典型风沙天气对空气污染的影响

典型风沙天气对空气污染的影响

1环境空气中颗粒物浓度的变化悬浮灰尘天气分为三种类型：浮尘、悬沙和粉碎。浮尘指的是尘土、细沙均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10km的天气现象;而当大风将地面尘沙吹起、空气相当混浊、水平能见度在1—10km之内时称为扬沙;水平能见度小于1km时称为沙尘暴。沙尘天气发生时,能见度明显下降,大气中颗粒物浓度骤然增多,环境空气质量在一定程度上会出现恶化。近年来,关于大气污染与气象条件之间关系的研究已有不少,周江兴对北京市几种主要污染物与同期气象要素关系进行了分析,注意到二者之间存在明显的非线性关系。杨书申等对2004年中国7个典型城市空气质量公报进行了分析,研究了北京、上海气象条件和颗粒物污染浓度的关系,指出合适的风可以降低可吸入颗粒物浓度。郑美琴,卢振礼对日照市的空气污染与气象要素进行分析,结果发现,随着风速的提高,污染物浓度呈下降趋势。王淑英等利用北京地区的PM10逐时浓度监测资料,分析了PM10浓度与地面常规气象要素的相关性。本文侧重利用石家庄市逐时污染物浓度和风向、风速等资料,对污染物浓度的演变规律及其与风的关系进行分析,试图找出某些规律,为沙尘天气造成的高污染预报、预警提供参考依据,最大限度地降低沙尘天气造成的不利影响。2污染源浓度和环境监测所用资料为2002年1月—2006年6月逐时污染物资料和气象资料。其中污染物资料由石家庄市环境监测中心提供,包括逐日PM10,SO2和NO2日平均污染物浓度资料和沙尘日前后5d的各环境监测子站的逐时PM10浓度资料。环境监测站包括化工学校、五十四所、平安电站、军械学院、高新区、西北水源、西南高教和监测中心共8个子站,其中2002年前为6个,2003年以后又增加了后2个站。气象资料采用了2002年1月—2006年6月石家庄市气象观测站观测的逐日沙尘天气现象(沙尘暴、扬沙和浮尘)及其出现时间,以及逐时的风向和风速(正点前10min平均)、日极大风速资料。3采用时间法分析沉积物开采和日污染物浓度3.1浮尘和扬沙分布通过对春季天气现象的普查得出,2002—2006年石家庄市共出现沙尘天气8次,其中浮尘6次,扬沙1次,浮尘和扬沙同时出现1次,无沙尘暴天气出现;在分布年份上,2002年为2次,2003年无,2004年为1次,2005年为2次,2006年为3次。近几年,石家庄的沙尘天气发生次数呈增多趋势。3.2各污染物污染严重或转染表1列出了沙尘天气的具体出现时段及其导致的高污染日首要污染物和污染级别。通过对比分析沙尘天气出现前后几日的污染物日平均浓度得出:(1)沙尘天气过程的首要污染物均为PM10,其变化曲线呈正态型分布,表现为先升后降的趋势;(2)污染物SO2和NO2在沙尘出现前后,变化幅度轻微,说明气态污染物几乎不受沙尘天气影响或影响不大;(3)春季中度以上污染日均出现在沙尘日当日或次日,说明导致春季PM10高污染的主要原因是春季气候干旱和沙尘天气影响,且对春季污染的贡献量是巨大的;(4)沙尘天气的日污染水平不仅取决于污染强度,还与持续时间等因素有关。当污染物持续时间较短时,可能会出现短时间的高污染事件,而相应日平均污染物浓度表现不太明显的情况,如2002年4月3日、2005年4月20日和2006年3月27日的3次沙尘天气所对应的日污染级别均为Ⅲ级。3.3随着时间的推移，p10的浓度变化及其与风速的关系3.3.1来型和本地型根据沙尘天气污染物源地,将污染源分为外来型、本地型以及二者综合作用型3种。外来型指的是当上风向沙尘源地出现沙尘天气时,在有利的高空气流引导下,沙尘向下风向输送而导致的污染物浓度升高;本地型指的是本地大风将地面尘沙吹起时,导致空气相当混浊,造成污染加剧的情况;综合型指的是外来与本地污染源共同作用时的情况。