粉尘天气对城市大气环境质量的影响

粉尘天气对城市大气环境质量的影响

沙害天气现象是一种危害天气现象，具有重大的破坏力，一直受到世界的关注。沙害天气是气候变化和自然地理环境的综合产物，主要发生在干旱半干旱地区，荒漠化地区和农业交错带。随着大规模环境变化和时间系统的影响，沙气源区的环境质量不仅受到影响，而且受到大气中颗粒浓度的急剧增加，这也会对沿途经过的地区造成不同程度的污染。目前关于沙尘天气对大气环境质量的影响研究较多.KUO等的研究表明,沙尘暴天气发生时,室内外空气中的PM2.5和PM10浓度都将会成倍增加,特别是室内这种增加趋势尤为显著.SHEN等的观测研究表明,沙尘发生期间西安市颗粒物浓度明显增加,导致能见度显著下降.Brunekreef等的研究表明,沙尘天气下颗粒物浓度升高,对人体健康尤其是哮喘及咳嗽患者的影响不容忽视.陈辉等的研究表明,沙尘过程造成北京地区TSP和PM10浓度迅速增加,受沙尘天气影响,北京市10个区(县)的API(空气污染指数)平均值为500,空气质量达到重污染.在沙尘天气对大气环境质量影响的量化研究方面,一些学者利用模型模拟方法来进行探讨.夏广锋等利用CALPUFF模拟系统定量解析了辽西北沙地可吸入颗粒物对沈阳空气质量的贡献率;Tsuang等利用高斯轨迹传递系数模型(GTX)定量研究了亚洲沙尘暴发生期间颗粒物浓度的变化情况;CHU等利用有限混合分布模型(FMDM)分析了台湾地区2008年3月的沙尘暴天气对PM2.5和PM10浓度分布的影响.此外,陶健红等利用沙尘指数和沙尘浓度增加系数,定量研究了河西走廊的沙尘活动对兰州PM10浓度的影响程度.张冬斌等利用能见度和风速构建了沙尘指数,并将上游沙区的沙尘指数作为下游邻近城市空气污染预报的重要因子.笔者依据沙尘天气年鉴资料以及API和ρ(PM10)数据,提出了量化评价沙尘天气对大气环境质量影响的指标,并基于该量化指标,分别对沙尘源区和影响区内典型城市的沙尘影响进行了分析.1理论指标capi和相对贡献pc对2001—2009年影响我国的136次沙尘天气过程中全国重点城市API(由中国环境监测总站发布)进行统计.2000—2009年北京ρ(PM10)来自“京津冀大气环境观测网”地面观测站点的在线监测数据.为比较沙尘天气对城市和郊区大气环境质量的不同影响,还分析了2000年北京城区(以车公庄、前门、东四、天坛、奥体、农展馆和石景山7个站的平均值来计)及郊区(定陵)ρ(PM10)、ρ(TSP)的日均值.API是一个考虑各类污染物影响而换算出的综合指数,考虑到常用的表征大气环境质量的指标及资料的可获得性,针对不同情况构建了2个量化沙尘天气对大气环境质量影响的指标,即贡献率和绝对贡献.a)贡献率(DCAPI).表示沙尘天气对API贡献的大小.考虑到API是一个基于主要污染物观测资料且表征大气环境质量的计算值,为了反映沙尘天气对月大气环境质量的影响程度,将受沙尘天气影响引起的API变化占当月API月均值的比例定义为沙尘天气对大气环境质量的贡献率,即:式中:ΔAPI为受沙尘天气影响的API变化;APIID为包括沙尘影响在内的API月均值;APIED为未受沙尘影响时段的API平均值(计算时,在剔除当月沙尘天气发生的天数后,计算剩余时间的API平均值).DCAPI为正值,表示当月受沙尘影响空气环境质量变坏,并且DCAPI越大表示沙尘天气的贡献越大;DCAPI为负值时,表示沙尘天气不仅未影响到大气环境质量,反而有可能因沙尘天气发生时大风过境的影响,使大气环境质量有所改善.b)绝对贡献(PC).在有ρ(PM10)观测数据时,可用包含沙尘天气影响与剔除沙尘天气影响后的ρ(PM10)之差来表示沙尘天气对大气环境质量的绝对贡献,即:式中:PCID为包含沙尘天气影响的ρ(PM10)月均值,mgue4d4m3;PCED为剔除沙尘影响后的ρ(PM10)月均值,其计算方法与APIED相同,mgue4d4m3.为更好地反映沙尘天气对大气环境质量的影响,以GB3095—2012《环境空气质量标准》为依据,计算了沙尘天气的绝对贡献占ρ(PM10)二级标准限值(0.15mgue4d4m3)的比例,该比例越高表明沙尘天气对该地区大气环境质量的影响越大.2结果与讨论2.1沙区天气概况沙尘暴是跨越省区的大范围大气污染现象.