張文娟，李 敏，呂 波，呂 晨，付華軒，姜騰龍，陳妍君

1.濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東 濟(jì)南 250014 2.濟(jì)南市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014

沙塵天氣是由于強(qiáng)風(fēng)將地面沙塵卷到空中，在特定大尺度環(huán)流背景下誘發(fā)的一種災(zāi)害性天氣[1]。沙塵天氣發(fā)生時(shí)，空氣中顆粒物濃度急劇增加，能見度下降，嚴(yán)重污染環(huán)境[2-5]，并對(duì)人體健康產(chǎn)生危害[6-8]。隨著人們對(duì)環(huán)境問題關(guān)注度的提高，沙塵的遠(yuǎn)距離傳輸開始成為研究熱點(diǎn)[9-11]。

大多數(shù)沙塵氣溶膠研究主要是利用衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)研究沙塵的水平空間分布[2,9,12]。近些年來發(fā)展起來的微脈沖激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備[13]，因其測(cè)量準(zhǔn)確度高、時(shí)空分辨率高以及探測(cè)范圍廣、發(fā)射能量對(duì)人眼安全[14]，成為大氣氣溶膠垂直分布探測(cè)研究的強(qiáng)有力工具[15-19]。早在1971年RICHARD等[20]利用激光雷達(dá)探測(cè)云。對(duì)沙塵天氣的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已開展了許多研究。TAN等[21]對(duì)2010年3月19—22日東亞地區(qū)的沙塵傳輸路徑分析，后向軌跡表明不同層的沙塵氣溶膠可能來源于不同的區(qū)域。曹賢潔等[22]利用激光雷達(dá)研究蘭州地區(qū)沙塵過境期間光學(xué)特性。黃艇等[23]對(duì)大連地區(qū)在2006年的一次沙塵天氣過程利用激光雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)分析，進(jìn)一步研究了消光系數(shù)和地面PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)性。鄧梅等[24]利用激光雷達(dá)分析了2013年北京市一次沙塵過境期間的氣溶膠垂直分布。劉文斌等[25]研究了2013年春節(jié)廣州地區(qū)浮塵天氣過程，分析了沙塵傳輸路徑及對(duì)廣州空氣質(zhì)量的影響。

2017年5月，我國(guó)北方受到一次強(qiáng)沙塵過程影響。本文利用激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，結(jié)合常規(guī)污染物監(jiān)測(cè)以及PM2.5化學(xué)組分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)2017年5月4日濟(jì)南地區(qū)沙塵過境期間的污染特征、光學(xué)特性以及PM2.5化學(xué)組分進(jìn)行分析，同時(shí)利用MICAPS資料和HYSPLIT后向軌跡模型研究了此次沙塵天氣的傳輸路徑。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

PM10、PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站中8個(gè)國(guó)控點(diǎn)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)儀器均采用美國(guó)BAM-1 020顆粒物監(jiān)測(cè)儀，研究時(shí)間為2017年5月3—8日。

氣象資料數(shù)據(jù)來自于中國(guó)氣象局、濟(jì)南市氣象局下發(fā)的MICAPS同期高空和地面的實(shí)況觀測(cè)資料。

1.2 微脈沖激光雷達(dá)

微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)來自安裝在濟(jì)南市市監(jiān)測(cè)站子站的微脈沖激光雷達(dá)(北京艾沃思科技有限公司生產(chǎn))。該激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)為532 nm，頻率為2 500 kHz，空間分辨率為15 m。觀測(cè)期間采用垂直向上模式，工作方式是連續(xù)觀測(cè)，累積時(shí)間是每隔180 s一條探空廓線。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演前經(jīng)背景噪聲訂正、重疊因子訂正及距離訂正等預(yù)處理過程，反演算法采用Fernald方法[16]求解激光雷達(dá)方程得到氣溶膠消光系數(shù)和退偏比，通過對(duì)消光系數(shù)的積分得到氣溶膠光學(xué)厚度。激光雷達(dá)接收回波盲區(qū)設(shè)定為75 m，75 m以下的數(shù)據(jù)不進(jìn)行分析。

1.3 在線氣體組分及氣溶膠監(jiān)測(cè)儀

氣溶膠離子成分?jǐn)?shù)據(jù)來自安裝在濟(jì)南市山東建筑大學(xué)站點(diǎn)的MARGA ADI 2080在線氣體組分及氣溶膠監(jiān)測(cè)儀，該儀器由采樣系統(tǒng)、分析系統(tǒng)和一個(gè)整合控制系統(tǒng)組成，能夠連續(xù)測(cè)量氣溶膠中的水溶性離子成分(NO3-、NH4+、 SO42-、Na+等)和痕量氣體(NH3、SO2等)。

