沙尘天气对山东省环境空气质量的影响研究

张慧 刘本运 张淼 谭伟 宋永超 李彦

（1 山东省生态环境监测中心 山东济南 250014 2 国网济南供电公司 山东济南 250001）

0 引言

沙尘天气是风将地面尘土、沙粒卷入空中，使空气混浊的一种天气现象的统称。沙尘天气过程分为5 类：浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴［1］。据中国气象局2021 年4 月新闻发布会可知，2021 年1 月—3 月，我国发生6 次沙尘天气过程，为2005 年以来北方地区平均沙尘日数同期最多，其中，2 次为强沙尘暴过程，4 次为扬沙过程；1 月10 日发生的沙尘天气为2002 年以来出现时间最早的一次，3 月15 日发生的沙尘天气为近10 a 来最强。沙尘天气主要影响我国西北、华北、东北地区，是我国北方地区主要灾害性天气之一，对人民生命财产造成极大影响［2-5］。

山东省位于中国的东部沿海、黄河下游，距离沙尘源相对较远，但是省内大部分地区仍受沙尘天气影响较大。目前仅有极少文献分析了沙尘天气发生时省内部分城市环境空气污染特性［6-7］，针对沙尘天气发生时全省环境空气质量整体变化情况及形成原因的研究较少。本文深入分析了沙尘天气对山东省整体环境空气质量的影响，重点说明了山东省易受沙尘影响的原因，并提出了减轻沙尘影响的措施建议，以期为更好应对沙尘天气提供参考依据。

1 沙尘天气对山东省环境空气质量的影响

1.1 沙尘对全省实时环境空气质量的影响

以2021 年3 月15 日山东省出现的沙尘天气为例，这次大范围沙尘天气主要起源于蒙古国。14 日上午，蒙古国西南部发生沙尘暴天气，沙尘随气流向南移动，15 日凌晨，沙尘开始影响京津冀地区，15 日14 时，沙尘进入山东境内，首先影响德州市，德州市环境空气质量指数率先达到500。随着沙尘向东南方向移动，16 日09 时，德州市天气有所好转，但全省大部分地市陷入严重污染（见表1），16 日14 时，沙尘天气在山东省开始逐渐减弱，全省一半城市空气质量指数转为300 以下，其后沙尘天气逐渐在山东省消失。

表1 2021 年3 月16 日09 时山东全省环境空气质量指数

总体来说，沙尘天气对山东全省环境空气质量均有影响，对德州、聊城、菏泽、济宁、泰安、济南等中西部城市影响较大，对烟台、威海等沿海城市影响相对较小。沙尘天气进入山东境内后，一般首先影响德州市，进而向东南方向移动，影响省内大部分城市；严重时，烟台、威海等沿海城市也会陷入重度污染或严重污染天气。

1.2 沙尘对环境空气中6 项常规污染物的影响

对山东省济南市2021 年3 月份经历的2 次沙尘天气进行分析，相关数据来自山东省环境App（见表2）。3 月15 日沙尘天气发生时，当天济南PM10浓度为505 μg/m3，16 日浓度达到539 μg/m3，17 日沙尘天气稍有缓解，浓度降为413 μg/m3，本次沙尘天气持续时间较长，15—17 日PM10浓度为14 日（107 μg/m3，沙尘天气发生前）的3.9～5.0 倍；15—17 日济南市PM2.5浓度分别为122、124、80 μg/m3，为14 日（72 μg/m3）的1.1～1.7 倍，PM2.5浓度的增幅远小于PM10；15—17 日PM2.5占PM10的比例（PM2.5/PM10）分别为0.24、0.23 和0.19，远低于14 日（占比为0.67），且18 日沙尘天气基本结束时，PM2.5/PM10仍比14 日的低，说明沙尘天气发生时，PM10中主要是空气动力学当量直径>2.5 μm 的颗粒物，且PM10对空气质量的影响时间比PM2.5的影响时间长。3 月28 日沙尘天气发生时，当天济南市PM10浓度为552 μg/m3，29日浓度为359 μg/m3，30日为184 μg/m3，28—30 日PM10浓度为27 日（126 μg/m3，沙尘天气发生前）的1.5～4.4 倍；28—30 日PM2.5浓度分别为133、74、50 μg/m3，为27 日（88 μg/m3）的0.6～1.5 倍，30 日PM2.5较27 日（未发生沙尘天气时）低，可能是由于沙尘天气伴随的大风有利于本土PM2.5的扩散；28—30 日PM2.5/PM10分别为0.24、0.21和0.27，远低于27 日（占比为1.4）；同时，31 日沙尘天气基本结束时，PM2.5/PM10仍比27 日的比值低，同样说明沙尘天气发生时PM10中主要是大粒径颗粒物，且PM10对空气的影响时间比PM2.5的影响时间长。综合分析说明，沙尘天气发生时，PM10浓度急剧增加，PM2.5浓度上升缓慢，个别时候会出现下降，PM2.5/PM10显著下降，且PM10的影响较PM2.5持久。

