沙尘天气对大气环境和人体健康的影响

北京市气象局 佘 峰

兰州大学资源环境学院 陶 燕

沙尘天气对大气环境和人体健康的影响

Impact of sand and dust weather on atmospheric environment and human health

北京市气象局 佘 峰

兰州大学资源环境学院 陶 燕

沙尘天气概述

沙尘天气是指大风将地面尘土、沙粒卷入空中或被高空气流带到下游地区而造成大气混浊、水平能见度明显下降的一种天气现象的统称。

沙尘来源

全球范围内约1/4的陆地遭到沙漠化的危害，有4大沙尘暴多发区，分别位于北美、澳大利亚、中亚以及中东地区，我国作为中亚多发区的一部分，主要多发于北方尤其是西北地区。

我国沙尘来源根据沙尘暴发生源地，分为境外源和国内源，其中70%左右为来自蒙古国的境外源。由于沙尘天气发生过程极为复杂，选择的研究对象和研究方法不同，沙尘来源不尽相同，但总体来讲，沙尘天气的来源主要为沙漠和戈壁，其中包括塔克拉玛干沙漠、蒙古国、柴达木盆地、内蒙古东部沙地（浑善达克沙地和科尔沁沙地）、内蒙古西部沙地（巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙地和乌兰布和沙漠），此外，黄土高原、沙漠化严重的农牧交错地区以及干涸湖床沉积物对我国沙尘天气也存在一定的“贡献”。

不同来源的沙尘对我国的影响区域有所不同，一般影响我国沙尘天气路径有西北路径、偏西路径和偏北路径，其中西北路径又分为两条，一条起源于蒙古高原中西部或内蒙古西部的阿拉善高原，主要影响我国的西北和华北地区，一条起源于蒙古国南部或内蒙古中西部，主要影响西北地区东部、华北北部及东北大部；偏西路径起源于蒙古国西南部的戈壁和内蒙古西部的沙漠，主要影响西北和华北；偏北路径起源于蒙古国乌兰巴托以南的广大地区，主要影响西北地区东部、华北大部及东北南部。

沙尘天气等级

2006年由中华人民共和国国家质检总局和国家标准委批准发布的《沙尘暴天气等级》国家标准中对沙尘天气的等级进行了规定。

按照沙尘天气发生时的水平能见度划分为5个等级。

浮尘——无风或平均风速≤3 m/s，水平能见度小于10 km；

扬沙——风将地面尘沙吹起，使空气相当混浊，水平能见度在1～10 km；

沙尘暴——强风将地面尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1 km；

强沙尘暴——风速介于17.2 m/s～24.5 m/s的大风即将地面尘沙吹起，使空气非常混浊，水平能见度小于500 m；

特强沙尘暴——风速＞24.5 m/s的狂风即将地面尘沙吹起，使空气特别混浊，水平能见度小于50 m。

沙尘天气的监测

为提高沙尘暴预报的准确性，加强预警、减缓沙尘暴的影响，依据《中华人民共和国气象法》和《中华人民共和国防沙治沙法》，由中国气象局牵头编制，于2006年由国家质检总局和国家标准委批准发布国家标准《沙尘暴天气监测规范》（GB/T20479-2006），使得我国对于沙尘天气的监测进入标准化阶段。主要的监测项目包含：能见度、30 μm气溶胶（PM30）粒子浓度、PM10浓度、大气降尘、浅层土壤湿度及地面风速等。

沙尘天气时空分布

（1）空间分布

我国沙尘天气主要发生在干旱半干旱（年平均降水量小于400 mm）的北方地区，从西北大部分地区经华北到东北地区西部形成条带状，总体呈现为西北多发于东北地区，平原或盆地多发于山区，沙漠及边缘多发于其它地区。多发区主要集中在两大区域：一是位于南疆盆地的塔克拉玛干沙漠及其周边，年平均沙尘暴日数超过20天；二是巴丹吉林沙漠、河西走廊、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠及其周边地区，年平均沙尘暴日数超过15天（图1）。

诸多研究表明，春季是我国沙尘天气的多发季节，但不同等级的沙尘天气在春季呈现出不同的空间分布。春季沙尘暴多发区在塔里木盆地及其周边地区、柴达木盆地西部、河西走廊、阿拉善高原、河套平原、鄂尔多斯高原和西藏高原局部地区，年平均日数均大于5天，其中两个高发中心在塔里木盆地及其周边地区和阿拉善高原及河西走廊东北部，年平均日数均超过10天。与沙尘暴发生频次相比，出现扬尘和浮尘的区域进一步向东、向南扩展，但高频中心仍在塔里木盆地及其周边地区，其年平均最高值达76天（图2）。

