江苏省一次典型沙尘污染过程分析

梁 进 楚翠姣 杨 雪 秦 玮 曹 军 江 飞 蒋益荃

(1. 江苏省环境监测中心，南京 210019;2.南京大学国际地球系统科学研究所，南京 210023;3. 南京大学大气科学学院，南京 210023)

0 引言

沙尘天气可分为浮尘、扬沙、沙尘暴及强沙尘暴等四类。浮尘为细沙漂浮在空中能见度小于10 km的现象；扬沙是地面尘沙被风吹起使能见度在1 km至10 km的现象；沙尘暴是由强风将地面大量尘沙吹起能见度在1 km以内的现象；强沙尘暴是大风将尘沙吹起能见度小于500 m的现象。对城市受沙尘影响开始时间以及沙尘影响日的判定，一般按照生态环境部及中国环境监测总站相关文件要求，需满足以下任一条件：(1)PM10小时浓度大于等于前6小时PM10平均浓度的2倍,同时高于150 μg/m3；(2) ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值小于等于两者前6小时比值平均值的0.5倍，同时PM10小时浓度需高于150 μg/m3。城市受沙尘影响日判定依据为任一时段受沙尘影响，同时当日PM10的AQI分指数大于等于PM2.5的AQI分指数[1]。

每年春秋两季，中国北方地区经常出现强风天气，导致沙源地(蒙古国及周边区域)出现起沙的现象。沙尘颗粒被大风卷起后，可以较长时间地漂浮在大气中，同时大片裸露农田也会排放多种颗粒物，而当蒙古气旋携冷空气南下时，这些颗粒物就会向下游南方地区输送[2-3]。粗颗粒物在传输过程中受重力影响逐渐沉降，细颗粒却能伴随大风传输到更远的地区，影响当地的空气质量[4-5]。2021年春季，影响我国沙尘次数较往年增多，达沙尘暴及以上级别过程次数是2013年以来同期最多的，2021年沙尘频发原因是前期蒙古国周边地区气温偏高，积雪融化致使北方沙土暴露，提供了充足的沙源；蒙古气旋活跃，大风天气增多，提供了动力条件[6]。江苏省地理位置位于江淮地区，受北方沙尘影响时，虽然不会出现沙尘暴等能见度极低的情况，但对于设区市空气质量的影响仍需重视，沙尘可以造成ρ(PM10)迅速升高，同时ρ(PM2.5)也有一定程度的升高，影响空气质量优良率[7-9]。

本文首先结合天气形势和气象条件分析2021年4月16日至4月18日这一次影响江苏省的典型沙尘污染过程，再自北向南选取徐州市、泰州市和苏州市三个代表城市作为研究对象进行分析。

1 数据资料和分析方法

空气质量数据来自国家生态环境部官网的全国空气质量实时数据(https://www.mee.gov.cn/)。颗粒物PM2.5、PM10的日和小时数据均为国控站点实际监测数据资料。气象数据来自国家气象信息中心，采用的是中国高空气象站定时观测资料，中国地面气象站逐小时观测资料。

观测激光雷达位于徐州市云龙区彭祖大道环境监测中心楼顶，型号为AGHJ-I-LIDAR，垂直探测距离大约在1.5～3 km[10]。葵花8号卫星云图由北京市环境监测中心制作。采用美国NOAA的Hysplit模式进行后向轨迹研究，分析沙尘来源。

2 影响江苏省的典型沙尘过程分析

2.1 天气形势和气象条件分析

蒙古气旋一年四季皆可生成，北方冷空气在春秋季活动频繁，常伴随蒙古气旋南下，这是江苏省受沙尘污染过程影响的主要原因。蒙古气旋之后往往伴随着一个冷高压系统，冷高压系统前部会给江苏省带来东北气流，一般有利于前期聚集在江淮地区的沙尘消散；冷高压后部的偏西气流也有可能造成后期浮尘回流江苏的过程[11-12]。2021年4月16日至4月18日影响江苏省的沙尘污染过程是一次典型的受较强蒙古气旋南下影响,随后冷高压前部偏北风或东北风使沙尘消散的过程。

4月14日上午8时，蒙古国西北部高空出现一个浅槽并开始增强(如图1a)，中午12时起蒙古气旋迅速增强，中心气压降至1 006 hPa以下，受蒙古气旋带来的大风影响，蒙古国中南部开始起沙，15时开始，在地面大风作用下，中国内蒙古中西部地区也开始起沙，20时，蒙古气旋中心气压降至1 000 hPa以下，强度进一步加强，其后部大风风速高达12～16 m/s(如图2a)。22时，甘肃省金昌市ρ(PM10)迅速上升到640 μg/m3。14日，整个江淮地区主要受弱高压控制，近地面为偏东风，空气质量级别较好为优良。

