沙尘天气指大风将沙粒、尘土悬浮空中，使空气混浊、大气能见度降低的现象 ^［1］。沙尘天气的发生是地球物质循环的重要方式，可对当地的生产生活、自然环境和人体健康造成不利影响^［2］。随着人们对沙尘天气带来的环境问题关注度的提高，国内外学者开展了大量沙尘天气对空气质量影响方面的工作。Barnaba等^［3］发现意大利2006—2012年发生的沙尘天气对年平均PM₁₀的影响具有明显的纬度梯度特征。陈杰等^［4］研究指出沙尘天气过程对中国北方不同城市颗粒物和气体污染物浓度有不同程度的影响，总体表现为PM₁₀浓度骤升，PM_2.5浓度显著增加，SO₂、NO₂和CO浓度降低，O₃浓度变化小。韩兰英等^［5］和陶健红^［6］研究指出，由于干旱、少雨以及沙漠化形势严峻等原因，中国西北地区风大沙多，不仅是沙尘天气和沙尘暴的易发地区，也是中国城市空气质量受沙尘天气影响最大的地区。大量研究表明，由于沙尘的移动和远距离传输性，上游沙尘的输送作用使非沙尘源区城市颗粒物浓度也会受较大影响，且其影响具有地域差异性^［7-10］。

陕西省处于沙尘天气的传输路径上，当上游沙源区出现较强沙尘天气时，陕西各个城市的颗粒物浓度受到不同程度的影响，空气质量明显下降^［11］。目前，关于陕西省空气质量受沙尘天气影响的研究十分有限。薛四社等^［12］研究表明2011年陕西省沙尘天气是春季城市颗粒物高污染的主因；王建鹏等^［13］研究指出西安市沙尘天气频发造成了全年颗粒物浓度的次高峰；宁海文等^［14］研究指出西安市春季沙尘明显提高了PM₁₀的月均浓度；崔娟等^［15］研究表明榆林市沙尘天气对颗粒物的贡献具有季节和地区差异。这些研究多限于2013年中国实施《环境空气质量标准（GB3095—2012）》之前的时期，在研究对象上仅涉及个别城市，缺少同时涉及全省城市的沙尘天气影响空气质量定量化研究。

本文基于陕西省城市环境空气质量逐时逐日监测数据，识别统计2016—2020年陕西省沙尘天气影响过程发生情况，定量分析省域尺度和城市尺度的空气质量影响特征，以期为陕西省大气污染防治和空气质量预警工作提供技术参考。

陕西省地处西北地区东部，北部毗邻毛乌素沙地和库布齐沙漠，西北方向分布着巴丹吉林、腾格里等众多沙漠。陕西省地形狭长、地理位置特殊，按照气候和地形地貌，自北向南可分为陕北黄土高原、关中平原和陕南秦巴山地三大自然区。陕西省10个城市中榆林、延安位于陕北，铜川、宝鸡、咸阳、西安、渭南位于关中，汉中、安康、商洛位于陕南。陕西省地理位置及城市位置如图1所示。环境空气质量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），均采用国家审核后的数据。

沙尘天气强度分级采用生态环境部门《沙尘天气分级技术规定》（总站生字［2004］31号）^［16］，按颗粒物小时浓度分级方法分为受沙尘天气影响、浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴，其中600 μg·m^-3≤PM₁₀<1 000 μg·m^-3 且持续时间≥2 h，为浮尘；1 000 μg·m^-3≤PM₁₀<2 000 μg·m^-3 且持续时间≥2 h，为扬沙；2 000 μg·m^-3≤PM₁₀<4 000 μg·m^-3 且持续时间≥1 h，为沙尘暴；PM₁₀≥4 000 μg·m^-3 且持续时间≥1 h，为强沙尘暴；沙尘天气持续时间达不到规定时间时分级下降一级，未达到分级标准的统称为受沙尘天气影响。

