高原地区一次沙尘重污染过程分析——以甘南州为例.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:甘肃省自然科学基金项目(编号:J R RA )作者简介:陶会杰(),女,硕士,高级工程师,研究方向为环境空气质量预报.高高原原地地区区一一次次沙沙尘尘重重污污染染过过程程分分析析 以以甘甘南南州州为为例例陶会杰,王莉娜(甘肃省环境监测中心站,甘肃 兰州 )摘要:利用空气质量自动监测数据,分析了 年甘南州空气质量状况,及PM 和PM 浓度月度、季节及日变化特征,发现由沙尘导致的PM 浓度升高是甘南州的主要污染天气.结合天气形势和HY S P L I T后向轨迹等资料,以一次典型的高原沙尘传输过程为研究对象,结果表明:月 日,青藏高原午后动量下传大风产生沙尘天气,沙尘气团东移影响甘南州,过程中PM 小时浓度峰值达 g/m,为严重污染级别.后向轨迹传输路径也显示,本次沙尘重污染来自甘南州西北方向的青藏高原地区.关键词:沙尘天气;天气形势;后向轨迹;甘南州中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()A n a l y s i so faS e v e r eD u s tP o l l u t i o nE v e n t i naP l a t e a uR e g i o nAC a s eS t u d yo fG a n n a nP r e f e c t u r eT a oH u i j i e,W a n gL i n a(G a n s uP r o v i n c eE n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n gC e n t e r,L a n z h o u,G a n s u ,C h i n a)A b s t r a c t:U s i n ga u t o m a t i c a i r q u a l i t ym o n i t o r i n gd a t a,a na n a l y s i sw a s c o n d u c t e do n t h e a i r q u a l i t ys t a t u so fG a n n a nP r e f e c t u r e i n M o n t h l y,s e a s o n a l,a n dd a i l yv a r i a t i o n s i nPM a n dPM c o n c e n t r a t i o n sw e r ea l s oe x a m i n e d I tw a sd i s c o v e r e dt h a t t h em a i nc a u s eo fp o l l u t i o n i nG a n n a nP r e f e c t u r ew a s t h e i n c r e a s e i nPM c o n c e n t r a t i o n sd u et os a n d s t o r m s B yc o m b i n i n gw e a t h e rp a t t e r n sa n di n f o r m a t i o nf r o mHY S P L I Tb a c k w a r dt r a j e c t o r i e s,a t y p i c a lh i g ha l t i t u d es a n d s t o r mt r a n s p o r te v e n tw a ss e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c t T h er e s u l t s s h o w e d t h a t o nM a r c h t ht o t h,s t r o n gw i n d sw e r eg e n e r a t e dd u e t o t h ed o w n w a r dt r a n s f e ro fm o m e n t u mi nt h ea f t e r n o o no nt h eQ i n g h a i T i b e tP l a t e a u,l e a d i n gt os a n d s t o r mw e a t h e r T h es a n d s t o r ma i rm a s sm o v e de a s t w a r da n da f f e c t e dG a n n a nP r e f e c t u r e,w i t ht h ep e a kh o u r l yc o n c e n t r a t i o no fPM r e a c h i n g g/m,w h i c h i s c l a s s i f i e da s s e v e r ep o l l u t i o n T h eb a c k w a r d t r a j e c t o r yo f t h e t r a n s p o r tp a t h i n d i c a t e dt h a t t h es a n da n dd u s t a i rm a s so r i g i n a t e d f r o mt h en o r t h w e s td i r e c t i o no fG a n n a nP r e f e c t u r e,w h i c h i s t h eQ i n g h a i T i b e tP l a t e a ur e g i o n K e yw o r d s:d u s tw e a t h e r;w e a t h e rs i t u a t i o n;b a c k w a r dt r a j e c t o r y;G a n n a nP r e f e c t u r e 引言当前,公众对生态环境的关注度日益增强.