沙尘天气是由强风吹起地表粉尘导致大气浑浊、能见度降低的视程障碍天气现象，对气候变化、生态环境、人体健康、社会经济等方面均存在显著影响^［1-4］，受到学界、政府和公众的广泛关注。中国西北地区深居内陆，降水较少，气候干旱，分布有大面积的沙漠戈壁，是中国乃至全球沙尘的重要源区和发生地^［5］。近年来，在全球气候变化大背景下，极端气候事件频发，中国北方沙尘天气发生频次呈明显增加趋势，2023年又一次迎来沙尘暴高峰期。据陕西省气候中心统计，2023年春季沙尘日数为近10年同期最多，是开展西安春季沙尘对环境空气质量影响及来源研究的典型时段。

关于沙尘污染对城市环境空气质量的影响，国内外学者开展了大量研究。吴兑等^［6］发现北方沙尘远距离传输甚至影响到华东、华南地区，沙尘传输对空气质量的影响得到关注；呼和浩特市大气颗粒物及污染物浓度存在明显的年际、月际变化，PM_2.5/PM₁₀比值在5月最低^［7］；沙尘污染还受沙尘等级、气象因素等影响^［8］，沙尘来源也能影响颗粒物浓度的变化^［9］。另外，有学者利用WRF-Chem模型结合站点观测的数据对沙尘过境前后空气质量指数进行计算，结果表明是沙尘引起PM₁₀污染导致AQI升高，从而影响到当地环境空气质量^［10］。关于沙尘来源的研究目前普遍采用数值模拟与卫星遥感相结合的方式，其中HYSPLIT后向轨迹模式能够很好地模拟水平和垂直方向上的沙尘输送情况，得到了广泛应用^［11］。Chen等^［12］利用WRF-Chem模型结合后向轨迹分析，对2023年3、4月中国北方不同沙尘源对沙尘浓度的贡献进行研究，结果证实了蒙古国和中国的塔克拉玛干沙漠是中国北方的两个主要沙尘源，蒙古国贡献了42%以上的沙尘；也有学者基于HYSPLIT模式对西北干旱区的沙尘传输路径进行探析，并结合潜在源贡献因子分析（PSCF）和浓度权重轨迹分析（CWT）对关中地区的沙尘贡献源及输沙路径开展了研究^［13-14］。

王建鹏等^［15］较早对西安沙尘天气开展研究，主要利用1971—2000年不连续空气质量数据对西安沙尘污染特征进行统计分析，指出TSP和PM₁₀为西安市大气首要污染物；张佳音等^［16］利用陕西省的环境空气质量自动监测站2017—2021年的监测数据，系统分析了包括西安在内的陕西区域空气质量的月、季节、年变化特征以及不同污染物的空间分布，对不同区域发生重度污染时段的环境空气质量污染特征和成因进行了全面探讨。此外，关于西安的研究更加关注对大气颗粒物粒子组成和有机质组分的分析^［17-18］，也有利用石英氧同位素示踪法结合卫星云图和后向轨迹模式对西安沙尘源地进行的研究^［19］。

本文基于环境空气质量自动监测站点资料，就2023年春季西安沙尘天气对环境空气质量的影响进行综合分析，包括西安春季沙尘事件识别与统计、环境空气质量等级变化以及春季不同时空尺度下的大气颗粒物浓度的变化特征等，同时对一次典型沙尘过程进行细致分析，结合HYSPLIT后向轨迹模式确定西安沙尘来源及其传输路径，为有效应对沙尘天气对西安环境空气质量的影响提供科学依据。

西安市共有13个国控环境空气质量自动监测站点，环境空气质量小时浓度数据来源于中国环境监测总站实时发布平台（https：//quotsoft.net/air/#archive），数据包含了PM₁₀、PM_2.5、SO₂、CO、NO₂、O₃等6项污染物浓度及AQI数据，其中阎良区数据监测缺失，不纳入本次研究范围。气象观测资料来源于美国国家海洋和大气管理局（NOAA，https：//www.ncei.noaa.gov/data/global-summary-of-the-day/archive/），含西安市（34.43°N，108.97°E）的风速、能见度、相对湿度等数据。后向轨迹计算采用美国国家环境预报中心NCEP发布的GDAS全球大气同化数据（ftp：//arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1），该数据空间分辨率为1°×1°，时间跨度为2005年至今，本文使用的是2023年2—6月的气象数据，时间统一为世界时。