沙尘天气过程识别及沙尘天气起止时间、沙尘影响日，参考生态环境部门发布的《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》（环办监测［2016］120号）^［17］和《关于沙尘天气过程影响扣除有关问题的通知》（总站气字［2020］76号）^［18］，结合气象部门沙尘纪要、卫星遥感监测结果等实况观测资料综合判定。沙尘天气影响持续时间（Duration Time，DT）以沙尘天气结束时间点距开始时间点经历的时长计算。

沙尘天气对陕西省及城市PM₁₀浓度的贡献评价方法：分别计算城市剔除沙尘影响日前的PM₁₀年均浓度C_o和剔除沙尘影响日后的PM₁₀年均浓度C_e，将剔除沙尘影响日前后PM₁₀年均浓度的差值定义为沙尘天气影响对城市PM₁₀的绝对贡献ΔC，进而以此浓度差值占剔除沙尘影响日前PM₁₀年均浓度的占比计算该城市PM₁₀浓度的沙尘源贡献率CR，即：

沙尘影响日空气质量等级依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）^［19］判定。当城市PM₁₀ 24 h平均值大于150 μg·m^-3时，当日PM₁₀超标。其中150 μg·m^-3<PM₁₀≤250 μg·m^-3，当日PM₁₀为轻度污染；250 μg·m^-3<PM₁₀≤350 μg·m^-3，当日PM₁₀为中度污染； 350 μg·m^-3<PM₁₀≤420 μg·m^-3，当日PM₁₀为重度污染；PM₁₀>420 μg·m^-3，当日PM₁₀严重污染。统计沙尘影响日各空气质量级别发生频数及各级别在沙尘影响日中的占比，计算分析沙尘影响日超标情况。不同等级污染天的沙尘源贡献率以实际发生的各级别污染天中的沙尘影响日的占比计算。四季划分采用气象季节定义，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。

2016—2020年陕西省域尺度沙尘天气过程年发生频数9—19次，平均每年14.8次，5年累计74次；沙尘影响日每年20—46 d，平均每年31.4 d，5年累计157 d（表1）。其中，2018年陕西省域沙尘天气过程频次和沙尘影响日均最多，沙尘影响日占全年比例达12.6%；2017年沙尘天气过程频次和沙尘天气影响日均最少，沙尘影响日占全年比例为5.5%。从2016—2020年陕西省沙尘天气影响城市看，除安康市2017年外，各城市每年均受到沙尘天气影响；从沙尘天气过程影响涉及的城市数量看，单次沙尘天气过程影响范围1—10个城市，2016—2020年陕西省域平均的沙尘天气影响范围5—7个城市，影响范围有缩小的趋势（表1）；全范围（涉及10个城市）和较大范围（涉及8—9个城市）的沙尘天气影响过程5年累计29次，占总沙尘过程的39.2%。

2016—2020年陕西省域沙尘天气过程年内发生频数具有明显的月、季分布特征（图2）。春季是沙尘天气过程高发季节（共47次），占63.5%，其次是冬季（共13次）和秋季（共10次），合计占31.1%，夏季频次最低（共4次）；2016—2020年每年2—5月均发生沙尘天气过程，其中5月、3月为沙尘天气影响高发月，4月、2月为次活跃月份，7—8月为沙尘天气零发生月。这是因为大气环流形势、风速风向和植被覆盖、降水等影响下垫面状况的因素均存在季节变化^［20］。春季受沙尘天气影响频数高，主要与春季冷暖空气活动频繁，温带气旋及大风天气增多，降水偏少，气温升高引起冰雪融化后裸露土地面积增大等因素有关；夏季雨水增多，植被覆盖率升高，沙尘发生频次明显减少。