2 結(jié)果與討論

2.1 2017年5月沙塵過境期間濟(jì)南及周邊城市環(huán)境空氣污染現(xiàn)狀

2017年5月3日開始，受冷空氣和氣旋影響，我國(guó)北方地區(qū)遭遇2017年以來最強(qiáng)沙塵天氣襲擊，此次沙塵天氣覆蓋范圍廣，強(qiáng)度大，多地空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)爆表。圖1所示為此次沙塵過境前后濟(jì)南及周邊城市環(huán)境PM10質(zhì)量濃度分布情況。

從地理位置來看，2017年5月3日內(nèi)蒙古中西部遭遇沙塵[圖1(a)]，隨著氣旋云系的東移南下，5月4日沙塵影響范圍明顯向東擴(kuò)展[圖1(b)～(d)]，面積不斷增大，沙塵源區(qū)到濟(jì)南市的沿途城市PM10小時(shí)濃度先后出現(xiàn)異?？焖偕仙?月4—8日濟(jì)南地區(qū)持續(xù)受沙塵影響，其中在5月5日13:00，濟(jì)南地區(qū)PM10小時(shí)濃度(本文均指質(zhì)量濃度)達(dá)到峰值[圖1(e)]。沙塵影響結(jié)束后，5月9日濟(jì)南地區(qū)空氣質(zhì)量良[圖1(f)]。同時(shí)根據(jù)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心5月4日風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星遙感影像資料，進(jìn)一步證實(shí)此次沙塵起源于在內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，最強(qiáng)沙塵區(qū)位于內(nèi)蒙古西部至中部偏西地區(qū)。

選取呼和浩特、北京和濟(jì)南3個(gè)城市，分析沙塵過境前后對(duì)城市PM10小時(shí)濃度變化影響，如圖2所示。

5月3日16:00內(nèi)蒙古中部的呼和浩特PM10小時(shí)濃度為110 μg/m3，至5月4日00:00達(dá)到沙塵過程的污染峰值，PM10小時(shí)濃度高達(dá)2 563 μg/m3，隨后污染程度呈逐漸降低，但PM10小時(shí)濃度仍維持在1000 μg/m3以上。北京市在5月4日04:00 PM10小時(shí)濃度迅速上升至445 μg/m3，07:00 PM10小時(shí)濃度達(dá)到1000 μg/m3。隨著沙塵進(jìn)一步東移南下，5月4日12:00沙塵開始影響濟(jì)南市，空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)壞，PM10小時(shí)濃度為212 μg/m3，首要污染物由PM2.5變?yōu)镻M10，之后PM10小時(shí)濃度呈逐漸上升的變化趨勢(shì)，5月5日13：00，濟(jì)南市PM10小時(shí)濃度達(dá)到峰值(953 μg/m3)。圖3所示是沙塵過境期間(2017年5月4—8日)濟(jì)南市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)日變化情況。

注: 底圖來自國(guó)家測(cè)繪地理信息局網(wǎng)站(http:∥map.sbsm.gov.cn/mcp/index.asp)下載的1∶3 000萬政區(qū)版中華人民共和國(guó)地圖，審圖號(hào)：GS(2016)2923號(hào)，下載日期2018-08-20。下同。圖1 沙塵過境前后濟(jì)南及周邊城市PM10濃度分布Fig.1 Environmental air quality in JiNan and surrounding cities during the dust case

沙塵過境期間(2017年5月4—8日)濟(jì)南市環(huán)境空氣中首要污染物均為PM10，環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)從5月4日的空氣質(zhì)量良(AQI為95)迅速惡化至5月5日的重度污染(AQI為209)，5月6—7日持續(xù)中度污染(AQI分別為173、165)，直至5月8日至輕度污染(AQI是110)，至此沙塵對(duì)濟(jì)南市的影響結(jié)束。

2.2 天氣形勢(shì)及后向軌跡分析

5月3日蒙古氣旋發(fā)展，并形成較強(qiáng)輻合上升，地面沙塵被卷起輸送到空中，此次沙塵沿蒙古氣旋外側(cè)的西或西北氣流向華北地區(qū)輸送。5月4日20:00，濟(jì)南地區(qū)高空為西至西北氣流控制，空中沙塵傳輸?shù)綕?jì)南上空，近地面為弱高壓前部，被空中裹挾的沙塵緩慢下沉。

圖2 2017年5月3—5日沿途城市PM10小時(shí)濃度變化Fig.2 Time series of hourly PM10 concentrations from May 3 to 5, 2017