15日8时，高空槽加深并东移至蒙古国东部至我国内蒙古中部上空，20时，高空槽进一步东移至内蒙古至华北地区上空(如图1b)，在地面天气图上，蒙古气旋进一步加强，中心气压降至994 hPa以下，中心位置也向东移动至内蒙古东部(如图2b)。蒙古气旋后部的偏北大风区也向东移动，至内蒙古中东部、河北和山西地区，受其影响，内蒙古、甘肃、宁夏、山西、陕西、京津冀、河南、山东、辽宁、吉林及黑龙江等地区先后受到沙尘影响。15日受沙尘影响较大的省份有内蒙古、山西和河北，内蒙古ρ(PM10)小时浓度最高值出现在乌海市，最高达2 699 μg/m3；山西省在吕梁市，最高达1 907 μg/m3；河北省在保定市，最高达1 775 μg/m3。江淮地区15日受海上大气高压系统后部影响，近地面为东南风，江苏省空气质量以良为主，首要污染物是臭氧，仍未受到沙尘过程的影响。

16日，高空低压中心移向中国东北地区，高空槽线呈现为东北-西南向(如图1c)，地面蒙古气旋中心位置也向东北地区移动，蒙古气旋后部的西北风携沙尘颗粒物影响我国黄淮地区，河北、河南、山东、山西、江苏和安徽等省份当日受沙尘影响较大，如葵花8号卫星云图所示(图3)。16日凌晨，苏皖鲁豫交界处近地面开始转为西北风，江苏西北部城市开始受到沙尘影响。徐州市16日03时开始ρ(PM10)迅速上升，在3小时内PM10浓度由108 μg/m3上升到401 μg/m3，空气质量达重度污染；同时，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)小时浓度比值从0.62迅速下降到0.17。伴随西北风进一步影响，16日上午，苏北城市PM10浓度相继升高，到中午12时，徐州、连云港、淮安、宿迁4市PM10小时浓度分别达510、510、541、481 μg/m3，空气质量均达到严重污染级别；盐城市PM10浓度自上午9时开始升高，到下午15时ρ(PM10)也达严重污染级别。16日傍晚开始，江苏省沿江城市也陆续受到沙尘过程影响，扬州、泰州、常州3市ρ(PM10)开始上升，小时浓度最高均超过150 μg/m3，空气质量达轻度污染级别(如图2c、2d)。

图1 2021年4月14日-17日高空500hPa天气图(a)4月14日08时；(b)4月15日20时；(c)4月16日20时；(d)4月17日08时

图2 2021年4月14日-17日地面ρ(PM10)(单位：μg/m3)与地面气象场空间分布图(单位：hPa)(a)4月14日20时；(b)4月15日20时；(c)4月16日08时；(d)4月16日20时；(e)4月17日08时；(f)4月17日20时

图3 2021年4月16日10时北方地区云物理遥感图(葵花8号卫星云图)

17日，高空槽移到江苏以东洋面上空，且转为竖槽(如图1d)，地面天气图上随着蒙古气旋低压系统进一步向东北风向移动，其后部冷高压底部的偏北风开始影响江淮地区。苏北城市ρ(PM10)开始下降，除徐州市以外，连云港、淮安、盐城、宿迁4市ρ(PM10)自17日上午起明显下降，空气质量逐步回到良的级别。与此同时，沙尘污染气团自北向南移动，全面影响江苏沿江城市。扬州、泰州ρ(PM10)进一步升高，小时浓度最高超过了310 μg/m3，达中度污染级别，沿江其他城市如南京、无锡、苏州、南通、镇江等ρ(PM10)也从17日凌晨开始上升，最高时都超过了250 μg/m3，空气质量达中度污染级别。

17日下午起，在江淮地区地面高压系统带来的偏北风或东北风的持续影响下，影响江苏地区的沙尘过程开始消散，徐州、常州、南通、扬州、镇江、泰州6市ρ(PM10)自14时起下降，空气质量回到良的级别，南京、无锡、苏州3市 ρ(PM10)自18时起下降，达良的级别，沙尘污染过程基本结束(如图2e、2f)。

18日，江苏省近地面受高压控制，风力较小，风向散乱，未出现沙尘回流江苏的情况。除徐州受浮尘影响，当日首要污染物为颗粒物(PM10)以外，其余城市首要污染物均变为气态污染物臭氧。

2.2 典型城市污染特征分析

2.2.1 徐州市

徐州市位于江苏省西北部，往往最先受到沙尘污染过程的影响。4月16日至17日，受沙尘传输影响，徐州市颗粒物浓度明显偏高，具体情况如下：4月16日03时起(图4)，徐州ρ(PM10)开始迅速升高，04时，徐州市空气质量达中度污染级别，首要污染物变为PM10，PM10小时浓度值最高达310 μg/m3，超过前6个小时颗粒物(PM10)平均浓度的2倍，符合沙尘影响开始的判定条件，沙尘过程开始影响徐州。17日14时，徐州市空气质量转为良，ρ(PM10)小时浓度为122 μg/m3，首次降至与沙尘天气前6个小时PM10平均浓度相对偏差小于10%，符合沙尘结束判定条件，本次沙尘对徐州的影响结束。

