西安春季沙尘对环境空气质量的影响及来源

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00180

摘要/Abstract

摘要：

西安是中国北方沙尘过境的重要影响区域，为研究西安春季沙尘期间大气颗粒物浓度在不同时间尺度上的变化特征及潜在源区，对2023年3—5月西安市环境空气质量连续监测数据进行综合分析，并利用HYSPLIT后向轨迹模式对一次典型沙尘过程进行聚类分析、潜在源贡献因子分析（PSCF）和浓度权重轨迹分析（CWT）。结果表明：（1）2023年春季西安市共发生9次沙尘过程，一次扬沙，其余均为浮尘；沙尘分布集中在3—4月，呈现出西多东少、周边多城中少的空间格局。（2）大气颗粒物浓度在不同时间尺度上呈现出显著响应特征。春季沙尘期PM₁₀、PM_2.5浓度远高于非沙尘期，且PM₁₀显著高于PM_2.5；PM_2.5与PM₁₀浓度月变化整体呈现先增后减的波动性变化特征，PM_2.5/PM₁₀值3月>5月>4月，PM_2.5与PM₁₀相关性3月<5月<4月。（3）4月20—21日一次扬沙过程中，PM₁₀、PM_2.5浓度均呈现单峰型变化；PM_2.5/PM₁₀比值呈现“U”型变化；NO₂、SO₂和CO浓度均呈现下降趋势，而O₃浓度呈先下降后上升再下降的趋势。（4）4月20—21日沙尘过程由蒙古高压和地面冷锋过境形成，输沙路径有西北路径、偏北路径以及偏东路径，沙尘源地为中国腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地、蒙古国南部的戈壁沙漠以及河南北部的沙地。

关键词: 沙尘, 环境空气质量, 来源, 春季, 西安

Abstract:

As an important hub city of the "Silk Road Economic Belt"， Xi'an is located in the Guanzhong Basin， bordering the Loess Plateau to the north， Qinling Mountains to the south， and a large number of gobi desert distributed in the northwest， which is an important influence area of sand and dust transit in northern China. In order to study the variation characteristics and potential source areas of atmospheric particulate matter concentration on different time scales during Spring dust in Xi'an， this paper comprehensively analyzes the continuous monitoring data of ambient air quality in Xi'an from March to May 2023. The cluster analysis， potential source factor analysis （PSCF） and concentration weight trajectory analysis （CWT） of a typical dust process were carried out by using HYSPLIT backward trajectory model. The results show that：（1） In the Spring of 2023， there were 9 dust processes in Xi 'an， one of which was blowing sand and the rest was floating dust； The dust distribution was concentrated in March and April， showing a spatial pattern of more in the west and less in the east， more in the surrounding area and less in the city. （2） The concentration of atmospheric particulate matter presented significant response characteristics on different time scales. Specifically， the concentrations of PM₁₀ and PM_2.5 in the dust period were much higher than those in the non-dust period， and PM₁₀ was significantly higher than PM_2.5. The monthly variation of PM_2.5 and PM₁₀concentration showed a fluctuating change characteristic of first increasing and then decreasing. The ratio of PM_2.5/PM₁₀ showed the characteristics of March > May > April， while the correlation between PM_2.5and PM₁₀ showed the characteristics of March < May < April. （3） In the process of sand lifting from April 20 to 21， the concentration of PM₁₀ and PM_2.5 showed a "single-peak" type change， the PM_2.5/PM₁₀ ratio showed an inverted" U" pattern change. The concentrations of NO₂， SO₂ and CO all showed a decreasing trend， while the concentration of O₃ showed a decreasing trend first， then increasing and then decreasing. （4） From April 20 to 21， the dust process was formed by the transit of Mongolian High Pressure and surface cold front， and the sand transport path was northwest path， north path and east path. The dust sources were Tengger Desert， Badain Jaran Desert， Kubuchi Desert， Mu Us Desert， Gobi Desert in southern Mongolia and sandy land in northern Henan Province.

