沙尘天气对西安市环境空气质量的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00070

沙尘天气对西安市环境空气质量的影响

胡元洁^,, 蒋楠^,

西安市智慧环保综合指挥中心，陕西西安 710021

Influence of dust storm on atmospheric environment quality in Xi’an， China

Hu Yuanjie^,, Jiang Nan^,

Xi’an Intelligent Environmental Protection Integrated Command Center，Xi’an 710021，China

通讯作者: 蒋楠(E-mail: 1481465187@qq.com)

收稿日期: 2020-04-28 修回日期: 2020-06-22 网络出版日期: 2020-12-09

Received: 2020-04-28 Revised: 2020-06-22 Online: 2020-12-09

作者简介 About authors

胡元洁（1991—），女，陕西西安人，博士，工程师，主要从事城市空气污染研究E-mail：huyuanzhenjie@163.com , E-mail：huyuanzhenjie@163.com

摘要

利用2013—2018年陕西省环境空气质量自动站监测数据，分析沙尘天气对西安市环境空气质量的影响。结果表明：（1）大气颗粒物是影响西安市空气质量的首要污染物。（2）西安市沙尘天污染主要在春季和冬季，期间可吸入颗粒物（PM₁₀）的污染强度明显增加。（3）2013—2018年，西安市冬季PM_2.5/PM₁₀比值（0.48~0.66）最高，春季最低（0.43~0.49）且细颗粒物（PM_2.5）和PM₁₀浓度相关性最弱；西安市空气质量在春季受沙尘污染影响大于冬季。（4）不同沙尘源的远距离传输对西安市空气质量的影响程度不同，提前采取防沙抑尘措施能有效削减沙尘过境时本地颗粒物源的叠加污染。（5）尽管沙尘天气导致了颗粒物浓度升高，但与之伴随的大风气象条件，有利于城市区域累积污染物的扩散清除，从而降低SO₂和NO₂等气态污染物浓度。在采暖期，沙尘天气除了降低气态污染物浓度之外，还有利于扩散稀释雾霾污染累积的高浓度PM_2.5。

关键词： 空气质量 ; 沙尘天气 ; 大气污染物 ; 西安市

Abstract

The influence of dust storm on atmospheric environment quality in Xi’an was analyzed based on the air quality data collected during 2013-2018. The main conclusions include：（1） The particulate materials were the dominant pollutant in Xi’an. （2） The dust storm happened frequently in spring and winter， during which the pollution intensity of PM₁₀ increased significantly. （3）The average PM_2.5/PM₁₀ ratio was the highest in winter （range of 0.48-0.66） and the lowest in spring （range of 0.43-0.49）. The correlation between PM_2.5 and PM₁₀ was the worst in spring. The air quality of Xi’an was more affected by dust pollution in spring than in winter. （4） We analyzed typical dust pollution episode during 2017-2018 and found that the long-distance transmission of different dust sources affected the air quality of Xi’an in variable degrees， suggesting that taking measure in advance to suppress dust can effectively reduce the superposition pollution of local particulate matter sources during the dust storm. （5） Although the dust storm carried high concentration particulate matter， the accompanying windy weather was effective to diffuse and reduce the accumulated pollutants such as SO₂ and NO₂. In heating season， the dust storm could reduce not only the concentration of gaseous pollutants but also the accumulated PM_2.5 during haze pollution.

Keywords： air quality ; dust storm ; air pollutants ; Xi’an

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本文引用格式

胡元洁, 蒋楠. 沙尘天气对西安市环境空气质量的影响. 中国沙漠[J], 2020, 40(6): 53-60 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00070

Hu Yuanjie, Jiang Nan. Influence of dust storm on atmospheric environment quality in Xi’an， China. Journal of Desert Research[J], 2020, 40(6): 53-60 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00070

