粉塵天氣對城市大氣環(huán)境質(zhì)量的影響

粉塵天氣對城市大氣環(huán)境質(zhì)量的影響

沙害天氣現(xiàn)象是一種危害天氣現(xiàn)象，具有重大的破壞力，一直受到世界的關(guān)注。沙害天氣是氣候變化和自然地理環(huán)境的綜合產(chǎn)物，主要發(fā)生在干旱半干旱地區(qū)，荒漠化地區(qū)和農(nóng)業(yè)交錯帶。隨著大規(guī)模環(huán)境變化和時間系統(tǒng)的影響，沙氣源區(qū)的環(huán)境質(zhì)量不僅受到影響，而且受到大氣中顆粒濃度的急劇增加，這也會對沿途經(jīng)過的地區(qū)造成不同程度的污染。目前關(guān)于沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響研究較多.KUO等的研究表明,沙塵暴天氣發(fā)生時,室內(nèi)外空氣中的PM2.5和PM10濃度都將會成倍增加,特別是室內(nèi)這種增加趨勢尤為顯著.SHEN等的觀測研究表明,沙塵發(fā)生期間西安市顆粒物濃度明顯增加,導(dǎo)致能見度顯著下降.Brunekreef等的研究表明,沙塵天氣下顆粒物濃度升高,對人體健康尤其是哮喘及咳嗽患者的影響不容忽視.陳輝等的研究表明,沙塵過程造成北京地區(qū)TSP和PM10濃度迅速增加,受沙塵天氣影響,北京市10個區(qū)(縣)的API(空氣污染指數(shù))平均值為500,空氣質(zhì)量達(dá)到重污染.在沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量影響的量化研究方面,一些學(xué)者利用模型模擬方法來進(jìn)行探討.夏廣鋒等利用CALPUFF模擬系統(tǒng)定量解析了遼西北沙地可吸入顆粒物對沈陽空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率;Tsuang等利用高斯軌跡傳遞系數(shù)模型(GTX)定量研究了亞洲沙塵暴發(fā)生期間顆粒物濃度的變化情況;CHU等利用有限混合分布模型(FMDM)分析了臺灣地區(qū)2008年3月的沙塵暴天氣對PM2.5和PM10濃度分布的影響.此外,陶健紅等利用沙塵指數(shù)和沙塵濃度增加系數(shù),定量研究了河西走廊的沙塵活動對蘭州PM10濃度的影響程度.張冬斌等利用能見度和風(fēng)速構(gòu)建了沙塵指數(shù),并將上游沙區(qū)的沙塵指數(shù)作為下游鄰近城市空氣污染預(yù)報的重要因子.筆者依據(jù)沙塵天氣年鑒資料以及API和ρ(PM10)數(shù)據(jù),提出了量化評價沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量影響的指標(biāo),并基于該量化指標(biāo),分別對沙塵源區(qū)和影響區(qū)內(nèi)典型城市的沙塵影響進(jìn)行了分析.1理論指標(biāo)capi和相對貢獻(xiàn)pc對2001—2009年影響我國的136次沙塵天氣過程中全國重點城市API(由中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布)進(jìn)行統(tǒng)計.2000—2009年北京ρ(PM10)來自“京津冀大氣環(huán)境觀測網(wǎng)”地面觀測站點的在線監(jiān)測數(shù)據(jù).為比較沙塵天氣對城市和郊區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的不同影響,還分析了2000年北京城區(qū)(以車公莊、前門、東四、天壇、奧體、農(nóng)展館和石景山7個站的平均值來計)及郊區(qū)(定陵)ρ(PM10)、ρ(TSP)的日均值.API是一個考慮各類污染物影響而換算出的綜合指數(shù),考慮到常用的表征大氣環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)及資料的可獲得性,針對不同情況構(gòu)建了2個量化沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量影響的指標(biāo),即貢獻(xiàn)率和絕對貢獻(xiàn).a)貢獻(xiàn)率(DCAPI).表示沙塵天氣對API貢獻(xiàn)的大小.