2016—2020年陕西省10个城市5年累计发生沙尘天气过程合计427次（图3），5年累计发生次数榆林（69次）>延安（56次）>渭南（51次）>西安（48次）>咸阳（46次）>宝鸡（43次）>铜川（42次）>商洛（37次）>汉中（22次）>安康（14次）。2016—2020年陕西省各城市沙尘天气过程发生次数具有明显的区域差异，整体表现为自北向南、自东向西递减的趋势。陕北榆林和延安（年均13.6次和11.2次）为沙尘天气影响高发城市，关中5市（年均8.4—10.2次）为沙尘天气影响次高发城市，其中关中中东部渭南、西安、咸阳发生次数多于关中西部宝鸡和北部铜川；陕南城市沙尘天气相对少（年均2.8—7.4次），其中陕南东部商洛高于陕南中西部的汉中、安康。2016—2020年陕西省10个城市的5年累计沙尘影响日合计723 d，5年累计沙尘影响日数榆林（105 d）>渭南（93 d）>延安（90 d）>西安（87 d）=咸阳（87 d）>铜川（78 d）>宝鸡（74 d）>商洛（61 d）>汉中（27 d）>安康（21 d）。2016—2020年陕西省各城市沙尘影响日数的GIS空间表征结果显示，陕西省城市沙尘天气影响日数也具有明显的区域差异，整体表现为中北部多南部少，东部比西部多的趋势。对照发现，沙尘天气影响日数的排序和沙尘天气过程发生次数的排序不完全一致（渭南、铜川沙尘影响日排序较沙尘过程发生次数排序提前），这是因为同一次沙尘过程，不同城市到达的时间先后、持续时间不同^［11］。

沙尘天气影响的空间分布与地理位置和地形特征有很大关系，邻近沙漠地区沙尘天气多强度大，远离沙漠地区沙尘天气少强度小^［10］。陕西省北向和西北方向沙漠沙地众多，陕西省处于冷空气入侵中国的西北路、北路、西路传输通道的下风向（图1），易受沙尘传输的影响^［11］。陕北是中国黄土高原的主要组成部分，陕北长城沿线以北为毛乌素沙地和库布齐沙漠，长城沿线以南地表被黄土覆盖，为沙尘天气的频繁发生提供了丰富的沙源、尘源，西北风或偏北风强劲时这里直接起沙或上游沙尘传输到这里得到补充和加强，使得陕北成为沙尘向下游进一步传输的潜在沙尘源区；关中盆地地处黄土高原南部地区，是一个西部缩窄闭合，向东开阔的盆地平原，关中东部由于同时位于北路沙尘和西北路沙尘的传输路径上，所以受沙尘天气影响频次仅次于陕北；陕南地区由于秦岭山脉的阻挡发生沙尘天气的频次相对少，其中安康由于位于陕南中部，是陕西省受沙尘天气影响最少的城市。

2016—2020年陕西省城市沙尘天气过程持续时长为2—120 h（图4），持续2—12 h的占比为23.5%—42.9%，持续时间在24 h内的占比为51.0%—81.8%，持续时间在48 h内的过程占比为78.6%—95.5%，表现出陕西省城市大部分沙尘天气过程影响时间在1—2 d的特征。对照每次沙尘天气过程各城市的持续时间发现，关中城市沙尘天气过程影响时长总体上高于陕北和陕南城市。超过3 d的沙尘天气影响过程较少，涉及除汉中、安康外的8个城市，主要发生在5个典型过程：2016年3月4日至9日、2017年5月3日至7日、2018年11月26日至29日、2018年12月2日至5日、2019年5月12日至16日。这些持续时间较长的过程可以分为三类：一是大范围沙尘暴过程，二是扬沙过程过境后回流，三是扬沙过程动力减小后滞留。城市沙尘天气影响持续时长与沙源地距离、沙尘天气强度、传输路径、地形条件、大气扩散条件等有关^［21-22］。对于陕西省来说，关中和陕南中部由于地形原因，扩散条件相对差。以关中为例，上游沙尘传输到关中地区受到由西向东倾斜的黄土高原高山地形的阻挡，使地面风力减弱，同时由于秦岭的阻挡，沙尘滞留难以扩散，只能凭借干湿沉降缓慢消散；另外关中地区还经常出现西北冷空气过境后风向转为偏东风造成PM₁₀浓度再次出现次高峰的沙尘回流现象。