大气污 染 物 的 暴 露 等 环 境 问 题 关 乎 人 体 健 康 安全,而沙尘天气因其影响范围广、发生频率高,历来是各领域专家学者研究的热点.钱正安等通过研究,揭示了中蒙地区的沙尘来源.尹晓惠等统计发现影响北京市沙尘天气的主要传输路径,分别随冷空气自偏西、西北和偏北方向移动而来.吴丽萍等 以淄博市为例,研究重工业城市发生沙尘天气的污染特征,表明在上游沙尘传输和本地污染物累积的共同影响下造成了颗粒物浓度 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期的升高.甘南藏族自治州(以下简称甘南州),位于甘肃省西南地区,是黄河上游重要的水源涵养区,也是国家西部生态安全的重要屏障.随着深入推进生态文明建设,甘南州的生态环境保护取得了一定的成效,州府所在地合作市于 年被命名为国家生态文明建设示范区.因地处青藏高原东北边缘,受高原特殊的地形地貌、生态功能和气象气候等因素影响,甘南州空气质量的变化特征与甘肃省其他市州存在一定差异.近年来青藏高原沙尘天气频发,对生态环境和人类健康造成了不同程度的影响,该地区的生态环境得到了越来越多的关注和保护.蒋盈沙等 从空间和季节分布研究发现,青藏高原发生沙尘天气次数少、强度弱于河西走廊地区,而冬、春季是青藏高原沙尘暴的多发季节.韩永翔等 通过对多站点、长时间序列的气象资料研究发现,青藏高原分布众多的沙尘源为高原沙尘天气的发生提供条件,而高海拔则使得高原沙尘可以远距离输送进而影响全球气候变化成为可能.本文基于环境空气质量自动监测数据,分析 年甘南州大气颗粒物PM 和PM 小时浓度的变化特征,并综合天气形势资料及HY S P L I T后向轨迹模型模拟结果,研究春季一次典型沙尘重污染天气过程,以期更好地认识青藏高原沙尘天气的特点和危害,为甘肃省西南地区空气质量预报提供案例参考.实验部分 数据来源本文中甘南州PM 和PM 的h平均浓度数据,以及日空气质量指数(AQ I)等数据,全部来源于中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台(h t t p s:/a i r c n e m c c n:/).天气形势相关资料来源于中央气象台网站(h t t p:/wwwn m c c n/)地面天气图,以及高空 h P a、h P a、h P a实况天气图.后向轨迹模型美国国家海洋和大气局(NOAA)后向轨迹模式(HY S P L I T),是一种混合计算的拉格朗日方法,现已广泛应用于大气污染物的传输和扩散模拟 .本文利用HY S P L I T后向轨迹中气流来向,更好地分析判别本次发生在高原地区的沙尘天气来源和沙尘气团的传输路径.结果与分析 大气颗粒物时间变化特征通过统计分析 年甘南州空气质量指数(AQ I)以及对应的空气质量级别和首要污染物,发现空气质量达“优”“良”级别的天数共 d,全年未发生重度及以上污染日数.污染天 d,其中中度污染级别天数d,出现在月 日和月 日,AQ I分别为 、,首要污染物为PM,均为沙尘传输造成的污染天气.对甘南州 年月度PM 和PM 质量浓度变化情况进行了分析对比,由图(a)可知,全年PM 质量浓度最高的为月份,其次是月份和 月份,春、冬季是甘南州沙尘天气的多发季节,沙尘天气导致了颗粒物浓度显著升高.PM 质量浓度在 月份呈上升趋势,并在冬季和春季维持较高浓度水平,这与大气边界层降低污染扩散不利,加之采暖燃煤排放等不利因素叠加导致.而夏秋两季(月份)颗粒物整体水平较低,月份是PM 和PM 质量浓度均最低的月份,这与降水天气增多及大气扩散条件较好有关.从浓度的日变化趋势来看,如图(b)所示,甘南州 年PM 和PM 浓度均呈现出明显的“双峰双谷”变化特征,这一特征在邢台市、齐齐哈尔市等很多城市 的颗粒物日变化中都有相同表现.各城市日变化趋势相近,但峰值出现的时间略有 不 同,甘 南 州 浓 度 波 峰 分 别 出 现 在 每 日:、:,而两次浓度波谷则分别于:和:出现,这与城市的气象日变化特征及机动车排放等人类活动因素息息相关.沙尘实况分析选取 年春季甘南州一次PM 重污染过程作为典型研究案例,分析沙尘期间颗粒物浓度的变化特征.同时此次发生在月 日沙尘过程,也是一次较为罕见的青藏高原沙尘天气传输过程.月 日,受高原午后动量下传大风影响,出现短时强沙尘天,:甘南州PM 小时浓度从 g/m陡升至 g/m,并不断波动攀升,至 日:达到峰值浓度,为 g/m.在维持了 h的重度至严重污染级别后,PM 小时浓度开始回落下降,空气质量逐渐好转.在本次沙尘天陶会杰,等:高原地区一次沙尘重污染过程分析环境与安全气过程中,甘南州PM 小时浓度也同步小幅升高,日:起I AQ I达 轻 度 污 染,并 持 续h,PM 小时浓度在 g/m,日:起浓度呈降低趋势.