江蘇省一次典型沙塵污染過程分析

梁 進 楚翠姣 楊 雪 秦 瑋 曹 軍 江 飛 蔣益荃

(1. 江蘇省環境監測中心，南京 210019;2.南京大學國際地球系統科學研究所，南京 210023;3. 南京大學大氣科學學院，南京 210023)

0 引言

沙塵天氣可分為浮塵、揚沙、沙塵暴及強沙塵暴等四類。浮塵為細沙漂浮在空中能見度小于10 km的現象；揚沙是地面塵沙被風吹起使能見度在1 km至10 km的現象；沙塵暴是由強風將地面大量塵沙吹起能見度在1 km以內的現象；強沙塵暴是大風將塵沙吹起能見度小于500 m的現象。對城市受沙塵影響開始時間以及沙塵影響日的判定，一般按照生態環境部及中國環境監測總站相關文件要求，需滿足以下任一條件：(1)PM10小時濃度大于等于前6小時PM10平均濃度的2倍,同時高于150 μg/m3；(2) ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值小于等于兩者前6小時比值平均值的0.5倍，同時PM10小時濃度需高于150 μg/m3。城市受沙塵影響日判定依據為任一時段受沙塵影響，同時當日PM10的AQI分指數大于等于PM2.5的AQI分指數[1]。

每年春秋兩季，中國北方地區經常出現強風天氣，導致沙源地(蒙古國及周邊區域)出現起沙的現象。沙塵顆粒被大風卷起后，可以較長時間地漂浮在大氣中，同時大片裸露農田也會排放多種顆粒物，而當蒙古氣旋攜冷空氣南下時，這些顆粒物就會向下游南方地區輸送[2-3]。粗顆粒物在傳輸過程中受重力影響逐漸沉降，細顆粒卻能伴隨大風傳輸到更遠的地區，影響當地的空氣質量[4-5]。2021年春季，影響我國沙塵次數較往年增多，達沙塵暴及以上級別過程次數是2013年以來同期最多的，2021年沙塵頻發原因是前期蒙古國周邊地區氣溫偏高，積雪融化致使北方沙土暴露，提供了充足的沙源；蒙古氣旋活躍，大風天氣增多，提供了動力條件[6]。江蘇省地理位置位于江淮地區，受北方沙塵影響時，雖然不會出現沙塵暴等能見度極低的情況，但對于設區市空氣質量的影響仍需重視，沙塵可以造成ρ(PM10)迅速升高，同時ρ(PM2.5)也有一定程度的升高，影響空氣質量優良率[7-9]。

本文首先結合天氣形勢和氣象條件分析2021年4月16日至4月18日這一次影響江蘇省的典型沙塵污染過程，再自北向南選取徐州市、泰州市和蘇州市三個代表城市作為研究對象進行分析。

1 數據資料和分析方法

空氣質量數據來自國家生態環境部官網的全國空氣質量實時數據(https://www.mee.gov.cn/)。顆粒物PM2.5、PM10的日和小時數據均為國控站點實際監測數據資料。氣象數據來自國家氣象信息中心，采用的是中國高空氣象站定時觀測資料，中國地面氣象站逐小時觀測資料。

觀測激光雷達位于徐州市云龍區彭祖大道環境監測中心樓頂，型號為AGHJ-I-LIDAR，垂直探測距離大約在1.5～3 km[10]。葵花8號衛星云圖由北京市環境監測中心制作。采用美國NOAA的Hysplit模式進行后向軌跡研究，分析沙塵來源。

2 影響江蘇省的典型沙塵過程分析

2.1 天氣形勢和氣象條件分析

蒙古氣旋一年四季皆可生成，北方冷空氣在春秋季活動頻繁，常伴隨蒙古氣旋南下，這是江蘇省受沙塵污染過程影響的主要原因。蒙古氣旋之后往往伴隨著一個冷高壓系統，冷高壓系統前部會給江蘇省帶來東北氣流，一般有利于前期聚集在江淮地區的沙塵消散；冷高壓后部的偏西氣流也有可能造成后期浮塵回流江蘇的過程[11-12]。2021年4月16日至4月18日影響江蘇省的沙塵污染過程是一次典型的受較強蒙古氣旋南下影響,隨后冷高壓前部偏北風或東北風使沙塵消散的過程。