图4 4月16日—17日徐州市沙尘过程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

从徐州市颗粒物激光雷达监测数据图(图5)可以看出，4月15日夜间至16日凌晨期间，徐州市1.0-2.0 km高空出现低消光、高退偏值现象，表征粗颗粒物传输。之后，高空粗颗粒物不断向近地面扩散，与近地面污染物混合。

利用Hysplit模式作后向轨迹分析(图6)，4月16日11时徐州市48h后向轨迹结果显示徐州市上空气团来源于西北方向，运动轨迹如下：4月15日8时污染气团从2.0-3.0 km及以上高空下沉，15日20时左右沉降至1.0-2.0 km高空后，继续沉降至近地面，与近地面污染物混合，颗粒物浓度出现高值，与雷达监测结果基本一致。

图5 4月15日至17日徐州市激光雷达监测结果

图6 徐州市4月16日11时200 m，500 m和1 000 m高度上的48小时后向轨迹图

2.2.2 泰州市

自4月16日18时起，受沙尘侵入影响，泰州市ρ(PM10)小时浓度持续升高(如图7)。17日凌晨，地面转为偏北风，沙尘气团明显南移；7时，泰州市ρ(PM10)最高达到318 μg/m3，空气质量达到中度污染级别，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速下降，最低降至0.21，首要污染物为PM10，之后颗粒物浓度迅速下降；14时，ρ(PM10)降至94 μg/m3，沙尘影响结束，沙尘影响期间首要污染物全部为颗粒物(PM10)。4月16-17日，IAQI(PM10)分指数大于IAQI(PM2.5)分指数，符合沙尘影响日的判定条件。按照沙尘起始时间和结束时间的规定进行判定，4月16日18时起，泰州地区受沙尘影响，17日14时影响结束。泰州市空气污染存在ρ(PM10)显著升高的情况，同时ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速下降，期间比值最低降至0.21。

2.2.3 苏州市

4月17日苏州市近地面转为偏北风，受沙尘气团南移影响，5时苏州市ρ(PM10)小时浓度开始上升，8时ρ(PM10)为168 μg/m3，空气质量达到轻度污染级别，11时-14时ρ(PM10)小时浓度达到中度污染级别，12时ρ(PM10)达到峰值285 μg/m3(如图8)。4月17日10时，苏州市ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值开始小于0.45，10时-23时ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值均低于0.45，16时ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值最低，为0.16。4月17日10时颗粒物(PM10)成为小时首要污染物，且10-17时达到轻度-中度污染级别。4月17日10时颗粒物(PM10)成为小时首要污染物，并持续至17日23时。4月17日PM10AQI和PM2.5AQI分指数分别为107和85，满足“当城市任一时段受沙尘天气影响且当日PM10AQI分指数大于等于PM2.5AQI分指数时，该自然日可判定为沙尘影响日”这一条件，17日为苏州沙尘影响日。

图7 4月15日至18日泰州市沙尘过程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

图8 4月17日苏州市沙尘过程ρ(PM2.5)、ρ(PM10)及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

3 结论

(1)2021年4月16日至18日，江苏省受到一次北方沙尘污染输送影响，在此过程中，多个城市空气质量明显下降，首要污染物为颗粒物(PM10)。其中，16日，受沙尘过程影响，苏北城市中的徐州市空气质量达重度污染级别，连云港、淮安、盐城、宿迁4市空气质量达中度污染级别，沿江城市中常州和镇江空气质量达轻度污染级别，11个设区市当日首要污染物为颗粒物(PM10)。17日，江苏省有6个城市空气质量达轻度污染，13个设区市首要污染物均为颗粒物(PM10)。18日，沙尘污染过程基本结束，仅徐州市受浮尘影响，首要污染物为颗粒物(PM10)。

(2)这次沙尘过程对江苏省的影响可以分为两个阶段：第一阶段，在蒙古气旋后部西北风的影响下，苏北城市从16日凌晨开始ρ(PM10)相继升高达严重污染级别，沿江个别城市16日傍晚开始相继达中度污染级别；第二阶段，蒙古气旋中心向东北方向移动，蒙古气旋后面冷高压带来的偏北风影响江苏，导致17日沙尘气团位置明显南移，沿江城市ρ(PM10)从17日凌晨开始上升，陆续达中度污染级别，而同时苏北城市ρ(PM10)则开始下降。在冷高压偏北风持续影响下，全省沙尘过程在17日夜间基本结束。18日除少数城市受浮尘影响外，未出现沙尘过程回流影响江苏的情况。

(3)江苏省春秋季易受大面积裸露农田在大风天气引起扬尘等的影响，ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值一般维持在0.60～0.85之间。沙尘影响的显著特征是，ρ(PM10)浓度迅速显著升高，同时ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值快速下降。本次沙尘影响江苏前，江苏13市ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值维持在0.60～0.75之间，当沙尘气团前锋到达江苏省时，冷空气携带北方污染气团向下游传输，造成江苏省ρ(PM10)快速上升，同时ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)比值迅速降至0.15～0.23之间。