在我国,沙尘暴源地主要集中在新疆的塔克拉玛干沙漠及其周边地区、准噶尔盆地南沿、甘肃河西走廊和内蒙古干旱区沙漠、青海柴达木盆地等处.沙尘天气对于沙尘源区和影响区的城市大气环境质量影响不同.因此,选取呼和浩特为沙尘源区的代表城市,以北京、天津和济南为影响区的代表城市,定量讨论沙尘天气的污染影响.表1为2001—2009年我国沙尘天气发生的频次及贡献率.在这9年中每年的4月均会出现沙尘天气,总共43次,占沙尘天气总数的31.6%;其次有8年的3月和5月出现沙尘天气,分别发生了36和28次,各占沙尘天气总数的26.5%和20.6%;而8月和9月均没有沙尘天气发生.统计表明,全年沙尘天气主要发生在春季(占78.7%),其次是在冬末的2月(占10.3%).离沙尘源区的距离越远,沙尘天气对大气环境质量的影响也会越小.在沙尘天气高发的春季(3—5月),沙尘天气对呼和浩特大气环境质量影响的贡献率平均值为16.58%,年均值为6.84%.沙尘天气对影响区城市北京的贡献率春季平均值为10.03%,年均值为5.96%;对天津的贡献率春季平均值为7.16%,年均值为3.57%;对济南的贡献率最小,春季平均值仅为5.74%,年均值仅为1.66%.综上,沙尘天气对沙尘源区城市(呼和浩特)大气环境质量的贡献率明显高于对影响区的城市(北京、天津和济南),特别是在春季,贡献率平均值高达16.58%.沙尘天气对沙尘源区和影响区各城市的贡献率的最大值均出现在3月,呼和浩特达到19.21%,而在影响区城市北京、天津和济南,则分别为15.02%、9.41%和8.69%.虽然秋末(11月)沙尘天气发生频次并不多,在2001—2009年仅发生了2次,但对沙尘源区附近大气环境质量的贡献(达到7.38%)不容忽视,对影响区城市北京、天津和济南的大气环境质量的影响也很大,贡献率分别达11.64%(仅次于3月)、7.54%(位于全年第三,略高于春季的平均值7.16%)和1.52%.值得注意的是,在秋末冬初的11月和12月,北京沙尘天气的贡献率高于呼和浩特,究其原因可能是这段时期呼和浩特的API中首要污染物是SO2而非颗粒物所致.虽然在冬季的1月和秋季的10月我国均出现过沙尘天气,影响区内城市大气污染不但未加重,大气质量反而因受沙尘天气发生期间大风过境的影响而有所改善,致使贡献率出现负值.特别是远离沙尘源区的济南,全年只有春季的大气质量受到沙尘天气的影响,其余月份或未受影响,或受沙尘天气伴随的大风影响得以改善,贡献率为负值.2.2绝对贡献2.2.1动态气象条件对北京天气的绝对贡献研究表明,沙尘暴发生时ρ(TSP)和ρ(PM10)较高,甚至会超过GB3095—2012二级标准,沙尘污染特征明显.图1为全国和北京地区2000—2009年不同类型沙尘天气的发生频次.由图1可见,2001年全国沙尘天气最多,共发生了22次;其次是2000年、2004年和2007年,分别为19、18和18次;2003年和2005年沙尘天气明显减少,分别有10和11次.在155次沙尘天气过程中,以扬沙天气过程为主,共发生70次,占沙尘天气总数的45.2%.北京地区只发生浮尘和扬沙天气过程,其中2002年和2006年沙尘天气较多,分别为17和18次.基于2000—2009年沙尘天气发生背景,利用绝对贡献指标,结合北京ρ(PM10)日均值,计算沙尘天气对北京大气环境质量的绝对贡献及其占GB3095—2012ρ(PM10)二级标准限值的比例,结果如表2所示.由表2可见,2000年4月和2001年3月沙尘天气对北京大气环境质量的绝对贡献较大,分别为0.062和0.077mgue4d4m3,占二级标准限值的41.3%和51.3%.沙尘天气对北京大气环境质量的绝对贡献均在3月最大(平均值为0.021mgue4d4m3),其次为4月(0.016mgue4d4m3)、5月(0.015mgue4d4m3).比较每年春季绝对贡献的平均值可知,2001年绝对贡献最大,为0.046mgue4d4m3,占GB3095—2012ρ(PM10)二级标准限值的30.7%.