考慮到API是一個基于主要污染物觀測資料且表征大氣環(huán)境質(zhì)量的計算值,為了反映沙塵天氣對月大氣環(huán)境質(zhì)量的影響程度,將受沙塵天氣影響引起的API變化占當(dāng)月API月均值的比例定義為沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)率,即:式中:ΔAPI為受沙塵天氣影響的API變化;APIID為包括沙塵影響在內(nèi)的API月均值;APIED為未受沙塵影響時段的API平均值(計算時,在剔除當(dāng)月沙塵天氣發(fā)生的天數(shù)后,計算剩余時間的API平均值).DCAPI為正值,表示當(dāng)月受沙塵影響空氣環(huán)境質(zhì)量變壞,并且DCAPI越大表示沙塵天氣的貢獻(xiàn)越大;DCAPI為負(fù)值時,表示沙塵天氣不僅未影響到大氣環(huán)境質(zhì)量,反而有可能因沙塵天氣發(fā)生時大風(fēng)過境的影響,使大氣環(huán)境質(zhì)量有所改善.b)絕對貢獻(xiàn)(PC).在有ρ(PM10)觀測數(shù)據(jù)時,可用包含沙塵天氣影響與剔除沙塵天氣影響后的ρ(PM10)之差來表示沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量的絕對貢獻(xiàn),即:式中:PCID為包含沙塵天氣影響的ρ(PM10)月均值,mgue4d4m3;PCED為剔除沙塵影響后的ρ(PM10)月均值,其計算方法與APIED相同,mgue4d4m3.為更好地反映沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響,以GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù),計算了沙塵天氣的絕對貢獻(xiàn)占ρ(PM10)二級標(biāo)準(zhǔn)限值(0.15mgue4d4m3)的比例,該比例越高表明沙塵天氣對該地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響越大.2結(jié)果與討論2.1沙區(qū)天氣概況沙塵暴是跨越省區(qū)的大范圍大氣污染現(xiàn)象.在我國,沙塵暴源地主要集中在新疆的塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地南沿、甘肅河西走廊和內(nèi)蒙古干旱區(qū)沙漠、青海柴達(dá)木盆地等處.沙塵天氣對于沙塵源區(qū)和影響區(qū)的城市大氣環(huán)境質(zhì)量影響不同.因此,選取呼和浩特為沙塵源區(qū)的代表城市,以北京、天津和濟(jì)南為影響區(qū)的代表城市,定量討論沙塵天氣的污染影響.表1為2001—2009年我國沙塵天氣發(fā)生的頻次及貢獻(xiàn)率.在這9年中每年的4月均會出現(xiàn)沙塵天氣,總共43次,占沙塵天氣總數(shù)的31.6%;其次有8年的3月和5月出現(xiàn)沙塵天氣,分別發(fā)生了36和28次,各占沙塵天氣總數(shù)的26.5%和20.6%;而8月和9月均沒有沙塵天氣發(fā)生.統(tǒng)計表明,全年沙塵天氣主要發(fā)生在春季(占78.7%),其次是在冬末的2月(占10.3%).離沙塵源區(qū)的距離越遠(yuǎn),沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響也會越小.在沙塵天氣高發(fā)的春季(3—5月),沙塵天氣對呼和浩特大氣環(huán)境質(zhì)量影響的貢獻(xiàn)率平均值為16.58%,年均值為6.84%.沙塵天氣對影響區(qū)城市北京的貢獻(xiàn)率春季平均值為10.03%,年均值為5.96%;對天津的貢獻(xiàn)率春季平均值為7.16%,年均值為3.57%;對濟(jì)南的貢獻(xiàn)率最小,春季平均值僅為5.74%,年均值僅為1.66%.綜上,沙塵天氣對沙塵源區(qū)城市(呼和浩特)大氣環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)率明顯高于對影響區(qū)的城市(北京、天津和濟(jì)南),特別是在春季,貢獻(xiàn)率平均值高達(dá)16.58%.沙塵天氣對沙塵源區(qū)和影響區(qū)各城市的貢獻(xiàn)率的最大值均出現(xiàn)在3月,呼和浩特達(dá)到19.21%,而在影響區(qū)城市北京、天津和濟(jì)南,則分別為15.02%、9.41%和8.69%.雖然秋末(11月)沙塵天氣發(fā)生頻次并不多,在2001—2009年僅發(fā)生了2次,但對沙塵源區(qū)附近大氣環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)(達(dá)到7.38%)不容忽視,對影響區(qū)城市北京、天津和濟(jì)南的大氣環(huán)境質(zhì)量的影響也很大,貢獻(xiàn)率分別達(dá)11.64%(僅次于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,北京沙塵天氣的貢獻(xiàn)率高于呼和浩特,究其原因可能是這段時期呼和浩特的API中首要污染物是SO2而非顆粒物所致.