（2）时间分布

沙尘天气的发生由于受到气候特征的影响具有明显的时间变化规律，1951－2012年期间我国北方沙尘天气总体呈下降趋势，以20世纪50年代呈增加趋势，60～70年代发生频繁，1980－1997年呈显著下降趋势，1998－2002年有所回升，2003－2005年急剧减少，2006年又大幅增加，2007－2012年又逐渐下降，近15年以来，我国沙尘天气过程的年平均次数不到15次。

沙尘天气具有明显的季节变化特征，春季沙尘天气最多，约占全年的一半，夏季次之，秋季最少；按照月份来看，沙尘天气则体现为3～4月份发生频率最高，5月份次之，9月份最低，从1961－2006年各月沙尘暴日数占全年的百分比看，4月最多，占全年22.7%，5月次之，占16.8%，10月最低，仅为1.8%（图3）。此外，研究表明年沙尘天气有一定的日变化特征，主要发生在午后至傍晚之间，清晨到中午期间发生的相对较少。

图1 1961－2006年我国年沙尘暴日数

图2 1951－2000年春季年平均沙尘天气日数分布图（A.沙尘暴 B.沙尘天气）

图3 中国各月沙尘暴日数占全年的百分比（1961－2006年平均）

沙尘天气的影响

对大气环境质量的影响

沙尘天气的发生主要导致大气环境中颗粒物浓度在短时间内急剧增加，水平能见度下降。不仅如此，沙尘颗粒物可长时间悬浮在空气中并经长距离输送。有研究显示，亚洲沙尘天气的沙尘仅约30%沉降在沙漠地区，20%迁移到其他地区，其余50%能够长距离输送到我国海区乃至韩国、日本甚至到达北太平洋。

沙尘天气发生时，对大气环境最显著影响为水平能见度急剧下降。离沙尘源地越近能见度下降越明显，新疆和内蒙古等地区在发生沙尘天气时能见度下降最明显。如2013年4月17日，新疆兵团多地遭遇强沙尘暴，局地能见度不足20 m；2014年5月22日，南疆盆地发生当年第七次沙尘天气过程，多地出现能见度不足500 m的强沙尘暴；2015年3月4日，新疆地处塔克拉玛干南源某兵团遭受强烈沙尘暴袭击，能见度不足5 m；2015年4月27日上午，乌鲁木齐市出现沙尘天气，能见度下降至不足100 m。2014年4月23日，内蒙古西部额济纳旗遭遇强沙尘天气侵袭，能见度不足300 m，2015年5月16日的强沙尘暴天气，使该地能见度不足10 m。

近沙尘源区的甘肃西部地区及宁夏等地饱受沙尘肆虐，如2010年4月24日敦煌、酒泉、张掖、民勤等地出现沙尘暴，其中民勤出现特强沙尘暴，其能见度接近0 m；2014年4月23日下午14时，甘肃敦煌遭遇一场特强沙尘天气，市区瞬间白昼变黑天，能见度小于50 m；2015年5月5日16时，甘肃河西酒泉市瓜州县境内出现沙尘暴天气，能见度同样不足50 m。2013年3月9日，宁夏银川市出现扬沙或浮尘天气，使许多高速公路路段能见度不足100 m，部分路段低于50 m；2011年3月17日，青海格尔木夜间出现沙尘暴，能见度最低时仅为10 m。

首都北京也不可避免地遭受沙尘天气的影响，1971－2000年北京及其沙尘天气发生频率与能见度的研究表明，沙尘天气发生频率减少1次，能见度方差就会增强1个标准差。1999年10月5日产生的局地重污染，市区能见度不足1 km，2000年4月6日和2002年3月20日发生的沙尘暴，使北京市的能见度不足50 m，2010年3月19～20日沙尘天气使北京市区能见度平均在5～10 km，2011年4月30日上午10点，北京遭受沙尘天气影响，能见度只有1～2 km；2015年4月15日北京遭遇13年来最强沙尘暴天气，能见度急剧下降，部分路段能见度小于1 km。

