石嘴山市一次沙尘天气过程的大气颗粒物组分特征分析

韩增玉，黄 彬

（1.宁夏回族自治区生态环境监测中心，宁夏银川 750011；2.宁夏回族自治区宁东能源化工基地环境监测站，宁夏 银川 754100）

宁夏位于我国中部偏北，地处黄河中上游地区及沙漠与黄土高原的交接地带，与内蒙古、甘肃、陕西等省区为邻。宁夏跨东部季风区域和西北干旱区域，其西南地区靠近青藏地区高寒区域，处在我国3大自然区域的交汇、过渡地带，且紧靠腾格里沙漠和毛乌素沙地。石嘴山市位于宁夏回族自治区北部，其北、东、西、南4面分别与内蒙古自治区乌海市、伊克昭盟、阿拉善盟及银川市接壤。在春季，宁夏地区常常受冷空气影响，因其产生的地面大风将周边沙漠地带的黄沙吹起，造成环境空气质量变差，这种情况屡有发生[1-3]。沙尘是影响区域环境空气质量的重要因素之一。杨丽蓉等[4]利用银川市大气超级站的监测数据，分析了银川市1次冬季沙尘污染过程的颗粒物分布特征及沙尘来源和传输过程。赵蔚等[5]利用NCAR/NCEP全球再分析资料，分析了宁夏1次区域性沙尘暴的气象热力、动力机制。本文借助石嘴山市组分站监测设备，分析了2021年3月14—20日的沙尘过程及其颗粒组分[6]，为石嘴山市乃至宁夏全区分析沙尘污染过程和污染来源提供了例证，为沙尘天气过程中的大气污染物变化和组分特征研究提供了参考。

1 仪器设备及数据来源

本文所使用的组分站位于石嘴山市环保局大楼，该站建于2020年6月，当年9月开始投入使用。组分站中主要仪器设备包括：在线EC/OC监测仪（Model 4）；在线元素监测仪（XHAM-2000A）；在线离子监测仪（MARGAADI2060）。本文使用的环境空气质量常规监测项目PM10，PM2.5以及气象数据均来源于同一监测位置的国家环境空气质量监测站。

2 沙尘过程

2021年3月14—20日西北地区出现了大风沙尘天气，其主要以东北风为主，风力最高达到5级，大部分地区有3次叠加重合的区域污染过程，其中15—19日受蒙古国强沙尘暴过境的影响最为持久和显著。宁夏各地市普遍受到此次大风沙尘天气影响，其中固原市受影响程度最轻，其余4市及宁东基地受其影响较为严重，AQI（空气质量指数）持续“爆表”。宁夏5地市及宁东基地AQI变化趋势见图1。

图1 2021年3月14—20日宁夏5地市及宁东基地AQI变化趋势图

由图2～图3可知，3月14—20日石嘴山市出现3次叠加的沙尘过境污染过程。第1次污染过程为3月14日3:00—19:00（1 h中度污染、15 h轻度污染、1 h良），其间最高风速达3.4 m/s，风向以偏南风为主。该过程造成河西走廊沙尘传输带的沙尘沿中卫市、吴忠市、银川市依次传输至石嘴山市，石嘴山市PM10峰值达到289μg/m3，PM2.5达到98μg/m3。第2次污染过程为3月14日20:00—19日5:00（106 h严重污染、1 h重度污染、5 h中度污染），其间最高风速达到5.7 m/s，风向由偏南风转为以偏北风、偏东风为主。该过程促使蒙古国强沙尘暴到达石嘴山市，石嘴山市PM10峰值达到2 806μg/m3，PM2.5达到505μg/m3。随着3月18日白天至19日上午出现短时降雨过程，本次沙尘暴过程的影响逐渐减弱，该过程为近20年来最强的1次沙尘暴过程。第3次污染过程为3月19日5:00—20日1:00（18 h严重污染、1 h中度污染、2 h轻度污染），其间最高风速达到7.4 m/s，风向转为西北风。该过程使得内蒙古西北部、贺兰山西麓腾格里沙漠的沙尘翻越贺兰山，传输至石嘴山市，导致石嘴山市PM10峰值达到1 386μg/m3，PM2.5达到209μg/m3。随后本次强沙尘过程经过稀释沉降，逐渐减弱，环境空气质量逐渐转好。在3次沙尘过境污染过程中，由于风向的转变造成沙尘起沙地不同，局部风力引起本地沙尘源起沙，叠加致使本次沙尘过程产生的影响较大。此次沙尘过程的风玫瑰图见图4。