0 引言

沙尘是一类特殊的大气颗粒物，对生态环境和人体健康会造成不利影响。沙尘天气发生时，大气中不同粒径的颗粒物浓度会显著增加，其中总悬浮颗粒物TSP（Total Suspended Particle）和可吸入颗粒物（PM₁₀）的浓度增幅最大^［1-4］。TSP浓度骤升，会导致大气能见度降低，从而危害行车安全和其他人类活动^［5］；高浓度PM₁₀进入人体呼吸系统后会引发各种呼吸道疾病^［6-7］。因此，沙尘污染持续受到社会的广泛关注。近年来，关于沙尘污染对环境空气质量的影响，国内外学者已经开展了大量工作。例如，Chan等^［8］通过一次沙尘暴过程对澳大利亚空气质量影响的个例分析发现，沙尘暴导致澳大利亚布里斯班和麦基的PM₁₀浓度骤升而且PM₁₀/TSP比值显著升高；Karagulian等^［9］结合模型模拟、气象卫星和站点观测等计算沙尘前、沙尘期间以及沙尘后的空气质量指数（Air Quality Index，AQI），结果表明沙尘引起的PM₁₀污染导致AQI升高，进而影响当地环境空气质量的评估；张芝娟等^［10］发现2018年春季中国北方城市空气质量受沙尘影响时，PM_2.5和PM₁₀平均浓度均高出国家一级标准3~4倍；邱海杰等^［11］分析沙尘天气对湖北省随州市空气质量的影响，发现沙尘天气出现时，PM₁₀小时浓度急剧上升随后缓慢下降，而PM_2.5、O₃、NO₂、SO₂、CO的小时浓度变化幅度不大，受沙尘天气影响较小。

中国西北地区生态脆弱，降水少，地表裸露，戈壁化和沙漠化严重^［12-15］。在强风天气里容易因风起尘，特别是在较为干燥的冬、春两季更为突出，造成中国大面积的沙尘天气^{［14，16-18］}。中国境内沙尘暴源区主要有内蒙古东部的苏尼特盆地或浑善达克沙地中西部、阿拉善盟中蒙边境地区，新疆南疆的塔克拉玛干沙漠和北疆的古尔班通古特沙漠^［3，19］。陕西省北邻内蒙古，同时又处于河西走廊的下风向，每年当上述沙尘暴源区出现较强沙尘天气时，陕西各个城市大气中颗粒物的浓度会出现不同程度的升高，环境空气质量急剧下降^［3，20］。薛四社等^［3］研究表明，春季陕西省城市颗粒物高污染状况主要与沙尘天气有关，沙尘过境时陕南、陕北和关中城市可吸入颗粒物会出现异常变化。

以西安市为代表的关中城市群（西安、宝鸡、咸阳、铜川和渭南五市）地处黄土台塬和秦岭山脉之间的渭河冲积平原，也是西北沙尘的主要过境和影响区域，冬春季盛行的偏北风极易将北方沙漠区和黄土区地表的颗粒物输送至西安市上空形成沙尘天气^［21］。目前关于西安市空气质量受沙尘污染影响的研究并不多见，Shen等^［22］和Li等^［23］分析了西安市在沙尘污染期间大气颗粒物中的粒子组成和有机质组成；宁海文等^［21］和王建鹏等^［24］的研究表明，沙尘天气导致西安市空气污染日出现年度第二个多发期，强沙尘暴会使西安市PM₁₀浓度短时间骤升造成颗粒物严重污染。本文采用系统详实的大气污染物浓度逐时逐日数据，时间跨度从2013年中国执行新的空气质量标准^［25］开始至2018年，比较全面地分析了西安市大气污染物的时空特征，在此基础上根据环境保护部的沙尘天影响起止时间判定方法^［26］，探讨关中区域沙尘天气对西安市空气质量的影响，为西安市大气污染防控提供了科学依据。

1 数据与方法

1.1　数据

2013—2018年的逐日环境污染指标数据以及2017年和2018年的颗粒物逐时浓度数据来源于陕西省空气质量联网监测管理平台（http：//221.11.17. 250：9000/Home）。

1.2　方法

季节划分采用气象季节定义^［27］，即3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12、1、2月为冬季。沙尘起止时间判定方法参考《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》^［26］。以PM₁₀浓度和PM_2.5/PM₁₀比值来判断该地区是否受到沙尘污染影响^［27-28］，将PM₁₀日均浓度>150 μg·m^-3且PM_2.5/PM₁₀比值≤0.30认定为春季有沙尘日；考虑到冬季采暖受雾霾污染影响，将PM₁₀日均浓度>150 μg·m^-3且PM_2.5/PM₁₀比值≤0.40认定为冬季有沙尘日。

