張慧 劉本運(yùn) 張淼 譚偉 宋永超 李彥

（1 山東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 山東濟(jì)南 250014 2 國(guó)網(wǎng)濟(jì)南供電公司 山東濟(jì)南 250001）

0 引言

沙塵天氣是風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中，使空氣混濁的一種天氣現(xiàn)象的統(tǒng)稱(chēng)。沙塵天氣過(guò)程分為5 類(lèi)：浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴［1］。據(jù)中國(guó)氣象局2021 年4 月新聞發(fā)布會(huì)可知，2021 年1 月—3 月，我國(guó)發(fā)生6 次沙塵天氣過(guò)程，為2005 年以來(lái)北方地區(qū)平均沙塵日數(shù)同期最多，其中，2 次為強(qiáng)沙塵暴過(guò)程，4 次為揚(yáng)沙過(guò)程；1 月10 日發(fā)生的沙塵天氣為2002 年以來(lái)出現(xiàn)時(shí)間最早的一次，3 月15 日發(fā)生的沙塵天氣為近10 a 來(lái)最強(qiáng)。沙塵天氣主要影響我國(guó)西北、華北、東北地區(qū)，是我國(guó)北方地區(qū)主要災(zāi)害性天氣之一，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大影響［2-5］。

山東省位于中國(guó)的東部沿海、黃河下游，距離沙塵源相對(duì)較遠(yuǎn)，但是省內(nèi)大部分地區(qū)仍受沙塵天氣影響較大。目前僅有極少文獻(xiàn)分析了沙塵天氣發(fā)生時(shí)省內(nèi)部分城市環(huán)境空氣污染特性［6-7］，針對(duì)沙塵天氣發(fā)生時(shí)全省環(huán)境空氣質(zhì)量整體變化情況及形成原因的研究較少。本文深入分析了沙塵天氣對(duì)山東省整體環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，重點(diǎn)說(shuō)明了山東省易受沙塵影響的原因，并提出了減輕沙塵影響的措施建議，以期為更好應(yīng)對(duì)沙塵天氣提供參考依據(jù)。

1 沙塵天氣對(duì)山東省環(huán)境空氣質(zhì)量的影響

1.1 沙塵對(duì)全省實(shí)時(shí)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響

以2021 年3 月15 日山東省出現(xiàn)的沙塵天氣為例，這次大范圍沙塵天氣主要起源于蒙古國(guó)。14 日上午，蒙古國(guó)西南部發(fā)生沙塵暴天氣，沙塵隨氣流向南移動(dòng)，15 日凌晨，沙塵開(kāi)始影響京津冀地區(qū)，15 日14 時(shí)，沙塵進(jìn)入山東境內(nèi)，首先影響德州市，德州市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)率先達(dá)到500。隨著沙塵向東南方向移動(dòng)，16 日09 時(shí)，德州市天氣有所好轉(zhuǎn)，但全省大部分地市陷入嚴(yán)重污染（見(jiàn)表1），16 日14 時(shí)，沙塵天氣在山東省開(kāi)始逐漸減弱，全省一半城市空氣質(zhì)量指數(shù)轉(zhuǎn)為300 以下，其后沙塵天氣逐漸在山東省消失。

表1 2021 年3 月16 日09 時(shí)山東全省環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)

總體來(lái)說(shuō)，沙塵天氣對(duì)山東全省環(huán)境空氣質(zhì)量均有影響，對(duì)德州、聊城、菏澤、濟(jì)寧、泰安、濟(jì)南等中西部城市影響較大，對(duì)煙臺(tái)、威海等沿海城市影響相對(duì)較小。沙塵天氣進(jìn)入山東境內(nèi)后，一般首先影響德州市，進(jìn)而向東南方向移動(dòng)，影響省內(nèi)大部分城市；嚴(yán)重時(shí)，煙臺(tái)、威海等沿海城市也會(huì)陷入重度污染或嚴(yán)重污染天氣。