雖然在冬季的1月和秋季的10月我國均出現(xiàn)過沙塵天氣,影響區(qū)內(nèi)城市大氣污染不但未加重,大氣質(zhì)量反而因受沙塵天氣發(fā)生期間大風(fēng)過境的影響而有所改善,致使貢獻(xiàn)率出現(xiàn)負(fù)值.特別是遠(yuǎn)離沙塵源區(qū)的濟(jì)南,全年只有春季的大氣質(zhì)量受到沙塵天氣的影響,其余月份或未受影響,或受沙塵天氣伴隨的大風(fēng)影響得以改善,貢獻(xiàn)率為負(fù)值.2.2絕對貢獻(xiàn)2.2.1動態(tài)氣象條件對北京天氣的絕對貢獻(xiàn)研究表明,沙塵暴發(fā)生時ρ(TSP)和ρ(PM10)較高,甚至?xí)^GB3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn),沙塵污染特征明顯.圖1為全國和北京地區(qū)2000—2009年不同類型沙塵天氣的發(fā)生頻次.由圖1可見,2001年全國沙塵天氣最多,共發(fā)生了22次;其次是2000年、2004年和2007年,分別為19、18和18次;2003年和2005年沙塵天氣明顯減少,分別有10和11次.在155次沙塵天氣過程中,以揚沙天氣過程為主,共發(fā)生70次,占沙塵天氣總數(shù)的45.2%.北京地區(qū)只發(fā)生浮塵和揚沙天氣過程,其中2002年和2006年沙塵天氣較多,分別為17和18次.基于2000—2009年沙塵天氣發(fā)生背景,利用絕對貢獻(xiàn)指標(biāo),結(jié)合北京ρ(PM10)日均值,計算沙塵天氣對北京大氣環(huán)境質(zhì)量的絕對貢獻(xiàn)及其占GB3095—2012ρ(PM10)二級標(biāo)準(zhǔn)限值的比例,結(jié)果如表2所示.由表2可見,2000年4月和2001年3月沙塵天氣對北京大氣環(huán)境質(zhì)量的絕對貢獻(xiàn)較大,分別為0.062和0.077mgue4d4m3,占二級標(biāo)準(zhǔn)限值的41.3%和51.3%.沙塵天氣對北京大氣環(huán)境質(zhì)量的絕對貢獻(xiàn)均在3月最大(平均值為0.021mgue4d4m3),其次為4月(0.016mgue4d4m3)、5月(0.015mgue4d4m3).比較每年春季絕對貢獻(xiàn)的平均值可知,2001年絕對貢獻(xiàn)最大,為0.046mgue4d4m3,占GB3095—2012ρ(PM10)二級標(biāo)準(zhǔn)限值的30.7%.這是由于2001年全國沙塵天氣發(fā)生頻次最高,并且當(dāng)年北京地區(qū)受沙塵影響日數(shù)也較多.2007年和2009年沙塵天氣的絕對貢獻(xiàn)較小,也與這2年北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生頻次較少相一致.2.2.2火炬樹葉片的質(zhì)量為剖析沙塵天氣對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響,選取受沙塵天氣影響較嚴(yán)重的2000年研究沙塵天氣對北京城、郊區(qū)ρ(PM10)和ρ(TSP)的影響,結(jié)果見圖2.由圖2可見,總體上城、郊區(qū)ρ(PM10)和ρ(TSP)變化趨勢一致,最大值均出現(xiàn)在4月,其中對ρ(PM10)的絕對貢獻(xiàn)在城、郊區(qū)分別達(dá)0.062和0.058mgue4d4m3,對ρ(TSP)的絕對貢獻(xiàn)在城、郊區(qū)分別達(dá)0.186和0.151mgue4d4m3.這可能與當(dāng)月發(fā)生的8次沙塵天氣過程有關(guān).在2000年4月出現(xiàn)了3次強(qiáng)沙塵暴、4次沙塵暴和1次揚沙共8個沙塵天氣過程,其中18—21日的強(qiáng)沙塵暴天氣過程為全年強(qiáng)度最高、波及范圍最廣、影響最嚴(yán)重.計算沙塵天氣對ρ(PM10)和ρ(TSP)的絕對貢獻(xiàn)及其占GB3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)限值的比例,結(jié)果如表3所示.