这是由于2001年全国沙尘天气发生频次最高,并且当年北京地区受沙尘影响日数也较多.2007年和2009年沙尘天气的绝对贡献较小,也与这2年北京地区沙尘天气发生频次较少相一致.2.2.2火炬树叶片的质量为剖析沙尘天气对大气环境质量的影响,选取受沙尘天气影响较严重的2000年研究沙尘天气对北京城、郊区ρ(PM10)和ρ(TSP)的影响,结果见图2.由图2可见,总体上城、郊区ρ(PM10)和ρ(TSP)变化趋势一致,最大值均出现在4月,其中对ρ(PM10)的绝对贡献在城、郊区分别达0.062和0.058mgue4d4m3,对ρ(TSP)的绝对贡献在城、郊区分别达0.186和0.151mgue4d4m3.这可能与当月发生的8次沙尘天气过程有关.在2000年4月出现了3次强沙尘暴、4次沙尘暴和1次扬沙共8个沙尘天气过程,其中18—21日的强沙尘暴天气过程为全年强度最高、波及范围最广、影响最严重.计算沙尘天气对ρ(PM10)和ρ(TSP)的绝对贡献及其占GB3095—2012二级标准限值的比例,结果如表3所示.由表3可知,2000年4月沙尘天气对北京城、郊区ρ(PM10)的绝对贡献分别占二级标准限值的41.33%和38.67%;对城、郊区ρ(TSP)的绝对贡献分别为62.00%和50.33%,均超过GB3095—2012二级标准限值的50.00%.2000年3月我国共发生3次沙尘天气过程,其中沙尘暴天气过程2次,扬沙天气过程1次.从传输路径上来分,2次为西北路径,1次为局地型沙尘天气过程.当月沙尘天气北京城、郊区颗粒物浓度的绝对贡献差别比较明显.以沙尘天气对ρ(PM10)、ρ(TSP)的绝对贡献占各自二级标准限值的比例来计,3月对ρ(PM10)影响是郊区(2.67%)高于城区(0.67%),对ρ(TSP)影响则是城区(5.33%)高于郊区(3.00%).究其原因是3月西北路径沙尘暴天气携带的细沙尘对郊区的影响较大,而受沙尘暴天气发生时大风的影响,城区裸露地面扬沙导致粗颗粒物所占比例增加.分析北京城、郊区ρ(PM10)和ρ(TSP)之比可知,在受强沙尘暴天气影响的4月,二者之均接近1,说明强沙尘暴天气发生时,整个北京均被沙尘云团覆盖,形成覆盖型重污染,在这种情况下沙尘天气对影响区PM10和TSP的贡献是一致的.但在3月则出现了不一样的情况,而要清晰地揭示原因还需要对当月发生的每一次沙尘天气过程进行详细分析.2000年1月和2月发生的沙尘天气对北京城、郊区ρ(PM10)的绝对贡献非常小,占GB3095—2012二级标准限值的比例不足1%,说明冬季所发生的沙尘天气对北京ρ(PM10)几乎没有影响,而对ρ(TSP)的绝对贡献占其二级标准限值的比例也小于5%.而在沙尘天气高发期的5月,由于当月沙尘天气主要影响范围为西北地区,因此对北京城、郊区的ρ(PM10)的绝对贡献分别为0.005和0.009mgue4d4m3,对ρ(TSP)的绝对贡献则均为负值,分别为-0.005和-0.006mgue4d4m3.2000年1—5月我国共发生了18次沙尘天气过程,其中沙尘天气对北京大气环境质量绝对贡献超过GB3095—2012二级标准限值100%的有3次,分别是4月5—8日西北路径的沙尘暴天气过程、4月7—9日偏北路径的沙尘暴天气过程以及4月23—26日西北路径的沙尘暴天气过程.4月18—21日和5月10—11日发生的强沙尘暴天气过程未对北京造成明显影响,因这期间大风吹散了聚集的局地污染物,大气环境质量反而有所改善.在3月6日和4月12—14日这2次沙尘天气过程中,对于大气环境质量的贡献也出现了负值.3月6日受蒙古气旋和冷锋的共同影响,内蒙古东部偏南地区和辽宁北部出现了局地扬沙天气,北京位于此次沙尘天气系统的远距离影响区,位于冷锋后部大风区,受大风影响,局地累积的污染物得以扩散,大气环境质量得到改善;4月12—14日受冷锋影响的西北路径沙尘暴天气主要发生在我国南疆盆地北部、青海中北部、甘肃河西地区和东部,其中青海的茫崖、冷湖、诺木洪和甘肃的民勤、永昌、乌鞘岭等地都出现强沙尘暴天气,北京同样位于强冷锋后部大风区,其大气质量得到了改善,绝对贡献为负值.3沙区与沙区大气质量比较a)2001—2009年沙尘天气对于沙尘源区城市呼和浩特的贡献率年均值为6.84%,对影响区城市北京、天津和济南的贡献率年均值分别为5.96%、3.57%和1.66%;秋、冬季节,受沙尘天气发生时伴随的大风影响,影响区城市的大