2021年春季蘭州市典型沙塵天氣空氣質(zhì)量特征研究

甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站 張良

一、引言

受氣候、降水、溫度和下墊面等因素的影響，我國北方地區(qū)容易發(fā)生大面積的沙塵天氣，其中包括危害更為嚴重的沙塵暴天氣，特別是在春季我國北方干旱、半干旱區(qū)更容易發(fā)生[1]。沙塵暴主要影響空氣質(zhì)量以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，日常交通運輸和人民的身體健康造成嚴重危害等[2]。沙塵暴天氣發(fā)生時攜帶大顆粒物，同時還夾雜泥、沙之類的污染物，主要污染物一般是可吸入顆粒物PM10[3]。

2021年3月14日，我國北方遭遇近10年強度最大的一次沙塵天氣，發(fā)生大面積的沙塵暴，波及范圍廣，持續(xù)時間長和視覺能見度低。其中蘭州市位于沙塵暴途徑區(qū)域，地處“二山夾一川”，且常年天氣條件處于穩(wěn)定狀態(tài)[4]，空氣質(zhì)量受此次沙塵暴影響更為明顯。本文采用蘭州市2021年3月的城市環(huán)境空氣國控自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，對春季蘭州市典型的沙塵天氣過程中的PM10和PM2.5變化特征進行研究，空氣質(zhì)量指標（AQI、PM10和PM2.5）和氣象因素（日均溫度、日均濕度、日均風速、日氣壓、日見能見度、日總降水量和日平均總云量）相關性進行分析，為我國北方沙塵暴天氣發(fā)生過程總結規(guī)律，加強沙塵天氣對空氣質(zhì)量變化的科學認識，為今后長期生態(tài)環(huán)境的綜合治理提供參考依據(jù)。

二、研究材料與方法

（一）研究區(qū)概況

蘭州市周圍環(huán)繞易發(fā)沙塵天氣區(qū)域，其中北面主要是巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠，是沙塵暴的頻繁發(fā)生區(qū)域，西南方向是青藏高原，東邊與黃土高原接壤，是我國西北地區(qū)沙塵暴向東移動的必須經(jīng)路線[5]。蘭州屬溫帶大陸性氣候，境內(nèi)主要是黃土地貌，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，植被稀少、降水量低、土壤含水率也低，容易形成沙塵天氣。

（二）數(shù)據(jù)來源

蘭州市2021年3月城市環(huán)境空氣國控自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象要素數(shù)據(jù)來源于甘肅省蘭州市6個國控環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站評價點，分別是生物制品所、鐵路設計院、百合公園、蘭煉賓館、教育港和榆中和平。評價項目為可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）和AQI。各自動監(jiān)測站點儀器均參照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T193-2005）定期校準，并嚴格實施指控措施，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和準確性。

（三）計算方法和分析

環(huán)境空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)主要依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術規(guī)范（試行）》（HJ663）、《環(huán)境質(zhì)量報告書編寫技術規(guī)范》中的相關規(guī)定進行統(tǒng)計，顆粒物和空氣質(zhì)量綜合指數(shù)（PM10、PM2.5和AQI）采用SPSS26整理分析，采用OriginPro2021制圖。

三、結果與分析

（一）3月空氣質(zhì)量級別

由圖1可知，2021年3月蘭州市環(huán)境空氣質(zhì)量評價為“優(yōu)”的天數(shù)為零，空氣質(zhì)量評價為“良”的天數(shù)占比為45.2%，評價為“輕度污染”天數(shù)占比為19.4%，評價為“中度污染”天數(shù)占比為12.9%，評價為“重度污染”天數(shù)占比為3.2%，評價為“嚴重污染”天數(shù)占比為19.4%。結果顯示，此次我國北方大面積的沙塵暴天氣對蘭州市3月環(huán)境空氣質(zhì)量造成了很大的影響，中度污染和嚴重污染天數(shù)明顯增多。

圖1 蘭州市3月空氣質(zhì)量級別

（二）PM10和PM2.5特征分析

由圖2可知，2021年3月蘭州市的顆粒物濃度（PM10和PM2.5）出現(xiàn)了兩次波峰，時間為3月14日至3月20日，持續(xù)將近6天。其中，3月16日PM10濃度值為3646μg/m3，相比3月14日沙塵天氣初始時間，濃度值暴增7倍。3月16日PM2.5濃度值達到峰值，為668μg/m3，相比3月14日沙塵天氣初始時間，濃度值增加近6倍。3月第二次沙塵天氣影響相對影響較小且持續(xù)時間短，發(fā)生在3月29日，PM10和PM2.5的濃度分別為653μg/m3和165μg/m3。結果顯示，3月蘭州市的顆粒物濃度（PM10和PM2.5）時間點與我國北方大面積沙塵暴天氣時間吻合，受沙塵暴的影響，PM10濃度的變化大于PM2.5的濃度的變化，說明沙塵天氣對PM10濃度的影響大于對PM2.5濃度的影響。

圖2 蘭州市3月顆粒物日均值濃度變化

（三）氣象因素與空氣質(zhì)量的關系

由圖3可知，在沙塵天氣影響過程時，AQI、PM10和PM2.5均呈現(xiàn)出增加的趨勢，同時，日平均總云量和日能見度也出現(xiàn)了相應的變化。對3月的空氣質(zhì)量指標（AQI、PM10和PM2.5）和氣象因素（日均溫度、日均濕度、日均風速、日氣壓、日見能見度、日總降水量和日平均總云量）進行了相關性分析，由圖4可知，AQI與PM2.5、PM10呈顯著性正相關，而與日均濕度、日氣壓和日見能見度呈顯著負相關；PM10與日均風速呈現(xiàn)弱正相關，與日均濕度、日氣壓和日能見度呈顯著負相關；PM2.5與日均溫度呈現(xiàn)弱正相關，與日均濕度、日氣壓和日能見度呈顯著負相關。結果表明，沙塵暴過境時，造成AQI、PM10和PM2.5均升高，而日均濕度、日氣壓和日能見度降低，AQI、PM10和PM2.5均與日均濕度、日氣壓和日能見度有良好的相關性。

圖3 蘭州市3月氣象因素、空氣質(zhì)量日變化趨勢

圖4 氣象因素與空氣質(zhì)量的關系

四、小結

（1）2021年3月蘭州市空氣質(zhì)量評價為“良”的天數(shù)占比為45.2%，評價為“中度污染”和“嚴重污染”天數(shù)占比明顯增大；

（2）2021年3月蘭州市的顆粒物濃度出現(xiàn)了兩次波峰，分別在3月16日（PM10和 PM2.5濃度值為3646μg/m3和668μg/m3）和3月29日（PM10和PM2.5的濃度分別為653μg/m3和165μg/m3），沙塵天氣對PM10濃度的影響大于對PM2.5濃度的影響。

（3）沙塵天氣過程造成PM10和PM2.5濃度值和AQI升高，而日均濕度、日氣壓和日見能見度降低，AQI、PM10和PM2.5均與日均濕度、日氣壓和日能見度有良好的相關性。