呼和浩特市沙塵活動特征及其對大氣環(huán)境的影響

陶格斯，王海兵，毫斯巴乙拉，趙杉杉

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.克什克騰旗生態(tài)環(huán)境監(jiān)控分中心，內(nèi)蒙古 赤峰 025350；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站呼和浩特分站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

1 引言

沙塵對人類健康有密切關(guān)系，沙塵攜帶的顆粒物可經(jīng)呼吸道進(jìn)入肺部、血液，對人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等造成嚴(yán)重影響[1，2]。在全球范圍內(nèi)研究評估顆粒物空氣污染對居民死亡的影響，發(fā)現(xiàn)PM10(粒徑≤10 μm)和PM2.5(粒徑≤2.5 μm)顆粒濃度與每日死亡率獨立相關(guān)[3]。因此，認(rèn)識并了解城市沙塵活動特征及其對大氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響，對城市大氣環(huán)境治理尤為重要。

沙塵隨天氣系統(tǒng)影響著沙塵源區(qū)及輸送路徑上的地區(qū)，在近源區(qū)和遠(yuǎn)源區(qū)表現(xiàn)為不同程度的大氣污染。過境沙塵強(qiáng)度、頻度及其持續(xù)時間顯著影響著城市空氣質(zhì)量的污染程度[4]。沙塵的出現(xiàn)具有明顯的季節(jié)變化[5]，因而大氣顆粒物污染季節(jié)性特性也明顯。春季近源區(qū)城市的空氣PM10濃度、空氣污染程度與沙塵發(fā)生次數(shù)顯著正相關(guān)[6～8]。距沙塵源較遠(yuǎn)的城市如北京、石家莊、濟(jì)南等在沙塵發(fā)生時，空氣質(zhì)量變差，沙塵持續(xù)時間越長，PM10日平均值增幅越大[9]。沙塵除空氣顆粒物之外對大氣其他氣態(tài)污染物也有一定影響，沙塵氣溶膠表面易吸附SO2、NOx等酸性污染氣體，并作為載體對大氣污染成分進(jìn)行長距離輸送[10]。

呼和浩特市是內(nèi)蒙古省會城市，地區(qū)政治經(jīng)濟(jì)中心，位于內(nèi)蒙古中部，也是主要沙塵輸移過境地區(qū)，屬于近源區(qū)加強(qiáng)源地[11]。呼和浩特春季沙塵天氣主要受到風(fēng)速、氣溫、降水量等氣候因素的綜合影響，并且與冷空氣活動有較為緊密的聯(lián)系[12]，主要表現(xiàn)為氣壓上升、氣溫下降、風(fēng)速增大[13]。沙塵高空遠(yuǎn)距離輸送是導(dǎo)致呼和浩特市春季空氣質(zhì)量顯著下降的重要原因，少降水、不穩(wěn)定的空氣熱力條件，植被尚未返青也是PM10濃度迅速增加的原因之一[14]。本文基于城市顆粒物的濃度變化，反應(yīng)呼和浩特市沙塵天氣過程的特征。采用2015～2019年呼和浩特市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了PM10、PM2.5濃度變化特征，通過顆粒物濃度變化判定沙塵天氣及辨識沙塵強(qiáng)度，并解析了不同強(qiáng)度沙塵暴過程中O3、CO、NO2和SO2等污染物濃度變化規(guī)律，闡明了區(qū)域沙塵活動特征及其對城市大氣環(huán)境的影響，為城市空氣污染預(yù)警預(yù)測和治理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)源與分析方法

2.1 研究數(shù)據(jù)簡介

數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境廳公布的呼和浩特市環(huán)境空氣自動監(jiān)測站的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，呼和浩特市設(shè)有8個環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站，均為國控站點，通過自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r對城市空氣質(zhì)量開展監(jiān)測和進(jìn)行評價。主要采用2015～2019年環(huán)境空氣氣溶膠PM2.5和PM10的小時值和日均值及氣態(tài)污染物O3、CO、NO2和SO2的小時濃度數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)中缺失值，采用時間線性插值的方法進(jìn)行處理，即：

(1)

式(1)中：Xn為第n個時刻的缺失值，Xi與Xj分別為缺失前后(時刻i與j)的濃度值。

2.2 研究方法

依據(jù)環(huán)辦監(jiān)測〔2016〕120號的規(guī)定，判定沙塵天氣影響起始時間：城市PM10小時平均濃度大于等于前6 h PM10平均濃度的2倍且大于150 μg/m3作為受影響起始時間；以城市PM10小時平均濃度首次降至與沙塵天氣前6 h PM10平均濃度相對偏差小于等于10%作為沙塵天氣影響結(jié)束時間的判定依據(jù)[15]。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)限值，評定超標(biāo)天數(shù)。

