薛一波，黄双燕，张小啸，雷加强，李生宇（1.中国科学院大学，北京 101408；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国科学院大气物理研究所，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029）风蚀沙尘天气过程是影响我国西北地区绿洲城市空气质量的首要因素，对城市交通运输、人类生产生活有着重要的影响［1］。受强冷空气影响，2018年11月30日—12月3日冬季新疆出现了罕见的沙尘雨雪混合天气，首府乌鲁木齐遭遇了暴雪、寒潮、大风和沙尘同时出现的异常天气过程，造成大气环境中颗粒物浓度显著增高。此类极端罕见的冬季大范围雨雪风沙混合天气事件影响面广，受灾程度大，受到国内外广泛的关注。雨雪风沙天气过程主要是在低压槽、冷锋和冷高压等多种天气系统的共同作用下产生，有复杂的水汽源汇结构和强有力的水汽集中机制［2］。新疆北部、西部和天山北坡一带是强降雨和暴雪天气的高发区，气象灾害的季节性十分明显，并且不同区域各有地域特色［3-4］。庄晓翠等［5］和杨霞等［6］通过研究发现，极锋急流、强西风锋区和低空西风急流是新疆暴雪天气的主要触发机制。北疆北部的强降雨雪天气是由于500 hPa 西西伯利亚低槽向强锋区移动的影响，高压后部、低压前部的天气形势造成区域内升温形成“暖区降雪”［7］。中亚低涡则是南疆西部强降雨雪的重要影响系统，低涡旋转分裂，短波东移，同时在塔里木盆地有冷空气回流，这种“东西结合”的天气形势形成了强降雨雪天气的环流条件［8］。水汽来源主要是北大西洋、里咸海和红海，以中低纬度纬向水汽输送为主［3］。此外，韩兰英等［9］和黄茂栋等［10］指出，冬季大气降尘的时空差异不仅与物理过程有关，还与地理环境等因素密切相关，起伏不平的地形有利于沙尘天气的形成，主要是通过影响冷暖空气强度以及大气经向环流［11］。在全球变暖和超强厄尔尼诺背景下，新疆2018年冬季高压偏强，加剧了下垫面的沙尘化，为沙尘天气提供了丰富的物质基础［12］。迄今为止，针对我国西北地区大气降尘事件的分析和降尘机制等方面的研究，多以春、夏两季为主，这是由于该时节的大范围降尘事件发生频率高，并且灾害影响程度大［13］。近年来，随着国家对大气环境质量的高度重视，冬季大气强降尘事件对空气质量的影响日益加重，相关研究也逐渐增多。例如，杨浩等［14］通过对比分析乌鲁木齐和克拉玛依大气质量状况发现，降尘量随季节变化十分显著，克拉玛依冬季降尘量受气象因素影响较大，乌鲁木齐降尘量受到自然因素及人为因素综合影响较大；张小啸等［15］指出新疆和田地区大气环境高浓度PM10（空气动力学直径≤10 μm 的颗粒物）与沙尘暴事件及地处沙尘源区紧密相关；宋思醒等［16］通过分析2018—2020年新疆乌鲁木齐、石河子和昌吉区域空气质量变化特征表明，PM10和PM2.5（空气动力学直径≤2.5 μm 的颗粒物）的年均浓度呈波动下降趋势，优良天数比例呈波动上升趋势；付宏臣等［17］研究指出新疆冬季沙尘天气过程对不同城市颗粒物浓度有不同程度的影响，总体表现为PM10浓度骤升，PM2.5浓度显著增加，PM10是影响区域空气质量的主要污染物。上述研究工作仅对新疆冬季雨雪风沙天气过程的发生、发展和维持的物理机制与地理环境进行了分析和诊断，且研究对象仅涉及新疆个别城市降尘事件对大气环境颗粒物浓度和空气质量的影响，对全疆范围冬季沙尘雨雪混合天气事件中大气污染物的变化特点及其环境影响的研究还较为薄弱，亟需深入分析。本文以2018 年11 月30 日18:00—12 月3 日18:00 新疆16 个主要城市的环境监测、气象观测记录和乌鲁木齐的大气降尘连续观测数据为依据，通过分析大气颗粒物PM2.5、PM10和空气质量指数（Air Quality Index，AQI）的时空变化特点，探讨了新疆500 hPa位势高度场分布特征，统计风速、气温和能见度的时间序列变化，系统研究新疆大气降尘量和颗粒物浓度对城市环境空气质量的影响，从而为我国北方地区冬季大气强降尘污染事件提供理论依据和数据支持，为大气环境治理和空气质量预报提供有效信息，这将对预防罕见的大气重污染事件具有实用价值。