2 结果与分析

2.1　大气颗粒物污染概况

2013—2018年，颗粒物是西安市主要的大气污染物，PM_2.5和PM₁₀为首要污染物的发生频率之和均超过了60%，特别是2013年和2014年仅PM_2.5为首要污染物的发生频率就已经高于60%（图1）。王建鹏等^［24］统计分析了1981—2000年西安市大气污染物的浓度变化，发现TSP和PM₁₀是西安市的首要污染物，其次是SO₂；翟萌等^［29］的统计结果显示2000年6月至2008年12月西安市的主要空气污染物为PM₁₀，其次为SO₂和NO₂。由此可见，颗粒物是长久以来持续影响西安市空气质量的最主要污染物。2013—2018年西安市PM₁₀Ⅲ级及以上的污染天数主要集中在3—5月和12月，PM₁₀Ⅲ级及以上污染天数总和分别为64、47、30 d和32 d。3—5月和12月在季节上分别对应春季和冬季，受沙尘天气影响，PM₁₀的污染状况也因此尤为严重。2013—2018年春季和冬季PM₁₀的平均浓度分别为148 μg·m^-3（浓度范围110~216 μg·m^-3）和211 μg·m^-3（浓度范围173~284 μg·m^-3），尤其是冬季的PM₁₀平均浓度明显高于国家Ⅱ级标准（150 μg·m^-3）。

图1

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图1 2013—2018年西安市空气首要污染物发生频率（A）和PM₁₀Ⅲ级及以上污染天数（B）

Fig.1 Average occurrence frequency of primary air-pollutant (A) and occurrence days of PM₁₀ pollution above level Ⅲ (B) in Xi’ an during 2013-2018

2.2　大气颗粒物污染特征

西安市2013—2018年PM_2.5/PM₁₀比值的季节性变化趋势基本一致，除了2017年夏季 PM_2.5/PM₁₀比值最低，其他年份的PM_2.5/PM₁₀比值均是冬季>秋季>夏季>春季（图2）。冬季，受采暖期雾霾污染的影响，细颗粒物（PM_2.5）浓度偏高，颗粒物比值均值皆高于0.50；春季，受沙尘天气的影响，PM₁₀浓度增加，导致颗粒物比值明显降低。此外，除2017年PM_2.5/PM₁₀比值均值（0.49）较高之外，其他年份的比值均值变化并不明显（0.43~0.44），这表明近几年来西安市空气质量持续遭受春季沙尘天气污染的影响。

图2

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图2 2013—2018年西安市各个季节PM_2.5/PM₁₀比值

Fig.2 Seasonal variation of PM_2.5/PM₁₀ ratio in Xi’an during 2013-2018

西安市2013—2018年PM₁₀和PM_2.5浓度相关性春季最弱（R²=0.62），夏季有所升高（R²=0.74），秋冬季相关性最为显著，相关系数均大于0.80（图3）。由于春季颗粒物来源复杂，PM₁₀浓度易受沙尘传输的影响；夏季主要与二次反应和人类生产活动有关；秋冬季则是由于采暖燃烧源集中，颗粒物污染排放源单一。

图3

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图3 2013—2018年西安市不同季节PM₁₀与PM_2.5浓度相关性

Fig.3 Correlation between PM₁₀ and PM_2.5 in different seasons in Xi’an during 2013-2018

2.3　沙尘天气污染的季节性影响

西安市空气质量受沙尘污染的影响主要发生在春季和冬季，进而导致PM₁₀浓度明显高于其他季节。2013—2018年西安市发生沙尘污染的总频次分别是春季38次和冬季22次。从沙尘发生频次的年际变化来看，2013—2018年西安市受沙尘污染的影响并无明显规律，表明近几年来西安市空气质量持续受到沙尘污染的影响。从颗粒物浓度变化来看，不计沙尘天气影响时，西安市春季和冬季PM₁₀平均浓度分别为138 μg·m^-3和209 μg·m^-3；计沙尘天气影响时，春季和冬季PM₁₀平均浓度分别为148 μg·m^-3和211 μg·m^-3，尽管冬季的PM₁₀浓度明显高于春季，但这主要是由于冬季受雾霾污染影响，PM_2.5浓度升高从而提升了PM₁₀浓度。实际上，沙尘导致的PM₁₀浓度在冬季均值中的占比（0.9%）远低于春季（6.8%）。由此可见，沙尘的发生频次和颗粒物浓度变化都表明春季沙尘天气对西安市空气质量的影响高于冬季。