4月14日上午8時，蒙古國西北部高空出現一個淺槽并開始增強(如圖1a)，中午12時起蒙古氣旋迅速增強，中心氣壓降至1 006 hPa以下，受蒙古氣旋帶來的大風影響，蒙古國中南部開始起沙，15時開始，在地面大風作用下，中國內蒙古中西部地區也開始起沙，20時，蒙古氣旋中心氣壓降至1 000 hPa以下，強度進一步加強，其后部大風風速高達12～16 m/s(如圖2a)。22時，甘肅省金昌市ρ(PM10)迅速上升到640 μg/m3。14日，整個江淮地區主要受弱高壓控制，近地面為偏東風，空氣質量級別較好為優良。

15日8時，高空槽加深并東移至蒙古國東部至我國內蒙古中部上空，20時，高空槽進一步東移至內蒙古至華北地區上空(如圖1b)，在地面天氣圖上，蒙古氣旋進一步加強，中心氣壓降至994 hPa以下，中心位置也向東移動至內蒙古東部(如圖2b)。蒙古氣旋后部的偏北大風區也向東移動，至內蒙古中東部、河北和山西地區，受其影響，內蒙古、甘肅、寧夏、山西、陜西、京津冀、河南、山東、遼寧、吉林及黑龍江等地區先后受到沙塵影響。15日受沙塵影響較大的省份有內蒙古、山西和河北，內蒙古ρ(PM10)小時濃度最高值出現在烏海市，最高達2 699 μg/m3；山西省在呂梁市，最高達1 907 μg/m3；河北省在保定市，最高達1 775 μg/m3。江淮地區15日受海上大氣高壓系統后部影響，近地面為東南風，江蘇省空氣質量以良為主，首要污染物是臭氧，仍未受到沙塵過程的影響。

16日，高空低壓中心移向中國東北地區，高空槽線呈現為東北-西南向(如圖1c)，地面蒙古氣旋中心位置也向東北地區移動，蒙古氣旋后部的西北風攜沙塵顆粒物影響我國黃淮地區，河北、河南、山東、山西、江蘇和安徽等省份當日受沙塵影響較大，如葵花8號衛星云圖所示(圖3)。16日凌晨，蘇皖魯豫交界處近地面開始轉為西北風，江蘇西北部城市開始受到沙塵影響。徐州市16日03時開始ρ(PM10)迅速上升，在3小時內PM10濃度由108 μg/m3上升到401 μg/m3，空氣質量達重度污染；同時，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)小時濃度比值從0.62迅速下降到0.17。伴隨西北風進一步影響，16日上午，蘇北城市PM10濃度相繼升高，到中午12時，徐州、連云港、淮安、宿遷4市PM10小時濃度分別達510、510、541、481 μg/m3，空氣質量均達到嚴重污染級別；鹽城市PM10濃度自上午9時開始升高，到下午15時ρ(PM10)也達嚴重污染級別。16日傍晚開始，江蘇省沿江城市也陸續受到沙塵過程影響，揚州、泰州、常州3市ρ(PM10)開始上升，小時濃度最高均超過150 μg/m3，空氣質量達輕度污染級別(如圖2c、2d)。

圖1 2021年4月14日-17日高空500hPa天氣圖(a)4月14日08時；(b)4月15日20時；(c)4月16日20時；(d)4月17日08時

圖2 2021年4月14日-17日地面ρ(PM10)(單位：μg/m3)與地面氣象場空間分布圖(單位：hPa)(a)4月14日20時；(b)4月15日20時；(c)4月16日08時；(d)4月16日20時；(e)4月17日08時；(f)4月17日20時

