沙尘天气过程对安阳空气质量的影响分析

王 颖，赵海丽，丁金杰，徐瑞红，丁志安，唐 敏，常艳文，李世华，和暐杰

(河南省安阳生态环境监测中心，河南 安阳 455000)

1 引言

在经济高速发展的同时，我们生存的环境也在遭受不同程度的污染。在大气环境问题日益突出的今天，沙尘天气也备受关注[1～3]。沙尘天气包括扬沙、沙尘暴和浮尘3类天气[4，5]，是由于强风将地面沙尘卷到空中，在特定大尺度环流背景下诱发的一种灾害性天气，是大气运动和自然地理环境的综合产物[4]。沙尘使大气中的颗粒物浓度急剧增加不仅对沙尘源区的大气环境质量产生影响，并且对途经地区的农业、生产生活和生态系统均造成一定危害，因此，沙尘天气是不可忽视的重大环境问题[6，7]。

安阳市是重要的工业城市，本地源排放较高，且易受周边区域污染的影响，频频出现重度污染天气。2020年安阳市空气质量定性综合评价指数为1.35，空气质量级别为轻污染，安阳市空气质量主要受颗粒物的影响，其中颗粒物污染负荷比为54.1%，以颗粒物为首要污染物的污染天数占全部污染天数的比例为55.6%[8]。在关注颗粒物污染的同时，沙尘天气是一个不可忽视的因素。冬春季节我国沙尘频繁发生，导致大气颗粒物含量和降尘量急剧增多，污染大气环境[9]，安阳市也未能避免遭受沙尘天气的袭扰，探究外来沙尘输送对安阳市空气质量的影响规律，并对2020年经历的一次典型沙尘天气过境情况进行分析，以期为安阳市大气污染防治以及今后预报和有效应对沙尘天气过程提供参考。

2 数据来源及评价标准

以2017～2020年安阳市大气环境自动监测站的在线监测数据、激光雷达垂直观测数据及2016～2020年安阳市生态环境质量年鉴数据为基础进行数据分析。可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)采用《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)评价。

3 结果与讨论

3.1 空气质量现状

2020年安阳市达标天数为181 d，年综合指数为6.16，在“2+26”和“168”城市中均倒排第1，空气质量定性综合评价指数为1.35，空气质量级别为轻污染，其中颗粒物污染负荷比为54.1%，以颗粒物为首要污染物的污染天数占全部污染天数的比例为55.6%；其中以细颗粒物为首要污染物的污染天数占全部污染天数的比例为49.7%，可吸入颗粒物占5.9%，说明安阳市颗粒物污染仍较为严重。详见表1。

表1 2020年安阳市空气质量统计

3.2 2020年沙尘天气分析

2020年，受西部、北部、东北部沙尘和浮尘传输影响，安阳市共出现14次沙尘天气过程，分别是3月11日至3月12日、3月18日至3月21日、4月4日至4月5日、4月17日、4月24日至25日、5月3日、5月12日至13日、5月16日至17日、6月2日至6日、6月8日至9日、10月21日至24日、11月1日至2日、11月6日至7日、12月13日，共计32 d。全年沙尘影响过程中持续时间最长的是6月2日至6月6日，共计5 d；可吸入颗粒物日均浓度最大值出现在10月21日，为228 μg/m3，超二级标准0.5倍。

3.2.1 沙尘天气对颗粒物月均值的影响

用未剔除沙尘天气影响与剔除沙尘天气影响后的可吸入颗粒物或细颗粒物之差来表示沙尘天气对大气环境质量的贡献(PC)，即：

PC=PCa-PCb

(1)

式(1)中:PCa为未剔除沙尘天气影响的可吸入颗粒物或细颗粒物月均值，PCb为剔除沙尘影响后的可吸入颗粒物或细颗粒物月均值。

2020年安阳市受沙尘天气影响大多是在春、夏季的3～6月份，其次是秋冬季的10～12月份。影响最重的是5月份和6月份，其次是3月份。沙尘天气对5月份和6月份可吸入颗粒物的贡献均为16 μg/m3；对3月份可吸入颗粒物浓度的贡献为13 μg/m3。详见图1。

图1 2020年沙尘天气对颗粒物月均值的贡献

3.2.2 沙尘天气对颗粒物年均值的影响

2020年安阳市扣除沙尘前可吸入颗粒物年均值为109 μg/m3、细颗粒物年均值为63 μg/m3；扣除沙尘后可吸入颗粒物年均值为104 μg/m3、细颗粒物年均值为62 μg/m3。对可吸入颗粒物年均浓度的贡献为5 μg/m3，对细颗粒物年均浓度的贡献为1 μg/m3，可见沙尘天气的发生对城市可吸入颗粒物的影响尤为突出。

3.2.3 沙尘天气对轻度以上污染天气的影响

2020年安阳市出现轻度污染120 d、中度污染37 d，重度污染23 d，严重污染5 d。在受沙尘传输影响期间，其中轻度污染12 d，中度污染3 d，重度污染1 d。占轻度污染、中度污染、重度污染的比例依次是10.0%、8.1%、4.3%。详见表2。

