【专家解读】冯银厂教授解读天津市3月4日沙尘天气影响

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导   读

2018年3月3-4日，在内蒙古-陕西北部-京津冀北部地区发生一次系统性的沙尘天气。4日上午，天津市出现短时沙尘天气，全市PM10平均小时浓度于上午7时达到峰值343μg/m3，PM2.5浓度仅为36μg/m3。国家大气污染防治攻关联合中心紧急组织专家对沙尘过程进行了分析，邀请天津市跟踪研究工作组负责人、南开大学冯银厂教授对此进行解读。

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整体情况

3月3日夜间，天津市850 hpa（1500米） 以下为东北风，850 hpa以上以西风为主。西风携带大量沙尘在高空传输，在低空以东北风进入天津市。3月4日凌晨后激光雷达监测到高空有明显的沙尘传输，强度大，持续时间长。地面风速在4日凌晨以后大幅升高，4日5时沙尘到达近地面，受大风影响，地面PM2.5浓度开始下降（由4时的168μg/m3下降至5时的120μg/m3），而PM10浓度持续升高（由4时的187μg/m3快速升高至7时的峰值浓度343μg/m3）。从8时开始，沙尘由地面上升至800m以上高空，PM10和PM2.5浓度开始下降，截止至3月4日下午15时，PM10浓度和PM2.5浓度分别下降至82μg/m3和18μg/m3。期间，PM2.5/PM10小时平均比值最低为0.08，且PM2.5/PM10 <0.2的时段维持了9个小时（ 6时至14时）。

图1 3月3-4日气溶胶激光雷达观测结果

图2  3月3-4日天津市局地气象参数

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沙尘传输特点

一、受环流天气形势的影响，本次沙尘的传输路径经锡林郭勒盟到达赤峰转向承德东部，沿渤海湾沿岸经唐山-天津再到达廊坊-北京，PM10浓度在传输路径城市间的分布呈现较大的空间差异。

受前期京津冀南部地区细颗粒物污染较重的影响，天津在沙尘天气出现前的污染阶段主要受来自西南方向的低空传输的影响。

4日4时前，天津市近地面（100 m）主要受来自西南方向的气团影响，而由低空至高空（500至1500 m）的气团逐渐发展至西北方向（图3）。

从天气形势来看，随着天气系统的演变，沙尘天气发生时天津处于高压底部，偏东风，天气形势为回流天气；从气团后轨迹来看（图4），到达天津的气团，无论是低空还是高空，均由西北方向快速移动至赤峰，转向承德东部地区后再沿渤海湾转经唐山-天津再到达廊坊和北京。

图3  3月3日14时-4日4时天津市100m，500m，1000m和1500m高度每2小时气团24小时后向轨迹

图4 3月4日4时-10时天津市100m，500m，1000m和1500m高度每小时气团24小时后向轨迹

从污染严重程度来看，截止3月4日15时，唐山受沙尘影响最为突出，其PM10小时峰值浓度为天津市周边城市最高（788μg/m3），其次为承德（396μg/m3），天津（343μg/m3），北京（332μg/m3），廊坊（302μg/m3）。唐山相对较高的PM10浓度（最高值出现时风速也最大，约为6-7级）可能与大风导致的地面扬沙影响有关，北京和廊坊相对较低的PM10浓度可能与其位于传输路径末端，且北京市风速相对其它城市较低，沙尘在传输路径中沿途沉降不断减少所致。

从污染时间跨度看，以PM2.5/PM10降至0.2以下为开始受沙尘影响（粗颗粒主导）计，则受影响的城市按时间先后依次为唐山，天津，廊坊和北京，这与沙尘传输路径所经过的城市顺序一致（由于沙尘只经过承德东部，故基于颗粒物全市平均浓度计算结果与其它城市不一致）；时间跨度上，天津和廊坊受粗颗粒影响的时间要长于唐山，这与沙尘的移动速度有关，沙尘在传输至唐山时风速明显高于天津和廊坊，截止数据统计时北京市PM10浓度仍然居高不下。

图5   3月4日天津及周边城市颗粒物浓度变化时间序列

二、沙尘出现期间，PM2.5中地壳元素（Fe、Ca）大幅升高，OC、EC的百分含量升高，硝酸盐占比大幅下降，硫酸盐含量较为稳定。

冬春季西北干旱区降水相对较少, 地表干燥松散, 抗风蚀能力很弱, 在有大风刮过时, 就会将大量沙尘卷入空中, 沙尘过程一方面增加了传输路径城市的PM10浓度，另一方面快速移动的气团也对细颗粒物有较好的清洁作用，本次沙尘过程对天津和廊坊市PM2.5的去除效果要好于北京（图5），这与沙尘到达北京时风速降低有关。

图6  3月4日PM2.5中金属元素浓度及相对百分含量

由于沙尘出现期间伴随着大风，受传输的沙尘和可能出现的地面扬沙的叠加影响，尽管PM2.5浓度下降明显，但PM2.5中的地壳元素如Fe和Ca的浓度和百分含量出现大幅升高，其中Ca的百分含量升高最为显著；此外，受大风天气清洁作用的影响，气态污染物浓度下降明显，环境相对湿度也大幅降低，不利于无机盐类的生成，硝酸盐含量出现大幅下降，但硫酸盐含量在沙尘天气前后无明显变化，可能与输送的沙尘中携带有一定背景值的硫酸盐粒子的影响有关（硫酸盐相对于硝酸盐，生命周期更长、区域性特征更为明显）。

图7  3月4日PM2.5中化学组分浓度及百分含量

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