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典型風(fēng)沙天氣對空氣污染的影響

1環(huán)境空氣中顆粒物濃度的變化懸浮灰塵天氣分為三種類型:浮塵、懸沙和粉碎。浮塵指的是塵土、細(xì)沙均勻地浮游在空中,使水平能見度小于10km的天氣現(xiàn)象;而當(dāng)大風(fēng)將地面塵沙吹起、空氣相當(dāng)混濁、水平能見度在1—10km之內(nèi)時稱為揚沙;水平能見度小于1km時稱為沙塵暴。沙塵天氣發(fā)生時,能見度明顯下降,大氣中顆粒物濃度驟然增多,環(huán)境空氣質(zhì)量在一定程度上會出現(xiàn)惡化。近年來,關(guān)于大氣污染與氣象條件之間關(guān)系的研究已有不少,周江興對北京市幾種主要污染物與同期氣象要素關(guān)系進(jìn)行了分析,注意到二者之間存在明顯的非線性關(guān)系。楊書申等對2004年中國7個典型城市空氣質(zhì)量公報進(jìn)行了分析,研究了北京、上海氣象條件和顆粒物污染濃度的關(guān)系,指出合適的風(fēng)可以降低可吸入顆粒物濃度。鄭美琴,盧振禮對日照市的空氣污染與氣象要素進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著風(fēng)速的提高,污染物濃度呈下降趨勢。王淑英等利用北京地區(qū)的PM10逐時濃度監(jiān)測資料,分析了PM10濃度與地面常規(guī)氣象要素的相關(guān)性。本文側(cè)重利用石家莊市逐時污染物濃度和風(fēng)向、風(fēng)速等資料,對污染物濃度的演變規(guī)律及其與風(fēng)的關(guān)系進(jìn)行分析,試圖找出某些規(guī)律,為沙塵天氣造成的高污染預(yù)報、預(yù)警提供參考依據(jù),最大限度地降低沙塵天氣造成的不利影響。2污染源濃度和環(huán)境監(jiān)測所用資料為2002年1月—2006年6月逐時污染物資料和氣象資料。其中污染物資料由石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心提供,包括逐日PM10,SO2和NO2日平均污染物濃度資料和沙塵日前后5d的各環(huán)境監(jiān)測子站的逐時PM10濃度資料。環(huán)境監(jiān)測站包括化工學(xué)校、五十四所、平安電站、軍械學(xué)院、高新區(qū)、西北水源、西南高教和監(jiān)測中心共8個子站,其中2002年前為6個,2003年以后又增加了后2個站。氣象資料采用了2002年1月—2006年6月石家莊市氣象觀測站觀測的逐日沙塵天氣現(xiàn)象(沙塵暴、揚沙和浮塵)及其出現(xiàn)時間,以及逐時的風(fēng)向和風(fēng)速(正點前10min平均)、日極大風(fēng)速資料。3采用時間法分析沉積物開采和日污染物濃度3.1浮塵和揚沙分布通過對春季天氣現(xiàn)象的普查得出,2002—2006年石家莊市共出現(xiàn)沙塵天氣8次,其中浮塵6次,揚沙1次,浮塵和揚沙同時出現(xiàn)1次,無沙塵暴天氣出現(xiàn);在分布年份上,2002年為2次,2003年無,2004年為1次,2005年為2次,2006年為3次。近幾年,石家莊的沙塵天氣發(fā)生次數(shù)呈增多趨勢。3.2各污染物污染嚴(yán)重或轉(zhuǎn)染表1列出了沙塵天氣的具體出現(xiàn)時段及其導(dǎo)致的高污染日首要污染物和污染級別。通過對比分析沙塵天氣出現(xiàn)前后幾日的污染物日平均濃度得出:(1)沙塵天氣過程的首要污染物均為PM10,其變化曲線呈正態(tài)型分布,表現(xiàn)為先升后降的趨勢;(2)污染物SO2和NO2在沙塵出現(xiàn)前后,變化幅度輕微,說明氣態(tài)污染物幾乎不受沙塵天氣影響或影響不大;(3)春季中度以上污染日均出現(xiàn)在沙塵日當(dāng)日或次日,說明導(dǎo)致春季PM10高污染的主要原因是春季氣候干旱和沙塵天氣影響,且對春季污染的貢獻(xiàn)量是巨大的;(4)沙塵天氣的日污染水平不僅取決于污染強度,還與持續(xù)時間等因素有關(guān)。