2016—2020年常州市沙塵天氣特征及影響

彭 燕，葉 香，何 濤

（江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 常州 213001）

沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的主要成分之一[1-2]，是影響地球系統(tǒng)能量收支平衡的重要因素[3-4]，其可散射和吸收太陽輻射[5-6]，并通過凝結(jié)核和冰核來間接影響降水[7-8]。塔克拉瑪干沙漠和戈壁沙漠是東亞地區(qū)2個(gè)主要的沙塵源區(qū)[9]，大量沙塵被揚(yáng)起后，在西風(fēng)帶系統(tǒng)的引導(dǎo)下可進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送至中國(guó)東部甚至太平洋海域[10-11]。隨著沙塵由源區(qū)向下游地區(qū)的輸送，沙塵與沿途的人為氣溶膠發(fā)生非均相反應(yīng)，導(dǎo)致礦物氣溶膠與污染性組分間的相互混合作用逐漸增強(qiáng)[12-14]，從而導(dǎo)致沙塵氣溶膠的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。當(dāng)沙塵氣溶膠南下到達(dá)長(zhǎng)三角區(qū)域時(shí)，不斷減弱的冷空氣會(huì)使得該區(qū)域大氣趨于靜穩(wěn)狀態(tài)，不利于污染物消散，導(dǎo)致污染持續(xù)時(shí)間較上游區(qū)域更長(zhǎng)[15-16]。

常州市地處長(zhǎng)三角腹地，與上海和南京等距相望，除受本地污染源影響外，北方污染輸送對(duì)本區(qū)域空氣質(zhì)量也有較大影響[17]，其中每年4—5月和10—11月受北方沙塵暴的影響可能性較大。為了研究沙塵天氣對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，特選取2016—2020年間的常州市沙塵天氣過程，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和聚類分析進(jìn)行分析研究，來獲取常州市沙塵天氣污染特征、主要的氣團(tuán)傳輸路徑及其對(duì)PM2.5和PM10濃度的影響。以期為本地區(qū)沙塵的來源及影響研究提供參考，為沙塵預(yù)報(bào)的人工訂正提供借鑒。

1 材料與方法

后向軌跡HYSPLIT模型是一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型是1種歐拉和拉格朗日型混合的計(jì)算模式，其平流和擴(kuò)散的處理采用拉格朗日方法，而質(zhì)量濃度計(jì)算則采用歐拉方法。

聚類分析是1種基于多變量的客觀統(tǒng)計(jì)分析方法，后向軌跡聚類分析是根據(jù)后向軌跡空間的相似度，將樣本軌跡統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)而分類。

PM2.5和PM10數(shù)據(jù)根據(jù)江蘇省常州市的6個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均獲得，以常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心（31.76°N、119.95°E）為后向軌跡起始點(diǎn)，起始高度為100 m，逐小時(shí)模擬后向軌跡，軌跡計(jì)算時(shí)長(zhǎng)96 h。氣象資料采用NCEP（美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）提供的全球資料同化系統(tǒng)GDAS（全球同化系統(tǒng)）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°。采用HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》中規(guī)定的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目質(zhì)量濃度限值作為空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別評(píng)價(jià)限值。

沙塵天氣起始時(shí)間以中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站下游地區(qū)沙塵影響為判據(jù)“小時(shí)質(zhì)量濃度達(dá)到污染，PM10成為小時(shí)首要污染物，同時(shí)PM2.5/PM10小于0.45”，結(jié)束時(shí)間以“城市PM10小時(shí)質(zhì)量濃度首次降至與沙塵天氣前6 h的PM10平均質(zhì)量濃度相對(duì)偏差小于等于10%”作為判定依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙塵天氣影響特征

2016—2020年，常州市受沙塵天氣過程影響共15 d，年平均受沙塵天氣影響3 d，其中2019年受影響天數(shù)最多（為7 d），2020年未受沙塵天氣過程影響。沙塵天主要發(fā)生在春季的4—5月和秋季的10—11月，該時(shí)間段屬于春季、秋季降水相對(duì)較少且北方冷空氣仍在活躍或開始活躍中，為北方沙塵向南傳輸提供了氣象動(dòng)力。從PM10最大小時(shí)質(zhì)量濃度看，出現(xiàn)沙塵影響時(shí)，常州市可吸入顆粒物質(zhì)量濃度上升較快，短時(shí)間可達(dá)242～574 μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)到輕度—嚴(yán)重污染級(jí)別；每年沙塵天氣過程影響對(duì)PM10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在0.8～3.7μg/m3，對(duì)PM2.5年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在0.2～1.5μg/m3，沙塵天氣過程影響導(dǎo)致全年優(yōu)良天數(shù)減少1～2 d，年均優(yōu)良率下降0.35～0.5個(gè)百分點(diǎn)（見表1）。