2016—2020年陕西省各城市沙尘天气级别以受沙尘天气影响（61.8%—95.5%）和浮尘天气（4.5%—27.9%）为主，扬沙和沙尘暴出现频次较少，扬沙涉及8个城市（1—5次），沙尘暴仅涉及榆林和宝鸡2个城市（1—3次）。榆林分别于2017年5月5日、2018年2月9日和2018年5月26日发生沙尘暴；宝鸡于2019年5月12日发生沙尘暴。据中央气象台《大气环境气象公报（2020年）》，2016—2020年中国沙尘天气过程主要为浮尘和扬沙天气，沙尘暴天气过程发生频次整体呈下降趋势^［23］。陕西省大部位于中国西北沙尘源区的下游，沙尘向下游传输过程中沙尘不断沉降，峰值不断降低，因此沙尘级别更低，沙尘强度更小。

当城市受沙尘天气过程影响时，PM₁₀浓度快速攀升达到峰值后逐渐下降^［11］，具有明显的峰型变化特征，沙尘天气过程的峰值浓度也反映了沙尘天气过程的最大强度。2016—2020年陕西省各城市的沙尘天气过程最大峰值浓度均出现在春季，各地市5年75百分位峰值浓度366—781 μg·m^-3，平均峰值浓度322—702 μg·m^-3 ，变异系数0.46—0.79（表2），显示各城市不同沙尘天气过程的峰值浓度较为离散，峰值浓度变化范围大。陕西省PM₁₀峰值浓度最高值出现在榆林2017年5月5日03:00，为3 219 μg·m^-3，达到沙尘暴级别。延安、关中5市和商洛PM₁₀最大峰值浓度1 522—2 060 μg·m^-3，以扬沙为主；汉中和安康最大峰值浓度778—968 μg·m^-3，达到浮尘天气级别。

2016—2020年陕西省各城市沙尘天气发生对PM₁₀年均浓度的绝对贡献ΔC榆林（8.6±3.3 μg·m^-3）>渭南（7.8±4.2 μg·m^-3）>咸阳（7.0±3.3 μg·m^-3）>西安（6.4±2.7 μg·m^-3）>延安（6.0±1.8 μg·m^-3）>铜川（5.6±2.2 μg·m^-3）=宝鸡（5.6±2.6 μg·m^-3）>商洛（5.4±1.4 μg·m^-3）>安康（1.6±1.2 μg·m^-3）>汉中（1.4±0.5 μg·m^-3）。沙尘天气对陕西省及大部分城市PM₁₀年均浓度有明显影响（图5）。其中2018年对陕西省PM₁₀年均浓度绝对贡献最大，为9.3 μg·m^-3（各城市ΔC范围2—15 μg·m^-3），2020年对陕西省PM₁₀年均浓度绝对贡献最小，为2.9 μg·m^-3（各城市ΔC范围1—7 μg·m^-3）。2018年、2020年陕西省域沙尘频次均为19次（5年中最多），但从沙尘天气级别结果看2018年沙尘强度较大的过程较多，2020年沙尘天气强度整体偏弱使得2018年和2020年陕西省PM₁₀平均浓度绝对贡献量不同（表1）。《大气环境气象公报（2020年）》指出2020年春季中国沙源地冷空气较常年偏弱、大风日数减少、前期降水量偏多等气象条件有利于沙尘天气减少和减弱^［23］。