表2 济南市2021 年3 月份2 次沙尘过境期间环境空气质量及污染物浓度数据

3 月份2 次沙尘天气发生期间，SO2浓度均在21 μg/m3以下，NO2浓度均在55 μg/m3以下，CO浓度均在1.2 mg/m3以下，O3浓度均在137 μg/m3以下，沙尘对SO2、NO2、CO 和O3无明显规律性影响。但从O3浓度看，沙尘天气期间，臭氧浓度呈下降趋势，这与沙尘伴随的大风有利于本地扩散有关，而SO2、NO2、CO 由于本身浓度就被控制在了比较低的水平，所以大风的扩散作用对其影响较小。

1.3 沙尘对环境空气中颗粒物主要元素的影响

地壳中含量最多的化学元素是氧（O），占总重量的48.6%，其次是硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）、钙（Ca），分别占26.30%、7.73%、4.75%、3.45%。济南市某超级站对颗粒物PM2.5中的主要地壳元素进行了实时监测，3 月10—31 日PM2.5中的Si、Al、Fe、Ca 监测数据见图1。由图1 可以看出，沙尘天气发生时，4 种主要元素浓度激增，3 月16 日的总含量是3 月14 日的33 倍，3 月28 日的总含量是3 月27 日的11 倍，说明沙尘天气发生时，虽然PM2.5浓度变化不显著，但主要元素的组成发生了较大变化，组分受到了大风卷起的地面浮尘及沙尘源区输送而来的沙尘颗粒影响。沙尘天气带来了大量污染物的增加，是影响生态环境的“污染暴”。

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

2 山东省易受沙尘影响的主要原因

2.1 沙尘源地气候原因导致我国沙尘天气频发

影响我国的沙尘源地可分境外源地和境内源地，蒙古国和我国西北地区是沙尘形成的重要地区。自2020 年入冬以来，该部分地区气温明显偏高、地表基本没有积雪覆盖、浅层土壤相对湿度较低，植被覆盖少，抑沙条件差。特别是3 月份，我国平均气温为6.6 ℃，较常年同期偏高2.5 ℃，为1961 年以来历史同期第二高；全国平均降水量27.8 mm，较常年同期偏少6%。另外，2021 年以来，欧亚中高纬的大气环流多次出现明显的阶段性调整，特别是影响我国空气的西伯利亚高压，出现了多次增强过程，造成欧亚中纬度环流经向度加大，为沙尘天气的形成提供了有利动力条件。尤其是3 月13—18 日，出现了近10 a 我国最强的沙尘天气过程，持续时间长、影响范围广，涉及19 个省（区、市），影响范围456.2 万km2。沙尘源地频繁发生的沙尘天气过程是我国大部分省份易受沙尘天气影响的源头因素。

2.2 沙尘移动路径导致山东省易受到影响

研究表明，我国沙尘的主要移动路径每次都不尽相同，主要路径如下。①南疆盆地型：起源于新疆南部，并主要影响该地区。②局地型：局部地区有沙尘天气出现，但沙尘主体没有明显的移动。③偏北路径型：起源于蒙古国或我国东北地区西部，主要影响我国西北地区东部、华北大部和东北地区南部。④偏西路径型：起源于蒙古国、我国内蒙古西部或新疆南部，主要影响我国西北、华北地区。⑤西北路径型：一般起源于蒙古国或我国内蒙古西部，主要影响我国西北和华北地区。沙尘主要移动路径中，偏北路径型、偏西路径型和西北路径型均可能导致山东省出现沙尘天气，进而导致空气质量受到严重影响。