而远离沙尘源区的区域同样受到沙尘天气的影响，如 2010年3月23日，深圳受沙尘天气影响，城市最低能见度仅3 km，由此可见，沙尘天气的影响远超出公众的认识。

沙尘天气对大气环境的另一个显著影响为大气中颗粒物的急剧增加，且粗颗粒物增加更为显著，从而影响空气质量。沙尘天气发生时，会造成下游城市中颗粒物污染程度加重，空气质量恶化，根据距沙源地远近的不同，沙尘天气对城市的影响也有所不同。1993年“5·5”特强沙尘暴，甘肃金昌市室外空气中TSP高达1016 mg/m3，室内为80 mg/m3，超过国家标准40倍。2015年4月27日上午9时，乌鲁木齐市出现沙尘天气，PM10浓度水平达到998 mg/m3。2006年4月5～15日，兰州市发生沙尘天气，沙尘日之前，城市空气质量为良或轻度污染，10日受强沙尘天气影响PM10迅速升高到1860 μg/m3，是重度污染的4.43倍，11日随着沙尘天气的结束，PM10日均浓度迅速降低到131 mg/m3，空气质量恢复为良。2008年4月17～23日，在塔克拉玛干沙漠腹地测定沙尘暴期间TSP和PM10浓度，可以看出，TSP和PM10在经历浮尘——扬尘和浮尘——沙尘暴——扬尘和浮尘——浮尘的过程中，分别由716.8 μg/m3和445.7 μg/m3——5531.4 μg/m3和1095.0 μg/m3——11879.9 μg/m3和4614.5 μg/m3——3068.8 μg/m3和2693.2 μg/m3——1331.9 μg/m3和1014.6 μg/m3——1100.5 μg/m3和941.1 μg/m3，即由低到高，再降低。2009年4月23～24日甘肃发生一次大范围的沙尘天气，其中敦煌发生了特强沙尘暴，兰州空气质量迅速达到重度污染，沙尘天气当日PM10日平均浓度超过600 μg/ m3，PM10最大浓度高达5450 μg/m3，次日PM10日平均浓度仍为546 μg/m3。

2008年4～6月北京沙尘天气期间，PM10和PM2.5的浓度分别比非沙尘期增加171.1%和17.2%，阿拉善盟的则分别增加166.7%和105.4%。2012年4月27～29日北京地区的沙尘天气，使得PM10最高日均值达到755.54 μg/m3，不仅如此PM10中的有机碳、硝酸根和硫酸根浓度远高于非沙尘期间。2015年4月15日，北京受沙尘天气影响，PM10由17时128 μg/m3急剧上升到18时的445 μg/m3。2011年4月28日～5月18日，远离沙尘源区的上海市受沙尘天气影响，沙尘天气期间PM10和PM2.5的浓度明显高于非沙尘天气，最高日均浓度分别达787.2 μg/m3和139.5 μg/m3。由此可见，沙尘天气对大气颗粒物的贡献不容忽视。

我国北方环保重点城市大气的研究成果表明，沙尘天气对中国北方城市颗粒物污染的影响范围之广、程度之大，值得我们关注，其中春季颗粒物高污染状况与沙尘天气的关系更为密切，不同城市受沙尘影响的程度也不同，而各地受污染的程度从沙尘暴中心区向外围逐渐减轻，在上游沙尘输送的作用下，即使在远离沙尘源地的地区，沙尘天气依然会对其产生重要影响。

对人体健康的影响

近年来，沙尘天气与人体健康的关系受到公众的广泛关注，国内外学者为此开展了初步研究，发现沙尘天气尤其是沙尘暴，既对人体健康产生急性健康效应，引起呼吸系统、心脑血管以及过敏性疾病等的发病与死亡，也可能引起非职业性尘肺即沙尘肺或沙漠肺的慢性健康效应。沙尘天气对人体健康的影响，一方面与沙尘颗粒的粒径大小有关，粒径越小越易进入呼吸系统深部甚至循环系统，对人体健康的危害也越大；另一方面，沙尘颗粒在传输过程中，吸附传输路径中重金属、有机物、花粉、细菌、病毒等有毒有害成分，并与沿途的大气成分发生复杂的相互作用，从而危害人体健康。

