春季粉塵天氣對城市空氣質量的影響

沙子是指從地面上排出大量沙子，使空氣渾濁，水平能見度顯著下降的自然現象。它可分為三種類型：浮塵、揚沙和沙沙。沙沙時機不僅對環境質量有嚴重影響，而且人類健康。此外，沙氣溶膠也是影響氣候預測和氣候變化的重要因素。人們越來越意識到，沙氣天氣是一個不容忽視的重要環境問題。在中國北方，尤其是春季，由于輕度氣候因素（如氣候濕氣少和地表風速），沙氣天氣頻繁發生，沙氣溶膠占總氣候中的很大一部分。ZAKEY等在區域氣候模式中建立了沙塵模塊,并對典型沙塵暴過程及其對大氣環境的影響進行了模擬驗證;ADAMS等的研究發現,沙塵暴過程會明顯影響大氣中硫酸鹽等粒子的濃度水平,進而對區域大氣和空氣污染有較明顯的反饋;BRUNEKREEF等觀測表明,沙塵天氣使大氣粒子濃度遠超過國際環境質量標準,其對人體健康的影響不容忽視.陳廣善等建立了一個能夠完整描述沙塵的揚起、輸送和沉降動態過程的模式系統,并利用實時氣象資料驅動該模式系統,模擬了春季亞洲大氣沙塵時空分布特征;高慶先等分析了近50年氣象臺站觀測資料,得到沙塵天氣對北京大氣環境有重要影響,特別是對重污染天氣過程的貢獻較大,并利用EP/TOMS衛星遙感資料分析了我國上空的沙塵天氣過程;方修琦等根據沙塵天氣前后大氣中污染物質量濃度和元素濃度的變化,得出沙塵天氣前后為屬于2種不同性質的污染過程;邱啟鴻提出了沙塵天氣影響空氣質量的短期預報方法,并利用該方法比較準確地預報了4次主要沙塵天氣過程;唐校風等按照沙塵來源、影響范圍將沙塵影響地區進行分區,并分析了不同區域內的起沙機制.根據我國重點城市空氣污染指數(AirPollutionIndex,API),中國氣象局統計的沙塵天氣發生時間、范圍及中國地區太陽分光觀測網觀測數據,筆者分析了2001—2006年沙塵天氣對我國城市環境質量及對大氣氣溶膠光學厚度(AOD)和波長指數(α)的影響.1關于氣溶膠特性的分析我國沙塵暴的主要源地分布在西北地區和蒙古國干旱半干旱地區.在長期偏西風作用下,華北、東北和華東部分地區受沙塵暴的影響較大,故筆者以蘭州、銀川、呼和浩特和包頭作為沙塵源區代表城市,以北京、天津、太原、石家莊、沈陽、濟南、西安和鄭州作為沙塵影響區代表城市,分別討論和分析沙塵天氣對這2類區域空氣質量的影響.利用沙塵天氣發生時間、影響范圍及API數據,計算上述12個城市2001—2006年沙塵天氣時的API;由于我國沙塵天氣絕大多數發生在春季,為更好地研究其對空氣質量的影響,還計算了每個城市在非沙塵天氣條件下的春季API平均值.結合地面站點觀測,分析了蘭州和北京2005—2007年春季在沙塵天氣和非沙塵天氣條件下氣溶膠光學厚度(AOD)和波長指數(α),進一步討論了沙塵天氣對我國大氣氣溶膠特性及大氣環境質量的影響.表1為根據《沙塵天氣年鑒》統計出的12個代表城市2001—2006年受沙塵天氣影響的次數.一次強沙塵暴過程在時間尺度上往往影響北方廣大地區1~2d甚至幾天時間,所以不同地區受沙塵天氣影響的次數可在一定程度上說明其受影響的程度.由表1可知,位于沙塵源區的代表城市每年受沙塵天氣影響的次數明顯多于沙塵影響區內的代表城市;在沙塵影響區內,濟南和鄭州比其他城市更遠離沙塵源,故每年受沙塵影響的次數更少,平均值分別為1.8和2.8次.2001—2006年沙塵天氣基本上呈先減少后略微增加的緩慢下降趨勢,2001年的沙塵天氣次數最多,其次是2006和2002年,而2003年的沙塵天氣次數最少.2分析與討論2.1非砂天氣證食和參比沙塵天氣使我國廣大地區特別是沙塵源區大氣中的沙塵粒子含量增加,空氣質量發生惡化.從圖1可知,春季沙塵天氣時的API明顯大于非沙塵天氣.蘭州、銀川、呼和浩特和包頭均臨近沙塵源地,各城市大氣環境質量極易受沙塵天氣影響.從2001—2006年的春季API平均值來看,受沙塵天氣影響,蘭州API從非沙塵天氣的124(輕微污染)上升到204(中度污染),增加了約64%;銀川API從非沙塵天氣的81(空氣質量為良)升高到124(輕微污染),增加了53%;呼和浩特API從非沙塵天氣的74(空氣質量為良)升高到138(輕微污染),增加了86%;包頭的API從非沙塵天氣的109(輕微污染)上升到207(中度污染),增加了90%.總體來說,春季沙塵天氣對沙塵源區代表城市的空氣質量影響已經超過了區域本底污染指數的50%.從圖1,表2中還可知,2001—2006年4個城市的API總體呈下降趨勢,在一定程度上說明了我國西部城市大氣環境質量及周邊生態環境的改善.春季沙塵天氣的發生對全年平均API也有一定的影響,為詳細了解春季沙塵天氣對API年均值的影響程度,將春季沙塵天氣時API平均值與API年均值比較(見表2).