表1 2016—2020年常州市受沙塵天氣影響情況

2.2 沙塵傳輸路徑及影響

從常州市100 m高度氣團(tuán)后向軌跡（96 h）聚類分析結(jié)果看，北方沙塵暴影響常州市的路徑主要分為3條：一是偏北方向（聚類A和B），從蒙古國(guó)或內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)京津冀、山東半島中東部途經(jīng)黃海等區(qū)域影響常州，該路徑出現(xiàn)頻率最高，占沙塵天氣過程影響日的63.0%；二是從偏東方向海上回流（聚類C），沙塵從渤海或黃海出海后經(jīng)黃海、東海影響常州市，占19.2%；三是偏西方向（聚類D），從寧夏、甘肅等地經(jīng)陜西、河南和安徽至江蘇影響常州市，占17.8%。

為表征各類氣團(tuán)影響下的大氣污染物質(zhì)量濃度水平特征，統(tǒng)計(jì)了各聚類類別的污染物平均質(zhì)量濃度和超過規(guī)定質(zhì)量濃度限值的污染物平均質(zhì)量濃度。表2是研究期間每類軌跡對(duì)應(yīng)的PM2.5和PM10算術(shù)平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，及聚類類別中超過規(guī)定質(zhì)量濃度限值的軌跡所計(jì)算的平均污染物質(zhì)量濃度（以下簡(jiǎn)稱污染質(zhì)量濃度），其中PM2.5、PM10的規(guī)定污染質(zhì)量濃度分別為75、150 μg/m3。

表2 各聚類類別的軌跡數(shù)和污染物平均質(zhì)量濃度及污染質(zhì)量濃度

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，PM2.5平均質(zhì)量濃度是聚類B較高，聚類A較低，PM2.5污染質(zhì)量濃度與其平均質(zhì)量濃度較相似，聚類B較高，聚類A和D較低；PM10平均質(zhì)量濃度是聚類B較高，聚類C和D較低，PM10污染質(zhì)量濃度是聚類C較高，聚類A和D較低；聚類D受秦嶺和太行山脈等地形因素的阻擋作用影響較大，沙塵暴從該路徑影響到長(zhǎng)三角區(qū)域的概率相對(duì)較低，此外，受地形和植被等因素影響，該路徑的沙塵暴對(duì)長(zhǎng)三角區(qū)域的影響質(zhì)量濃度也相對(duì)較低。聚類B軌跡路徑相對(duì)較短，說明該路徑的大氣擴(kuò)散條件總體較差，不利于污染物的消散，導(dǎo)致該路徑PM2.5和PM10濃度均較高。聚類C雖然出現(xiàn)的概率相對(duì)較低，但受擴(kuò)散條件較差影響，該路徑沙塵天氣可能導(dǎo)致長(zhǎng)三角區(qū)域PM10的污染過程加重，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。

3 結(jié)論

（1）2016—2020年，常州市每年平均受沙塵天氣影響天數(shù)為3 d，主要發(fā)生在春季的4—5月和秋季的10—11月，沙塵暴可顯著影響本地環(huán)境空氣質(zhì)量，影響較重時(shí)環(huán)境空氣質(zhì)量可達(dá)嚴(yán)重污染級(jí)別；沙塵天氣過程對(duì)PM10年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在0.8～3.7 μg/m3，對(duì)PM2.5年均質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在0.2～1.5 μg/m3，沙塵天氣過程影響使得全年優(yōu)良天數(shù)減少1～2 d，全年優(yōu)良天數(shù)比率下降0.35～0.5個(gè)百分點(diǎn)。

（2）從沙塵影響路徑看，從蒙古國(guó)或內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)京津冀、山東半島中東部途經(jīng)黃海等區(qū)域影響常州的偏北路徑對(duì)常州市的影響最大，在春夏和秋冬等季節(jié)交替時(shí)段需加大對(duì)上游區(qū)域沙塵天氣的關(guān)注，及時(shí)判斷沙塵可能的傳輸路徑，從而對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行人工訂正，以便提高環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，此外，需關(guān)注黃海和渤海海域沙塵出海后可能的海上回流影響。