春季粉尘天气对城市空气质量的影响

春季粉尘天气对城市空气质量的影响

沙子是指从地面上排出大量沙子，使空气浑浊，水平能见度显著下降的自然现象。它可分为三种类型：浮尘、扬沙和沙沙。沙沙时机不仅对环境质量有严重影响，而且人类健康。此外，沙气溶胶也是影响气候预测和气候变化的重要因素。人们越来越意识到，沙气天气是一个不容忽视的重要环境问题。在中国北方，尤其是春季，由于轻度气候因素（如气候湿气少和地表风速），沙气天气频繁发生，沙气溶胶占总气候中的很大一部分。ZAKEY等在区域气候模式中建立了沙尘模块,并对典型沙尘暴过程及其对大气环境的影响进行了模拟验证;ADAMS等的研究发现,沙尘暴过程会明显影响大气中硫酸盐等粒子的浓度水平,进而对区域大气和空气污染有较明显的反馈;BRUNEKREEF等观测表明,沙尘天气使大气粒子浓度远超过国际环境质量标准,其对人体健康的影响不容忽视.陈广善等建立了一个能够完整描述沙尘的扬起、输送和沉降动态过程的模式系统,并利用实时气象资料驱动该模式系统,模拟了春季亚洲大气沙尘时空分布特征;高庆先等分析了近50年气象台站观测资料,得到沙尘天气对北京大气环境有重要影响,特别是对重污染天气过程的贡献较大,并利用EP/TOMS卫星遥感资料分析了我国上空的沙尘天气过程;方修琦等根据沙尘天气前后大气中污染物质量浓度和元素浓度的变化,得出沙尘天气前后为属于2种不同性质的污染过程;邱启鸿提出了沙尘天气影响空气质量的短期预报方法,并利用该方法比较准确地预报了4次主要沙尘天气过程;唐校风等按照沙尘来源、影响范围将沙尘影响地区进行分区,并分析了不同区域内的起沙机制.根据我国重点城市空气污染指数(AirPollutionIndex,API),中国气象局统计的沙尘天气发生时间、范围及中国地区太阳分光观测网观测数据,笔者分析了2001—2006年沙尘天气对我国城市环境质量及对大气气溶胶光学厚度(AOD)和波长指数(α)的影响.1关于气溶胶特性的分析我国沙尘暴的主要源地分布在西北地区和蒙古国干旱半干旱地区.在长期偏西风作用下,华北、东北和华东部分地区受沙尘暴的影响较大,故笔者以兰州、银川、呼和浩特和包头作为沙尘源区代表城市,以北京、天津、太原、石家庄、沈阳、济南、西安和郑州作为沙尘影响区代表城市,分别讨论和分析沙尘天气对这2类区域空气质量的影响.利用沙尘天气发生时间、影响范围及API数据,计算上述12个城市2001—2006年沙尘天气时的API;由于我国沙尘天气绝大多数发生在春季,为更好地研究其对空气质量的影响,还计算了每个城市在非沙尘天气条件下的春季API平均值.结合地面站点观测,分析了兰州和北京2005—2007年春季在沙尘天气和非沙尘天气条件下气溶胶光学厚度(AOD)和波长指数(α),进一步讨论了沙尘天气对我国大气气溶胶特性及大气环境质量的影响.表1为根据《沙尘天气年鉴》统计出的12个代表城市2001—2006年受沙尘天气影响的次数.一次强沙尘暴过程在时间尺度上往往影响北方广大地区1~2d甚至几天时间,所以不同地区受沙尘天气影响的次数可在一定程度上说明其受影响的程度.由表1可知,位于沙尘源区的代表城市每年受沙尘天气影响的次数明显多于沙尘影响区内的代表城市;在沙尘影响区内,济南和郑州比其他城市更远离沙尘源,故每年受沙尘影响的次数更少,平均值分别为1.8和2.8次.2001—2006年沙尘天气基本上呈先减少后略微增加的缓慢下降趋势,2001年的沙尘天气次数最多,其次是2006和2002年,而2003年的沙尘天气次数最少.2分析与讨论2.1非砂天气证食和参比沙尘天气使我国广大地区特别是沙尘源区大气中的沙尘粒子含量增加,空气质量发生恶化.从图1可知,春季沙尘天气时的API明显大于非沙尘天气.兰州、银川、呼和浩特和包头均临近沙尘源地,各城市大气环境质量极易受沙尘天气影响.从2001—2006年的春季API平均值来看,受沙尘天气影响,兰州API从非沙尘天气的124(轻微污染)上升到204(中度污染),增加了约64%;银川API从非沙尘天气的81(空气质量为良)升高到124(轻微污染),增加了53%;呼和浩特API从非沙尘天气的74(空气质量为良)升高到138(轻微污染),增加了86%;包头的API从非沙尘天气的109(轻微污染)上升到207(中度污染),增加了90%.总体来说,春季沙尘天气对沙尘源区代表城市的空气质量影响已经超过了区域本底污染指数的50%.从图1,表2中还可知,2001—2006年4个城市的API总体呈下降趋势,在一定程度上说明了我国西部城市大气环境质量及周边生态环境的改善.