2.3 山东省自身地理位置原因导致沙尘不易扩散

我国地势西高东低，呈三级阶梯状逐级下降。山东省处于第三阶梯，地势低，易受来自于第二阶梯方向的沙尘影响，而且沙尘传输高度一般较高，难以被太行山等山脉阻挡。以济南市2021 年3 月15 日发生的沙尘天气为例，由激光雷达垂直观测可知，沙尘高达2 500 m 左右，此类高空传输的沙尘给山东省大部分地区带来极大影响。而对于其他传输高度稍低的沙尘天气过程，由于南北方向的太行山和东西方向的秦岭中间有黄河蜿蜒穿过，此类地形给沙尘向山东省传输带来了便利条件，导致山东省西部地区极易受沙尘天气影响。而同时山东省中南部地区有大量山脉阻挡，如泰山（1 532 m）、蒙山（1 156 m），鲁山（1 108 m）、沂山（1 032 m），海拔均超过1 000 m，这些高山导致沙尘不易扩散，更是加重了山东中西部地区的污染程度和持续时间。由于地形原因，山东省中西部地区沙尘不易扩散，导致沙尘天气影响较大、持续时间较长。

2.4 山东省的产业结构一定程度上加剧了沙尘对本地的污染

山东产业结构偏重工业，能源结构偏煤特征比较突出。作为全国工业大省、实体经济大省，全国重要的工业品、消费品供给基地，山东省能源消耗无论是总量还是单位能耗，一直位居全国前列。由《山东省统计年鉴2020》可知，2017 年、2018年、2019 年，全省能源消费量（折标准煤）分别为40 097.7 万t、40 580.5 万t 和41 390.0 万t 标准煤，其中煤炭消费占比分别为72.70%、69.32%和67.28%，2019 年山东煤炭消费量占能源消费总量的比例超过全国水平（57.7%）近10%。目前，山东省结构性污染问题依然突出，给环境空气质量带来了极大挑战。沙尘天气发生时，污染物难以向外扩散，而且沙尘带来的大量颗粒物加大对其他空气污染物的吸附，从而导致本地污染进一步加重。

3 减轻沙尘影响的具体措施

（1）加强沙尘天气预报。进一步提高沙尘天气预报的准确度，加大宣传力度，提醒公众合理应对沙尘天气，注意生命和财产安全。

（2）加大植被覆盖度。推进植树造林，增加土壤表层覆盖度，减少沙尘来临时大风吹起本地裸露土壤造成的污染加重现象。

（3）加速产业结构优化调整。山东省产业结构路径依赖、技术锁定效应较强，惯性发展势头较大，持续推进结构调整是解决山东污染问题的根本举措，建议研究编制全省碳达峰、碳中和行动方案，启动新一轮“四减四增”行动，从源头上大幅减少污染物排放量。

4 结语

沙尘天气过境时，山东全省16 个地级市环境空气质量均受到影响，德州、聊城、菏泽、济宁、泰安、济南等中西部地区受影响较大，烟台、威海等东部沿海城市受影响程度相对较小。通过数据分析可知，沙尘天气发生时，PM10浓度急剧增加，PM2.5浓度上升缓慢，个别时候会出现下降，PM2.5/PM10显著下降，且PM10的影响较PM2.5持久；沙尘天气对空气中SO2、NO2、CO 等污染物浓度影响不大，O3浓度有所降低；PM2.5中主要地壳元素Si、Al、Fe、Ca 浓度激增。本文深入研究了山东省易受沙尘影响的主要原因：沙尘源地气候因素、沙尘移动路径、山东省自身地理位置及产业结构。下一步，建议山东省从加强沙尘天气预报、加大植被覆盖度、加速产业结构优化调整等方面着手，减少沙尘对本地环境空气质量的影响，保障人民的生命和财产安全。