沙塵天氣對大氣環境和人體健康的影響

北京市氣象局 佘 峰

蘭州大學資源環境學院 陶 燕

沙塵天氣對大氣環境和人體健康的影響

Impact of sand and dust weather on atmospheric environment and human health

北京市氣象局 佘 峰

蘭州大學資源環境學院 陶 燕

沙塵天氣概述

沙塵天氣是指大風將地面塵土、沙粒卷入空中或被高空氣流帶到下游地區而造成大氣混濁、水平能見度明顯下降的一種天氣現象的統稱。

沙塵來源

全球范圍內約1/4的陸地遭到沙漠化的危害，有4大沙塵暴多發區，分別位于北美、澳大利亞、中亞以及中東地區，我國作為中亞多發區的一部分，主要多發于北方尤其是西北地區。

我國沙塵來源根據沙塵暴發生源地，分為境外源和國內源，其中70%左右為來自蒙古國的境外源。由于沙塵天氣發生過程極為復雜，選擇的研究對象和研究方法不同，沙塵來源不盡相同，但總體來講，沙塵天氣的來源主要為沙漠和戈壁，其中包括塔克拉瑪干沙漠、蒙古國、柴達木盆地、內蒙古東部沙地（渾善達克沙地和科爾沁沙地）、內蒙古西部沙地（巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地和烏蘭布和沙漠），此外，黃土高原、沙漠化嚴重的農牧交錯地區以及干涸湖床沉積物對我國沙塵天氣也存在一定的“貢獻”。

不同來源的沙塵對我國的影響區域有所不同，一般影響我國沙塵天氣路徑有西北路徑、偏西路徑和偏北路徑，其中西北路徑又分為兩條，一條起源于蒙古高原中西部或內蒙古西部的阿拉善高原，主要影響我國的西北和華北地區，一條起源于蒙古國南部或內蒙古中西部，主要影響西北地區東部、華北北部及東北大部；偏西路徑起源于蒙古國西南部的戈壁和內蒙古西部的沙漠，主要影響西北和華北；偏北路徑起源于蒙古國烏蘭巴托以南的廣大地區，主要影響西北地區東部、華北大部及東北南部。

沙塵天氣等級

2006年由中華人民共和國國家質檢總局和國家標準委批準發布的《沙塵暴天氣等級》國家標準中對沙塵天氣的等級進行了規定。

按照沙塵天氣發生時的水平能見度劃分為5個等級。

浮塵——無風或平均風速≤3 m/s，水平能見度小于10 km；

揚沙——風將地面塵沙吹起，使空氣相當混濁，水平能見度在1～10 km；

沙塵暴——強風將地面塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度小于1 km；

強沙塵暴——風速介于17.2 m/s～24.5 m/s的大風即將地面塵沙吹起，使空氣非常混濁，水平能見度小于500 m；

特強沙塵暴——風速＞24.5 m/s的狂風即將地面塵沙吹起，使空氣特別混濁，水平能見度小于50 m。

沙塵天氣的監測

為提高沙塵暴預報的準確性，加強預警、減緩沙塵暴的影響，依據《中華人民共和國氣象法》和《中華人民共和國防沙治沙法》，由中國氣象局牽頭編制，于2006年由國家質檢總局和國家標準委批準發布國家標準《沙塵暴天氣監測規范》（GB/T20479-2006），使得我國對于沙塵天氣的監測進入標準化階段。主要的監測項目包含：能見度、30 μm氣溶膠（PM30）粒子濃度、PM10濃度、大氣降塵、淺層土壤濕度及地面風速等。

沙塵天氣時空分布

（1）空間分布

我國沙塵天氣主要發生在干旱半干旱（年平均降水量小于400 mm）的北方地區，從西北大部分地區經華北到東北地區西部形成條帶狀，總體呈現為西北多發于東北地區，平原或盆地多發于山區，沙漠及邊緣多發于其它地區。多發區主要集中在兩大區域：一是位于南疆盆地的塔克拉瑪干沙漠及其周邊，年平均沙塵暴日數超過20天；二是巴丹吉林沙漠、河西走廊、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠及其周邊地區，年平均沙塵暴日數超過15天（圖1）。

諸多研究表明，春季是我國沙塵天氣的多發季節，但不同等級的沙塵天氣在春季呈現出不同的空間分布。春季沙塵暴多發區在塔里木盆地及其周邊地區、柴達木盆地西部、河西走廊、阿拉善高原、河套平原、鄂爾多斯高原和西藏高原局部地區，年平均日數均大于5天，其中兩個高發中心在塔里木盆地及其周邊地區和阿拉善高原及河西走廊東北部，年平均日數均超過10天。與沙塵暴發生頻次相比，出現揚塵和浮塵的區域進一步向東、向南擴展，但高頻中心仍在塔里木盆地及其周邊地區，其年平均最高值達76天（圖2）。