3.3.2污染物浓度分析分析2002年3月20—21日污染物浓度和风速演变曲线(图1)以及对应的地面、高空天气形势图可以看出,20日08时,内蒙古、山西已有小范围的沙尘暴、扬沙和浮尘出现,石家庄市处于锋前低压区,高空为西南气流,对应的空气质量良好。12时左右,随着地面冷锋的过境,风向转为西北,风速骤然增大到5.7m.s-1,瞬时最大风速7.0m.s-1(12:08),与此对应,各监测点位的尘污染物浓度都表现出突增趋势,各子站的PM10污染物浓度均增加到0.600mg.m-3或以上,平均值为0.660mg.m-3,空气质量状况达重度污染水平,最大值出现在西北水源监测点,为0.701mg.m-3。之后,污染物浓度开始表现为下降的趋势,但当风速分别于20日17,22时和21日05时出现6.0,3.3m.s-1和2.7m.s-1的极大值中心时,污染物浓度也相应地出现阶段峰值。此次污染过程持续时间为25h。21日14时后转为良好。此次沙尘天气过程,浮尘和大风均出现在地面锋面过境时,表明本次过程沙尘源主要是由本地大风引起的。3.3.2.浮尘或扬沙对高污染的影响2004年3月10日、4月20日和2006年3月27日也符合此型。它们的共同特点:(1)均伴有冷锋出现,在锋面过境时,地面风速迅速增大(4.4m.s-1以上),并伴随有浮尘或扬沙天气出现,PM10浓度跃增,小时平均值为0.6mg.m-3或以上,达重度污染水平;(2)大风吹起本地大量沙尘是引发污染快速形成的主要原因,高污染出现时间不早于强风出现时间,高污染持续时间取决于阵风的强度和持续时间;(3)PM10污染浓度与风速成正相关。即风速越大,PM10浓度越高,污染越严重。这一结果与文献提出的结论“随着风速的提高,污染物浓度呈下降趋势”不同,这可能与2市的地表状况和地理位置差异有关。3.3.3地面和高空条件2006年5月17—18日是一次较典型的外来型浮尘天气过程(图2)。5月16日,在我国河北省北部40°N以北的我国内蒙古、蒙古国以及我国西部的陕西、宁夏一带出现大范围的沙尘暴、扬沙等沙尘天气。16日夜间至17日上午,石家庄市地面为偏北风,且风速维持在1.6m.s-1(极大1.9m.s-1),高空为一致的西北气流,依靠高空风的输送,沙尘源源不断地被输送到石家庄市上空,使得PM10浓度从17日03:00开始缓慢上升,到15:00全市平均值已经达到了0.622mg.m-3;5月17日中午前后,地面转为鞍型场控制,风向转偏南风,但风速持续较小(≤3m.s-1),平均风速仅为1.5m.s-1,在不利于污染物稀释和扩散的环流场形势下,高于0.600mg.m-3的状况一直持续到18日13时;18日13:00—17:00,偏南风速开始增大,16:55风速增大到5.3m.s-1,瞬时最大风速为9.3m.s-1,可吸入颗粒物浓度迅速回落。18日22:00以后,空气质量转为良好。3.3.3.高空风漂流至东南角特点:(1)过程前期,上游有大范围的沙尘暴、扬沙等强沙尘天气出现,当高空风向与尘源处于石家庄市方位一致时,沙尘随高空风漂流到石家庄市上空;(2)对应地面天气形势场较弱,风速较小,不利于污染物稀释和扩散。弱风持续时间越长,污染物持续积聚时间越长,污染也越严重;(3)PM10浓度与南风近似呈反相关,即风小时污染物积累。风大时对应污染物的稀释、扩散。而偏北风时则有利于污染物积累,这可能与污染源地位于偏北方向有关。3.3.4月内地面和边界层污染特征2006年3月9日白天,受西北来强冷空气影响,内蒙古区和甘肃、宁夏以及河北省上游等地出现大范围的强沙尘天气(沙尘暴、扬沙和浮尘)。