陶格斯，王海兵，毫斯巴乙拉，趙杉杉

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.克什克騰旗生態(tài)環(huán)境監(jiān)控分中心，內(nèi)蒙古 赤峰 025350；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站呼和浩特分站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

1 引言

沙塵對(duì)人類健康有密切關(guān)系，沙塵攜帶的顆粒物可經(jīng)呼吸道進(jìn)入肺部、血液，對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等造成嚴(yán)重影響[1，2]。在全球范圍內(nèi)研究評(píng)估顆粒物空氣污染對(duì)居民死亡的影響，發(fā)現(xiàn)PM10(粒徑≤10 μm)和PM2.5(粒徑≤2.5 μm)顆粒濃度與每日死亡率獨(dú)立相關(guān)[3]。因此，認(rèn)識(shí)并了解城市沙塵活動(dòng)特征及其對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響，對(duì)城市大氣環(huán)境治理尤為重要。

沙塵隨天氣系統(tǒng)影響著沙塵源區(qū)及輸送路徑上的地區(qū)，在近源區(qū)和遠(yuǎn)源區(qū)表現(xiàn)為不同程度的大氣污染。過境沙塵強(qiáng)度、頻度及其持續(xù)時(shí)間顯著影響著城市空氣質(zhì)量的污染程度[4]。沙塵的出現(xiàn)具有明顯的季節(jié)變化[5]，因而大氣顆粒物污染季節(jié)性特性也明顯。春季近源區(qū)城市的空氣PM10濃度、空氣污染程度與沙塵發(fā)生次數(shù)顯著正相關(guān)[6～8]。距沙塵源較遠(yuǎn)的城市如北京、石家莊、濟(jì)南等在沙塵發(fā)生時(shí)，空氣質(zhì)量變差，沙塵持續(xù)時(shí)間越長，PM10日平均值增幅越大[9]。沙塵除空氣顆粒物之外對(duì)大氣其他氣態(tài)污染物也有一定影響，沙塵氣溶膠表面易吸附SO2、NOx等酸性污染氣體，并作為載體對(duì)大氣污染成分進(jìn)行長距離輸送[10]。

呼和浩特市是內(nèi)蒙古省會(huì)城市，地區(qū)政治經(jīng)濟(jì)中心，位于內(nèi)蒙古中部，也是主要沙塵輸移過境地區(qū)，屬于近源區(qū)加強(qiáng)源地[11]。呼和浩特春季沙塵天氣主要受到風(fēng)速、氣溫、降水量等氣候因素的綜合影響，并且與冷空氣活動(dòng)有較為緊密的聯(lián)系[12]，主要表現(xiàn)為氣壓上升、氣溫下降、風(fēng)速增大[13]。沙塵高空遠(yuǎn)距離輸送是導(dǎo)致呼和浩特市春季空氣質(zhì)量顯著下降的重要原因，少降水、不穩(wěn)定的空氣熱力條件，植被尚未返青也是PM10濃度迅速增加的原因之一[14]。本文基于城市顆粒物的濃度變化，反應(yīng)呼和浩特市沙塵天氣過程的特征。采用2015～2019年呼和浩特市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了PM10、PM2.5濃度變化特征，通過顆粒物濃度變化判定沙塵天氣及辨識(shí)沙塵強(qiáng)度，并解析了不同強(qiáng)度沙塵暴過程中O3、CO、NO2和SO2等污染物濃度變化規(guī)律，闡明了區(qū)域沙塵活動(dòng)特征及其對(duì)城市大氣環(huán)境的影響，為城市空氣污染預(yù)警預(yù)測和治理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)源與分析方法

2.1 研究數(shù)據(jù)簡介

數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境廳公布的呼和浩特市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測站的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，呼和浩特市設(shè)有8個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站，均為國控站點(diǎn)，通過自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)城市空氣質(zhì)量開展監(jiān)測和進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要采用2015～2019年環(huán)境空氣氣溶膠PM2.5和PM10的小時(shí)值和日均值及氣態(tài)污染物O3、CO、NO2和SO2的小時(shí)濃度數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)中缺失值，采用時(shí)間線性插值的方法進(jìn)行處理，即：