春季沙尘天气的发生对全年平均API也有一定的影响,为详细了解春季沙尘天气对API年均值的影响程度,将春季沙尘天气时API平均值与API年均值比较(见表2).兰州2001—2006年API平均值为129.1,而其春季沙尘天气API平均值为204,即API年均值仅相当于春季沙尘天气时的63%.同理,银川、呼和浩特和包头的API年均值分别相当于各城市春季沙尘天气API平均值的66%,61%和57%.2.2气调与气调指标比较源自我国西北地区及蒙古国的较强沙尘天气,特别是强沙尘暴会对距离沙尘源区较远地区的大气环境产生一定的影响,如我国华北和东北部分地区.图2为8个沙尘影响区代表城市的API在春季沙尘天气与非沙尘天气的对比(郑州2003年没有沙尘暴发生).从图2可知,沙尘天气时API比非沙尘天气时有一定程度的增加.北京、天津、太原、石家庄、沈阳、济南、西安和郑州2001—2006年春季沙尘天气API平均值分别为203,148,158,158,128,143,119和126,均处于轻度污染级别以上,较之春季非沙尘天气的110,91,106,100,100,102,94和87,分别增加了85%,62%,49%,57%,29%,41%,27%和45%.沙尘天气使北京、天津和石家庄的API增加超过50%,其他6个城市均低于50%,表明沙尘天气对沙尘影响区代表城市大气环境质量虽有较大影响,但影响程度小于对沙尘源区代表城市的影响.为了分析春季沙尘天气对API年均值的影响,将春季沙尘天气API平均值与API年均值比较(见表3).由表3可知,北京、天津、太原、石家庄、沈阳、济南、西安和郑州2001—2006年的API年均值分别为105.7,93.0,111.5,109.2,98.0,94.0,98.3和83.8,均远低于这6年春季沙尘天气API平均值.相对于API年均值来说,春季沙尘天气使得上述8个城市的API年均值分别提高了约92%,59%,41%,45%,31%,52%,21%和50%,可以明显看出,春季沙尘天气对北京空气质量的影响极其显著,影响程度远远高于其他城市.2.3太阳分光光度计沙尘天气的发生往往伴随着大气中沙尘粒子含量的增加,使气溶胶浓度升高,提高了气溶胶光学厚度;另一方面,相对于人为气溶胶粒子,沙尘气溶胶粒子粒径较大,因此在沙尘天气条件下,增多的沙尘粒子会提高气溶胶的平均粒径,进而降低气溶胶的波长指数.笔者以中国地区太阳分光观测网(TheChineseSunHazemeterNetwork,CSHNET)中的兰州和北京2个城市站作为代表站点,基于2005—2007年观测数据,分析了春季沙尘天气对AOD与α的影响.CSHNET由中国科学院大气物理研究所与美国马里兰大学于2004年7月联合发起并建立,统一采用美国林业局生产的新一代便携式LED太阳分光光度计,中心波段分别为405,500,650和880nm.笔者所用的是500nm的AOD和α数据.LED太阳分光光度计操作简单、性能可靠,曾在“有益于环境的全球性研究和观测计划”(GlobalLearningandObservationstoBenefittheEnvironment,GLOBE)中应用,并得到广泛认可.太阳分光光度计每天观测时间为10:00—14:00,每天每站观测约20组数据,当天空总云量超过80%时不进行观测.由表4可知,兰州2005—2007年春季沙尘天气时AOD和α平均值分别为0.66和0.74,非沙尘天气时为0.56和0.92;沙尘天气条件下,AOD增加了约18%,α减少了约20%.北京2005—2007年春季沙尘天气时平均AOD和α值分别为0.85和1.07,非沙尘天气时则为0.48和1.44,AOD在沙尘天气条件下增加了77%,α减少了26%.可以看出,沙尘天气对北京气溶胶光学厚度的影响大于兰州,这是因为:①春季兰州大气即使在非沙尘天气下也含有较多的沙尘粒子,从而弱化了沙尘天气对其AOD的影响,而受太阳分光光度计观测条件所限,也在一定程度上降低了该市的数据;②北京特殊的地理环境决定了其在发生沙尘天气时往往伴随着污染物的汇聚累积.由此可知,沙尘天气增加了城市大气气溶胶浓度,使气溶胶成分发生变化,在此基础上影响了城市大气的气溶胶光学厚度和波长指数,从而对大气环境产生重要影响.3非沙门事件在春季和春季发生情况比较a.无论是位于沙尘源区还是影响区,沙尘天气对各代表城市的大气环境质量均有较大影响.沙尘天气的发生往往伴随着各代表城市API的上升;其中对沙尘源区内代表城市大气环境质量影响程度超过了区域本底污染指数的50%,使兰州、银川、呼和浩特和包头的春季非沙尘天气API平均值分别增加了64%,53%,86%和90%;使沙尘影响区内北京、天津、太原、石家庄、沈阳、济南、西安