图2 石嘴山市AQI小时变化趋势图

图3 石嘴山市3月14—20日PM10，PM2.5小时浓度变化曲线图

图4 石嘴山市3月14—20日风玫瑰图

3 细颗粒物（PM2.5）组分特征

2021年3月14—20日，石嘴山市环境空气质量优良天数为0，同比减少了5 d；优良天数比例0%，同比下降了71.4%。6项污染物质量浓度同比变化为“4升2降”，其中，细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、一氧化碳和二氧化氮质量浓度同比分别上升了546.9%，583.5%，53.8%和10.2%；二氧化硫、臭氧8小时质量浓度同比分别下降了32.4%，34.5%。

由图5可知，此次大风沙尘过程中，无机元素中硅、铝、铁、钙等地壳组成代表元素的质量浓度出现明显上升；相较于前1周空气优良时段，硅、铝、铁、钙4种元素的质量浓度分别增长为原来的31.76倍、43.66倍、44.72倍和9.77倍，说明沙尘对PM2.5的组分贡献显著。

图5 3月14日—20日石嘴山市组分站地壳元素变化趋势图

3月14—20日石嘴山市细颗粒物（PM2.5）组分主要为地壳元素型，其中占比前4的组分分别为地壳元素63.5%（其中硅27.9%、铝18.1%、铁11.8%、钙4.7%、钾1.0%）、硫酸根8.0%、有机碳（OC）4.8%、钙离子4.1%，见图6。由组分分析可知，硅、铝等地壳元素是沙尘的主要成分，地壳元素的占比超过了二次污染物占比，进一步印证了此次沙尘过程为自然源引起的污染过程。

图6 石嘴山站PM2.5各组分含量占比

4 颗粒物来源解析

基于3月14—20日石嘴山站PM2.5组分监测数据，分别选取NO3-，NH4+等17种具有代表性的PM2.5组分，利用正矩阵因子分解法（PMF）进行解析[7-8]，并选取6个污染源进行分析，得到各污染源贡献占比，见图7。PM2.5贡献占比最高的是扬尘源，为65.4%；其他污染源贡献占比较低，二次硫酸盐和二次硝酸盐贡献占比分别为9.3%和8.4%；生物质/煤燃烧源贡献占比为6.5%；机动车污染源贡献占比为6.3%；工业源贡献占比为4.1%。

图7 石嘴山站PM2.5污染源贡献占比图

5 结论

（1）3月14—20日石嘴山市出现3次叠加的沙尘过境污染过程。根据空气质量监测数据，该过程中石嘴山市环境空气质量持续了较长时间的中度及以上污染。

（2）根据组分监测数据分析，3月14—20日石嘴山市细颗粒物（PM2.5）组分主要为地壳元素，其中占比前4的组分分别为地壳元素63.5%、硫酸根8.0%、有机碳（OC）4.8%、钙离子4.1%。

（3）基于3月14—20日石嘴山PM2.5组分监测数据，选取6个污染源进行分析。PM2.5贡献占比最高的是扬尘源，为65.4%；二次硫酸盐和二次硝酸盐贡献占比相对较高，分别为9.3%和8.4%；生物质/煤燃烧源贡献占比为6.5%；机动车污染源贡献占比为6.3%；工业源贡献占比为4.1%。