表2 安阳市2020年沙尘天气期间与全年污染天气级别对比

3.3 “十三五”期间沙尘天气分析

3.3.1 “十三五”期间受沙尘天气影响分析

“十三五”期间共计115 d受沙尘影响，其中2016年安阳市未认定沙尘天，沙尘天最多及可吸入颗粒物日均浓度最大值均出现在2017年(48 d沙尘天，可吸入颗粒物日均值550 μg/m3，超标2.7倍)，详见图2。

图2 安阳市“十三五”期间受沙尘影响分析

3.3.2 对颗粒物年均值的影响

“十三五”期间受沙尘影响最严重的是2017年，对可吸入颗粒物年均值的贡献为13 μg/m3，贡献比为9.0%；对细颗粒物年均值的贡献为5 μg/m3，贡献比为6.0%；详见图3。

图3 “十三五”期间沙尘天气对颗粒物年均值的贡献

3.3.3 “十三五”期间沙尘天气对轻度以上污染天气的影响

与2017年相比，安阳市2020年沙尘天气对轻度污染天气的影响占比下降5.9%，中度污染天气的影响占比下降24.6%，重度污染天气的影响占比下降16.9%，尤其是2020年沙尘期间未出现严重污染天，受影响占比下降31.2%。“十三五”期间沙尘天气对安阳市轻度及以上污染天气影响详见图4。

图4 “十三五”期间沙尘天气对轻度及以上污染天气影响对比

4 典型沙尘天气分析

沙尘过境产生的颗粒物传输造成安阳地区颗粒物浓度大幅上升，是安阳市春、冬季空气污染的一个重要因素。2020年沙尘影响过程中持续时间最长的是6月2日至6月6日，共计5天。在6月4～6日安阳市经历了一次中度污染，对此时段沙尘过境情况进行分析，为安阳市今后预报和有效应对沙尘天气过程提供借鉴。

在6月4～6日整个污染过程中，安阳市可吸入颗粒物小时浓度超过二级标准39个小时，于6月4日20时达到峰值263 μg/m3，AQI为157，属中度污染；同时整个污染过程粗颗粒占比均高达61%～80%，主要受可吸入颗粒物污染影响最大，详见图5。

图5 2020年6月4～6日安阳市环境空气污染变化过程

6月4～6日，边界层高度1000～1500 km之间，属于短距离传输。其次退偏振比高达0.15～0.2，表明当天受沙尘影响较大[10,11]，详见图6。

图6 2020年6月4-6日沙尘雷达图

从后向轨迹图可以看出，6月4日早间3000 m高空污染源自东北方向地区(衡水、德州、聊城、邢台、邯郸等地)输送至安阳，且输送高度不断下压，浮尘严重[12]，在6月4日20时左右高度下降至2000 m，这与安阳市可吸入颗粒物达到峰值263 μg/m3的时间相一致，说明东北方向的高空输送也是促使安阳市可吸入颗粒物污染程度加重的主要因素，详见图7。

图7 安阳市污染过程后向轨迹

整个污染过程中，安阳市可吸入颗粒物轻度污染时长达21个小时，中度污染时长达2个小时，其中是唯一达到中度污染城市。较上风向城市(邯郸、邢台、衡水)轻度污染时长分别长11、13、16小时；较周边城市(鹤壁)轻度污染时长长9小时。即此次污染过程安阳市在周边城市中污染最重。详见图8。

图8 安阳市上风向及周边城市可吸入颗粒物污染时长对比

5 结论

沙尘过境产生的颗粒物传输造成安阳地区大气环境中颗粒物浓度大幅上升，是安阳市春、冬季空气污染的一个重要因素。基于安阳市空气自动监测数据，利用激光雷达观测数据分析了沙尘过程对安阳市空气质量的影响，主要结论如下。

(1)2020年安阳市受沙尘天气影响大多是在春、夏季的3～6月份，其次是秋冬季的10～12月份。影响最重的是5月份和6月份，其次是3月份。

(2)2020年在受沙尘传输影响期间，轻度以上污染天占总污染天数的22.4%，沙尘对安阳市对可吸入颗粒物年均浓度的贡献为5 μg/m3，对细颗粒物年均浓度的贡献为1 μg/m3，即沙尘天气的发生对城市可吸入颗粒物的影响尤为突出。

(3)“十三五”期间安阳市共计115 d受沙尘影响，沙尘天最多及可吸入颗粒物日均浓度最大值均出现在2017年，对可吸入颗粒物年均值的贡献为13 μg/m3，贡献比为9.0%；对细颗粒物年均值的贡献为5 μg/m3，贡献比为6.0%。

近年来沙尘天气过程对我国空气质量影响仍较为显著，减缓沙尘天气的频度与强度的关键还是在于持续做好地面生态保护与建设，建立生态补偿机制，对源头区和沙尘加强区进行生态补偿，减弱外来沙尘影响，扩大北方地区的森林和草原等植被面积，不断减少沙地面积，改善水土条件，从源头上治理沙尘天气。