由表3可知,2000年4月沙塵天氣對北京城、郊區(qū)ρ(PM10)的絕對貢獻(xiàn)分別占二級標(biāo)準(zhǔn)限值的41.33%和38.67%;對城、郊區(qū)ρ(TSP)的絕對貢獻(xiàn)分別為62.00%和50.33%,均超過GB3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)限值的50.00%.2000年3月我國共發(fā)生3次沙塵天氣過程,其中沙塵暴天氣過程2次,揚沙天氣過程1次.從傳輸路徑上來分,2次為西北路徑,1次為局地型沙塵天氣過程.當(dāng)月沙塵天氣北京城、郊區(qū)顆粒物濃度的絕對貢獻(xiàn)差別比較明顯.以沙塵天氣對ρ(PM10)、ρ(TSP)的絕對貢獻(xiàn)占各自二級標(biāo)準(zhǔn)限值的比例來計,3月對ρ(PM10)影響是郊區(qū)(2.67%)高于城區(qū)(0.67%),對ρ(TSP)影響則是城區(qū)(5.33%)高于郊區(qū)(3.00%).究其原因是3月西北路徑沙塵暴天氣攜帶的細(xì)沙塵對郊區(qū)的影響較大,而受沙塵暴天氣發(fā)生時大風(fēng)的影響,城區(qū)裸露地面揚沙導(dǎo)致粗顆粒物所占比例增加.分析北京城、郊區(qū)ρ(PM10)和ρ(TSP)之比可知,在受強(qiáng)沙塵暴天氣影響的4月,二者之均接近1,說明強(qiáng)沙塵暴天氣發(fā)生時,整個北京均被沙塵云團(tuán)覆蓋,形成覆蓋型重污染,在這種情況下沙塵天氣對影響區(qū)PM10和TSP的貢獻(xiàn)是一致的.但在3月則出現(xiàn)了不一樣的情況,而要清晰地揭示原因還需要對當(dāng)月發(fā)生的每一次沙塵天氣過程進(jìn)行詳細(xì)分析.2000年1月和2月發(fā)生的沙塵天氣對北京城、郊區(qū)ρ(PM10)的絕對貢獻(xiàn)非常小,占GB3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)限值的比例不足1%,說明冬季所發(fā)生的沙塵天氣對北京ρ(PM10)幾乎沒有影響,而對ρ(TSP)的絕對貢獻(xiàn)占其二級標(biāo)準(zhǔn)限值的比例也小于5%.而在沙塵天氣高發(fā)期的5月,由于當(dāng)月沙塵天氣主要影響范圍為西北地區(qū),因此對北京城、郊區(qū)的ρ(PM10)的絕對貢獻(xiàn)分別為0.005和0.009mgue4d4m3,對ρ(TSP)的絕對貢獻(xiàn)則均為負(fù)值,分別為-0.005和-0.006mgue4d4m3.2000年1—5月我國共發(fā)生了18次沙塵天氣過程,其中沙塵天氣對北京大氣環(huán)境質(zhì)量絕對貢獻(xiàn)超過GB3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)限值100%的有3次,分別是4月5—8日西北路徑的沙塵暴天氣過程、4月7—9日偏北路徑的沙塵暴天氣過程以及4月23—26日西北路徑的沙塵暴天氣過程.4月18—21日和5月10—11日發(fā)生的強(qiáng)沙塵暴天氣過程未對北京造成明顯影響,因這期間大風(fēng)吹散了聚集的局地污染物,大氣環(huán)境質(zhì)量反而有所改善.在3月6日和4月12—14日這2次沙塵天氣過程中,對于大氣環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)也出現(xiàn)了負(fù)值.3月6日受蒙古氣旋和冷鋒的共同影響,內(nèi)蒙古東部偏南地區(qū)和遼寧北部出現(xiàn)了局地?fù)P沙天氣,北京位于此次沙塵天氣系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離影響區(qū),位于冷鋒后部大風(fēng)區(qū),受大風(fēng)影響,局地累積的污染物得以擴(kuò)散,大氣環(huán)境質(zhì)量得到改善;4月12—14日受冷鋒影響的西北路徑沙塵暴天氣主要發(fā)生在我國南疆盆地北部、青海中北部、甘肅河西地區(qū)和東部,其中青海的茫崖、冷湖、諾木洪和甘肅的民勤、永昌、烏鞘嶺等地都出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴天氣,北京同樣位于強(qiáng)冷鋒后部大風(fēng)區(qū),其大氣質(zhì)量得到了改善,絕對貢獻(xiàn)為負(fù)值.3沙區(qū)與沙區(qū)大氣質(zhì)量比較a)2001—2009年沙塵天氣對于沙塵源區(qū)城市呼和浩特的貢獻(xiàn)率年均值為6.84%,對影響區(qū)城市北京、天津和濟(jì)南的貢獻(xiàn)率年均值分別為5.96%、3.57%和1.66%;秋、冬季節(jié),受沙塵天氣發(fā)生時伴隨的大風(fēng)影響,影響區(qū)城市的大