(1)

式(1)中：Xn為第n個(gè)時(shí)刻的缺失值，Xi與Xj分別為缺失前后(時(shí)刻i與j)的濃度值。

2.2 研究方法

依據(jù)環(huán)辦監(jiān)測〔2016〕120號(hào)的規(guī)定，判定沙塵天氣影響起始時(shí)間：城市PM10小時(shí)平均濃度大于等于前6 h PM10平均濃度的2倍且大于150 μg/m3作為受影響起始時(shí)間；以城市PM10小時(shí)平均濃度首次降至與沙塵天氣前6 h PM10平均濃度相對(duì)偏差小于等于10%作為沙塵天氣影響結(jié)束時(shí)間的判定依據(jù)[15]。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，評(píng)定超標(biāo)天數(shù)。

為分析沙塵天氣對(duì)空氣質(zhì)量的影響程度，引用沙塵影響指數(shù)表達(dá)，其含義是:選擇無明顯沙塵天氣發(fā)生的9月份PM10濃度月均值作為本底值，3、4、5月份PM10月均值的平均值作為沙塵天氣影響值，其比值作為城市本身的沙塵影響指數(shù)[4]，能夠反應(yīng)城市一年內(nèi)所受沙塵影響的平均值。公式表示為：

I=P3、4、5/P9

(2)

式(2)中:I為沙塵影響指數(shù)，P9為9月份城市PM10月均值，P3、4、5為3、4、5月份PM10月均值的平均值。

為較好地定量分析一次沙塵過程的影響，對(duì)上述沙塵影響指數(shù)公式進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的公式以年度PM10濃度月均值作為本底值，一次沙塵過程的PM10均值作為沙塵天氣影響值，其比值作為一次沙塵過程的的沙塵影響指數(shù)。公式表示為：

I=P/Pmin

(3)

式(3)中:I為沙塵影響指數(shù)，Pmin為當(dāng)年城市PM10月均值最低值，P為一次沙塵活動(dòng)中PM10小時(shí)值的平均值。根據(jù)2015～2019年呼和浩特市城市PM10質(zhì)量濃度月均值，最低月均值2015年出現(xiàn)在9月份，其余年份出現(xiàn)在8月份。

皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)，是用于度量兩個(gè)變量X和Y之間的相關(guān)，廣泛用于度量兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度[16]，其值介于-1與1之間。取1時(shí)表示變量X和Y之間具有線性變化的關(guān)系，即Y隨X的增加而增加；取-1時(shí)變量Y隨X的增加而減??；值為0表示變量之間沒有線性相關(guān)關(guān)系。估算樣本的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差，可得到皮爾遜相關(guān)系數(shù)，即：

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 呼和浩特市PM10和PM2.5質(zhì)量濃度變化特征

從圖1看出呼和浩特市PM10和PM2.5日均值變化。5年間污染天數(shù)集中在冬季和春季，PM10日均值峰值分別出現(xiàn)在2015年4月15日、2016年3月4日、2017年5月4日、2018年3月28日和2019年5月12日，2018年P(guān)M10濃度峰較多，2017年P(guān)M10濃度峰值達(dá)到1477 μg/m3為5年最高值；3～5月份PM10日均值超標(biāo)天數(shù)占全年超標(biāo)天數(shù)的24%～59%，2018年3～5月份PM10日均值超標(biāo)天數(shù)占比最大達(dá)到59%；春冬季PM10污染明顯，而冬季為采暖季節(jié)空氣污染多與消耗化石燃料有關(guān)，加上冬季降水少較干燥或逆溫天氣等氣候因素，污染物難于擴(kuò)散[17]；而PM10日均值最高值多數(shù)出現(xiàn)在春季，春季污染特征為PM10濃度峰值較高，具有突發(fā)性，多集中在3～5月份，這與春季沙塵活動(dòng)有關(guān)系。PM2.5日均值變化與PM10不同，PM2.5日均值峰值分別出現(xiàn)在2015年11月30日、2016年2月8日、2017年5月4日、2018年2月17日和2019年2月5日，5年日均值較高值多數(shù)出現(xiàn)在冬季，與冬季采暖期消耗化石燃料有關(guān)；春季偶發(fā)性的出現(xiàn)峰值，并且與沙塵活動(dòng)引起的PM10濃度峰重合；3～5月份PM2.5日均值超標(biāo)天數(shù)占全年超標(biāo)天數(shù)的4%～33%，相比較PM10超標(biāo)率春季PM2.5超標(biāo)率較低。