在高空西北气流的输送作用下,部分沙尘被输送到石家庄市上空,在地面不利于污染物稀释、扩散的环境中,导致了长时间、高强度的污染事件。表2分4个时段列出了2006年3月9—11日石家庄市地面和高空形势、地面主导风向、极大风速和出现时间以及对应的灾害性天气现象。图3为对应的石家庄市污染浓度和风速演变曲线,以下分时段进行分析。(1)第1时段:9日白天,石家庄上游出现沙尘天气,依靠高空西北气流输送,外来沙尘在本市上空积聚,地面低压场不利于污染物的稀释、扩散,石家庄市能见度逐渐下降,出现霾,污染物浓度逐渐上升。但东南风阶段极大值对应着PM10浓度的下降。(2)第2时段:9日夜间,地面逐渐转低压后部,风向转为偏北风,污染物浓度继续上升,并于9日22—23时出现PM10浓度极大值;10日05—07时,西北风突然加大,吹起大量本地尘土,并伴有扬沙天气出现,能见度下降,在外来污染与本地污染源共同作用下,污染物浓度急剧升高,06时全市平均污染物浓度为0.91mg·m-3,达此次过程的峰值。(3)第3时段:地面高压主体东移,石家庄市又转为低压场控制,风向转回东南风,天空状况为浮尘并持续,随着午后东南风加大,污染略有缓解但仍维持高水平。(4)第4时段:10日夜间以后,高压以偏东路径南压,石家庄市转为东北风,受强冷空气影响。11日开始,污染物浓度迅速回落,污染过程结束,空气质量明显好转。3.3.4.污染物浓度分析2005年4月27—28日,我国河北省上游的蒙古国、我国内蒙古等区域出现沙尘暴和扬沙等沙尘天气,由于高空西北气流的水平输送,部分沙尘被输送到石家庄上空。27日至28日09时,地面处于低压控制,偏南风,在此期间出现2个偏南风风速的极大值,即27日13时的东南风4.5m·s-1和28日03时的西南风4.1m·s-1,对应的污染物浓度略有下降,且与风速呈弱反相关关系。28日08时以后,地面高压东移南压,风向转为东北风,污染物浓度开始出现急剧上升,风速在13时前后出现4m·s-1极大值。在外来尘源沉降与本地大风吹起的尘土综合作用下,各监测点位的PM10浓度值先后达到浓度最高极限值1mg·m-3,并持续至14时。此段时间,北风的大值对应污染物浓度的高值,污染物浓度与北风风速呈正相关。14时之后,污染物浓度值缓慢下降(图4)。3.3.4.本地污染源的影响除上述2个个例外,2002年4月3日也属于此例。通过对这3次沙尘天气的统计分析得出以下共性:(1)高污染起因于外来污染源与本地污染源综合作用。过程前期,上游地区有大范围的沙尘暴、扬沙等强沙尘天气出现;本地风起时,伴随大风吹起本地沙尘;(2)过程前期,地面气压场不利于污染物稀释扩散,高空西北急流输送上游沙尘使得污染物浓度呈上升趋势,同时,本地大风扬起沙尘会进一步加剧污染;过程后期,随着冷空气的影响,污染得以缓解;(3)由于污染源大多来自偏北方向,在外来污染源影响阶段,偏南风与污染物浓度近似呈反相关,而北风则有利于污染物浓度积累;当叠加本地污染源综合作用时,高污染持续。此型高污染出现时间不迟于本地大风出现时间。4有组织排放污染物(1)石家庄沙尘天气的首要污染物均为可吸入颗粒物,对二氧化硫和二氧化氮等气态污染物影响不大。污染物PM10变化曲线呈正态型分布。春季中度以上污染日均出现在沙尘日当日或次日,表明导致春季强污染的主要原因是由于春季气候干旱、多风且沙尘天气多发而造成的,对春季污染的贡献量是巨大的。(2)沙尘天气污染源分外来型、本地型以及两者共同影响型3种。(3)本地型沙尘污染源来自本地,PM10浓度与风速呈正相关,污染的严重程度主要取决于风速大小和强风持续时间,高污染出现时间不早于强风出现时间。当预报冷锋过境,地面风速突然增大,将出现大风、扬沙或浮尘等天气现象时,预警可能出现本地型沙尘污染。(4)外来型沙尘污染源来自