采用气象季节定义，即3、4、5月为春季，以PM₁₀浓度高于国家二级标准线（150 μg·m^-3）为界，根据PM₁₀浓度和PM_2.5/PM₁₀比值来判定该地区是否受到沙尘污染的影响，将PM₁₀日均浓度>150 μg·m^-3，且PM_2.5/PM₁₀≤0.30认定为春季有沙尘污染，基于此确定2023年春季西安市沙尘天气日数^［20］。沙尘过程的起止时间判定参考《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》^［21］，同时对沙尘等级进行划分^［22］，空气质量等级划分依据《环境空气质量标准》（GB3095—2012）进行^［23］。

HYSPLIT 模型可用来示踪沙尘来源和大气污染物区域间传输等^［24］，本研究采使用Meteoinfo软件中的TrajStat的欧拉聚类确定西安市沙尘来源及其输沙路径^［25］，以（34.15°N，108.90°E）为轨迹起始点，模拟2023年4月20—21日一次典型沙尘过程中500 m和1 000 m高度处的气流后向轨迹，计算时间为24 h，分辨率为1 h。

采用PSCF和CWT分析确定西安市潜在沙尘源区，PSCF分析可确定沙尘污染源地的潜在贡献源区^［25］，CWT方法可以定量分析不同潜在源区的沙尘贡献度大小。

2023年春季，西安市共发生9次沙尘事件，多集中在3—4月，沙尘日数达23 d。其中4月20—21日为春季最强的一次沙尘天气，达到了扬沙天气级别，历时短，强度大，长安区PM₁₀峰值浓度最高达到2 256 μg·m^-3，超过环境空气质量二级标准（150 μg·m^-3）15倍；其余均为不同程度的浮尘天气，其中4月6—9日的沙尘事件影响时长最长，达到93 h，最短一次仅有4 h（表1）。

2023年春季西安市沙尘污染日数在空间分布上存在较大差异，整体上呈现出西多东少、周边多城中少的空间格局。从图1可以看出，位于郊区的草滩站沙尘日数最多，高达16 d；市中心小寨站沙尘日数最少，只有6 d；主城区（莲湖区、碑林区、新城区）沙尘日数基本维持在10~13 d，东部临潼区沙尘日数仅有7 d（图1）。

2023年春季西安市PM₁₀、PM_2.5二级超标率变化趋势与城市三级及以上污染等级变化趋势基本保持一致，说明PM_2.5和PM₁₀是影响西安市环境空气质量的主要污染物。3月PM_2.5、PM₁₀日均质量浓度超标率均维持在20%以上，城市空气质量受到轻微污染；4月上旬，PM_2.5超标率降为零，而PM₁₀超标率仍维持在较高水平，结合城市空气污染情况来看，此时受到沙尘影响，大气颗粒污染物以粗颗粒物为主，空气质量污染严重；4月中旬，PM₁₀和PM_2.5颗粒物超标率骤然回升至30%以上，城市空气受三级及以上污染占比超过30%，此时大气颗粒物污染以PM₁₀和PM_2.5为主；4月下旬以来，城市空气质量逐渐好转，且在5月达到“零污染”（图2）。

将受到沙尘污染的日期定义为沙尘期，其余为非沙尘期。2023年西安春季沙尘期大气颗粒物浓度呈现出明显的响应特征。沙尘期PM₁₀颗粒物浓度远远高于非沙尘期，超出非沙尘期PM₁₀浓度平均2倍以上（表2），说明沙尘天气对西安市PM₁₀颗粒物浓度影响显著，是西安大气颗粒物的主要污染来源。其中沙尘期PM₁₀浓度最高的是高压开关厂站，最低的是草滩站；非沙尘期PM₁₀浓度最高的仍是高压开关厂站，最低的是兴庆小区站；PM₁₀浓度在沙尘期高于非沙尘期变化最大的是兴庆小区站，而变化最小的是高压开关厂站。由此可见，高压开关厂站的空气质量除了受到沙尘污染外，本地污染也较为显著。

