輸期間，近地面(小于200 m)、低空層(200～600 m)、中高層(600～1000 m)主導(dǎo)風(fēng)向均為東北風(fēng)，風(fēng)向一致性較好，且風(fēng)速總體在2 m/s以上，有利于沙塵向襄陽輸入；PM10傳輸通量均為正值，即以輸入為主。

3月17日12時后傳輸強度相對減弱，退偏振比逐漸減小。17日17～18時出現(xiàn)短暫降水過程，利于顆粒物污染沉降。

圖9 3.16～3.17通量雷達消光系數(shù)(a)和PM2.5瞬時通量與風(fēng)羽圖(b)

4.2.4.2 超級站顆粒物雷達響應(yīng)情況

由襄陽超級站顆粒物雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖11)可知，16日凌晨起，800m以下氣溶膠消光系數(shù)隨之增大，顆粒物濃度升高，8:30時后退偏振比增大明顯，對比邊界站雷達分析，PM10特征顯現(xiàn)稍晚1 h，表明沙塵氣團由襄陽邊界往城區(qū)持續(xù)輸送，該階段污染以PM2.5和PM10為主。9時后退偏振比增大至0.28左右，且氣溶膠消光系數(shù)有減小趨勢，污染以PM10為主；結(jié)合消光系數(shù)圖來看，16日18時至次日4時近地面消光系數(shù)再次增大，表明此階段沙塵作用有所增強，污染加重；自17日12時開始，消光系數(shù)和退偏振比均呈下降趨勢，為沙塵衰減過程，污染有所減輕。

圖10 3.16～3.17通量雷達退偏振比(a)和PM10瞬時通量與風(fēng)羽圖(b)

圖11 2021年3月16日至17日(19時)襄陽市超級站顆粒物雷達監(jiān)測

4.2.4.3 后向軌跡模式

通過襄陽市過去48 h大氣后向軌跡模式(HYSPLIT Trajectory Model)模擬(圖12)顯示：此次高空大規(guī)模沙塵氣團源于監(jiān)測點位西北方向較遠位置，在較強東北氣流作用下，先向東南方向移動后轉(zhuǎn)而向西南方向移動，經(jīng)過長時間的遠距離傳輸，受東北風(fēng)作用下由北側(cè)輸入襄陽境內(nèi)。

5 顆粒物組分變化分析

5.1 沙塵示蹤成分變化

超級站主要無機元素(圖13)K、Fe、Ca、Zn的變化趨勢與PM10的變化趨勢基本一致，其中PM10超標時段K平均濃度為1.75 μg/m3，較傳輸前升高2.8倍；Fe平均濃度為1.59 μg/m3，較傳輸前升高11.2倍；Ca平均濃度為0.92 μg/m3，較傳輸前升高14.3倍；Zn平均濃度為0.24 μg/m3，較傳輸前升高20.0%。與賈曉鵬等[13]研究的甘肅河西地區(qū)大氣沙塵顆粒表面的化學(xué)成分相近。

圖12 3月16日10時襄陽市48 h后向軌跡

5.2 顆粒物粒徑變化

顆粒物粒徑變化(圖14)可知，超標時段在1.0 μm以下的顆粒物數(shù)濃度較沙塵傳輸前下降153%；大于1.0 μm顆粒物數(shù)濃度升高,其中2.5～10 μm的顆粒物升高顯著。

6 結(jié)論與討論

對2021年3月15～17日襄陽市空氣質(zhì)量站點顆粒物演變及氣象因素分析，得到相關(guān)結(jié)論如下。

(1)本次大規(guī)模沙塵源位于蒙古國南部和內(nèi)蒙古中西部交界地，大氣湍流形成不穩(wěn)定層結(jié)；在較強東北氣流作用下，攜帶高濃度沙塵氣團先向東南方向移動后轉(zhuǎn)而向西南方向移動，經(jīng)過長時間的遠距離傳輸，由北側(cè)輸入襄陽境內(nèi)。后向軌跡變化與環(huán)境氣象的變化呈現(xiàn)出一致性。這次沙塵天氣是在高低空配合的氣象條件下發(fā)生發(fā)展的，通量強度集中在近地面1000 m以下。

時間

時間

(2)沙塵天氣過程中，超級站沙塵示蹤成分較沙塵傳輸前明顯升高；PM10超標時段顆粒物粒徑分布具明顯沙塵輸入特征。

(3)作為湖北大氣輸入重要通道，通過分析、研究鄂豫邊界站監(jiān)測沙塵傳輸規(guī)律，可為污染預(yù)警預(yù)報提供技術(shù)支持。

(4)17日18時后降水過程對空氣質(zhì)量改善明顯，說明降水對顆粒物洗刷效果顯著，可在污染防治中考慮在上游地區(qū)人工增雨通過降水減少對下游傳輸影響。

(5)沙塵暴治理不是一國之事，需要國際合作，共享信息與技術(shù)，才能有效解決。