圖3 2021年4月16日10時北方地區云物理遙感圖(葵花8號衛星云圖)

17日，高空槽移到江蘇以東洋面上空，且轉為豎槽(如圖1d)，地面天氣圖上隨著蒙古氣旋低壓系統進一步向東北風向移動，其后部冷高壓底部的偏北風開始影響江淮地區。蘇北城市ρ(PM10)開始下降，除徐州市以外，連云港、淮安、鹽城、宿遷4市ρ(PM10)自17日上午起明顯下降，空氣質量逐步回到良的級別。與此同時，沙塵污染氣團自北向南移動，全面影響江蘇沿江城市。揚州、泰州ρ(PM10)進一步升高，小時濃度最高超過了310 μg/m3，達中度污染級別，沿江其他城市如南京、無錫、蘇州、南通、鎮江等ρ(PM10)也從17日凌晨開始上升，最高時都超過了250 μg/m3，空氣質量達中度污染級別。

17日下午起，在江淮地區地面高壓系統帶來的偏北風或東北風的持續影響下，影響江蘇地區的沙塵過程開始消散，徐州、常州、南通、揚州、鎮江、泰州6市ρ(PM10)自14時起下降，空氣質量回到良的級別，南京、無錫、蘇州3市 ρ(PM10)自18時起下降，達良的級別，沙塵污染過程基本結束(如圖2e、2f)。

18日，江蘇省近地面受高壓控制，風力較小，風向散亂，未出現沙塵回流江蘇的情況。除徐州受浮塵影響，當日首要污染物為顆粒物(PM10)以外，其余城市首要污染物均變為氣態污染物臭氧。

2.2 典型城市污染特征分析

2.2.1 徐州市

徐州市位于江蘇省西北部，往往最先受到沙塵污染過程的影響。4月16日至17日，受沙塵傳輸影響，徐州市顆粒物濃度明顯偏高，具體情況如下：4月16日03時起(圖4)，徐州ρ(PM10)開始迅速升高，04時，徐州市空氣質量達中度污染級別，首要污染物變為PM10，PM10小時濃度值最高達310 μg/m3，超過前6個小時顆粒物(PM10)平均濃度的2倍，符合沙塵影響開始的判定條件，沙塵過程開始影響徐州。17日14時，徐州市空氣質量轉為良，ρ(PM10)小時濃度為122 μg/m3，首次降至與沙塵天氣前6個小時PM10平均濃度相對偏差小于10%，符合沙塵結束判定條件，本次沙塵對徐州的影響結束。

圖4 4月16日—17日徐州市沙塵過程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

從徐州市顆粒物激光雷達監測數據圖(圖5)可以看出，4月15日夜間至16日凌晨期間，徐州市1.0-2.0 km高空出現低消光、高退偏值現象，表征粗顆粒物傳輸。之后，高空粗顆粒物不斷向近地面擴散，與近地面污染物混合。

利用Hysplit模式作后向軌跡分析(圖6)，4月16日11時徐州市48h后向軌跡結果顯示徐州市上空氣團來源于西北方向，運動軌跡如下：4月15日8時污染氣團從2.0-3.0 km及以上高空下沉，15日20時左右沉降至1.0-2.0 km高空后，繼續沉降至近地面，與近地面污染物混合，顆粒物濃度出現高值，與雷達監測結果基本一致。