當(dāng)污染物持續(xù)時間較短時,可能會出現(xiàn)短時間的高污染事件,而相應(yīng)日平均污染物濃度表現(xiàn)不太明顯的情況,如2002年4月3日、2005年4月20日和2006年3月27日的3次沙塵天氣所對應(yīng)的日污染級別均為Ⅲ級。3.3隨著時間的推移,p10的濃度變化及其與風(fēng)速的關(guān)系3.3.1來型和本地型根據(jù)沙塵天氣污染物源地,將污染源分為外來型、本地型以及二者綜合作用型3種。外來型指的是當(dāng)上風(fēng)向沙塵源地出現(xiàn)沙塵天氣時,在有利的高空氣流引導(dǎo)下,沙塵向下風(fēng)向輸送而導(dǎo)致的污染物濃度升高;本地型指的是本地大風(fēng)將地面塵沙吹起時,導(dǎo)致空氣相當(dāng)混濁,造成污染加劇的情況;綜合型指的是外來與本地污染源共同作用時的情況。3.3.2污染物濃度分析分析2002年3月20—21日污染物濃度和風(fēng)速演變曲線(圖1)以及對應(yīng)的地面、高空天氣形勢圖可以看出,20日08時,內(nèi)蒙古、山西已有小范圍的沙塵暴、揚沙和浮塵出現(xiàn),石家莊市處于鋒前低壓區(qū),高空為西南氣流,對應(yīng)的空氣質(zhì)量良好。12時左右,隨著地面冷鋒的過境,風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北,風(fēng)速驟然增大到5.7m.s-1,瞬時最大風(fēng)速7.0m.s-1(12:08),與此對應(yīng),各監(jiān)測點位的塵污染物濃度都表現(xiàn)出突增趨勢,各子站的PM10污染物濃度均增加到0.600mg.m-3或以上,平均值為0.660mg.m-3,空氣質(zhì)量狀況達(dá)重度污染水平,最大值出現(xiàn)在西北水源監(jiān)測點,為0.701mg.m-3。之后,污染物濃度開始表現(xiàn)為下降的趨勢,但當(dāng)風(fēng)速分別于20日17,22時和21日05時出現(xiàn)6.0,3.3m.s-1和2.7m.s-1的極大值中心時,污染物濃度也相應(yīng)地出現(xiàn)階段峰值。此次污染過程持續(xù)時間為25h。21日14時后轉(zhuǎn)為良好。此次沙塵天氣過程,浮塵和大風(fēng)均出現(xiàn)在地面鋒面過境時,表明本次過程沙塵源主要是由本地大風(fēng)引起的。3.3.2.浮塵或揚沙對高污染的影響2004年3月10日、4月20日和2006年3月27日也符合此型。它們的共同特點:(1)均伴有冷鋒出現(xiàn),在鋒面過境時,地面風(fēng)速迅速增大(4.4m.s-1以上),并伴隨有浮塵或揚沙天氣出現(xiàn),PM10濃度躍增,小時平均值為0.6mg.m-3或以上,達(dá)重度污染水平;(2)大風(fēng)吹起本地大量沙塵是引發(fā)污染快速形成的主要原因,高污染出現(xiàn)時間不早于強風(fēng)出現(xiàn)時間,高污染持續(xù)時間取決于陣風(fēng)的強度和持續(xù)時間;(3)PM10污染濃度與風(fēng)速成正相關(guān)。即風(fēng)速越大,PM10濃度越高,污染越嚴(yán)重。這一結(jié)果與文獻(xiàn)提出的結(jié)論“隨著風(fēng)速的提高,污染物濃度呈下降趨勢”不同,這可能與2市的地表狀況和地理位置差異有關(guān)。3.3.3地面和高空條件2006年5月17—18日是一次較典型的外來型浮塵天氣過程(圖2)。