Key words: dust storm, ambient air quality, source, Spring, Xi'an

中图分类号:

P425.6

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图/表 13

表 1 2023年春季西安市沙尘天气过程识别结果

Table 1 Identification results of dust weather process in Xi'an in Spring of 2023

沙尘时次	开始时间	结束时间	影响时长/h	PM₁₀峰值/（μg·m^-3）	沙尘级别
3月11日	3月11日10:00	3月11日18:00	8	563	浮尘
3月12—14日	3月12日05:00	3月14日14:00	57	247	浮尘
3月14—15日	3月14日23:00	3月15日03:00	4	260	浮尘
3月22日	3月22日01:00	3月22日23:00	2	263	浮尘
3月23—25日	3月23日17:00	3月25日14:00	45	372	浮尘
4月5—9日	4月5日17:00	4月9日14:00	93	449	浮尘
4月10—14日	4月10日22:00	4月14日05:00	79	709	浮尘
4月20—21日	4月20日02:00	4月21日06:00	28	1 769	扬沙
4月28—29日	4月28日12:00	4月29日19:00	31	879	浮尘

图1 2023年春季西安市各监测站点沙尘日数注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2763号）制作，底图边界无修改

Fig.1 The number of days with sand and dust occurrence at each station in Xi'an in Spring of 2023

图2 2023年西安春季AQI污染等级

Fig.2 The pollution level of AQI in Xi'an in Spring of 2023

表2 2023年西安市春季沙尘期与非沙尘期PM10 浓度值的对比

Table 2 Comparison of PM10 concentration between dust and non-dust storm periods in Xi'an in Spring of 2023

指标		监测站点												日均值
指标		高压开关厂	兴庆小区	纺织城	小寨	市体育场	高新西区	经开区	长安区	临潼区	草滩	曲江集团	广运潭	日均值
PM₁₀浓度 /（μg·m^-3）	沙尘期	255	233	241	223	249	231	243	253	230	224	252	241	240
PM₁₀浓度 /（μg·m^-3）	非沙尘期	87	69	80	75	75	74	76	81	73	80	79	74	77
沙尘期高于非沙尘期/%		193	237	202	196	231	212	218	212	218	181	217	225	211

表3 2023年西安市春季沙尘期与非沙尘期PM2.5 浓度值的对比

Table 3 Comparison of PM2.5 concentration between dust and non-dust storm periods in Xi'an in Spring of 2023

指标		监测站点												日均值
指标		高压开关厂	兴庆小区	纺织城	小寨	市体育场	高新西区	经开区	长安区	临潼区	草滩	曲江集团	广运潭	日均值
PM_2.5浓度 /（μg·m^-3）	沙尘期	68	66	63	69	68	68	73	64	75	51	65	65	66
PM_2.5浓度 /（μg·m^-3）	非沙尘期	40	32	35	33	37	38	37	35	34	31	34	35	35
沙尘期高于非沙尘期/%		72	105	79	110	85	79	95	85	119	63	91	87	89

图3 2023年春季西安市各站点PM2.5、PM10浓度5日均值变化

Fig.3 Variation of 5 d average PM2.5 andPM10 concentration at each station in Xi'an in Spring of 2023

图4 2023年春季不同时期小寨、长安区、临潼区PM2.5/PM10比值

Fig.4 PM2.5/PM10 ratio of Xiaozhai， Chang'an and Lintong in different periods in Spring of 2023

图5 2023年春季西安市平均风速、相对湿度变化

Fig.5 Changes of average wind speed and relative humidity in Xi'an in Spring of 2023

图6 2023年春季小寨和长安区不同月份PM10与PM2.5的相关性

Fig.6 Correlation of PM10 and PM2.5 in Xiaozhai and Chang'an District in different months of Spring of 2023

图7 2023年4月19—21日沙尘过程西安市PM10和PM2.5小时浓度变化（A）和相关性（B）

Fig.7 Hourly changes （A） and correlation （B） of PM10 and PM2.5 concentrations in Xi'an during the dust process on April 20-21， 2023

图8 2023年4月19—21日沙尘过程西安市气态污染物小时浓度变化

Fig.8 Change of hourly concentration of gaseous pollutants in Xi'an during the dust process on April 19-21， 2023

图9 2023年4月20—21日西安PM10颗粒物24 h后向轨迹注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2019）1822）制作，底图边界无修改

Fig.9 24-hour backward trajectory of PM10 particles in Xi'an on April 20-21， 2023

图10 2023年4月20—21日西安PM10颗粒物PSCF、CWT分析注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2019）1822）制作，底图边界无修改

Fig.10 PSCF and CWT analysis of PM10 particles in Xi'an on April 20-21， 2023

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