沙尘期PM_2.5颗粒物浓度高出非沙尘期达89%（表3），但仍然不及PM₁₀，说明沙尘运输仍然以粗颗粒为主，但也有细颗粒成分。其中沙尘期PM_2.5浓度最高的是临潼区，最低的是草滩；非沙尘期PM_2.5浓度最高的是高压开关厂，最低的仍然是草滩；沙尘期PM_2.5浓度值高于非沙尘期最明显的是临潼区，这可能与临潼区靠近秦岭支脉，大气层结稳定，污染物不易扩散有关。

西安市12个监测站点的大气颗粒物浓度月变化特征大致相同，整体呈先增后减的倒“V”型波动变化。3月至4月上旬呈现小范围的波动增长，4月中旬颗粒物浓度骤增且达到顶峰，PM_2.5、PM₁₀日均浓度最高分别达到215.5 μg·m^-3和918 μg·m^-3，此后开始下降，至5月上旬颗粒物质量浓度一直维持在一个较低水平，并呈现下滑趋势（图3）。PM₁₀月平均浓度最高为长安区（364 μg·m^-3）、最低为小寨（36 μg·m^-3），这是因为长安区地处郊区，地势平坦空旷，更容易受到沙尘侵袭，长安区周边多为农田和裸露地表，本地扬尘容易发生，提高了PM₁₀颗粒物质量浓度；PM_2.5日均浓度最高为临潼区（114 μg·m^-3）、最低为小寨（14 μg·m^-3）。

以小寨、临潼区和长安区为例，探究PM_2.5/PM₁₀比值在2023年春季不同时期的变化过程。3个站点的PM_2.5/PM₁₀比值随时间变化的趋势基本一致，整体呈现出3月>5月>4月的特征，在3月下旬达到峰值，3个站点颗粒物比值均在0.5以上，细颗粒物（PM_2.5）占比明显偏高；在4月中旬达到低值，说明受粗颗粒物的影响最为显著（图4）。3月上旬，西安市平均风速较小，空气相对湿度高（图5），低风速、高湿度的气象条件为颗粒物的堆积创造了良好的条件，空气中PM₁₀、PM_2.5污染物在低空长时间悬浮堆积、不易扩散从而造成大气颗粒物浓度升高；3月以来，风速和相对湿度逐渐增加，PM₁₀ 和PM_2.5均呈现不同程度的下降，而PM_2.5/PM₁₀值却随之升高，这说明气象因子对PM₁₀和PM_2.5的影响程度是不同的，气象条件的变化对PM_2.5浓度的影响更为显著；4月中下旬受剧烈沙尘天气的影响，PM₁₀浓度增加，导致颗粒物比值明显降低。此外，小寨颗粒物浓度比值变化幅度相对于临潼区和长安区明显更小，说明城区春季受沙尘天气污染的影响更小。

从时间序列来看，2023年春季西安市小寨和长安区不同月份的PM₁₀ 与PM_2.5浓度相关性整体呈现出3月<5月<4月的特征，3月相关性最差，小寨R²仅为0.25，长安区甚至为弱相关；5月相关系数有所回升，小寨和长安区R²分别达到了0.64和0.73；4月相关性非常显著，两站点的R²均在0.95以上（图6）。可见，西安市3月PM₁₀和PM_2.5污染物来源较杂，外来沙尘传输和本地起尘均有一定的贡献；4月受沙尘天气影响较大，颗粒物污染以外来沙尘为主；5月颗粒物污染主要与生产活动等密切相关。从空间分布来看，3月和4月，小寨的颗粒物浓度相关系数明显高于长安区，说明小寨受沙尘天气的影响大于长安区，这一点与上面得到的结果一致；5月小寨颗粒物浓度的相关性又低于长安区，说明小寨地区大气颗粒物受到人类活动的影响更大，颗粒物来源呈现多元化、复杂化的发展。

2023年4月19—20日，受蒙古气旋与冷空气从内蒙古中西部沙源地过境形成的沙尘天气的影响，西安市PM₁₀浓度短时间内迅速升高，达到扬沙级别，环境空气质量骤然下降，发生了以PM₁₀为首要污染物的连续两天的五级重度污染过程。