（2）時間分布

沙塵天氣的發生由于受到氣候特征的影響具有明顯的時間變化規律，1951－2012年期間我國北方沙塵天氣總體呈下降趨勢，以20世紀50年代呈增加趨勢，60～70年代發生頻繁，1980－1997年呈顯著下降趨勢，1998－2002年有所回升，2003－2005年急劇減少，2006年又大幅增加，2007－2012年又逐漸下降，近15年以來，我國沙塵天氣過程的年平均次數不到15次。

沙塵天氣具有明顯的季節變化特征，春季沙塵天氣最多，約占全年的一半，夏季次之，秋季最少；按照月份來看，沙塵天氣則體現為3～4月份發生頻率最高，5月份次之，9月份最低，從1961－2006年各月沙塵暴日數占全年的百分比看，4月最多，占全年22.7%，5月次之，占16.8%，10月最低，僅為1.8%（圖3）。此外，研究表明年沙塵天氣有一定的日變化特征，主要發生在午后至傍晚之間，清晨到中午期間發生的相對較少。

圖1 1961－2006年我國年沙塵暴日數

圖2 1951－2000年春季年平均沙塵天氣日數分布圖（A.沙塵暴 B.沙塵天氣）

圖3 中國各月沙塵暴日數占全年的百分比（1961－2006年平均）

沙塵天氣的影響

對大氣環境質量的影響

沙塵天氣的發生主要導致大氣環境中顆粒物濃度在短時間內急劇增加，水平能見度下降。不僅如此，沙塵顆粒物可長時間懸浮在空氣中并經長距離輸送。有研究顯示，亞洲沙塵天氣的沙塵僅約30%沉降在沙漠地區，20%遷移到其他地區，其余50%能夠長距離輸送到我國海區乃至韓國、日本甚至到達北太平洋。

沙塵天氣發生時，對大氣環境最顯著影響為水平能見度急劇下降。離沙塵源地越近能見度下降越明顯，新疆和內蒙古等地區在發生沙塵天氣時能見度下降最明顯。如2013年4月17日，新疆兵團多地遭遇強沙塵暴，局地能見度不足20 m；2014年5月22日，南疆盆地發生當年第七次沙塵天氣過程，多地出現能見度不足500 m的強沙塵暴；2015年3月4日，新疆地處塔克拉瑪干南源某兵團遭受強烈沙塵暴襲擊，能見度不足5 m；2015年4月27日上午，烏魯木齊市出現沙塵天氣，能見度下降至不足100 m。2014年4月23日，內蒙古西部額濟納旗遭遇強沙塵天氣侵襲，能見度不足300 m，2015年5月16日的強沙塵暴天氣，使該地能見度不足10 m。

近沙塵源區的甘肅西部地區及寧夏等地飽受沙塵肆虐，如2010年4月24日敦煌、酒泉、張掖、民勤等地出現沙塵暴，其中民勤出現特強沙塵暴，其能見度接近0 m；2014年4月23日下午14時，甘肅敦煌遭遇一場特強沙塵天氣，市區瞬間白晝變黑天，能見度小于50 m；2015年5月5日16時，甘肅河西酒泉市瓜州縣境內出現沙塵暴天氣，能見度同樣不足50 m。2013年3月9日，寧夏銀川市出現揚沙或浮塵天氣，使許多高速公路路段能見度不足100 m，部分路段低于50 m；2011年3月17日，青海格爾木夜間出現沙塵暴，能見度最低時僅為10 m。

首都北京也不可避免地遭受沙塵天氣的影響，1971－2000年北京及其沙塵天氣發生頻率與能見度的研究表明，沙塵天氣發生頻率減少1次，能見度方差就會增強1個標準差。1999年10月5日產生的局地重污染，市區能見度不足1 km，2000年4月6日和2002年3月20日發生的沙塵暴，使北京市的能見度不足50 m，2010年3月19～20日沙塵天氣使北京市區能見度平均在5～10 km，2011年4月30日上午10點，北京遭受沙塵天氣影響，能見度只有1～2 km；2015年4月15日北京遭遇13年來最強沙塵暴天氣，能見度急劇下降，部分路段能見度小于1 km。

