2021年春季兰州市典型沙尘天气空气质量特征研究

甘肃省环境监测中心站 张良

一、引言

受气候、降水、温度和下垫面等因素的影响，我国北方地区容易发生大面积的沙尘天气，其中包括危害更为严重的沙尘暴天气，特别是在春季我国北方干旱、半干旱区更容易发生[1]。沙尘暴主要影响空气质量以及工业、农业生产，日常交通运输和人民的身体健康造成严重危害等[2]。沙尘暴天气发生时携带大颗粒物，同时还夹杂泥、沙之类的污染物，主要污染物一般是可吸入颗粒物PM10[3]。

2021年3月14日，我国北方遭遇近10年强度最大的一次沙尘天气，发生大面积的沙尘暴，波及范围广，持续时间长和视觉能见度低。其中兰州市位于沙尘暴途径区域，地处“二山夹一川”，且常年天气条件处于稳定状态[4]，空气质量受此次沙尘暴影响更为明显。本文采用兰州市2021年3月的城市环境空气国控自动监测数据，对春季兰州市典型的沙尘天气过程中的PM10和PM2.5变化特征进行研究，空气质量指标（AQI、PM10和PM2.5）和气象因素（日均温度、日均湿度、日均风速、日气压、日见能见度、日总降水量和日平均总云量）相关性进行分析，为我国北方沙尘暴天气发生过程总结规律，加强沙尘天气对空气质量变化的科学认识，为今后长期生态环境的综合治理提供参考依据。

二、研究材料与方法

（一）研究区概况

兰州市周围环绕易发沙尘天气区域，其中北面主要是巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，是沙尘暴的频繁发生区域，西南方向是青藏高原，东边与黄土高原接壤，是我国西北地区沙尘暴向东移动的必须经路线[5]。兰州属温带大陆性气候，境内主要是黄土地貌，生态环境相对脆弱，植被稀少、降水量低、土壤含水率也低，容易形成沙尘天气。

（二）数据来源

兰州市2021年3月城市环境空气国控自动监测数据和气象要素数据来源于甘肃省兰州市6个国控环境空气质量自动监测站评价点，分别是生物制品所、铁路设计院、百合公园、兰炼宾馆、教育港和榆中和平。评价项目为可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）和AQI。各自动监测站点仪器均参照《环境空气质量自动监测技术规范》（HJ/T193-2005）定期校准，并严格实施指控措施，确保监测数据的有效性和准确性。

（三）计算方法和分析

环境空气自动监测数据主要依据《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ663）、《环境质量报告书编写技术规范》中的相关规定进行统计，颗粒物和空气质量综合指数（PM10、PM2.5和AQI）采用SPSS26整理分析，采用OriginPro2021制图。

三、结果与分析

（一）3月空气质量级别

由图1可知，2021年3月兰州市环境空气质量评价为“优”的天数为零，空气质量评价为“良”的天数占比为45.2%，评价为“轻度污染”天数占比为19.4%，评价为“中度污染”天数占比为12.9%，评价为“重度污染”天数占比为3.2%，评价为“严重污染”天数占比为19.4%。结果显示，此次我国北方大面积的沙尘暴天气对兰州市3月环境空气质量造成了很大的影响，中度污染和严重污染天数明显增多。

图1 兰州市3月空气质量级别

（二）PM10和PM2.5特征分析

由图2可知，2021年3月兰州市的颗粒物浓度（PM10和PM2.5）出现了两次波峰，时间为3月14日至3月20日，持续将近6天。其中，3月16日PM10浓度值为3646μg/m3，相比3月14日沙尘天气初始时间，浓度值暴增7倍。3月16日PM2.5浓度值达到峰值，为668μg/m3，相比3月14日沙尘天气初始时间，浓度值增加近6倍。3月第二次沙尘天气影响相对影响较小且持续时间短，发生在3月29日，PM10和PM2.5的浓度分别为653μg/m3和165μg/m3。结果显示，3月兰州市的颗粒物浓度（PM10和PM2.5）时间点与我国北方大面积沙尘暴天气时间吻合，受沙尘暴的影响，PM10浓度的变化大于PM2.5的浓度的变化，说明沙尘天气对PM10浓度的影响大于对PM2.5浓度的影响。

图2 兰州市3月颗粒物日均值浓度变化

（三）气象因素与空气质量的关系

由图3可知，在沙尘天气影响过程时，AQI、PM10和PM2.5均呈现出增加的趋势，同时，日平均总云量和日能见度也出现了相应的变化。对3月的空气质量指标（AQI、PM10和PM2.5）和气象因素（日均温度、日均湿度、日均风速、日气压、日见能见度、日总降水量和日平均总云量）进行了相关性分析，由图4可知，AQI与PM2.5、PM10呈显著性正相关，而与日均湿度、日气压和日见能见度呈显著负相关；PM10与日均风速呈现弱正相关，与日均湿度、日气压和日能见度呈显著负相关；PM2.5与日均温度呈现弱正相关，与日均湿度、日气压和日能见度呈显著负相关。结果表明，沙尘暴过境时，造成AQI、PM10和PM2.5均升高，而日均湿度、日气压和日能见度降低，AQI、PM10和PM2.5均与日均湿度、日气压和日能见度有良好的相关性。

图3 兰州市3月气象因素、空气质量日变化趋势

图4 气象因素与空气质量的关系

四、小结

（1）2021年3月兰州市空气质量评价为“良”的天数占比为45.2%，评价为“中度污染”和“严重污染”天数占比明显增大；

（2）2021年3月兰州市的颗粒物浓度出现了两次波峰，分别在3月16日（PM10和 PM2.5浓度值为3646μg/m3和668μg/m3）和3月29日（PM10和PM2.5的浓度分别为653μg/m3和165μg/m3），沙尘天气对PM10浓度的影响大于对PM2.5浓度的影响。

（3）沙尘天气过程造成PM10和PM2.5浓度值和AQI升高，而日均湿度、日气压和日见能见度降低，AQI、PM10和PM2.5均与日均湿度、日气压和日能见度有良好的相关性。