陕西省各城市PM₁₀年均浓度沙尘源贡献率CR榆林（11.5%）>商洛（8.8%）>延安（7.8%）>渭南（6.5%）>铜川（6.3%）>咸阳（5.9%）=宝鸡（5.9%）>西安（5.7%）>安康（2.5%）>汉中（1.9%）。商洛沙尘源贡献率排序提前明显，仅次于榆林，排在关中城市之前。这是因为商洛环境空气质量较好，年均PM₁₀浓度较低（图5），彰显了沙尘来源；关中城市PM₁₀年均浓度整体高于陕北和陕南城市，这是由于关中地区人口密集，经济社会发展带来的道路和施工扬尘、机动车、工业生产等人为来源比重较大，尤其是秋冬季灰霾天气较多，PM_2.5浓度大幅升高也提升了PM₁₀的年均浓度^{［11，24］}。另外，2016—2020年陕西省及各城市PM₁₀年均浓度呈一致的逐年下降趋势，说明陕西省大气污染防治效果显著，随着大气污染防治工作的不断深入开展，陕西省PM₁₀年均浓度有望进一步减小，各地市沙尘天气对PM₁₀的源贡献占比还会进一步增加。尽管从中国沙尘天气的发生历史看，沙尘天气对西北大部及陕西省的影响都不可避免^［2］，但从库布齐沙漠的生态治理有效降低受影响地区的PM₁₀浓度^［25］、陕西省毛乌素沙地治理减少荒漠化土地^［26］、“三北”防护林建设减少风沙危害^［27］等研究成果看，坚持和科学地进行生态治理，仍是需要持续努力的方向。

2016—2020年陕西省除汉中（未出现严重污染）和安康（未出现重度及严重污染）外，其余各城市沙尘影响日空气质量等级从良到严重污染均有分布（图6），沙尘影响日空气质量超标占比66.7%—89.7%，污染等级出现频数由高到低依次是轻度污染、中度污染、严重污染和重度污染，平均占比依次为47.4%、17.3%、7.2%和4.6%。2016—2020年陕西省各城市不同等级污染天的沙尘源贡献差异明显，榆林、延安和商洛污染等级越高，沙尘源贡献越大，其中严重污染天沙尘源贡献为100%，重度污染天中75.0%—83.3%来源于沙尘天气影响，中度和轻度污染分别有39.1%—58.8%和19.2%—24.6%来源于沙尘天气影响。关中5市不同等级污染天中严重污染天的沙尘影响占比最大，铜川、渭南、宝鸡、西安、咸阳分别有66.7%、37.5%、35.7%、25.0%和20.5%来源于沙尘天气影响。从首要污染物分析结果看，关中5市的其余严重污染天主要来源于秋冬季的灰霾天气。

2016—2020年陕西省域沙尘天气影响范围年平均5—7个城市，影响范围有缩小趋势；沙尘天气过程年发生频数为9—19次，沙尘影响日每年20—46 d，其中2018年沙尘天气过程发生频次最高，沙尘影响日最多；沙尘天气主要发生在春季（63.5%），其次是秋冬季（31.1%）；5月、3月为高发月，7月、8月为零发生月。

2016—2020年陕西省各城市沙尘天气过程5年累计发生14—68次，位居前三的城市分别为榆林、延安和渭南；各城市5年累计沙尘影响日数为21—105 d，位居前三的城市分别为榆林、渭南和延安；沙尘天气过程发生频数和沙尘影响日空间分布整体表现为自北向南、自东向西递减的区域差异。

2016—2020年陕西省各城市沙尘天气过程持续2—120 h，大部分沙尘天气过程影响时长1—2 d，关中城市持续时长总体高于陕北和陕南城市；城市沙尘天气强度级别以受沙尘天气影响和浮尘天气为主，扬沙和沙尘暴出现频次较少，不同沙尘天气过程PM₁₀峰值浓度变化范围大，最高值出现在榆林（3 219 μg·m^-3）。

2016—2020年陕西省各城市沙尘天气对PM₁₀年均浓度绝对贡献1.4—8.6 μg·m^-3，各城市PM₁₀年均浓度沙尘源贡献率1.9%—11.5%。2018年陕西省沙尘天气对PM₁₀浓度影响最大，2020年最小，年均浓度绝对贡献分别为9.3 μg·m^-3和2.9 μg·m^-3。

2016—2020年陕西省城市沙尘影响日超标占比66.7%—89.7%，其中污染等级以轻度和中度污染为主，严重和重度污染较少。榆林、延安和商洛严重污染全部来源于沙尘天气影响，重度污染中75.0%—83.3%来源于沙尘天气影响；关中5市不同等级的污染天中严重污染的沙尘影响占比最大，20.5%—66.7%来源于沙尘天气影响。