而遠離沙塵源區的區域同樣受到沙塵天氣的影響，如 2010年3月23日，深圳受沙塵天氣影響，城市最低能見度僅3 km，由此可見，沙塵天氣的影響遠超出公眾的認識。

沙塵天氣對大氣環境的另一個顯著影響為大氣中顆粒物的急劇增加，且粗顆粒物增加更為顯著，從而影響空氣質量。沙塵天氣發生時，會造成下游城市中顆粒物污染程度加重，空氣質量惡化，根據距沙源地遠近的不同，沙塵天氣對城市的影響也有所不同。1993年“5·5”特強沙塵暴，甘肅金昌市室外空氣中TSP高達1016 mg/m3，室內為80 mg/m3，超過國家標準40倍。2015年4月27日上午9時，烏魯木齊市出現沙塵天氣，PM10濃度水平達到998 mg/m3。2006年4月5～15日，蘭州市發生沙塵天氣，沙塵日之前，城市空氣質量為良或輕度污染，10日受強沙塵天氣影響PM10迅速升高到1860 μg/m3，是重度污染的4.43倍，11日隨著沙塵天氣的結束，PM10日均濃度迅速降低到131 mg/m3，空氣質量恢復為良。2008年4月17～23日，在塔克拉瑪干沙漠腹地測定沙塵暴期間TSP和PM10濃度，可以看出，TSP和PM10在經歷浮塵——揚塵和浮塵——沙塵暴——揚塵和浮塵——浮塵的過程中，分別由716.8 μg/m3和445.7 μg/m3——5531.4 μg/m3和1095.0 μg/m3——11879.9 μg/m3和4614.5 μg/m3——3068.8 μg/m3和2693.2 μg/m3——1331.9 μg/m3和1014.6 μg/m3——1100.5 μg/m3和941.1 μg/m3，即由低到高，再降低。2009年4月23～24日甘肅發生一次大范圍的沙塵天氣，其中敦煌發生了特強沙塵暴，蘭州空氣質量迅速達到重度污染，沙塵天氣當日PM10日平均濃度超過600 μg/ m3，PM10最大濃度高達5450 μg/m3，次日PM10日平均濃度仍為546 μg/m3。

2008年4～6月北京沙塵天氣期間，PM10和PM2.5的濃度分別比非沙塵期增加171.1%和17.2%，阿拉善盟的則分別增加166.7%和105.4%。2012年4月27～29日北京地區的沙塵天氣，使得PM10最高日均值達到755.54 μg/m3，不僅如此PM10中的有機碳、硝酸根和硫酸根濃度遠高于非沙塵期間。2015年4月15日，北京受沙塵天氣影響，PM10由17時128 μg/m3急劇上升到18時的445 μg/m3。2011年4月28日～5月18日，遠離沙塵源區的上海市受沙塵天氣影響，沙塵天氣期間PM10和PM2.5的濃度明顯高于非沙塵天氣，最高日均濃度分別達787.2 μg/m3和139.5 μg/m3。由此可見，沙塵天氣對大氣顆粒物的貢獻不容忽視。

我國北方環保重點城市大氣的研究成果表明，沙塵天氣對中國北方城市顆粒物污染的影響范圍之廣、程度之大，值得我們關注，其中春季顆粒物高污染狀況與沙塵天氣的關系更為密切，不同城市受沙塵影響的程度也不同，而各地受污染的程度從沙塵暴中心區向外圍逐漸減輕，在上游沙塵輸送的作用下，即使在遠離沙塵源地的地區，沙塵天氣依然會對其產生重要影響。

對人體健康的影響

近年來，沙塵天氣與人體健康的關系受到公眾的廣泛關注，國內外學者為此開展了初步研究，發現沙塵天氣尤其是沙塵暴，既對人體健康產生急性健康效應，引起呼吸系統、心腦血管以及過敏性疾病等的發病與死亡，也可能引起非職業性塵肺即沙塵肺或沙漠肺的慢性健康效應。沙塵天氣對人體健康的影響，一方面與沙塵顆粒的粒徑大小有關，粒徑越小越易進入呼吸系統深部甚至循環系統，對人體健康的危害也越大；另一方面，沙塵顆粒在傳輸過程中，吸附傳輸路徑中重金屬、有機物、花粉、細菌、病毒等有毒有害成分，并與沿途的大氣成分發生復雜的相互作用，從而危害人體健康。