5月16日,在我國河北省北部40°N以北的我國內(nèi)蒙古、蒙古國以及我國西部的陜西、寧夏一帶出現(xiàn)大范圍的沙塵暴、揚沙等沙塵天氣。16日夜間至17日上午,石家莊市地面為偏北風(fēng),且風(fēng)速維持在1.6m.s-1(極大1.9m.s-1),高空為一致的西北氣流,依靠高空風(fēng)的輸送,沙塵源源不斷地被輸送到石家莊市上空,使得PM10濃度從17日03:00開始緩慢上升,到15:00全市平均值已經(jīng)達(dá)到了0.622mg.m-3;5月17日中午前后,地面轉(zhuǎn)為鞍型場控制,風(fēng)向轉(zhuǎn)偏南風(fēng),但風(fēng)速持續(xù)較小(≤3m.s-1),平均風(fēng)速僅為1.5m.s-1,在不利于污染物稀釋和擴散的環(huán)流場形勢下,高于0.600mg.m-3的狀況一直持續(xù)到18日13時;18日13:00—17:00,偏南風(fēng)速開始增大,16:55風(fēng)速增大到5.3m.s-1,瞬時最大風(fēng)速為9.3m.s-1,可吸入顆粒物濃度迅速回落。18日22:00以后,空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良好。3.3.3.高空風(fēng)漂流至東南角特點:(1)過程前期,上游有大范圍的沙塵暴、揚沙等強沙塵天氣出現(xiàn),當(dāng)高空風(fēng)向與塵源處于石家莊市方位一致時,沙塵隨高空風(fēng)漂流到石家莊市上空;(2)對應(yīng)地面天氣形勢場較弱,風(fēng)速較小,不利于污染物稀釋和擴散。弱風(fēng)持續(xù)時間越長,污染物持續(xù)積聚時間越長,污染也越嚴(yán)重;(3)PM10濃度與南風(fēng)近似呈反相關(guān),即風(fēng)小時污染物積累。風(fēng)大時對應(yīng)污染物的稀釋、擴散。而偏北風(fēng)時則有利于污染物積累,這可能與污染源地位于偏北方向有關(guān)。3.3.4月內(nèi)地面和邊界層污染特征2006年3月9日白天,受西北來強冷空氣影響,內(nèi)蒙古區(qū)和甘肅、寧夏以及河北省上游等地出現(xiàn)大范圍的強沙塵天氣(沙塵暴、揚沙和浮塵)。在高空西北氣流的輸送作用下,部分沙塵被輸送到石家莊市上空,在地面不利于污染物稀釋、擴散的環(huán)境中,導(dǎo)致了長時間、高強度的污染事件。表2分4個時段列出了2006年3月9—11日石家莊市地面和高空形勢、地面主導(dǎo)風(fēng)向、極大風(fēng)速和出現(xiàn)時間以及對應(yīng)的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。圖3為對應(yīng)的石家莊市污染濃度和風(fēng)速演變曲線,以下分時段進(jìn)行分析。(1)第1時段:9日白天,石家莊上游出現(xiàn)沙塵天氣,依靠高空西北氣流輸送,外來沙塵在本市上空積聚,地面低壓場不利于污染物的稀釋、擴散,石家莊市能見度逐漸下降,出現(xiàn)霾,污染物濃度逐漸上升。但東南風(fēng)階段極大值對應(yīng)著PM10濃度的下降。(2)第2時段:9日夜間,地面逐漸轉(zhuǎn)低壓后部,風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),污染物濃度繼續(xù)上升,并于9日22—23時出現(xiàn)PM10濃度極大值;10日05—07時,西北風(fēng)突然加大,吹起大量本地塵土,并伴有揚沙天氣出現(xiàn),能見度下降,在外來污染與本地污染源共同作用下,污染物濃度急劇升高,06時全市平均污染物濃度為0.91mg·m-3,達(dá)此次過程的峰值。