沙尘气溶胶和污染气溶胶的交汇与混合过程：新的研究成果

从北京市环境保护局网站（http：／／www.bjepb.gov.cn）收集了北京SO 2、CO、NO 2、O3和PM 10的日均浓度值，从上海市环境保护局网站（http：／／www.envir.online.sh.cn）收集了上海SO2、NO2和PM 10的日均浓度值。以SO2作为污染气体的代表。由图53-5（a）可见，北京冬季SO 2浓度与PM 10浓度呈现正相关，表明PM 10与SO 2（污染物）有共同的来源。当北京上空的气团在北方清洁空气和南方污染空气之间变换时，SO 2浓度与PM 10浓度同时上升和下降。由图53-5（b）可见，上海冬季SO 2浓度与PM 10浓度的变化规律与北京相同，也是正相关，只是上海上空的气团是在来自海上的清洁气团和来自内陆的污染气团之间交替变换。然而，北京春季的情况则有所不同，SO 2浓度与PM 10浓度的变化，既有正相关，又有负相关［图53-5（c）］。春季是沙尘暴季节，当北京北方和西北方沙漠中的沙尘被锋面活动所产生的大风卷入空中时，该北方的气团中充满了沙尘。当干冷且充满沙尘的气团由北方传送到北京时，北京空气中原有的污染物被清除掉，同时在气团中增加了沙尘。当气团的风速下降时，气团中的沙尘因沉降而清除，污染物则开始累积。因此，当沙尘暴发生时，SO2浓度与PM 10浓度的变化呈现负相关。2002年，北京分别在3月15—16日、3月20—21日、4月6—8日、4月11—12日，以及4月15—16日发生沙尘暴。在所有这些沙尘暴过程中，污染气体的浓度与PM 10浓度变化都呈现负相关［图53-5（c）］，这与上面的推论一致。然而在非沙尘暴期间，两者则呈现正相关，即常日的PM 10可能较多来自污染源。沙尘暴时污染气体浓度急剧下降，说明原有的污染空气被比较“清洁”的气团取代了。通常在整个沙尘暴过程中，污染气体的浓度都很低，而PM 10的浓度则在沙尘暴发生的第二天达到峰值，从而“清洁”大气之中含有大量沙尘。换言之，这里的“清洁”是指含有很少的污染源气溶胶。沙尘暴结束后，污染气体浓度开始上升，而PM 10浓度则开始下降。当新气团中不再含有大量沙尘时，PM 10浓度与污染气体浓度变化呈现正相关，即PM 10主要来自污染源。由图53-5（d）可见，上海春季沙尘暴比北京少得多，因此大部分时间PM 10浓度与SO 2浓度变化呈现正相关。

这里的PM 10与气溶胶数据中Al元素所起的作用是相同的，污染气体所起的作用则与污染元素与Al元素含量的比值X／Al所起的作用相同。仔细分析2002年3—4月的PM 10和SO2浓度变化规律，可得到与气溶胶元素数据分析所得的相同的4个阶段（污染物的累积和清除、沙尘的抵达和清除）。3月30日—4月2日期间，PM 10和SO 2的浓度都在上升，说明污染物在累积（第一阶段）。4月3—6日，PM 10和SO 2的浓度都在逐步下降（第二阶段，污染物的清除）。4月7日，SO2的浓度还是很低，而PM 10的浓度则骤然上升到600μg·m-3，说明此时PM 10已不再来自污染源，而是来自地壳源（第三阶段，沙尘的抵达）。4月9日时PM 10的浓度降至100μg·m-3以下，说明这次沙尘暴过程结束（第四阶段，沙尘的清除）。此后污染物又开始累积，进入下一个循环。但是在这个循环过程中，第二和第三阶段不是相互分开而是相互重叠的。这是因为，第一阶段结束后，空气中已经聚集了污染物，但沙尘在这些污染物被清除之前到达（高PM 10含量、低SO 2含量的气团，直接出现在高PM 10含量、高SO2含量的气团之后）。这4个阶段是由气团的运动引起的。当沙尘离冷锋锋面很远时，污染物有足够的时间被清除掉，因而第二与第三阶段是分开的；当沙尘紧随冷锋锋面而来时，污染物没有足够的时间在沙尘到来之前被清除掉，因而第二与第三阶段是重叠的。因此可以说，PM 10与污染气体之间的关系，揭示了气团的运动状态和沙尘暴的性质。

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图53-5　北京和上海冬季（a，b）和春季（c，d）SO2和PM 10浓度（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）圆圈代表沙尘暴天气。