為分析沙塵天氣對空氣質(zhì)量的影響程度，引用沙塵影響指數(shù)表達(dá)，其含義是:選擇無明顯沙塵天氣發(fā)生的9月份PM10濃度月均值作為本底值，3、4、5月份PM10月均值的平均值作為沙塵天氣影響值，其比值作為城市本身的沙塵影響指數(shù)[4]，能夠反應(yīng)城市一年內(nèi)所受沙塵影響的平均值。公式表示為：

I=P3、4、5/P9

(2)

式(2)中:I為沙塵影響指數(shù)，P9為9月份城市PM10月均值，P3、4、5為3、4、5月份PM10月均值的平均值。

為較好地定量分析一次沙塵過程的影響，對上述沙塵影響指數(shù)公式進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的公式以年度PM10濃度月均值作為本底值，一次沙塵過程的PM10均值作為沙塵天氣影響值，其比值作為一次沙塵過程的的沙塵影響指數(shù)。公式表示為：

I=P/Pmin

(3)

式(3)中:I為沙塵影響指數(shù)，Pmin為當(dāng)年城市PM10月均值最低值，P為一次沙塵活動中PM10小時值的平均值。根據(jù)2015～2019年呼和浩特市城市PM10質(zhì)量濃度月均值，最低月均值2015年出現(xiàn)在9月份，其余年份出現(xiàn)在8月份。

皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)，是用于度量兩個變量X和Y之間的相關(guān)，廣泛用于度量兩個變量之間的相關(guān)程度[16]，其值介于-1與1之間。取1時表示變量X和Y之間具有線性變化的關(guān)系，即Y隨X的增加而增加；取-1時變量Y隨X的增加而減?。恢禐?表示變量之間沒有線性相關(guān)關(guān)系。估算樣本的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差，可得到皮爾遜相關(guān)系數(shù)，即：

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 呼和浩特市PM10和PM2.5質(zhì)量濃度變化特征

從圖1看出呼和浩特市PM10和PM2.5日均值變化。5年間污染天數(shù)集中在冬季和春季，PM10日均值峰值分別出現(xiàn)在2015年4月15日、2016年3月4日、2017年5月4日、2018年3月28日和2019年5月12日，2018年P(guān)M10濃度峰較多，2017年P(guān)M10濃度峰值達(dá)到1477 μg/m3為5年最高值；3～5月份PM10日均值超標(biāo)天數(shù)占全年超標(biāo)天數(shù)的24%～59%，2018年3～5月份PM10日均值超標(biāo)天數(shù)占比最大達(dá)到59%；春冬季PM10污染明顯，而冬季為采暖季節(jié)空氣污染多與消耗化石燃料有關(guān)，加上冬季降水少較干燥或逆溫天氣等氣候因素，污染物難于擴(kuò)散[17]；而PM10日均值最高值多數(shù)出現(xiàn)在春季，春季污染特征為PM10濃度峰值較高，具有突發(fā)性，多集中在3～5月份，這與春季沙塵活動有關(guān)系。PM2.5日均值變化與PM10不同，PM2.5日均值峰值分別出現(xiàn)在2015年11月30日、2016年2月8日、2017年5月4日、2018年2月17日和2019年2月5日，5年日均值較高值多數(shù)出現(xiàn)在冬季，與冬季采暖期消耗化石燃料有關(guān)；春季偶發(fā)性的出現(xiàn)峰值，并且與沙塵活動引起的PM10濃度峰重合；3～5月份PM2.5日均值超標(biāo)天數(shù)占全年超標(biāo)天數(shù)的4%～33%，相比較PM10超標(biāo)率春季PM2.5超標(biāo)率較低。

圖1 呼和浩特市2015～2019年P(guān)M10和PM2.5日均值變化

3.2 沙塵天氣過程中大氣PM10和PM2.5濃度特征

3.2.1 沙塵天氣中顆粒物濃度變化趨勢

圖2為沙塵過程判定結(jié)果及沙塵過程中顆粒物濃度變化，2015年4月15日發(fā)生的沙塵過程，城市PM10小時濃度最大達(dá)到1233.6 μg/m3(4月15日16時)，此時PM2.5小時濃度為56.3 μg/m3；沙塵來襲時，PM10濃度值急劇上升，但并未帶來PM2.5濃度的明顯上升。2016年5月20～21日發(fā)生的沙塵過程中PM10小時濃度峰值為1423.6 μg/m3(5月21日00時)，此時PM2.5小時濃度達(dá)到270.0 μg/m3，PM2.5小時濃度峰值為200.0 μg/m3(3月4日14時)；PM2.5濃度峰值提前與PM10濃度峰值。2017年5月3～5日沙塵天氣過程中PM10小時濃度峰值均超出2000 μg/m3，持續(xù)時間較長，沙塵后期發(fā)生二次峰值。2018年4月2日和4月29日兩次沙塵天氣過程中PM10小時濃度峰值均超出2000 μg/m3；PM10濃度急劇上升，PM2.5濃度有明顯上升(表1)。