2.4　沙尘天气影响空气污染特征

2.4.1　沙尘天气影响情况

根据国家环保部和中国环境监测总站的技术规范文件，当城市任一时段受沙尘天气影响时，该自然日内城市PM₁₀、PM_2.5日均值不参加空气质量评价^［26］。本文统计的沙尘影响持续时间，即符合国家环保部规范剔除的沙尘起止时间段，以及沙尘起止时间段前后PM₁₀小时浓度≥150 μg·m^-3且PM_2.5/PM₁₀比值≤0.30（冬季PM_2.5/PM₁₀比值≤0.40）的沙尘影响时间段。沙尘天气期间PM_2.5在PM₁₀中的占比非常低，2017年沙尘天PM_2.5/PM₁₀比值的均值范围为0.15~0.35，比值最小值仅为0.09；2018年均值范围为0.12~0.40，最小值仅为0.07。此外，受沙尘天气影响，PM₁₀浓度迅速升高，2017年沙尘期间PM₁₀小时浓度均值为189~763 μg·m^-3，小时浓度最高值达到了1 482 μg·m^-3；2018年均值为206~470 μg·m^-3，最高值达到了928 μg·m^-3（表1）。从统计数据来看，尽管符合沙尘剔除条件的浓度值不计入空气质量评价，但是在沙尘来临前和结束后依然有很长一段时间是持续的颗粒物浓度高值。例如2017年1月26日的沙尘天，有7 h的PM₁₀浓度数据符合沙尘影响判定条件，尽管当天的空气质量数据被剔除不计入评价，但在随后的21 h内，PM₁₀浓度均值为294 μg·m^-3，最高值达到了394 μg·m^-3，导致次日空气质量受到明显影响；2017年5月5—7日沙尘持续时间较长，有41 h浓度符合剔除条件，但在这之前已经有21 h的PM_2.5/PM₁₀比值小于0.30且PM₁₀的平均浓度达到了230 μg·m^-3，这些未剔除的浓度数据都被计入了空气质量评价中。由此可见，沙尘天气带来的高浓度颗粒物污染对于西安市的空气质量影响是非常显著的。尽管外来沙尘传输无可避免，但沙尘期间还是应该加强建筑、交通扬尘及裸露地面扬尘管控以减少本地颗粒物源的叠加污染。

表1 2017—2018年西安市沙尘天气情况统计

Table 1 Statistics of dust events in Xi’ an during 2017－2018

时间		沙尘影响持续时间/h		PM_2.5/PM₁₀比值			PM₁₀小时浓度/（μg·m^-3）
时间		沙尘起止时间	沙尘影响时间	均值	最小值	最大值	均值	最小值	最大值
2017年
01-26	沙尘起止时间段	7		0.20	0.09	0.33	587	439	693
	沙尘过程终止后沙尘影响时间段		21	0.22	0.10	0.30	294	180	394
02-26	沙尘起止时间段	3		0.17	0.14	0.20	312	304	321
	沙尘过程终止后沙尘影响时间段		10	0.17	0.14	0.20	233	163	286
03-24—03-25	沙尘起止时间段	21		0.23	0.13	0.36	216	146	419
04-17—04-19	沙尘过程开始前沙尘影响时间段		1	0.27	0.27	0.27	189	189	189
	沙尘起止时间段	40		0.25	0.14	0.31	370	112	469
05-05—05-07	沙尘过程开始前沙尘影响时间段		21	0.25	0.22	0.30	227	143	276
	沙尘起止时间段	41		0.35	0.29	0.40	527	244	1482
12-24	沙尘起止时间段		18	0.19	0.13	0.29	224	189	260
12-29	沙尘起止时间段	10		0.15	0.12	0.23	763	491	943
	沙尘过程终止后沙尘影响时间段		25	0.22	0.15	0.29	332	177	430
2018年
02-09	沙尘起止时间段	18		0.17	0.11	0.24	470	232	852
03-15—03-16	沙尘起止时间段	20		0.12	0.07	0.32	409	193	741
03-21—03-22	沙尘起止时间段	9		0.31	0.19	0.42	206	173	237
04-05—04-06	沙尘起止时间段	25		0.20	0.12	0.26	257	160	343
05-21—05-22	沙尘起止时间段	20		0.27	0.21	0.37	217	154	297
05-26	沙尘起止时间段	8		0.30	0.20	0.51	494	156	878
11-26—12-06	沙尘起止时间段	241		0.40	0.12	0.72	406	214	928

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2.4.2　典型沙尘传输过程

由于关中五市（西安、宝鸡、咸阳、铜川和渭南）地理位置的差异，不同传输路径的沙尘源对各个地市PM₁₀浓度影响不尽相同，尤其体现在PM₁₀浓度峰值的小时变化曲线中。

陕西省北邻内蒙古，当内蒙古沙尘暴源区出现沙尘污染并一路南下时，陕西省自北向南的区域则会不同程度受到影响。2017年3月24日沙尘过程中，当沙尘自东北向西南传输时，关中区域沙尘污染沿东北至西南方向依次推进并减弱，各城市先后出现空气污染超标现象（图4A）。北部的铜川市首先开始起尘，PM₁₀浓度急速上升，14：00达到当日小时最高峰723 μg·m^-3，15：00渭南和宝鸡分别出现PM₁₀浓度最高峰552、399 μg·m^-3，随着沙尘继续向下游输送，到16：00咸阳和西安的PM₁₀浓度也分别达到当日小时最高峰450、419 μg·m^-3。