1.2 沙塵對(duì)環(huán)境空氣中6 項(xiàng)常規(guī)污染物的影響

對(duì)山東省濟(jì)南市2021 年3 月份經(jīng)歷的2 次沙塵天氣進(jìn)行分析，相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自山東省環(huán)境App（見(jiàn)表2）。3 月15 日沙塵天氣發(fā)生時(shí)，當(dāng)天濟(jì)南PM10濃度為505 μg/m3，16 日濃度達(dá)到539 μg/m3，17 日沙塵天氣稍有緩解，濃度降為413 μg/m3，本次沙塵天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，15—17 日PM10濃度為14 日（107 μg/m3，沙塵天氣發(fā)生前）的3.9～5.0 倍；15—17 日濟(jì)南市PM2.5濃度分別為122、124、80 μg/m3，為14 日（72 μg/m3）的1.1～1.7 倍，PM2.5濃度的增幅遠(yuǎn)小于PM10；15—17 日PM2.5占PM10的比例（PM2.5/PM10）分別為0.24、0.23 和0.19，遠(yuǎn)低于14 日（占比為0.67），且18 日沙塵天氣基本結(jié)束時(shí)，PM2.5/PM10仍比14 日的低，說(shuō)明沙塵天氣發(fā)生時(shí)，PM10中主要是空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑>2.5 μm 的顆粒物，且PM10對(duì)空氣質(zhì)量的影響時(shí)間比PM2.5的影響時(shí)間長(zhǎng)。3 月28 日沙塵天氣發(fā)生時(shí)，當(dāng)天濟(jì)南市PM10濃度為552 μg/m3，29日濃度為359 μg/m3，30日為184 μg/m3，28—30 日PM10濃度為27 日（126 μg/m3，沙塵天氣發(fā)生前）的1.5～4.4 倍；28—30 日PM2.5濃度分別為133、74、50 μg/m3，為27 日（88 μg/m3）的0.6～1.5 倍，30 日PM2.5較27 日（未發(fā)生沙塵天氣時(shí)）低，可能是由于沙塵天氣伴隨的大風(fēng)有利于本土PM2.5的擴(kuò)散；28—30 日PM2.5/PM10分別為0.24、0.21和0.27，遠(yuǎn)低于27 日（占比為1.4）；同時(shí)，31 日沙塵天氣基本結(jié)束時(shí)，PM2.5/PM10仍比27 日的比值低，同樣說(shuō)明沙塵天氣發(fā)生時(shí)PM10中主要是大粒徑顆粒物，且PM10對(duì)空氣的影響時(shí)間比PM2.5的影響時(shí)間長(zhǎng)。綜合分析說(shuō)明，沙塵天氣發(fā)生時(shí)，PM10濃度急劇增加，PM2.5濃度上升緩慢，個(gè)別時(shí)候會(huì)出現(xiàn)下降，PM2.5/PM10顯著下降，且PM10的影響較PM2.5持久。

表2 濟(jì)南市2021 年3 月份2 次沙塵過(guò)境期間環(huán)境空氣質(zhì)量及污染物濃度數(shù)據(jù)

3 月份2 次沙塵天氣發(fā)生期間，SO2濃度均在21 μg/m3以下，NO2濃度均在55 μg/m3以下，CO濃度均在1.2 mg/m3以下，O3濃度均在137 μg/m3以下，沙塵對(duì)SO2、NO2、CO 和O3無(wú)明顯規(guī)律性影響。但從O3濃度看，沙塵天氣期間，臭氧濃度呈下降趨勢(shì)，這與沙塵伴隨的大風(fēng)有利于本地?cái)U(kuò)散有關(guān)，而SO2、NO2、CO 由于本身濃度就被控制在了比較低的水平，所以大風(fēng)的擴(kuò)散作用對(duì)其影響較小。

1.3 沙塵對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物主要元素的影響

地殼中含量最多的化學(xué)元素是氧（O），占總重量的48.6%，其次是硅（Si）、鋁（Al）、鐵（Fe）、鈣（Ca），分別占26.30%、7.73%、4.75%、3.45%。濟(jì)南市某超級(jí)站對(duì)顆粒物PM2.5中的主要地殼元素進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，3 月10—31 日PM2.5中的Si、Al、Fe、Ca 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。由圖1 可以看出，沙塵天氣發(fā)生時(shí)，4 種主要元素濃度激增，3 月16 日的總含量是3 月14 日的33 倍，3 月28 日的總含量是3 月27 日的11 倍，說(shuō)明沙塵天氣發(fā)生時(shí)，雖然PM2.5濃度變化不顯著，但主要元素的組成發(fā)生了較大變化，組分受到了大風(fēng)卷起的地面浮塵及沙塵源區(qū)輸送而來(lái)的沙塵顆粒影響。沙塵天氣帶來(lái)了大量污染物的增加，是影響生態(tài)環(huán)境的“污染暴”。