1.1 研究区概况新疆地处亚欧大陆腹地，地域辽阔，地形复杂，具有“三山夹两盆”的特殊地形地貌，是我国丝绸之路经济带的核心区域，在“一带一路”倡议中发挥重要作用。新疆北部位于中高纬度，属温带大陆性气候，冬季极锋急流频繁南下，使新疆成为中国冬季降雪最多，积雪最丰富的三大区域之一［4］。新疆南部气候干旱少雨，沙源丰富，沙尘暴灾害事件频繁发生，危害严重。新疆年均降水量150 mm 左右，各地降水量相差很大，北疆平原河谷地区降水量占全年的30%～42%，塔里木盆地降水量小于50 mm，沙尘天气频次年均100 d以上［13］。新疆冬季主要受西伯利亚高压控制，盛行西北风，并且南北跨度大，地形复杂，气温变化差异性显著，南疆年均气温为12 ℃，北疆为7 ℃［18］。1.2 数据来源与方法本研究根据空气污染的时空演变特点，将此次异常雨雪风沙事件天气过程划分为以下3 个时段：2018 年11 月30 日18:00—12 月1 日18:00（T1）、12月1 日18:00—2 日18:00（T2）、12 月2 日18:00—3 日18:00（T3）。重点选取乌鲁木齐、克拉玛依、库尔勒、吐鲁番、哈密、昌吉、博乐、阿克苏、喀什、和田、伊宁、塔城、阿勒泰、石河子、五家渠和阿图什16 个环境空气质量监测城市（图1）的PM2.5和PM10逐小时浓度数据作为空气污染物分析指标。大气颗粒物浓度数据来源于中国环境监测总站（http://www.cnemc.cn/），气象数据来源于中国气象数据网（https://data.cma.cn/），包含监测时段内16 个环境监测城市的能见度、风速和气温等气象要素数据。新疆2018年11月30日—12月3日500 hPa位势高度场数据来源于美国气象环境预报中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）联合制作的再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。图1 新疆16个环境监测城市站点分布图Fig.1 Distribution map of 16 environmental monitoring cities in Xinjiang,China根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633-2012）、《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）二类区二级浓度限值评价空气质量，AQI 分为优（0～50）、良（51～100）、轻度污染（101～150）、中度污染（151～200）、重度污染（201～300）和严重污染（>300）6个等级类别。同时在首府乌鲁木齐市区进行地面观测沉降实验，在5 个不同地点分别选取25 cm×25 cm 的“沙尘雪”样方，通过连续观测样方大小、沙尘重量和含沙尘雪厚度数据来估算乌鲁木齐的降尘强度，结果表明：乌鲁木齐市大气颗粒物总沉降量约90×104～152×104t，大气降尘强度均值为85 g·m-2，超过城市年均值的60%。2.1 异常雨雪风沙事件天气过程受冬季强冷空气影响，2018 年11 月30 日—12月3 日新疆遭遇雨雪、大风和沙尘同时出现的复合性天气过程，城市大气颗粒物及气象要素变化如表1 所示。新疆多地普遍出现6 级以上西北风，塔城、阿勒泰和克拉玛依等地瞬间极大风力达13 级。克拉玛依出现沙尘暴天气，大风携带沙尘向东南方向传输，使石河子到哈密沿天山一带的雨雪天气过程中夹杂大量沙尘。南疆塔里木盆地先后受到西北风和偏东风的影响，阿克苏、和田和喀什等地伴有扬沙或沙尘暴天气，最小能见度不足50 m。据气象资料显示，此次新疆冬季异常的雨雪风沙天气过程是近20 a来首次出现，对人民生产生活、交通运输和农牧业等造成严重的影响。表1 2018年11月30日—12月3日城市大气颗粒物及气象要素变化Tab.1 Change of urban pollutants and meteorological observations from November 30 to December 3,2018图2 显示了新疆2018 年11 月30 日—12 月3 日暴雪天气过程500 hPa位势高度场分布，新疆近10 a低槽类暴雪占总暴雪比例高达56%［19］，根据以往研究对于新疆暴雪天气过程500 hPa 典型环流形势的分类判断，此次暴雪天气过程属于低槽前部型［20］。