蘭州2001—2006年API平均值為129.1,而其春季沙塵天氣API平均值為204,即API年均值僅相當于春季沙塵天氣時的63%.同理,銀川、呼和浩特和包頭的API年均值分別相當于各城市春季沙塵天氣API平均值的66%,61%和57%.2.2氣調與氣調指標比較源自我國西北地區及蒙古國的較強沙塵天氣,特別是強沙塵暴會對距離沙塵源區較遠地區的大氣環境產生一定的影響,如我國華北和東北部分地區.圖2為8個沙塵影響區代表城市的API在春季沙塵天氣與非沙塵天氣的對比(鄭州2003年沒有沙塵暴發生).從圖2可知,沙塵天氣時API比非沙塵天氣時有一定程度的增加.北京、天津、太原、石家莊、沈陽、濟南、西安和鄭州2001—2006年春季沙塵天氣API平均值分別為203,148,158,158,128,143,119和126,均處于輕度污染級別以上,較之春季非沙塵天氣的110,91,106,100,100,102,94和87,分別增加了85%,62%,49%,57%,29%,41%,27%和45%.沙塵天氣使北京、天津和石家莊的API增加超過50%,其他6個城市均低于50%,表明沙塵天氣對沙塵影響區代表城市大氣環境質量雖有較大影響,但影響程度小于對沙塵源區代表城市的影響.為了分析春季沙塵天氣對API年均值的影響,將春季沙塵天氣API平均值與API年均值比較(見表3).由表3可知,北京、天津、太原、石家莊、沈陽、濟南、西安和鄭州2001—2006年的API年均值分別為105.7,93.0,111.5,109.2,98.0,94.0,98.3和83.8,均遠低于這6年春季沙塵天氣API平均值.相對于API年均值來說,春季沙塵天氣使得上述8個城市的API年均值分別提高了約92%,59%,41%,45%,31%,52%,21%和50%,可以明顯看出,春季沙塵天氣對北京空氣質量的影響極其顯著,影響程度遠遠高于其他城市.2.3太陽分光光度計沙塵天氣的發生往往伴隨著大氣中沙塵粒子含量的增加,使氣溶膠濃度升高,提高了氣溶膠光學厚度;另一方面,相對于人為氣溶膠粒子,沙塵氣溶膠粒子粒徑較大,因此在沙塵天氣條件下,增多的沙塵粒子會提高氣溶膠的平均粒徑,進而降低氣溶膠的波長指數.筆者以中國地區太陽分光觀測網(TheChineseSunHazemeterNetwork,CSHNET)中的蘭州和北京2個城市站作為代表站點,基于2005—2007年觀測數據,分析了春季沙塵天氣對AOD與α的影響.CSHNET由中國科學院大氣物理研究所與美國馬里蘭大學于2004年7月聯合發起并建立,統一采用美國林業局生產的新一代便攜式LED太陽分光光度計,中心波段分別為405,500,650和880nm.筆者所用的是500nm的AOD和α數據.LED太陽分光光度計操作簡單、性能可靠,曾在“有益于環境的全球性研究和觀測計劃”(GlobalLearningandObservationstoBenefittheEnvironment,GLOBE)中應用,并得到廣泛認可.太陽分光光度計每天觀測時間為10:00—14:00,每天每站觀測約20組數據,當天空總云量超過80%時不進行觀測.由表4可知,蘭州2005—2007年春季沙塵天氣時AOD和α平均值分別為0.66和0.74,非沙塵天氣時為0.56和0.92;沙塵天氣條件下,AOD增加了約18%,α減少了約20%.北京2005—2007年春季沙塵天氣時平均AOD和α值分別為0.85和1.07,非沙塵天氣時則為0.48和1.44,AOD在沙塵天氣條件下增加了77%,α減少了26%.可以看出,沙塵天氣對北京氣溶膠光學厚度的影響大于蘭州,這是因為:①春季蘭州大氣即使在非沙塵天氣下也含有較多的沙塵粒子,從而弱化了沙塵天氣對其AOD的影響,而受太陽分光光度計觀測條件所限,也在一定程度上降低了該市的數據;②北京特殊的地理環境決定了其在發生沙塵天氣時往往伴隨著污染物的匯聚累積.由此可知,沙塵天氣增加了城市大氣氣溶膠濃度,使氣溶膠成分發生變化,在此基礎上影響了城市大氣的氣溶膠光學厚度和波長指數,從而對大氣環境產生重要影響.3非沙門事件在春季和春季發生情況比較a.無論是位于沙塵源區還是影響區,沙塵天氣對各代表城市的大氣環境質量均有較大影響.沙塵天氣的發生往往伴隨著各代表城市API的上升;其中對沙塵源區內代表城市大氣環境質量影響程度超過了區域本底污染指數的50%,使蘭州、銀川、呼和浩特和包頭的春季非沙塵天氣API平均值分別增加了64%,53%,86%和90%;使沙塵影響區內北京、天津、太原、石家莊、沈陽、濟南、西安