圖5 4月15日至17日徐州市激光雷達監測結果

圖6 徐州市4月16日11時200 m，500 m和1 000 m高度上的48小時后向軌跡圖

2.2.2 泰州市

自4月16日18時起，受沙塵侵入影響，泰州市ρ(PM10)小時濃度持續升高(如圖7)。17日凌晨，地面轉為偏北風，沙塵氣團明顯南移；7時，泰州市ρ(PM10)最高達到318 μg/m3，空氣質量達到中度污染級別，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速下降，最低降至0.21，首要污染物為PM10，之后顆粒物濃度迅速下降；14時，ρ(PM10)降至94 μg/m3，沙塵影響結束，沙塵影響期間首要污染物全部為顆粒物(PM10)。4月16-17日，IAQI(PM10)分指數大于IAQI(PM2.5)分指數，符合沙塵影響日的判定條件。按照沙塵起始時間和結束時間的規定進行判定，4月16日18時起，泰州地區受沙塵影響，17日14時影響結束。泰州市空氣污染存在ρ(PM10)顯著升高的情況，同時ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速下降，期間比值最低降至0.21。

2.2.3 蘇州市

4月17日蘇州市近地面轉為偏北風，受沙塵氣團南移影響，5時蘇州市ρ(PM10)小時濃度開始上升，8時ρ(PM10)為168 μg/m3，空氣質量達到輕度污染級別，11時-14時ρ(PM10)小時濃度達到中度污染級別，12時ρ(PM10)達到峰值285 μg/m3(如圖8)。4月17日10時，蘇州市ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值開始小于0.45，10時-23時ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值均低于0.45，16時ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值最低，為0.16。4月17日10時顆粒物(PM10)成為小時首要污染物，且10-17時達到輕度-中度污染級別。4月17日10時顆粒物(PM10)成為小時首要污染物，并持續至17日23時。4月17日PM10AQI和PM2.5AQI分指數分別為107和85，滿足“當城市任一時段受沙塵天氣影響且當日PM10AQI分指數大于等于PM2.5AQI分指數時，該自然日可判定為沙塵影響日”這一條件，17日為蘇州沙塵影響日。

圖7 4月15日至18日泰州市沙塵過程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

圖8 4月17日蘇州市沙塵過程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

3 結論

(1)2021年4月16日至18日，江蘇省受到一次北方沙塵污染輸送影響，在此過程中，多個城市空氣質量明顯下降，首要污染物為顆粒物(PM10)。其中，16日，受沙塵過程影響，蘇北城市中的徐州市空氣質量達重度污染級別，連云港、淮安、鹽城、宿遷4市空氣質量達中度污染級別，沿江城市中常州和鎮江空氣質量達輕度污染級別，11個設區市當日首要污染物為顆粒物(PM10)。17日，江蘇省有6個城市空氣質量達輕度污染，13個設區市首要污染物均為顆粒物(PM10)。18日，沙塵污染過程基本結束，僅徐州市受浮塵影響，首要污染物為顆粒物(PM10)。

(2)這次沙塵過程對江蘇省的影響可以分為兩個階段：第一階段，在蒙古氣旋后部西北風的影響下，蘇北城市從16日凌晨開始ρ(PM10)相繼升高達嚴重污染級別，沿江個別城市16日傍晚開始相繼達中度污染級別；第二階段，蒙古氣旋中心向東北方向移動，蒙古氣旋后面冷高壓帶來的偏北風影響江蘇，導致17日沙塵氣團位置明顯南移，沿江城市ρ(PM10)從17日凌晨開始上升，陸續達中度污染級別，而同時蘇北城市ρ(PM10)則開始下降。在冷高壓偏北風持續影響下，全省沙塵過程在17日夜間基本結束。18日除少數城市受浮塵影響外，未出現沙塵過程回流影響江蘇的情況。

(3)江蘇省春秋季易受大面積裸露農田在大風天氣引起揚塵等的影響，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值一般維持在0.60～0.85之間。沙塵影響的顯著特征是，ρ(PM10)濃度迅速顯著升高，同時ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值快速下降。本次沙塵影響江蘇前，江蘇13市ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值維持在0.60～0.75之間，當沙塵氣團前鋒到達江蘇省時，冷空氣攜帶北方污染氣團向下游傳輸，造成江蘇省ρ(PM10)快速上升，同時ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速降至0.15～0.23之間。