表1 沙塵過程判定結(jié)果及沙塵過程中顆粒物濃度對比

5年間出現(xiàn)兩次PM10濃度超出3000 μg/m3的沙塵過程，分別在2018年4月13日和2019年5月12日發(fā)生，城市PM10小時濃度峰值達(dá)到3323.4 μg/m3(4月13日23時)和3367.7 μg/m3(5月12日07時)，PM2.5小時濃度達(dá)到262.3 μg/m3和714.1 μg/m3；PM10濃度急劇上升，PM2.5濃度有明顯上升，PM10小時濃度峰值與PM2.5小時濃度峰值幾乎同步出現(xiàn)；通過兩次沙塵活動PM2.5濃度差異，發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度與沙塵持續(xù)時間有一定關(guān)系，沙塵持續(xù)時間越長PM2.5濃度會越高。

圖2 沙塵過程判定結(jié)果及沙塵過程中顆粒物濃度變化

3.2.2 PM2.5/PM10濃度比值變化分析

圖3(a)表示2015～2019年3～5月份沙塵天氣過程PM2.5/PM10濃度比值變化規(guī)律。根據(jù)箱線圖差異可以看出：沙塵天氣期間PM2.5/PM10濃度比值較低，PM2.5占PM10總質(zhì)量的比例都在0.4以下，沙塵天氣過程25%～75%的區(qū)間值在0.12～0.25之間，PM2.5/PM10濃度比均值范圍為0.18～0.22之間?？梢娚硥m天氣過程中PM10濃度達(dá)到峰值時PM2.5/PM10濃度比值最低，在一次沙塵天氣發(fā)生、發(fā)展、消失過程中PM2.5/PM10濃度比發(fā)生規(guī)律的變化。在沙塵天氣過程初期PM2.5/PM10濃度比值低，沙塵中PM10濃度占比較高，隨著沙塵過程的持續(xù)PM2.5濃度增加，PM2.5/PM10濃度比值逐漸增大[18]。圖3(b)表示2015～2019年3～5月份非沙塵天氣PM2.5/PM10濃度比值變化規(guī)律。根據(jù)箱線圖差異可以看出非沙塵天氣PM2.5/PM10濃度比值高于沙塵天氣，非沙塵天氣25%～75%的區(qū)間值在0.21～0.49，PM2.5/PM10濃度比值均值范圍為0.31～0.41。

圖3 沙塵天氣過程PM2.5/PM10濃度比值變化

3.3 沙塵影響指數(shù)及沙塵影響時間

通過沙塵活動中PM10質(zhì)量濃度，計算沙塵活動的沙塵影響指數(shù)，呼和浩特市2015～2019年春季沙塵影響指數(shù)分別為4.31、6.63、7.02、12.80和14.90，有逐年上升趨勢，一次沙塵過程的強(qiáng)度影響比較明顯。2019年度沙塵活動并不頻繁，而沙塵影響指數(shù)最高值出現(xiàn)在2019年為39.95，此次特強(qiáng)沙塵活動中PM10質(zhì)量濃度峰值達(dá)到3367.7 μg/m3，沙塵過程持續(xù)時間10 h，導(dǎo)致沙塵影響指數(shù)在5年中最高。

呼和浩特市5年沙塵影響時間有772 h，年均154.4 h；沙塵影響時間最小值為4 h，最大38 h，中位數(shù)為13.5 h。5年間持續(xù)影響時間超過24 h的沙塵活動有10次，持續(xù)影響時間12～23 h的有20次。從圖4看出，2018年出現(xiàn)5年間沙塵過程持續(xù)時間最長的一次沙塵過程為38 h，此次過程中PM10質(zhì)量濃度峰值為788.6 μg/m3，沙塵影響指數(shù)為20.22。從上述分析可知：沙塵影響指數(shù)不僅與PM10濃度有直接關(guān)系，而且與沙塵過程持續(xù)時間有著間接的聯(lián)系。

圖4 2015～2019年沙塵影響指數(shù)分布情況

3.4 沙塵天氣對呼和浩特市氣態(tài)污染物的影響

根據(jù)沙塵影響指數(shù)的大小選取5年中典型沙塵過程天氣進(jìn)行分析。根據(jù)圖5、圖6可知，城市大氣氣態(tài)污染物濃度隨沙塵過程的經(jīng)過而發(fā)生相應(yīng)變化，NO2、SO2和CO的濃度隨PM10濃度的上升而有一定程度的下降趨勢，在沙塵過程后期隨著PM10濃度下降而NO2、SO2和CO濃度上升；O3濃度在沙塵過程中變化趨勢較復(fù)雜，波動性大，沙塵經(jīng)過時O3濃度隨著PM10濃度的上升而有上升趨勢，且沙塵過后保持相對高的濃度水平。