新疆北部处于低槽前部，主要受西南气流控制，低槽前部型的天气过程中环流径向度较大，有利于南部水汽向北输送，易造成伊犁河谷、阿勒泰地区和乌鲁木齐到哈密沿天山一带的暴雪天气发生［19-21］。首府乌鲁木齐市城区是本次雨雪风沙天气过程的最大降雪中心，累计降雪量12 mm，新增积雪深度12 cm。全疆范围内降温幅度在7～23 ℃，最低气温在-31～-6 ℃。2.2 新疆城市PM2.5∶PM10比值变化PM2.5∶PM10的比值可代表细颗粒物在可吸入颗粒物中的占比，比值越小说明可吸入颗粒物中粗颗粒贡献越大，大气颗粒物中PM10含量越高，PM2.5∶PM10比值在30%～40%之间为轻度污染，比值大于50%表明细颗粒物污染较重［22］。通过对比T1、T2和T3这3 个时间段新疆16 个城市PM2.5∶PM10的比值结果可以看出（图3），南疆各城市在T1的PM2.5∶PM10比值最大，大于30%，说明此时间段南疆大气颗粒物中PM10的贡献率高达60%以上，空气质量主要表现为粗颗粒污染严重。对于北疆的伊犁、塔城和阿勒泰，PM2.5∶PM10比值均出现大于60%的情况，说明这3 个城市大气颗粒物中以PM2.5为主，细颗粒物污染较为严重。此外，北疆其他城市PM10比值均小于30%，说明PM10污染情况较为严重。PM2.5∶PM10比值最大值出现在T1的伊犁，为77%；最小值出现在T2的乌鲁木齐，为11%，表明乌鲁木齐大气颗粒物中PM10的贡献率高达85%以上，粗颗粒污染最为严重。总体来看，不同时间段各城市PM2.5∶PM10比值普遍小于50%，表明大气污染组分中的可吸入颗粒物主要以粗颗粒为主。图3 新疆16个城市PM2.5∶PM10比值变化Fig.3 Change of PM2.5∶PM10 concentration ratio of 16 cities in Xinjiang,China2.3 可吸入颗粒物PM10时间变化图4显示了新疆6个主要城市的PM10逐小时浓度的时间变化。可以看出，乌鲁木齐PM10浓度起初保持在270 μg·m-3以下的相对较低水平（图4a），之后急剧增高，在12月1日16:00达到最高值，为4443 μg·m-3，之后急剧下降，维持在400 μg·m-3以下。石河子从300 μg·m-3上下的水平急剧增高（图4b），在12月2日00:00达到最高值，为1169 μg·m-3，之后波动下降。吐鲁番12月2日1:00之前基本维持在500 μg·m-3以上（图4c），3:00达到最高值，为1702 μg·m-3。哈密在12 月1 日17:00 达到最高值（图4d），为1102 μg·m-3，此后急剧下降并始终维持在200 μg·m-3以下。阿克苏从300 μg·m-3左右的水平急剧增高（图4e），在12月1日14:00达到最高值，为4745 μg·m-3，然后波动下降并维持在700 μg·m-3左右。阿图什从12 月1 日8:00 开始波动上升（图4f），2 日14:00 达到最大值1045 μg·m-3，之后波动下降。PM10浓度异常偏高的时间主要集中在傍晚至凌晨，这可能与傍晚至夜间来自天山北坡的冷锋过境造成气流辐合上升形成气旋的过程有关［23］。并且与地理位置也有一定关系，白天人为活动增强，傍晚汽车尾气和SO2等污染物排放增强，城市逆温等复合作用造成空气中PM10浓度异常偏高［24］。图4 新疆6个主要城市PM10浓度逐小时变化Fig.4 Change of hourly PM10 concentration of 6 major cities in Xinjiang,China2.4 可吸入颗粒物PM10的空间分布图5 分析了新疆16 个城市监测站点的PM10浓度空间分布特征。结果表明，PM10浓度在10～858 μg·m-3之间变化，空间分布差异性明显，浓度高值区位于北疆沿天山一带和南疆西部，其中，乌鲁木齐和五家渠的PM10浓度最高，均在750 μg·m-3以上；南疆西部浓度次之，在400～700 μg·m-3之间变化；北疆西北部一带和哈密浓度相对偏低，在100 μg·m-3左右，其中，阿勒泰浓度最低，约为10 μg·m-3。造成乌鲁木齐和五家渠PM10浓度偏高的原因主要与地理位置有关［10］。