此次沙尘过境速度较快,日傍晚沙尘影响基本结束.图 年甘南州PM 和PM 浓度变化趋势 沙尘天气形势除污染排放等因素,天气形势的变化往往直接影响城市环境空气质量的好坏,.月 日,青藏高原午后动量下传大风在青海省造成短时强沙尘天气,随着沙尘气团东移,甘南州出现一次典型沙尘天气过程.研究此次沙尘期间的天气形势,日:h P a高度图显示,随着中纬度急流带南压,青藏高原西侧出现西北急流带,上游风速高达 m/s,并在垂直方向以下沉运动为主.从温度场看,高原北部为一宽平的温度冷槽.此后随着温度冷槽向西南方向发展,至:温度槽底已伸至高原中部地区,高度场与温度场夹角增大,槽区冷平流活动增强,大气斜压性也随之进一步增强,为动量下传提供了有利的动力条件.h P a天气图中,与 h P a温度冷槽相对应,高原地区在温度场表现为一温度暖脊,暖脊利于地面热低压的生成发展,从而造成上冷下暖的形势,增强各层结的不稳定性.同时可以看到高度场表现为反气旋式辐散中心,中低层的辐散有利于上层下沉运动的加强,将动量进一步向地面传送,为强风的产生提供条件.从地面实况天气图分析,此次过程在青藏高原北部有热低压的发展增强并向西延伸,随着地面温度升高,热低压快速发展形成地面辐合抬升,加之较低的相对湿度更利于干热对流的发生发展.干热对流活动使上下层大气动量充分交换,造成近地面大气动量增加、阵风增强.在动量下传大风的作用下,高原柴达木盆地及库木库勒盆地沙尘源地产生了强沙尘天气.沙尘气团在偏西强风的输送下翻越青藏高原,东移影响甘南州环境空气质量.由于此次起源于青藏高原的沙尘过程影响高度高,沙尘气团抵达甘肃境内后,仅对西南地区空气质量带来影响,甘南州因海拔高度较高受影响较为严重,部分时段环境空气质量转差为严重污染.月 日白天,高原风速减小,高空沙尘气团输送结束,空中沙尘粒子以自然沉降为主,空气质量逐渐转好,本次沙尘天气趋于结束.后向轨迹分析由甘南州碌曲县颗粒物雷达反演结果显示,发现在本次过程中沙尘垂直影响高度达 k m,因此分别选取 、及 m高度气团轨迹,以甘南州(E,N)为目标点,沙尘过程中PM 浓度高值 日来模拟 h后向轨迹,探明本次沙尘气团的移动传输路径.由图后向轨迹模拟结果发现,甘南州个高度的气团来向基本一致,均为其西北侧青藏高原传输而来.其中,与 m高度气团的传输距离相对较近,h前位于青海省中部区域,且多为贴地传输;m高度气团则来自于新疆至青藏高原一带,并在移动过程中高度不断降低.结论()综合分析甘南州 年空气质量状况,通 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期过对颗粒物浓度月变化、季节变化及日变化特征进行分析,发现月份是全年浓度水平最高的月份,冬、春 季 是 甘 南 州 沙 尘 天 气 多 发 季 节;PM 和PM 浓度日变化则呈现明显的“双峰双谷”趋势.图甘南州月 日:h后向轨迹()选取 年月 日一次典型的沙尘重污染过程作为研究案例,分析受青藏高原沙尘传输影响下,甘南州颗粒物浓度的变化特征.日:PM 小时浓度陡升至 g/m,日:达到峰值浓度 g/m,并维持 h重度及以上污染级别.高原沙尘移速较快,日傍晚沙尘天气基本结束,空气质量逐渐好转.()分析此次沙尘过程的天气形势,h P a主要特征为西北急流带带来大风,温度场冷槽发展,形成上冷下暖的不稳定层结;h P a表现为辐散中心,利于高空动量下传;地面热低压发展形成的干热对流使动量进一步下传,地面风速增大.由于甘南州海拔较高,受高原大风沙尘传输影响显著.()从HY S P L I T后 向 轨 迹 模 拟 的 结 果 看,、及 m个不同高度气团来向一致,均显示甘南州月 日沙尘重污染来自其西北方向的青藏高原地区.参考文献:雷宇,薛文博,张衍燊,等国家 大气污染防治行动计划 健康效益评估J中国环境管理,():郭云,蒋玉丹,黄炳昭,等我国大气PM 及O导致健康效益现状分析及未来 年预测J环 境科学研究,():谢鹏,刘晓云,刘兆荣,等我国人群大气颗粒物污染暴露反应关系的研究J中国环境科学,():董继元,刘兴荣,张本忠,等我国臭氧短期暴露与人群死亡风险的M e t a分析J环境科学学报,():王式功,董光荣,陈惠忠,等沙尘暴研究的进展J中国沙漠,():全林生,时少英,朱亚芬,等中国沙尘天气变化的时空特征及其气候原因J地理学报,():沈洁,李耀辉,朱晓炜西北地区气候与环境变化影响沙尘暴的研究进展J干旱气象,():钱正安,蔡英,刘景涛,等中蒙地区沙尘暴研究的若干进展J地球物理学报,():尹晓惠,时少英,张明英,等北京沙尘天气的变化特征及其沙尘源地分析J高原气象,():吴丽萍,李丽明,张向炎,等 年冬季淄博市一次沙尘天气颗粒 物 污 染 特 征 研 究 J环 境 科 学 研 究,():蒋盈沙,高艳红,潘永洁,等青藏高原及其周边区域沙尘天气的时空分布特征J中国沙漠,():韩永翔,奚晓霞,宋连春,等青藏高原沙尘及其可能的气候意义J中国沙漠,():马锋敏,高庆先,周锁铨,等北京及周边地区一次典型大气污染过程的模拟分析J环境科学研究,():高阳,韩永贵,黄晓宇,等基于后向轨迹模式的豫南地区冬季PM 来源分布及传输分析J环境科学研究,():王世强,黎伟标,邓雪娇,等广州地区大气污染物输送通道的特征J中国环境科学,():刘灏,王颖,王思潼,等基于HY S P L I T 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