特強沙塵暴會導致巨大的損失及人員傷亡。1993年5月5日的特大沙塵暴使甘肅、寧夏和內蒙古部分地區遭受巨大損失，85人死亡，31人失蹤，264人傷殘；1998年4月19日，新疆北部和東部吐鄯托盆地遭特大風沙災害，造成6人死亡、44人失蹤何256人受傷；2000年3月27日，沙塵暴襲擊北京城，正在樓頂施工的7名工人被大風刮下，2人當場死亡；2002年4月5～9日，內蒙古、河北及遼寧等地部分地區出現強沙塵暴，致使內蒙古9人死亡；2010年4月24～25日，新疆及甘肅部分地區出現強沙塵暴或特強沙塵暴，其中吐魯番地區災害嚴重，造成3人死亡，1人失蹤。

不僅如此，沙塵天氣的頻發使得大氣中顆粒物濃度增加，粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物（PM10）可通過呼吸道進入人體，導致人群死亡率、不同疾病尤其是呼吸系統疾病和心腦血管疾病的患病率（急診人數、住院人數）增加。輕者可發生鼻咽部干燥發癢、咳嗽、打噴嚏、皮膚和眼睛的刺激癥狀，重者可導致鼻炎、感冒、急性支氣管炎、急性肺炎等，如果長期生活在沙塵天氣多發地區，可導致慢性阻塞性肺病（慢性支氣管炎、哮喘等）和沙漠塵肺等。我國調查新疆部分地區居住長達30年以上的居民，結果發現與生活在揚沙、浮塵環境密切相關的非職業性塵肺或沙塵肺患者占一定比例。

1991年，在美國華盛頓地區發生沙塵暴2天時間里，鼻竇炎和支氣管炎的急診量分別增加4.5%和3.5%；芝加哥庫克縣的研究發現，在沙塵天氣期間，心肌梗塞和急性腦血管的意外的病例分別增加2.5倍和1倍，心絞痛和心律不齊增加了50%，死亡增加了20%；在德克薩斯州沙塵天氣引起急性支氣管炎住院人數的增加。

澳大利亞研究顯示，由風蝕土壤引起的沙塵暴是導致該國200萬人哮喘的元兇。意大利的研究表明，沙塵期間，呼吸系統疾病死亡的人數增加22%。西班牙研究了撒哈拉沙塵期間PM2.5～10每天增加10 μg/m3，死亡人數則增加8.4%，而非沙塵期間則僅增加1.4%。我國沙塵期間總死亡、老年人群死亡及心血管疾病死亡人數增加1.9%～4.5%，心肺疾病急診人次、肺炎住院人數及中風在沙塵期較非沙塵期明顯增加。

在沙塵天氣高發的河西走廊民勤縣，沙塵天氣使得因呼吸系統疾病（包括上呼吸道感染、肺炎等）住院的人數比非沙塵期間增加14%～28%；甘肅武威沙塵天氣研究發現，沙塵天氣期間的PM10可引起居民多種心血管系統疾病門診人數明顯增多；蘭州市春季沙塵天氣的研究表明，沙塵天氣使得呼吸系統疾病的入院人數比非沙塵期增加11.9%～26.6%，其中老年人群增加最多。

應對沙塵天氣的防災減災措施

（1）恢復植被，加強生物防護體系的構建

在沙塵多發的北方尤其是西北和華北地區，進一步推進退耕還林還草，并對宜林的荒山荒地進行人工造林種草，從而遏制沙漠擴大化及沙塵大范圍的輸送。同時在綠洲周邊營造防風防沙的生物防護體系，控制和減少沙塵天氣尤其是沙塵暴對綠洲的危害。

（2）建立完善的沙塵預測預警體系

為減少沙塵天氣尤其是沙塵暴所造成的災害性影響，我國國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會在2012年批準發布了《沙塵暴天氣預警》，但沙塵天氣的預測預警依然是建立在沙塵發生后經過對沙塵的監測結果對沙塵未來的發展趨勢進行預測預警，導致預測預警的滯后性明顯，因此需要相關部門加強并完善預測預警體系，真正指導防沙減災工作。

（3）加強宣傳力度，提高公眾防沙減災意識

建立多層次、全方位的宣傳體系，根據沙塵發生的時空分布特點、沙塵對人體健康的危害等有針對性的進行宣傳，如在我國西北、華北等地，在春季沙塵多發期，進行全方位包括多種媒體、政府相關部門甚至社區等進行宣傳，提高民眾的防沙意識。如在沙塵天氣里，盡量減少外出，尤其是老年人、兒童和體弱多病者；及時關閉門窗并采取必要的防范措施；外出必須做好個人防護以減少對健康的損傷；交通運輸工作減速慢行甚至停運以減少不必要的損失。