受达坂城区“狭管效应”影响，大风天气使颗粒物输送至吐鲁番，造成浓度偏高，达到600 μg·m-3以上。北疆西北部受西风带天气系统影响较小，大风天气频率低，并且远离沙尘源，PM10浓度相对偏低［7］。喀什、阿克苏和阿图什浓度异常偏高可能与中亚气旋有关［3］，冷空气回流将沙源地——塔克拉玛干沙漠中的大量沙尘输送至周边城市，造成区域性PM10浓度偏高。图5 新疆16个环境监测城市PM10浓度空间分布Fig.5 Spatial distribution of PM10 concentration at 16 environmental monitoring cities in Xinjiang,China2.5 空气质量变化大气颗粒物的传输是影响城市空气质量的主要过程之一［16］。图6 分析了新疆6 个主要城市AQI逐小时变化特征。由此可知，乌鲁木齐AQI 时均值为34～500，空气质量状况的污染比重（AQI＞100 的类别占比）为71%，以严重污染为主，主要集中在12月1日7:00—2日3:00，表明期间大气颗粒物浓度最高，污染最为严重。石河子AQI 时均值为53～500，空气质量状况的污染比重为95%。吐鲁番AQI时均值为148～500，3日内均值为403，空气质量呈现连续污染状况，严重污染比重高达81%，受颗粒物污染最为严重。哈密AQI时均值为26～500，空气质量相对良好，优良比重为75%。阿克苏AQI 时均值为111～500，空气质量仅次于吐鲁番，严重污染比重为60%。阿图什AQI 时均值为15～500，前期空气质量相对良好，12 月2 日8:00 后，严重污染比重为68%。城市空气质量下降的主要原因是AQI由各种污染物空气质量分指数（Individual Air Quality Index，IAQI）中的最大值确定，IAQI 最大值主要为PM10，是首要污染物，在此期间异常的大风天气造成PM10浓度显著升高，并且在大气环流场急流作用下，颗粒物传输至绿洲城市区域，使大气环境质量严重恶化，这与沙漠粉尘颗粒物的风蚀观测实验结果［25-26］相一致。图6 新疆6个主要城市AQI逐小时变化Fig.6 Change of hourly AQI of 6 major cities in Xinjiang,China图7 显示了新疆8 个主要城市能见度、风速和气温逐小时变化特征。能见度是表征城市大气污染的重要物理量之一，反映了大气的浑浊程度［27］。结果表明，乌鲁木齐12月1日0:00起能见度开始大幅度下降（图7a），由1500 m下降至100 m左右，直至12月3日5:00，基本维持在250 m以下。石河子前期能见度高达2800 m（图7b），直至12月3日6:00，基本维持在400 m 左右，与乌鲁木齐一致性较高。博乐能见度在12月1日9:00之前上升趋势明显（图7c），维持在3000 m左右的较高水平，之后波动下降。阿勒泰能见度较高，基本维持在2000 m左右的较高水平（图7d）。吐鲁番能见度在12 月2 日3:00 下降至最低值（图7e），为190 m，傍晚至夜间出现第二次下降。哈密能见度两次大幅度的下降趋势均出现在傍晚至夜间这一时间段（图7f），在12月1日21:00达到最低值，仅有30 m。阿克苏能见度12 月1 日0:00能见度降低至80 m（图7g），此后波动上升。阿图什能见度波动下降（图7h），最低值出现在12 月2日3:00，为167 m。总体来看，能见度显著降低的时间基本出现在傍晚至凌晨，这可能与城市大气层结稳定有关，由上述分析可知，此时间段PM10浓度异常偏高，傍晚至夜间近地面静风天气以及大气呈弱下沉运动，形成了十分不利的扩散条件［28］。并且通过分析500 hPa 大气环流形势可知，该天气过程环流径向度较大，有利于南部水汽向北输送，造成暴雪天气过程中夹杂大量沙尘，导致能见度降低［5-7］。图7 新疆8个主要城市能见度、风速和气温逐小时变化Fig.7 Change of atmospheric visibility,wind speed and air temperature of 8 major cities in Xinjiang,China新疆此次大气强降尘事件具有突发性，强风是形成强降尘事件的动力条件。