一次强沙尘暴天气对襄阳空气质量的影响分析

赵 飞，王 成，崔卫涛，张 揆，梁悦锋

(1.襄阳生态环境监测中心，湖北 襄阳 441000；2.襄阳市气象台，湖北 襄阳 441022；3.襄阳市城区生态环境监测站，湖北 襄阳 441000；4.武汉天虹环保产业股份有限公司，湖北 武汉 430014；5.北京艾沃思科技有限公司，北京 102206)

1 引言

沙尘暴是指强风将地面沙尘卷入空中，使空气变得特别混浊，并且水平能见度小于1 km的天气现象[1]。李江南[2]、钱正安[3]、王长松[4]、柏仇勇[5]等研究表明，影响我国的主要沙尘源地有：境内和境外河西走廊和阿拉善高原、南疆盆地及周边、蒙古国南部及内蒙古中部、中蒙边境、柴达木盆地、黄土高原等 ；我国北方引发沙尘暴过程的原因有:由于热力和动力两种因子的联合作用，使地面气旋一面向前移动,一面加深发展,高空槽因冷平流加深，并因涡度平流而向前移动，而大气下沉运动区位于高空急流动量下传区的后部,上升运动区则位于高空急流动量下传区的前部,这种上升与下沉运动的相互作用,为地面沙尘卷入大气提供了持续的动力，沙尘暴期间东移发展的蒙古气旋附近始终存在大气不稳定区域，这些区域有利于沙尘的扬起，沙尘暴爆发前后24h变温变压剧烈[6]；总的来看，强沙尘天气的产生需要强风、沙尘源、不稳定层结三要素配合，缺一不可[2，4，5]。李亮等[7]总结每年沙尘天气过程对我国城市空气质量影响的时间不短,尤其在春季对我国东中部地区城市造成了很严重的影响，沙尘传输对空气质量影响引起广泛重视。辛艾萱等[8]从大气污染物区域输送特征来看，武汉市春季来自新疆、青海省、甘肃省南部、陕西省南部的气团对颗粒物(PM10)污染贡献较大；邓萌杰等[9]研究表明春夏季沙尘为高空沉降传输，影响范围大，区域传输贡献明显；陈楠等[10]研究表明受风向风速影响，沙尘先由襄阳传输进入湖北省；吴家祺等[11]关于通风廊道研究襄阳市地处南襄盆地的南缘，是南襄盆地的通风廊道，也是北方大气污染物、沙尘南下扩散的必经之道。因此，有必要对襄阳的沙尘传输进行监测及溯源。

2021年3月14日至15日晨，蒙古国南部和内蒙古中西部交界地在大风天气作用下，迅速起沙，中国南疆盆地西部、甘肃中西部、内蒙古及山西北部、河北北部、北京、天津等地出现扬沙或浮尘，部分地区出现沙尘暴。这是近10年中国遭遇强度最大的一次沙尘天气过程，沙尘暴范围也是近10年最广。

襄阳市作为华中地区城市，从3月16日9时起也受到了此次沙尘暴传输影响，直至3月17日23时结束，共持续了40 h，其中重度污染31 h。

本文依托传输通道上国家环境空气自动监测站点、环境空气豫鄂边界站、大气监测超级站等连续监测结果，通过对沙尘过程发生发展的监测分析，结合粒径分布变化及颗粒物组分的变化情况，分析此次沙尘过程的污染变化特征，以期对沙尘过程的污染防治提供参考。

2 数据来源

环境空气质量数据来源于襄阳市生态环境监测中心。其中边界站位于襄阳北部(112°7′53″E，32°19′0″N)，大气超级站位于南端(112°9′27″E，31°59′52″N)，与边界站直线距离约40 km。气象数据来源于襄阳市气象局。气象站点(112°4′34″E，32°0′10″N)点位分布见图1。所用仪器均按照国家规范定期进行维护保养和质量控制。