圖1 2021 年3 月10—31 日PM2.5 中的Si、Al、Fe、Ca 濃度

2 山東省易受沙塵影響的主要原因

2.1 沙塵源地氣候原因?qū)е挛覈?guó)沙塵天氣頻發(fā)

影響我國(guó)的沙塵源地可分境外源地和境內(nèi)源地，蒙古國(guó)和我國(guó)西北地區(qū)是沙塵形成的重要地區(qū)。自2020 年入冬以來(lái)，該部分地區(qū)氣溫明顯偏高、地表基本沒(méi)有積雪覆蓋、淺層土壤相對(duì)濕度較低，植被覆蓋少，抑沙條件差。特別是3 月份，我國(guó)平均氣溫為6.6 ℃，較常年同期偏高2.5 ℃，為1961 年以來(lái)歷史同期第二高；全國(guó)平均降水量27.8 mm，較常年同期偏少6%。另外，2021 年以來(lái)，歐亞中高緯的大氣環(huán)流多次出現(xiàn)明顯的階段性調(diào)整，特別是影響我國(guó)空氣的西伯利亞高壓，出現(xiàn)了多次增強(qiáng)過(guò)程，造成歐亞中緯度環(huán)流經(jīng)向度加大，為沙塵天氣的形成提供了有利動(dòng)力條件。尤其是3 月13—18 日，出現(xiàn)了近10 a 我國(guó)最強(qiáng)的沙塵天氣過(guò)程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣，涉及19 個(gè)省（區(qū)、市），影響范圍456.2 萬(wàn)km2。沙塵源地頻繁發(fā)生的沙塵天氣過(guò)程是我國(guó)大部分省份易受沙塵天氣影響的源頭因素。

2.2 沙塵移動(dòng)路徑導(dǎo)致山東省易受到影響

研究表明，我國(guó)沙塵的主要移動(dòng)路徑每次都不盡相同，主要路徑如下。①南疆盆地型：起源于新疆南部，并主要影響該地區(qū)。②局地型：局部地區(qū)有沙塵天氣出現(xiàn)，但沙塵主體沒(méi)有明顯的移動(dòng)。③偏北路徑型：起源于蒙古國(guó)或我國(guó)東北地區(qū)西部，主要影響我國(guó)西北地區(qū)東部、華北大部和東北地區(qū)南部。④偏西路徑型：起源于蒙古國(guó)、我國(guó)內(nèi)蒙古西部或新疆南部，主要影響我國(guó)西北、華北地區(qū)。⑤西北路徑型：一般起源于蒙古國(guó)或我國(guó)內(nèi)蒙古西部，主要影響我國(guó)西北和華北地區(qū)。沙塵主要移動(dòng)路徑中，偏北路徑型、偏西路徑型和西北路徑型均可能導(dǎo)致山東省出現(xiàn)沙塵天氣，進(jìn)而導(dǎo)致空氣質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

