2016—2020年常州市沙尘天气特征及影响

彭 燕，叶 香，何 涛

（江苏省常州环境监测中心，江苏 常州 213001）

沙尘气溶胶是大气气溶胶的主要成分之一[1-2]，是影响地球系统能量收支平衡的重要因素[3-4]，其可散射和吸收太阳辐射[5-6]，并通过凝结核和冰核来间接影响降水[7-8]。塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠是东亚地区2个主要的沙尘源区[9]，大量沙尘被扬起后，在西风带系统的引导下可进行远距离输送至中国东部甚至太平洋海域[10-11]。随着沙尘由源区向下游地区的输送，沙尘与沿途的人为气溶胶发生非均相反应，导致矿物气溶胶与污染性组分间的相互混合作用逐渐增强[12-14]，从而导致沙尘气溶胶的化学性质发生变化。当沙尘气溶胶南下到达长三角区域时，不断减弱的冷空气会使得该区域大气趋于静稳状态，不利于污染物消散，导致污染持续时间较上游区域更长[15-16]。

常州市地处长三角腹地，与上海和南京等距相望，除受本地污染源影响外，北方污染输送对本区域空气质量也有较大影响[17]，其中每年4—5月和10—11月受北方沙尘暴的影响可能性较大。为了研究沙尘天气对环境空气质量的影响，特选取2016—2020年间的常州市沙尘天气过程，利用数理统计和聚类分析进行分析研究，来获取常州市沙尘天气污染特征、主要的气团传输路径及其对PM2.5和PM10浓度的影响。以期为本地区沙尘的来源及影响研究提供参考，为沙尘预报的人工订正提供借鉴。

1 材料与方法

后向轨迹HYSPLIT模型是一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。该模型是1种欧拉和拉格朗日型混合的计算模式，其平流和扩散的处理采用拉格朗日方法，而质量浓度计算则采用欧拉方法。

聚类分析是1种基于多变量的客观统计分析方法，后向轨迹聚类分析是根据后向轨迹空间的相似度，将样本轨迹统计分析进而分类。

PM2.5和PM10数据根据江苏省常州市的6个国控环境空气质量评价点的监测数据进行算数平均获得，以常州市环境监测中心（31.76°N、119.95°E）为后向轨迹起始点，起始高度为100 m，逐小时模拟后向轨迹，轨迹计算时长96 h。气象资料采用NCEP（美国国家环境预报中心）提供的全球资料同化系统GDAS（全球同化系统）数据，数据分辨率为1°×1°。采用HJ 633—2012《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》中规定的空气质量分指数及对应的污染物项目质量浓度限值作为空气质量指数级别评价限值。

沙尘天气起始时间以中国环境监测总站下游地区沙尘影响为判据“小时质量浓度达到污染，PM10成为小时首要污染物，同时PM2.5/PM10小于0.45”，结束时间以“城市PM10小时质量浓度首次降至与沙尘天气前6 h的PM10平均质量浓度相对偏差小于等于10%”作为判定依据。

2 结果与分析

2.1 沙尘天气影响特征

2016—2020年，常州市受沙尘天气过程影响共15 d，年平均受沙尘天气影响3 d，其中2019年受影响天数最多（为7 d），2020年未受沙尘天气过程影响。沙尘天主要发生在春季的4—5月和秋季的10—11月，该时间段属于春季、秋季降水相对较少且北方冷空气仍在活跃或开始活跃中，为北方沙尘向南传输提供了气象动力。从PM10最大小时质量浓度看，出现沙尘影响时，常州市可吸入颗粒物质量浓度上升较快，短时间可达242～574 μg/m3，空气质量达到轻度—严重污染级别；每年沙尘天气过程影响对PM10年均质量浓度贡献在0.8～3.7μg/m3，对PM2.5年均质量浓度贡献在0.2～1.5μg/m3，沙尘天气过程影响导致全年优良天数减少1～2 d，年均优良率下降0.35～0.5个百分点（见表1）。

表1 2016—2020年常州市受沙尘天气影响情况

2.2 沙尘传输路径及影响

从常州市100 m高度气团后向轨迹（96 h）聚类分析结果看，北方沙尘暴影响常州市的路径主要分为3条：一是偏北方向（聚类A和B），从蒙古国或内蒙古自治区经京津冀、山东半岛中东部途经黄海等区域影响常州，该路径出现频率最高，占沙尘天气过程影响日的63.0%；二是从偏东方向海上回流（聚类C），沙尘从渤海或黄海出海后经黄海、东海影响常州市，占19.2%；三是偏西方向（聚类D），从宁夏、甘肃等地经陕西、河南和安徽至江苏影响常州市，占17.8%。

为表征各类气团影响下的大气污染物质量浓度水平特征，统计了各聚类类别的污染物平均质量浓度和超过规定质量浓度限值的污染物平均质量浓度。表2是研究期间每类轨迹对应的PM2.5和PM10算术平均值统计结果，及聚类类别中超过规定质量浓度限值的轨迹所计算的平均污染物质量浓度（以下简称污染质量浓度），其中PM2.5、PM10的规定污染质量浓度分别为75、150 μg/m3。

表2 各聚类类别的轨迹数和污染物平均质量浓度及污染质量浓度

从统计结果看，PM2.5平均质量浓度是聚类B较高，聚类A较低，PM2.5污染质量浓度与其平均质量浓度较相似，聚类B较高，聚类A和D较低；PM10平均质量浓度是聚类B较高，聚类C和D较低，PM10污染质量浓度是聚类C较高，聚类A和D较低；聚类D受秦岭和太行山脉等地形因素的阻挡作用影响较大，沙尘暴从该路径影响到长三角区域的概率相对较低，此外，受地形和植被等因素影响，该路径的沙尘暴对长三角区域的影响质量浓度也相对较低。聚类B轨迹路径相对较短，说明该路径的大气扩散条件总体较差，不利于污染物的消散，导致该路径PM2.5和PM10浓度均较高。聚类C虽然出现的概率相对较低，但受扩散条件较差影响，该路径沙尘天气可能导致长三角区域PM10的污染过程加重，持续时间延长。

3 结论

（1）2016—2020年，常州市每年平均受沙尘天气影响天数为3 d，主要发生在春季的4—5月和秋季的10—11月，沙尘暴可显著影响本地环境空气质量，影响较重时环境空气质量可达严重污染级别；沙尘天气过程对PM10年均质量浓度贡献在0.8～3.7 μg/m3，对PM2.5年均质量浓度贡献在0.2～1.5 μg/m3，沙尘天气过程影响使得全年优良天数减少1～2 d，全年优良天数比率下降0.35～0.5个百分点。

（2）从沙尘影响路径看，从蒙古国或内蒙古自治区经京津冀、山东半岛中东部途经黄海等区域影响常州的偏北路径对常州市的影响最大，在春夏和秋冬等季节交替时段需加大对上游区域沙尘天气的关注，及时判断沙尘可能的传输路径，从而对环境空气质量预报结果进行人工订正，以便提高环境空气质量预报准确率，此外，需关注黄海和渤海海域沙尘出海后可能的海上回流影响。