3 国家环境空气自动站监测数据变化

3.1 颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)变化

2021年3月份以来，襄阳空气质量一直保持优良状况，PM10日均值小于70 μg/m3，自16日6时起逐渐升高至100 μg/m3左右，根据环办监测〔2016〕120号文，将16日9时至17日23时作为受影响时间(图2)，图2中可见：受影响时间持续40 h，其中空气质量指数(AQI)大于200持续31 h。造成3月16日PM10日均值达522 μg/m3，至严重污染，为执行环境空气质量标准(GB3095-2012)以来襄阳最大值；3月17日重度污染。

3.2 其他常规监测项目变化

所监测6项目小时变化趋势图(图3)可见，3月16日9时开始PM10大幅升高； PM2.5在沙尘过程时段稍有波动，后期明显降低。其他参数无明显变化。污染过程首要污染物均为PM10，本文重点对颗粒物进行分析。

将3月16日0～8时作为传输前时段，与沙尘过程时段(3月16日9时至17日23时)进行比较。

图3 2021年3月16～18日六项目浓度小时变化

4 气象条件分析

4.1 卫星影像

图4为风四卫星影像观测结果，反映了沙尘传入华中地区的过程。2021年3月14日至15日晨，蒙古国南部和内蒙古中西部交界地在大风天气作用下，迅速起沙，并在冷空气推动下向我国北方大部快速进发；15日上午开始，西北冷空气携强沙尘暴逐渐影响河北省及华中地区，多地出现不同程度沙尘天气，16～17日持续向东南传输。

图4 2021年3月15～17日风四云图

4.2 气象要素监测及诊断分析

4.2.1 高层大气环流

3月15日20时(图5)、3月16日14时(图6)，500 hPa环流天气图上，中高纬地区为“两槽一脊”型，两槽分别位于我国东北地区和乌拉尔山附近，我国北方处于广阔的脊区，以下沉气流为主，造成大气湍流，形成不稳定层结，同时空气干燥，出现沙尘天气。

图5 2021年3月15日20时500hPa位势高度(gpm)

图6 2021年3月16日14时500hPa位势高度(gpm)

4.2.2 襄阳上空风场及温度

由气象站监测可见从气温风矢图上(图7)可知，3月15日08时至18日00时，襄阳上空925 hPa以下，一致为北风或东北风，其中16日02～08时，16日20时有两个风速大值区，对应时段的PM10升高；从温度层结来看，15日白天近地层出现20 ℃以上的气温，午后，10 ℃层的高度缓慢下降，至16日05时，10 ℃层的高度剧烈下降，16日20时小幅升高后再次下降，同PM10有较好的对应关系。

图7 2021年3月15日08时至18日02时襄阳上空风场(风矢)和温度(℃)

4.2.3 地面气象要素监测

从襄阳站地面风速(图8)来看，16日9时前，小时最大风速在5 m/s左右,冷空气影响最强；16日10时起，襄阳逐小时风速在2～3 m/s。对应在逐小时气温持续下降，尤其是16日0时至17日0时，小时最高气温从18 ℃降至10 ℃，下降8 ℃，之后在8～13 ℃波动。17日17～18时出现降雨，降雨量4.2 mm，颗粒物浓度持续下降，6 h后降至沙尘开始前水平。

图8 2021年3月16日0时至18日06时襄阳逐小时风速(m/s)气温(℃)

4.2.4 边界站和超站颗粒物雷达的响应过程和通量情况

激光雷达测得的退偏振比可以区分非球形粒子与球形粒子，沙尘颗粒中主要以非球形粒子为主，细颗粒物主要以球形粒子为主，因此，利用激光雷达可以对沙尘粒子进行监测与识别；退偏振比越大沙尘比例越高，一般消光系数与颗粒物浓度正相关[12]。

4.2.4.1 边界站通量激光雷达监测分析

通过边界站风羽图和通量图分析(图9、10)可知，16日7:30时起，监测点位上空800 m以下消光系数减小，退偏振比增大，为粗颗粒物占比较高的沙尘气团传输。8时后退偏振比持续在0.2左右。16日18时至17日2时期间消光系数相对较高，表明该时段内沙尘传输加强。16日5时至17日24时主导风向为东北风，PM2.5和PM10对襄阳市瞬时输入量均较大，沙尘由东北侧向襄阳传输。整个沙尘气团传输期间，近地面(小于200 m)、低空层(200～600 m)、中高层(600～1000 m)主导风向均为东北风，风向一致性较好，且风速总体在2 m/s以上，有利于沙尘向襄阳输入；PM10传输通量均为正值，即以输入为主。

