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沙尘天气对我国北方和邻国日本大气环境影响的初步研究

郭勇涛  
【摘要】:我国北方干旱、半干旱地区沙尘暴频发,不仅给当地工农业生产和生态环境造成严重危害,而且由于它能把大量沙尘卷起进行长距离输送,因此作为巨大的流动污染源会影响到下游的我国北方地区和邻国日本的大气环境,危害人群健康,已引起相关科技工作者和广大民众的高度重视。为此,本文对其进行了以下几个方面的监测研究:首先探讨了沙尘天气对我国北方和日本城市大气环境的总体影响;其次定量分析了沙尘天气对沙尘重污染城市兰州市大气环境质量及相应水溶性离子的影响;最后研究了沙尘天气对邻国日本7个城市PM10质量浓度的影响程度,并以日本石川县门齐地区为例,细致研究了沙尘天气对日本PM10中水溶性离子造成的影响。 主要研究结果如下: (1)利用地面气象观测站观测的沙尘实况资料和环保部发布的2006-2010年我国北方9个城市空气污染指数(API)数据,分析了沙尘天气对这些城市空气质量的影响。结果表明:2006年沙尘天气过程相对偏强;而2009年沙尘天气过程发生次数较少、强度较弱。西北路径是研究期间内我国沙尘天气过程最多的传输路径。PM1o是9个城市的主要空气污染物,作为首要污染物出现的频率非常高,在沙尘天气多发的春季尤为突出。沙尘天气对所选取城市的API指数都有明显影响,但是程度不同,总体上沙尘源区城市受到的影响较大,而沙尘影响区的城市受到的影响随着离沙尘源区距离的增加而逐步衰减,这反映了沙尘天气对我国北方城市空气质量影响具有区域性的特点。 (2)利用兰州气象局地面沙尘观测资料以及兰州市环境监测站的PM10、 SO2、NO2浓度等资料详细研究了兰州市沙尘天气特征及其对该市空气质量的影响。研究结果表明:1951-2010年期间浮尘、扬沙、沙尘暴3种类型的沙尘天气以浮尘发生次数最多,年均30.4次,三种类型的沙尘天气的年际变化总体上均呈现减少趋势。沙尘天气对2006-2010年间春季的PM10质量浓度影响最大,每年春季的沙尘日比非沙尘日PM1o质量浓度增加率在79%-343%之间,其中由于2007年沙尘天气强度大以及非沙尘日PM10质量浓度比较低的原因,当年沙尘增加率最大;沙尘天气对PM2.5和PM1.0浓度也有较大贡献;但对S02和N02的浓度影响不太明显。通过对发生在2007年5月10日一次强沙尘天气过程的细致研究,发现沙尘天气对三种粒径颗粒物浓度影响的特点是随着沙尘天气的入侵其颗粒物浓度陡然上升,然后达到较高的浓度水平,之后由于沙尘天气的减弱、消退或离境,颗粒物浓度也逐渐降低并缓慢恢复到常值水平;也就是说,当沙尘天气过境时,颗粒物浓度呈现陡然升高、到达最高点后而缓慢降低的变化态势。 (3)利用大气颗粒物水溶性组分和气体在线监测分析系统对兰州市2011年春季PM10中水溶性离子和相关气体进行连续监测,分析了沙尘天气和降雨对它们的影响。结果表明:监测期间浓度最大的气态污染物和PM10中浓度最高的水溶性离子分别是SO2和Ca2+,其平均浓度分别是5.87μg/m3、18.25μg/m3,这显然与兰州市的能源结构以燃煤为主和春季沙尘天气多发有关;降雨期间所有污染物的浓度比降雨前都有不同程度的下降,尤其对气态HN02、水溶性离子NO3-、 SO42-清除效果尤为明显;由于大风扩散能力增强的作用,沙尘期间的气态污染物浓度下降,而PM10中水溶性离子浓度却有不同程度的上升,作为沙尘颗粒物中代表性水溶性离子Ca2+浓度上升最为明显。其变化过程与颗粒物浓度的变化相似,即随着沙尘天气的侵袭,Ca2+浓度骤增并维持一段较高的浓度水平,之后由于沙尘天气的减弱、消退或离境,Ca2+浓度也逐步降低并缓慢恢复到常值水平。 (4)利用日本气象厅沙尘资料和环境省发布的日本7个不同地域和类型城市(札幌、箟岳、川崎、名古屋、大阪、松江和大牟田)的PM10质量浓度数据,研究了沙尘天气特征及其对这些城市PM10质量浓度的影响。结果表明:7个城市PM10平均值表现出显著的空间差异,其中大阪、川崎和名古屋的平均浓度较高,而箟岳和札幌的较低。由于当地污染源排放以及气象条件不同的原因,7个城市PM10日均值变化幅度和离散度都比较大。沙尘天气对日本7个城市沙尘日PM10质量浓度都有增加,但与我国北方城市相比,增加幅度及其绝对量值都明显减小,且呈现地区性差异,从影响的空间分布特征来看,总体上沙尘天气对这些城市沙尘日PM10质量浓度影响呈现自西向东降低、自低纬向高纬地区降低的格局。 (5)基于日本门齐地区的2001-2003年PM1o中水溶性离子监测分析资料,利用后向轨迹技术和正矩阵因子分析法,分析了该地PM10中水溶性离子变化特征以及来自于东亚大陆沙尘颗粒物对它的影响。研究结果表明:SO422-、NO3-和NH4+是该地2001-2003年期间PM1o中最主要的水溶性离子;由于受到东亚大陆沙尘颗粒物输送的影响,春季的nss-Ca2+、SO42-和N03-浓度出现高值;沙尘日的nss-Ca2+浓度是0.86μg/m3,大约比非沙尘日浓度增加了3倍。此外,沙尘日SO42-、 NO3-的浓度也高于非沙尘日,可能是由于沙尘颗粒物在输送过程中吸附途经之地SO2.NOx等气态污染物,并与之发生化学反应引起的。根据正矩阵因子分析法解析出影响日本门齐PM1o中水溶性离子4类污染源:即沙尘、海盐、硫酸盐、硝酸盐。


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