由图7 可知，北疆城市在T1时段风速有明显增大的趋势，其中乌鲁木齐和阿勒泰平均风速最高，达9 m·s-1；石河子次之，为8 m·s-1，风蚀强度较高。南疆城市大风天气出现时间普遍晚于北疆城市，其中沿天山南麓的吐鲁番大风天气主要出现在12 月2 日0:00—9:00，平均风速达12 m·s-1；哈密风速相对偏低，主要以轻风或微风为主，大气颗粒物污染较轻，空气质量相对良好；南疆西部阿克苏和阿图什的大风天气均出现在12月1日18:00，其中阿克苏3 h平均风速最大，达23 m·s-1，并且由于地处沙源地边缘，拥有充足的粉尘物质，结合一定的风动力条件使得城市大气颗粒物浓度显著增高。新疆8 个城市气温均有明显波动变化且总体下降的趋势（图7），其中吐鲁番平均气温最高，约为-1 ℃，阿克苏和阿图什次之，约为-3 ℃；乌鲁木齐、石河子和阿勒泰平均气温相对偏低，在-10 ℃左右。从空间分布来看，新疆城市气温总体表现为南疆高、北疆低；平原和盆地高、山区低的格局。大风寒潮天气过程中夹带的风蚀沙尘使大气浑浊度增高，太阳辐射的反射作用加强，使大气温度降低，气温所决定的地表干燥度对扬沙起决定性作用［18］。冬季北疆的土壤被冰雪覆盖，沙尘较少；而南疆的塔克拉玛干沙漠周围疏松土壤被积雪覆盖的时间十分短暂，在冷锋过境时易被卷入空气中，使得城市大气颗粒物浓度明显升高［29-30］，最终导致冬季大范围沙尘和雨雪混合天气事件的发生。本文基于我国西北新疆地区2018年11月30日18:00—12 月3 日18:00 的大气环境监测、气象观测记录和乌鲁木齐的大气降尘连续观测数据，分析了新疆绿洲城市的PM2.5与PM10浓度比值变化、PM10浓度时空变化和AQI 逐小时变化特点，探讨新疆500 hPa位势高度场分布特征，统计风速、气温和能见度的时间序列变化，系统研究新疆大气降尘量和颗粒物浓度对城市环境空气质量的影响。主要结论如下：（1）此次异常雨雪风沙天气过程造成新疆城市大气颗粒物污染组分主要以粗颗粒污染物为主，环境PM10最大浓度可达到4745 μg·m-3。乌鲁木齐大气降尘强度均值为85 g·m-2，超过城市年均值的60%。PM10浓度高值区位于北疆沿天山一带和南疆西部，其中，乌鲁木齐大气颗粒物总沉降量约90×104～152×104t，处于高强度水平。（2）北疆城市能见度普遍高于南疆城市，其中，吐鲁番空气质量呈现连续污染状况，重污染比重高达81%，受颗粒物污染最为严重。塔克拉玛干沙漠的风蚀沙尘颗粒物是此次新疆大范围雨雪风沙强降尘天气事件的主要来源。（3）南疆阿克苏地区平均风速最大，为23 m·s-1。大风天气发生频次与PM10浓度以及AQI 高度正相关，风动力条件和地处沙源地边缘是造成区域性PM10浓度显著升高的主要原因。（4）新疆城市气温呈波动变化且总体下降趋势，空间分布不均匀，总体表现为南疆高、北疆低；平原和盆地高、山区低的格局。新疆冬季气温偏低，空气干燥，在冷锋过境时易产生强对流天气现象，使城市大气环境降尘量显著升高。总之，此次新疆罕见的冬季大范围沙尘和雨雪混合天气事件导致了高强度的降尘量，大气颗粒物在大气环流急流作用下传输至绿洲城市区域，使空气质量严重恶化。因此，需要重视我国北方地区冬季大气重污染事件对城市空气质量的动态影响，进一步加大国土空间的生态环境治理并提升环境空气质量。猜你喜欢降尘沙尘空气质量连云港市大气降尘时空分布特征环境监控与预警(2021年1期)2021-02-05济南市降尘通量时空分布特征研究生态环境学报(2019年9期)2019-11-04可怕的沙尘天气学生天地(2017年12期)2017-05-17“空气质量发布”APP上线环境保护与循环经济(2017年3期)2017-03-03车内空气质量标准进展汽车与安全(2016年5期)2016-12-01重视车内空气质量工作 制造更环保、更清洁、更健康的汽车汽车与安全(2016年5期)2016-12-01南京市大气降尘固碳微生物群落多样性研究环境科技(2016年3期)2016-11-08开展“大气污染执法年”行动 加快推动空气质量改善中国环境监察(2016年11期)2016-10-24盖州市大气降尘特征分析科技视界(2015年1期)2015-03-20
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