PM_2.5/PM₁₀值是判断PM₁₀中粗细粒子含量的简易指标，也是判断一个地区是否受到沙尘污染影响的重要指标^［26］。由图7A可知，此次沙尘过程PM_2.5/PM₁₀值小时变化曲线近似呈“U”型，具有明显的时段特征。沙尘来临前大气颗粒物以PM₁₀为主，但细颗粒物占比较高，PM_2.5/PM₁₀值为0.4~0.5；沙尘来临后颗粒物浓度迅速上升，PM₁₀和PM_2.5浓度在沙尘开始后的3 h内分别达到峰值1 769 μg·m^-3和422 μg·m^-3，PM_2.5/PM₁₀值仅为0.1~0.3，大气颗粒物以粗颗粒物为主；此后开始逐渐下降，PM_2.5/PM₁₀值在较长时间内均维持在一个较低水平，并呈现缓慢回升趋势，直到21日04:00 PM_2.5/PM₁₀比值开始迅速回升，至21日06:00，此次沙尘结束；沙尘后期，大气颗粒物浓度相比于前期显著降低，PM₁₀浓度在结束后的3 h内降至46 μg·m^-3，下降速率达到31 μg·m^-3·h^-1，PM_2.5在PM₁₀中的占比达到50%以上，环境空气质量良好。在此过程中PM₁₀和PM_2.5浓度表现出很强的相关性（图7B），说明此次沙尘污染过程中的PM₁₀和PM_2.5均来自外源污染，也反映了沙尘过程对西安环境空气质量影响巨大。

由图8可知，沙尘天气对气态污染物浓度也有一定的影响。沙尘前期，NO₂浓度开始迅速上升，O₃浓度迅速下降，而SO₂和CO浓度起伏并不大且均维持在较高水平，这可能与晚高峰时期汽车尾气的排放以及夜间NO和O₃的“滴定效应”有关。沙尘过境期间，NO₂浓度骤降，下降幅度达83.9%，CO与SO₂均呈现不同程度的下降趋势（CO浓度下降幅度为73.5%，SO₂浓度下降幅度为30.0%），此后在较长时间内均维持在较低水平进行小幅波动。结合气象要素可知，沙尘天气往往伴随强风的出现，大风的强扩散作用使得NO₂、SO₂和CO浓度均呈现不同程度的下降趋势。沙尘后期，CO浓度开始缓慢回升，NO₂和SO₂浓度基本趋于稳定，分别保持在15 μg·m^-3和5.00 μg·m^-3左右。 值得注意的是，沙尘过程中O₃浓度整体表现为先下降后上升再下降的变化趋势，这主要与O₃的白天光照作用下生成，夜间下降的日变化特征有关；沙尘期，一方面由于空气中的颗粒物浓度增加，削弱了到达地面的太阳辐射，从而阻碍了O₃生成的潜势^［1］；另一方面由于沙尘期良好的气象扩散条件，加速了O₃的扩散稀疏，使得O₃峰值明显低于非沙尘期（4月19日西安市O₃峰值为213 μg·m^-3），日变化幅度明显减小。

基于Meteoinfo软件利用HYSPLIT模式对西安市2023年4月20日02：00至21日06：00一次典型沙尘过程中500 m和1 000 m高空的PM₁₀颗粒物进行24 h后向轨迹计算，得到了沙尘移动的路径。由图9可知，此次沙尘过程中西安市沙尘入侵路径大致可以分为3条：西北路径、偏北路径和偏东路径。500 m高空，源自蒙古国南部的沙尘由北向南起沙入境，到中国内蒙古中部的库布齐沙漠、毛乌素沙地一带，沙尘物质不断得到补充，一路南下抵达西安，最终形成偏北路径；1 000 m高空，气流轨迹一部分来自内蒙古西部的巴丹吉林沙漠，在西北气流的裹挟下途经腾格里沙漠、乌兰布和沙漠等，最终抵达西安，形成西北路径；还有一部分气流来自河南北部的沙地，这些沙尘颗粒随上升气流运送至高空， 在东北气流的裹挟下传输至西安。该路径气流轨迹最短，说明来自河南北部的气团移动速率最慢，沙尘影响最小。