图4

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图4 2017年（A）和2018年（B）典型沙尘天期间陕西关中五市PM₁₀浓度逐时变化曲线

Fig.4 Variation of hourly mean PM₁₀ concentration in Guanzhong plain in Shanxi province during typical dust on March 2017 (A) and May 2018 (B)

当新疆沙尘暴源区出现沙尘污染并随着河西走廊向东南方向的下游输送时，陕西省境内又会出现自西向东的沙尘污染带，西部的宝鸡市首先开始起尘，2018年5月26日凌晨03：00，PM₁₀浓度达到峰值1 088 μg·m^-3，随着沙尘向东迁移，强度并没有减弱，尤其是铜川更受到了北路沙尘的叠加污染，导致咸阳、西安、铜川、渭南依次达到PM₁₀浓度最高峰1163、878、1 311、1 185 μg·m^-3，均超过了国家日均值二级标准150 μg·m^-3的5倍以上（图4B）。此次沙尘过程中，西安市PM₁₀的浓度峰值以及均值都低于关中区域其他城市，可能是西安市采取的防沙抑尘措施在结果上得到了体现。

2.4.3　典型沙尘过程对大气污染物的影响

沙尘天气发生时，除了导致PM₁₀浓度显著升高之外，对其他空气污染物也会造成不同程度的影响。非采暖期，沙尘过境前西安市PM₁₀、PM_2.5和SO₂均维持在较低浓度，沙尘过境时，PM₁₀浓度骤升，PM_2.5浓度也随之有明显升高趋势，而SO₂和NO₂浓度下降（图5A）。这一过程与佘峰^［30］在兰州市观测的沙尘期间大气污染物浓度变化趋势一致，原因主要是沙尘过境时都伴随着大风天气过程，城市地区积累的气态污染物在大风作用下，得到了有效的扩散和稀释，使其浓度随之下降。采暖期，受雾霾影响，西安市PM_2.5浓度始终维持在较高水平，沙尘过境前，PM_2.5/PM₁₀比值平均为0.83（最大值为0.89），沙尘过境时除了PM₁₀浓度升高之外，PM_2.5、SO₂和NO₂浓度均呈现明显下降趋势，此时PM_2.5/PM₁₀比值平均仅为0.25（最小值为0.09），这同样也是由于沙尘天的气象扩散条件好转有利于区域累积污染物的扩散稀释（图5B）。2013年3月9日在北京市的一次沙尘观测过程中所呈现的霾-沙交替污染特征^［31］与本文的分析结果一致。这也是北方采暖城市受沙尘污染影响的一个重要特点^［32-33］。

图5

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图5 非采暖期和采暖期西安市典型沙尘天过程大气污染物的时序变化特征

Fig.5 Variation of hourly mean air pollutants concentration in Xi’an during no-heating season (A) and heating season (B)

3 结论

2013—2018年西安市的首要污染物主要是大气颗粒物。受沙尘天影响，可吸入颗粒物（PM₁₀）Ⅲ级及以上污染日的发生频率主要集中在春季和冬季。

西安市冬季受雾霾污染影响，PM_2.5/PM₁₀比值最高，PM_2.5和PM₁₀浓度相关性最强；春季受沙尘污染影响，PM_2.5/PM₁₀比值最低，PM_2.5和PM₁₀浓度相关性最弱。

西安市春季沙尘天气的发生频次高于冬季，且沙尘天的PM₁₀浓度在春季均值中的占比高于冬季，西安市春季受沙尘污染的影响大于冬季。

沙尘天气期间西安市PM₁₀浓度在短时间内骤升，PM_2.5在PM₁₀中的占比仅有30%左右。沙尘过境前后，不满足沙尘剔除条件的颗粒物浓度，对西安市空气质量评价的影响仍然较为显著。

陕西关中区域沙尘天气污染主要是外来沙尘源的贡献，西安地处关中腹地，无论是来自北部还是西部的区域沙尘传输，西安市都会遭受不同程度的颗粒物污染，但是提前采取防沙抑尘措施能有效削减沙尘过境时本地颗粒物源的叠加污染。

西安市在采暖期和非采暖期，大气污染物受沙尘影响情况存在差异：非采暖期，沙尘天气导致PM₁₀和PM_2.5浓度升高，气态污染物浓度下降；而采暖期除PM₁₀浓度升高以外，PM_2.5和气态污染物浓度均下降。

参考文献

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