圖1 呼和浩特市2015～2019年P(guān)M10和PM2.5日均值變化

3.2 沙塵天氣過程中大氣PM10和PM2.5濃度特征

3.2.1 沙塵天氣中顆粒物濃度變化趨勢

圖2為沙塵過程判定結(jié)果及沙塵過程中顆粒物濃度變化，2015年4月15日發(fā)生的沙塵過程，城市PM10小時(shí)濃度最大達(dá)到1233.6 μg/m3(4月15日16時(shí))，此時(shí)PM2.5小時(shí)濃度為56.3 μg/m3；沙塵來襲時(shí)，PM10濃度值急劇上升，但并未帶來PM2.5濃度的明顯上升。2016年5月20～21日發(fā)生的沙塵過程中PM10小時(shí)濃度峰值為1423.6 μg/m3(5月21日00時(shí))，此時(shí)PM2.5小時(shí)濃度達(dá)到270.0 μg/m3，PM2.5小時(shí)濃度峰值為200.0 μg/m3(3月4日14時(shí))；PM2.5濃度峰值提前與PM10濃度峰值。2017年5月3～5日沙塵天氣過程中PM10小時(shí)濃度峰值均超出2000 μg/m3，持續(xù)時(shí)間較長，沙塵后期發(fā)生二次峰值。2018年4月2日和4月29日兩次沙塵天氣過程中PM10小時(shí)濃度峰值均超出2000 μg/m3；PM10濃度急劇上升，PM2.5濃度有明顯上升(表1)。

表1 沙塵過程判定結(jié)果及沙塵過程中顆粒物濃度對(duì)比

5年間出現(xiàn)兩次PM10濃度超出3000 μg/m3的沙塵過程，分別在2018年4月13日和2019年5月12日發(fā)生，城市PM10小時(shí)濃度峰值達(dá)到3323.4 μg/m3(4月13日23時(shí))和3367.7 μg/m3(5月12日07時(shí))，PM2.5小時(shí)濃度達(dá)到262.3 μg/m3和714.1 μg/m3；PM10濃度急劇上升，PM2.5濃度有明顯上升，PM10小時(shí)濃度峰值與PM2.5小時(shí)濃度峰值幾乎同步出現(xiàn)；通過兩次沙塵活動(dòng)PM2.5濃度差異，發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度與沙塵持續(xù)時(shí)間有一定關(guān)系，沙塵持續(xù)時(shí)間越長PM2.5濃度會(huì)越高。

圖2 沙塵過程判定結(jié)果及沙塵過程中顆粒物濃度變化

3.2.2 PM2.5/PM10濃度比值變化分析

圖3(a)表示2015～2019年3～5月份沙塵天氣過程PM2.5/PM10濃度比值變化規(guī)律。根據(jù)箱線圖差異可以看出：沙塵天氣期間PM2.5/PM10濃度比值較低，PM2.5占PM10總質(zhì)量的比例都在0.4以下，沙塵天氣過程25%～75%的區(qū)間值在0.12～0.25之間，PM2.5/PM10濃度比均值范圍為0.18～0.22之間。可見沙塵天氣過程中PM10濃度達(dá)到峰值時(shí)PM2.5/PM10濃度比值最低，在一次沙塵天氣發(fā)生、發(fā)展、消失過程中PM2.5/PM10濃度比發(fā)生規(guī)律的變化。在沙塵天氣過程初期PM2.5/PM10濃度比值低，沙塵中PM10濃度占比較高，隨著沙塵過程的持續(xù)PM2.5濃度增加，PM2.5/PM10濃度比值逐漸增大[18]。圖3(b)表示2015～2019年3～5月份非沙塵天氣PM2.5/PM10濃度比值變化規(guī)律。根據(jù)箱線圖差異可以看出非沙塵天氣PM2.5/PM10濃度比值高于沙塵天氣，非沙塵天氣25%～75%的區(qū)間值在0.21～0.49，PM2.5/PM10濃度比值均值范圍為0.31～0.41。