2.3 山東省自身地理位置原因?qū)е律硥m不易擴(kuò)散

我國(guó)地勢(shì)西高東低，呈三級(jí)階梯狀逐級(jí)下降。山東省處于第三階梯，地勢(shì)低，易受來(lái)自于第二階梯方向的沙塵影響，而且沙塵傳輸高度一般較高，難以被太行山等山脈阻擋。以濟(jì)南市2021 年3 月15 日發(fā)生的沙塵天氣為例，由激光雷達(dá)垂直觀(guān)測(cè)可知，沙塵高達(dá)2 500 m 左右，此類(lèi)高空傳輸?shù)纳硥m給山東省大部分地區(qū)帶來(lái)極大影響。而對(duì)于其他傳輸高度稍低的沙塵天氣過(guò)程，由于南北方向的太行山和東西方向的秦嶺中間有黃河蜿蜒穿過(guò)，此類(lèi)地形給沙塵向山東省傳輸帶來(lái)了便利條件，導(dǎo)致山東省西部地區(qū)極易受沙塵天氣影響。而同時(shí)山東省中南部地區(qū)有大量山脈阻擋，如泰山（1 532 m）、蒙山（1 156 m），魯山（1 108 m）、沂山（1 032 m），海拔均超過(guò)1 000 m，這些高山導(dǎo)致沙塵不易擴(kuò)散，更是加重了山東中西部地區(qū)的污染程度和持續(xù)時(shí)間。由于地形原因，山東省中西部地區(qū)沙塵不易擴(kuò)散，導(dǎo)致沙塵天氣影響較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4 山東省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)一定程度上加劇了沙塵對(duì)本地的污染

山東產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重工業(yè)，能源結(jié)構(gòu)偏煤特征比較突出。作為全國(guó)工業(yè)大省、實(shí)體經(jīng)濟(jì)大省，全國(guó)重要的工業(yè)品、消費(fèi)品供給基地，山東省能源消耗無(wú)論是總量還是單位能耗，一直位居全國(guó)前列。由《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒2020》可知，2017 年、2018年、2019 年，全省能源消費(fèi)量（折標(biāo)準(zhǔn)煤）分別為40 097.7 萬(wàn)t、40 580.5 萬(wàn)t 和41 390.0 萬(wàn)t 標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)占比分別為72.70%、69.32%和67.28%，2019 年山東煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比例超過(guò)全國(guó)水平（57.7%）近10%。目前，山東省結(jié)構(gòu)性污染問(wèn)題依然突出，給環(huán)境空氣質(zhì)量帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。沙塵天氣發(fā)生時(shí)，污染物難以向外擴(kuò)散，而且沙塵帶來(lái)的大量顆粒物加大對(duì)其他空氣污染物的吸附，從而導(dǎo)致本地污染進(jìn)一步加重。

3 減輕沙塵影響的具體措施

（1）加強(qiáng)沙塵天氣預(yù)報(bào)。進(jìn)一步提高沙塵天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，加大宣傳力度，提醒公眾合理應(yīng)對(duì)沙塵天氣，注意生命和財(cái)產(chǎn)安全。

（2）加大植被覆蓋度。推進(jìn)植樹(shù)造林，增加土壤表層覆蓋度，減少沙塵來(lái)臨時(shí)大風(fēng)吹起本地裸露土壤造成的污染加重現(xiàn)象。

（3）加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。山東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)路徑依賴(lài)、技術(shù)鎖定效應(yīng)較強(qiáng)，慣性發(fā)展勢(shì)頭較大，持續(xù)推進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整是解決山東污染問(wèn)題的根本舉措，建議研究編制全省碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)方案，啟動(dòng)新一輪“四減四增”行動(dòng)，從源頭上大幅減少污染物排放量。

4 結(jié)語(yǔ)

沙塵天氣過(guò)境時(shí)，山東全省16 個(gè)地級(jí)市環(huán)境空氣質(zhì)量均受到影響，德州、聊城、菏澤、濟(jì)寧、泰安、濟(jì)南等中西部地區(qū)受影響較大，煙臺(tái)、威海等東部沿海城市受影響程度相對(duì)較小。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，沙塵天氣發(fā)生時(shí)，PM10濃度急劇增加，PM2.5濃度上升緩慢，個(gè)別時(shí)候會(huì)出現(xiàn)下降，PM2.5/PM10顯著下降，且PM10的影響較PM2.5持久；沙塵天氣對(duì)空氣中SO2、NO2、CO 等污染物濃度影響不大，O3濃度有所降低；PM2.5中主要地殼元素Si、Al、Fe、Ca 濃度激增。本文深入研究了山東省易受沙塵影響的主要原因：沙塵源地氣候因素、沙塵移動(dòng)路徑、山東省自身地理位置及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。下一步，建議山東省從加強(qiáng)沙塵天氣預(yù)報(bào)、加大植被覆蓋度、加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整等方面著手，減少沙塵對(duì)本地環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。