圖5 2015～2017典型沙塵天氣大氣污染物濃度變化趨勢

圖6 2018～2019典型沙塵天氣大氣污染物濃度變化趨勢

將沙塵天氣PM10小時值與O3、CO、NO2和SO2的小時值做相關(guān)性分析，使用雙尾顯著檢驗，在0.05的水平下相關(guān)性顯著。CO、NO2和SO2等污染物濃度與PM10濃度負(fù)相關(guān)，O3濃度與PM10濃度正相關(guān)(表3)。

表3 沙塵天氣PM10質(zhì)量濃度與氣態(tài)污染物濃度的相關(guān)性

4 討論

沙塵暴研究通常是以水平能見度指標(biāo)對沙塵天氣分類[19]。盡管夜間空氣污染和逆溫天氣造成的污染對使用顆粒物濃度變化判定沙塵天氣過程時干擾較明顯，通過城市PM10濃度判定沙塵天氣結(jié)果基本符合氣象部門數(shù)據(jù)，判定結(jié)果可靠。比較5年同期沙塵活動，2018年沙塵活動較頻繁受沙塵影響較嚴(yán)重，短時高強(qiáng)度沙塵活動多發(fā)，2018年春季、夏季內(nèi)蒙古全區(qū)大部地區(qū)氣溫偏高，平均氣溫達(dá)到歷史高值，高氣溫是沙塵暴形成的有力條件，初春氣溫高土壤解凍迅速，使地表干燥疏松，影響沙源地起沙作用的強(qiáng)弱[20]，這導(dǎo)致了較多頻次的沙塵天氣過程。

沙塵發(fā)生時，PM10濃度值上升，PM2.5濃度有不同程度的上升，也有時PM2.5濃度不隨沙塵天氣PM10濃度上升而變化。通過對比，PM2.5濃度受沙塵活動持續(xù)時間影響較明顯，沙塵顆粒物的壽命隨其體積的增大而縮短，細(xì)顆粒物(<20 μm)的壽命為1～2周，而粗顆粒物(>20 μm)約為幾小時或幾天。因此，細(xì)顆粒物才能夠懸浮在大氣中，并有足夠的時間影響天氣[21]。同時，Sow等發(fā)現(xiàn)沙塵顆粒物大小的變化與風(fēng)速并沒有密切聯(lián)系[22]。

目前城市沙塵天氣與大氣氣態(tài)污染物影響研究中發(fā)現(xiàn)沙塵活動對O3、CO、NO2和SO2等氣態(tài)污染物濃度的影響較為復(fù)雜，因研究區(qū)域不同而作用不同。崔娟等研究認(rèn)為榆林市沙塵天氣對SO2、NOx、CO和O3等環(huán)境要素沒有顯著影響[8]。劉筱冉研究認(rèn)為蘭州市春季沙塵天氣期間，SO2、NO2和CO濃度表現(xiàn)為降低或升高，O3濃度受沙塵天氣影響不明顯[23]。董曉波等研究石家莊一次沙塵天氣過程發(fā)現(xiàn)，SO2、NO2和CO的濃度變化趨勢一致，O3濃度變化較小[24]。方麗娟等研究哈爾濱市沙塵天氣發(fā)現(xiàn)，SO2呈明顯減弱趨勢；NO2的濃度變化則不確定[25]。沙塵天氣O3濃度變化的特性可能與近年城市O3二次污染有關(guān)有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

呼和浩特市沙塵天氣多發(fā)生在春季3～5月份，沙塵發(fā)生頻率高達(dá)9.2次/年。5年46次沙塵過程中67.4%為強(qiáng)沙塵過程；2015～2019年春季沙塵影響指數(shù)分別為4.31、6.63、7.02、12.80和14.90，有逐年上升趨勢。

沙塵暴發(fā)生時PM10濃度值急劇上升，PM2.5濃度峰值提前或同步與PM10濃度峰值。PM2.5濃度與沙塵持續(xù)時間有一定關(guān)系，沙塵持續(xù)時間越長PM2.5濃度會越高。沙塵天氣期間PM2.5/PM10濃度比值較低，25%～75%的區(qū)間值在0.12～0.25之間，PM10濃度達(dá)到峰值時PM2.5/PM10濃度比值最低。

城市大氣氣態(tài)污染物濃度隨沙塵過程的經(jīng)過而發(fā)生相應(yīng)變化，沙塵過程前期NO2、SO2和CO的濃度隨PM10濃度的上升而下降，在沙塵過程后期隨著PM10濃度下降而NO2、SO2和CO濃度上升；O3濃度在沙塵過程中變化趨勢較為復(fù)雜，濃度波動性大，且沙塵過后保持相對高的濃度水平。