PSCF分析法是一种基于污染气流轨迹来识别源区的方法，仅反映受点城市的沙尘潜在贡献源区，WPSCF高值区对应沙尘源地的潜在贡源区；而CWT分析法在PSCF的基础上对污染轨迹进行权重计算，可以反映该区域对受点城市的沙尘贡献大小，WCWT值越大，代表该区域对受点城市的沙尘贡献值就越大。从图10可以看出，PSCF和CWT分析结果存在一定差异，在PSCF分析中，500 m高空下高WPSCF值主要分布在陕北至内蒙古中部的毛乌素沙地一带，1 000 m高空下高WPSCF值主要分布在宁夏北部、内蒙古西部巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及河南北部一带；而在CWT分析中，500 m高空下的CWT结果呈“Y”型叉状分布，西北路径WCWT高值区域在内蒙古西部、甘肃东部的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及宁夏北部地区，偏北路径的高值中心在蒙古国南部以及内蒙古中部戈壁沙漠地区，1 000 m高空下的WCWT高值分布区域与500 m高空下的西北路径高值区保持一致。由此可以看出，CWT模拟效果与上述沙尘传输路径结果更为契合，CWT对沙尘来源的模拟效果更好。

结合气流后向轨迹、PSCF和CWT分析，对照蒙古国和中国沙漠地带分布可知，此次西安市沙尘天气沙尘输送路径主要有3条——西北路径、偏北路径以及偏东路径，其中以西北路径为主。沙尘潜在源区分为境内和境外，境外沙尘主要来自蒙古国南部的戈壁沙漠，输沙量相对较少；境内源区主要位于中国内蒙古西部的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及中部的库布齐沙漠、毛乌素沙地等地区。值得注意的是，河南北部的沙地也是此次影响西安市沙尘天气的重要来源，这可能与近年来全球气候变化异常，中纬度地区气候朝暖干化发展有关。

2023年春季西安市共发生9次沙尘天气过程，1次为扬沙，其余均为不同程度的浮尘天气。从时间来看，西安市沙尘天气多在3—4月，沙尘日数达23 d，4月是沙尘高发期；从空间分布来看，沙尘污染日数呈现出西多东少、周边多城中少的空间格局，草滩、长安区污染严重，小寨受沙尘污染较轻。

沙尘期大气颗粒物浓度显著升高，PM₁₀和PM_2.5浓度均远高于非沙尘期，且PM₁₀浓度变化幅度大于PM_2.5；PM₁₀、PM_2.5大气颗粒物浓度呈先增后减的波动趋势，4月达到峰值，其中PM₁₀月平均浓度最高值位于长安区，最低值为小寨；PM_2.5最高为临潼区，最低为小寨。

小寨、长安区、临潼区3个站点的PM_2.5/PM₁₀比值3月>5月>4月，PM₁₀与PM_2.5相关性3月<5月<4月，说明不同月份的主要颗粒物污染不同，3月以粗细粒子混合污染为主，PM₁₀和PM_2.5污染物来源较杂；4月以粗粒子污染为主，5月大气颗粒物浓度较低；此外，气象因子对大气颗粒物浓度变化也有影响，低风速、高湿度的气象条件往往对应PM₁₀、PM_2.5浓度高值，且对PM_2.5影响更为显著。

4月20—21日为春季最强一次沙尘过程，达到扬沙级别，PM₁₀小时浓度峰值达到1 769 μg·m^-3。沙尘影响期间，PM₁₀、PM_2.5颗粒物浓度均呈现单峰型变化；PM_2.5/PM₁₀比值呈现“U”型变化，且沙尘后期颗粒物浓度明显低于前期；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3条：西北路径的主要沙源地在中国内蒙古西部的腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠地区，沿500~1 000 m高空传输；偏北路径的沙尘源地在蒙古国南部的戈壁沙滩以及中国库布齐沙漠、毛乌素沙地一带，主要沿500 m高空气流传输；偏东路径的沙源地在河南省北部的沙地，对于此次西安沙尘的贡献度最小。