圖3 沙塵天氣過程PM2.5/PM10濃度比值變化

3.3 沙塵影響指數(shù)及沙塵影響時(shí)間

通過沙塵活動(dòng)中PM10質(zhì)量濃度，計(jì)算沙塵活動(dòng)的沙塵影響指數(shù)，呼和浩特市2015～2019年春季沙塵影響指數(shù)分別為4.31、6.63、7.02、12.80和14.90，有逐年上升趨勢，一次沙塵過程的強(qiáng)度影響比較明顯。2019年度沙塵活動(dòng)并不頻繁，而沙塵影響指數(shù)最高值出現(xiàn)在2019年為39.95，此次特強(qiáng)沙塵活動(dòng)中PM10質(zhì)量濃度峰值達(dá)到3367.7 μg/m3，沙塵過程持續(xù)時(shí)間10 h，導(dǎo)致沙塵影響指數(shù)在5年中最高。

呼和浩特市5年沙塵影響時(shí)間有772 h，年均154.4 h；沙塵影響時(shí)間最小值為4 h，最大38 h，中位數(shù)為13.5 h。5年間持續(xù)影響時(shí)間超過24 h的沙塵活動(dòng)有10次，持續(xù)影響時(shí)間12～23 h的有20次。從圖4看出，2018年出現(xiàn)5年間沙塵過程持續(xù)時(shí)間最長的一次沙塵過程為38 h，此次過程中PM10質(zhì)量濃度峰值為788.6 μg/m3，沙塵影響指數(shù)為20.22。從上述分析可知：沙塵影響指數(shù)不僅與PM10濃度有直接關(guān)系，而且與沙塵過程持續(xù)時(shí)間有著間接的聯(lián)系。

圖4 2015～2019年沙塵影響指數(shù)分布情況

3.4 沙塵天氣對(duì)呼和浩特市氣態(tài)污染物的影響

根據(jù)沙塵影響指數(shù)的大小選取5年中典型沙塵過程天氣進(jìn)行分析。根據(jù)圖5、圖6可知，城市大氣氣態(tài)污染物濃度隨沙塵過程的經(jīng)過而發(fā)生相應(yīng)變化，NO2、SO2和CO的濃度隨PM10濃度的上升而有一定程度的下降趨勢，在沙塵過程后期隨著PM10濃度下降而NO2、SO2和CO濃度上升；O3濃度在沙塵過程中變化趨勢較復(fù)雜，波動(dòng)性大，沙塵經(jīng)過時(shí)O3濃度隨著PM10濃度的上升而有上升趨勢，且沙塵過后保持相對(duì)高的濃度水平。

圖5 2015～2017典型沙塵天氣大氣污染物濃度變化趨勢

圖6 2018～2019典型沙塵天氣大氣污染物濃度變化趨勢

將沙塵天氣PM10小時(shí)值與O3、CO、NO2和SO2的小時(shí)值做相關(guān)性分析，使用雙尾顯著檢驗(yàn)，在0.05的水平下相關(guān)性顯著。CO、NO2和SO2等污染物濃度與PM10濃度負(fù)相關(guān)，O3濃度與PM10濃度正相關(guān)(表3)。