3月17日12时后传输强度相对减弱，退偏振比逐渐减小。17日17～18时出现短暂降水过程，利于颗粒物污染沉降。

图9 3.16～3.17通量雷达消光系数(a)和PM2.5瞬时通量与风羽图(b)

4.2.4.2 超级站颗粒物雷达响应情况

由襄阳超级站颗粒物雷达监测数据(图11)可知，16日凌晨起，800m以下气溶胶消光系数随之增大，颗粒物浓度升高，8:30时后退偏振比增大明显，对比边界站雷达分析，PM10特征显现稍晚1 h，表明沙尘气团由襄阳边界往城区持续输送，该阶段污染以PM2.5和PM10为主。9时后退偏振比增大至0.28左右，且气溶胶消光系数有减小趋势，污染以PM10为主；结合消光系数图来看，16日18时至次日4时近地面消光系数再次增大，表明此阶段沙尘作用有所增强，污染加重；自17日12时开始，消光系数和退偏振比均呈下降趋势，为沙尘衰减过程，污染有所减轻。

图10 3.16～3.17通量雷达退偏振比(a)和PM10瞬时通量与风羽图(b)

图11 2021年3月16日至17日(19时)襄阳市超级站颗粒物雷达监测

4.2.4.3 后向轨迹模式

通过襄阳市过去48 h大气后向轨迹模式(HYSPLIT Trajectory Model)模拟(图12)显示：此次高空大规模沙尘气团源于监测点位西北方向较远位置，在较强东北气流作用下，先向东南方向移动后转而向西南方向移动，经过长时间的远距离传输，受东北风作用下由北侧输入襄阳境内。

5 颗粒物组分变化分析

5.1 沙尘示踪成分变化

超级站主要无机元素(图13)K、Fe、Ca、Zn的变化趋势与PM10的变化趋势基本一致，其中PM10超标时段K平均浓度为1.75 μg/m3，较传输前升高2.8倍；Fe平均浓度为1.59 μg/m3，较传输前升高11.2倍；Ca平均浓度为0.92 μg/m3，较传输前升高14.3倍；Zn平均浓度为0.24 μg/m3，较传输前升高20.0%。与贾晓鹏等[13]研究的甘肃河西地区大气沙尘颗粒表面的化学成分相近。

图12 3月16日10时襄阳市48 h后向轨迹

5.2 颗粒物粒径变化

颗粒物粒径变化(图14)可知，超标时段在1.0 μm以下的颗粒物数浓度较沙尘传输前下降153%；大于1.0 μm颗粒物数浓度升高,其中2.5～10 μm的颗粒物升高显著。

6 结论与讨论

对2021年3月15～17日襄阳市空气质量站点颗粒物演变及气象因素分析，得到相关结论如下。

(1)本次大规模沙尘源位于蒙古国南部和内蒙古中西部交界地，大气湍流形成不稳定层结；在较强东北气流作用下，携带高浓度沙尘气团先向东南方向移动后转而向西南方向移动，经过长时间的远距离传输，由北侧输入襄阳境内。后向轨迹变化与环境气象的变化呈现出一致性。这次沙尘天气是在高低空配合的气象条件下发生发展的，通量强度集中在近地面1000 m以下。

时间

时间

(2)沙尘天气过程中，超级站沙尘示踪成分较沙尘传输前明显升高；PM10超标时段颗粒物粒径分布具明显沙尘输入特征。

(3)作为湖北大气输入重要通道，通过分析、研究鄂豫边界站监测沙尘传输规律，可为污染预警预报提供技术支持。

(4)17日18时后降水过程对空气质量改善明显，说明降水对颗粒物洗刷效果显著，可在污染防治中考虑在上游地区人工增雨通过降水减少对下游传输影响。

(5)沙尘暴治理不是一国之事，需要国际合作，共享信息与技术，才能有效解决。