特强沙尘暴会导致巨大的损失及人员伤亡。1993年5月5日的特大沙尘暴使甘肃、宁夏和内蒙古部分地区遭受巨大损失，85人死亡，31人失踪，264人伤残；1998年4月19日，新疆北部和东部吐鄯托盆地遭特大风沙灾害，造成6人死亡、44人失踪何256人受伤；2000年3月27日，沙尘暴袭击北京城，正在楼顶施工的7名工人被大风刮下，2人当场死亡；2002年4月5～9日，内蒙古、河北及辽宁等地部分地区出现强沙尘暴，致使内蒙古9人死亡；2010年4月24～25日，新疆及甘肃部分地区出现强沙尘暴或特强沙尘暴，其中吐鲁番地区灾害严重，造成3人死亡，1人失踪。

不仅如此，沙尘天气的频发使得大气中颗粒物浓度增加，粒径小于10 μm的可吸入颗粒物（PM10）可通过呼吸道进入人体，导致人群死亡率、不同疾病尤其是呼吸系统疾病和心脑血管疾病的患病率（急诊人数、住院人数）增加。轻者可发生鼻咽部干燥发痒、咳嗽、打喷嚏、皮肤和眼睛的刺激症状，重者可导致鼻炎、感冒、急性支气管炎、急性肺炎等，如果长期生活在沙尘天气多发地区，可导致慢性阻塞性肺病（慢性支气管炎、哮喘等）和沙漠尘肺等。我国调查新疆部分地区居住长达30年以上的居民，结果发现与生活在扬沙、浮尘环境密切相关的非职业性尘肺或沙尘肺患者占一定比例。

1991年，在美国华盛顿地区发生沙尘暴2天时间里，鼻窦炎和支气管炎的急诊量分别增加4.5%和3.5%；芝加哥库克县的研究发现，在沙尘天气期间，心肌梗塞和急性脑血管的意外的病例分别增加2.5倍和1倍，心绞痛和心律不齐增加了50%，死亡增加了20%；在德克萨斯州沙尘天气引起急性支气管炎住院人数的增加。

澳大利亚研究显示，由风蚀土壤引起的沙尘暴是导致该国200万人哮喘的元凶。意大利的研究表明，沙尘期间，呼吸系统疾病死亡的人数增加22%。西班牙研究了撒哈拉沙尘期间PM2.5～10每天增加10 μg/m3，死亡人数则增加8.4%，而非沙尘期间则仅增加1.4%。我国沙尘期间总死亡、老年人群死亡及心血管疾病死亡人数增加1.9%～4.5%，心肺疾病急诊人次、肺炎住院人数及中风在沙尘期较非沙尘期明显增加。

在沙尘天气高发的河西走廊民勤县，沙尘天气使得因呼吸系统疾病（包括上呼吸道感染、肺炎等）住院的人数比非沙尘期间增加14%～28%；甘肃武威沙尘天气研究发现，沙尘天气期间的PM10可引起居民多种心血管系统疾病门诊人数明显增多；兰州市春季沙尘天气的研究表明，沙尘天气使得呼吸系统疾病的入院人数比非沙尘期增加11.9%～26.6%，其中老年人群增加最多。

应对沙尘天气的防灾减灾措施

（1）恢复植被，加强生物防护体系的构建

在沙尘多发的北方尤其是西北和华北地区，进一步推进退耕还林还草，并对宜林的荒山荒地进行人工造林种草，从而遏制沙漠扩大化及沙尘大范围的输送。同时在绿洲周边营造防风防沙的生物防护体系，控制和减少沙尘天气尤其是沙尘暴对绿洲的危害。

（2）建立完善的沙尘预测预警体系

为减少沙尘天气尤其是沙尘暴所造成的灾害性影响，我国国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会在2012年批准发布了《沙尘暴天气预警》，但沙尘天气的预测预警依然是建立在沙尘发生后经过对沙尘的监测结果对沙尘未来的发展趋势进行预测预警，导致预测预警的滞后性明显，因此需要相关部门加强并完善预测预警体系，真正指导防沙减灾工作。

（3）加强宣传力度，提高公众防沙减灾意识

建立多层次、全方位的宣传体系，根据沙尘发生的时空分布特点、沙尘对人体健康的危害等有针对性的进行宣传，如在我国西北、华北等地，在春季沙尘多发期，进行全方位包括多种媒体、政府相关部门甚至社区等进行宣传，提高民众的防沙意识。如在沙尘天气里，尽量减少外出，尤其是老年人、儿童和体弱多病者；及时关闭门窗并采取必要的防范措施；外出必须做好个人防护以减少对健康的损伤；交通运输工作减速慢行甚至停运以减少不必要的损失。