(3)第3時段:地面高壓主體東移,石家莊市又轉(zhuǎn)為低壓場控制,風(fēng)向轉(zhuǎn)回東南風(fēng),天空狀況為浮塵并持續(xù),隨著午后東南風(fēng)加大,污染略有緩解但仍維持高水平。(4)第4時段:10日夜間以后,高壓以偏東路徑南壓,石家莊市轉(zhuǎn)為東北風(fēng),受強冷空氣影響。11日開始,污染物濃度迅速回落,污染過程結(jié)束,空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。3.3.4.污染物濃度分析2005年4月27—28日,我國河北省上游的蒙古國、我國內(nèi)蒙古等區(qū)域出現(xiàn)沙塵暴和揚沙等沙塵天氣,由于高空西北氣流的水平輸送,部分沙塵被輸送到石家莊上空。27日至28日09時,地面處于低壓控制,偏南風(fēng),在此期間出現(xiàn)2個偏南風(fēng)風(fēng)速的極大值,即27日13時的東南風(fēng)4.5m·s-1和28日03時的西南風(fēng)4.1m·s-1,對應(yīng)的污染物濃度略有下降,且與風(fēng)速呈弱反相關(guān)關(guān)系。28日08時以后,地面高壓東移南壓,風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北風(fēng),污染物濃度開始出現(xiàn)急劇上升,風(fēng)速在13時前后出現(xiàn)4m·s-1極大值。在外來塵源沉降與本地大風(fēng)吹起的塵土綜合作用下,各監(jiān)測點位的PM10濃度值先后達(dá)到濃度最高極限值1mg·m-3,并持續(xù)至14時。此段時間,北風(fēng)的大值對應(yīng)污染物濃度的高值,污染物濃度與北風(fēng)風(fēng)速呈正相關(guān)。14時之后,污染物濃度值緩慢下降(圖4)。3.3.4.本地污染源的影響除上述2個個例外,2002年4月3日也屬于此例。通過對這3次沙塵天氣的統(tǒng)計分析得出以下共性:(1)高污染起因于外來污染源與本地污染源綜合作用。過程前期,上游地區(qū)有大范圍的沙塵暴、揚沙等強沙塵天氣出現(xiàn);本地風(fēng)起時,伴隨大風(fēng)吹起本地沙塵;(2)過程前期,地面氣壓場不利于污染物稀釋擴散,高空西北急流輸送上游沙塵使得污染物濃度呈上升趨勢,同時,本地大風(fēng)揚起沙塵會進(jìn)一步加劇污染;過程后期,隨著冷空氣的影響,污染得以緩解;(3)由于污染源大多來自偏北方向,在外來污染源影響階段,偏南風(fēng)與污染物濃度近似呈反相關(guān),而北風(fēng)則有利于污染物濃度積累;當(dāng)疊加本地污染源綜合作用時,高污染持續(xù)。此型高污染出現(xiàn)時間不遲于本地大風(fēng)出現(xiàn)時間。4有組織排放污染物(1)石家莊沙塵天氣的首要污染物均為可吸入顆粒物,對二氧化硫和二氧化氮等氣態(tài)污染物影響不大。污染物PM10變化曲線呈正態(tài)型分布。春季中度以上污染日均出現(xiàn)在沙塵日當(dāng)日或次日,表明導(dǎo)致春季強污染的主要原因是由于春季氣候干旱、多風(fēng)且沙塵天氣多發(fā)而造成的,對春季污染的貢獻(xiàn)量是巨大的。(2)沙塵天氣污染源分外來型、本地型以及兩者共同影響型3種。(3)本地型沙塵污染源來自本地,PM10濃度與風(fēng)速呈正相關(guān),污染的嚴(yán)重程度主要取決于風(fēng)速大小和強風(fēng)持續(xù)時間,高污染出現(xiàn)時間不早于強風(fēng)出現(xiàn)時間。當(dāng)預(yù)報冷鋒過境,地面風(fēng)速突然增大,將出現(xiàn)大風(fēng)、揚沙或浮塵等天氣現(xiàn)象時,預(yù)警可能出現(xiàn)本地型沙塵污染。(4)外來型沙塵污染源來自

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