表3 沙塵天氣PM10質(zhì)量濃度與氣態(tài)污染物濃度的相關(guān)性

4 討論

沙塵暴研究通常是以水平能見度指標(biāo)對(duì)沙塵天氣分類[19]。盡管夜間空氣污染和逆溫天氣造成的污染對(duì)使用顆粒物濃度變化判定沙塵天氣過程時(shí)干擾較明顯，通過城市PM10濃度判定沙塵天氣結(jié)果基本符合氣象部門數(shù)據(jù)，判定結(jié)果可靠。比較5年同期沙塵活動(dòng)，2018年沙塵活動(dòng)較頻繁受沙塵影響較嚴(yán)重，短時(shí)高強(qiáng)度沙塵活動(dòng)多發(fā)，2018年春季、夏季內(nèi)蒙古全區(qū)大部地區(qū)氣溫偏高，平均氣溫達(dá)到歷史高值，高氣溫是沙塵暴形成的有力條件，初春氣溫高土壤解凍迅速，使地表干燥疏松，影響沙源地起沙作用的強(qiáng)弱[20]，這導(dǎo)致了較多頻次的沙塵天氣過程。

沙塵發(fā)生時(shí)，PM10濃度值上升，PM2.5濃度有不同程度的上升，也有時(shí)PM2.5濃度不隨沙塵天氣PM10濃度上升而變化。通過對(duì)比，PM2.5濃度受沙塵活動(dòng)持續(xù)時(shí)間影響較明顯，沙塵顆粒物的壽命隨其體積的增大而縮短，細(xì)顆粒物(<20 μm)的壽命為1～2周，而粗顆粒物(>20 μm)約為幾小時(shí)或幾天。因此，細(xì)顆粒物才能夠懸浮在大氣中，并有足夠的時(shí)間影響天氣[21]。同時(shí)，Sow等發(fā)現(xiàn)沙塵顆粒物大小的變化與風(fēng)速并沒有密切聯(lián)系[22]。

目前城市沙塵天氣與大氣氣態(tài)污染物影響研究中發(fā)現(xiàn)沙塵活動(dòng)對(duì)O3、CO、NO2和SO2等氣態(tài)污染物濃度的影響較為復(fù)雜，因研究區(qū)域不同而作用不同。崔娟等研究認(rèn)為榆林市沙塵天氣對(duì)SO2、NOx、CO和O3等環(huán)境要素沒有顯著影響[8]。劉筱冉研究認(rèn)為蘭州市春季沙塵天氣期間，SO2、NO2和CO濃度表現(xiàn)為降低或升高，O3濃度受沙塵天氣影響不明顯[23]。董曉波等研究石家莊一次沙塵天氣過程發(fā)現(xiàn)，SO2、NO2和CO的濃度變化趨勢一致，O3濃度變化較小[24]。方麗娟等研究哈爾濱市沙塵天氣發(fā)現(xiàn)，SO2呈明顯減弱趨勢；NO2的濃度變化則不確定[25]。沙塵天氣O3濃度變化的特性可能與近年城市O3二次污染有關(guān)有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

呼和浩特市沙塵天氣多發(fā)生在春季3～5月份，沙塵發(fā)生頻率高達(dá)9.2次/年。5年46次沙塵過程中67.4%為強(qiáng)沙塵過程；2015～2019年春季沙塵影響指數(shù)分別為4.31、6.63、7.02、12.80和14.90，有逐年上升趨勢。

沙塵暴發(fā)生時(shí)PM10濃度值急劇上升，PM2.5濃度峰值提前或同步與PM10濃度峰值。PM2.5濃度與沙塵持續(xù)時(shí)間有一定關(guān)系，沙塵持續(xù)時(shí)間越長PM2.5濃度會(huì)越高。沙塵天氣期間PM2.5/PM10濃度比值較低，25%～75%的區(qū)間值在0.12～0.25之間，PM10濃度達(dá)到峰值時(shí)PM2.5/PM10濃度比值最低。

城市大氣氣態(tài)污染物濃度隨沙塵過程的經(jīng)過而發(fā)生相應(yīng)變化，沙塵過程前期NO2、SO2和CO的濃度隨PM10濃度的上升而下降，在沙塵過程后期隨著PM10濃度下降而NO2、SO2和CO濃度上升；O3濃度在沙塵過程中變化趨勢較為復(fù)雜，濃度波動(dòng)性大，且沙塵過后保持相對(duì)高的濃度水平。