圖3 2017年5月4—8日濟(jì)南市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)日變化Fig.3 Variation of daily environmental Air Quality Index (AQI) in Jinan from May 4 to 8, 2017

5月5日，濟(jì)南地區(qū)高空由槽前轉(zhuǎn)槽后，受槽后強(qiáng)大的下沉氣流影響，地面冷峰過境，近地面風(fēng)力逐漸增大。5月6—7日，高空處于槽后脊前控制，500 hPa、700 hPa與850 hPa受西北氣流控制，風(fēng)速較大，而近地面受地形槽控制，南大風(fēng)形勢(shì)發(fā)展?？梢钥闯觯舜紊硥m對(duì)濟(jì)南市的影響主要是由于高空傳輸下沉。

5月8日，濟(jì)南地區(qū)高空低渦系統(tǒng)發(fā)展， 出現(xiàn)一次降水過程，受降水對(duì)顆粒物的去除作用，濟(jì)南地區(qū)空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)好，至5月8日19:00空氣質(zhì)量為良，沙塵過程結(jié)束。

進(jìn)一步分析此次沙塵期間氣團(tuán)來源，應(yīng)用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)開發(fā)的HYSPLIT后向軌跡模型定性評(píng)估不同氣團(tuán)的來向，其中氣象數(shù)據(jù)來自GDAS數(shù)據(jù)庫。研究點(diǎn)選擇濟(jì)南市泉城廣場(chǎng)站點(diǎn)(36.6617°N，117.0265°E)，選取800、1 500、3 000 m高度，對(duì)北京時(shí)間5月6日16:00(UTC時(shí)間為5月6日08:00)的氣團(tuán)后向軌跡進(jìn)行模擬，追蹤過去48 h軌跡變化，結(jié)果表明，不同高度氣團(tuán)傳輸路徑較一致，都是起源于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，沿西北方向傳輸至濟(jì)南地區(qū)。其中，離地3 000 m的氣溶膠后向軌跡顯示氣團(tuán)來源于內(nèi)蒙古中西部上空2 000～2 500 m高度；而內(nèi)蒙古中西部上空2 000～3 500 m高度的氣溶膠，沿西北方向在傳輸?shù)倪^程中垂直剖線逐漸下降至800～1 500 m。后向軌跡模擬的不同高度氣團(tuán)傳輸路徑與實(shí)況天氣形勢(shì)基本吻合。

2.3 沙塵過境期間濟(jì)南市顆粒物濃度變化

圖4和圖5分別是沙塵過境前后(2017年5月4—8日)濟(jì)南市顆粒物(PM10和PM2.5)小時(shí)濃度隨時(shí)間的變化曲線及PM2.5/PM10變化曲線。2017年5月4日12:00開始，濟(jì)南市環(huán)境空氣污染物中可吸入顆粒物(PM10)濃度有較大幅度上升，5月5日13:00，最大小時(shí)濃度達(dá)到953 μg/m3。

圖4 2017年5月4—8日濟(jì)南市顆粒物(PM10和PM2.5)小時(shí)濃度變化Fig.4 Time series of PM2.5 and PM10 concentration from May 4 to 8, 2017

圖5 2017年5月4—8日濟(jì)南市PM2.5和PM10比值變化Fig.5 Time series of ratios of PM2.5 and PM10 from May 4 to 8, 2017

從PM10、PM2.5小時(shí)濃度變化趨勢(shì)來看，2017年5月4日12:00 PM10小時(shí)濃度急劇上升(PM10小時(shí)濃度由112 μg/m3迅速上升至212 μg/m3)，尤其是5月5日維持在較高水平，PM10日均濃度高達(dá)356 μg/m3，直至2017年5月8日19:00，PM10小時(shí)濃度下降，整個(gè)沙塵影響期間，濟(jì)南市PM2.5小時(shí)濃度均處于較低水平。

從PM2.5/PM10比值變化來看，2017年5月4日12:00，PM2.5/PM10迅速下降(33%)，PM10占比明顯升高。隨著此次沙塵的輸送，至2017年5月8日19:00， PM10占比下降，PM2.5/PM10為70%，沙塵影響逐漸結(jié)束。整個(gè)沙塵影響期間(2017年5月4—8日)，濟(jì)南市PM2.5/PM10為19%～70%。

2.4 沙塵過境期間光學(xué)特性分析

2.4.1 消光系數(shù)和退偏比特征

大氣消光主要是大氣中不同粒子通過散射和吸收對(duì)某一波段太陽輻射衰減綜合的描述，主要貢獻(xiàn)來自各種形式的降水、顆粒物和氣態(tài)污染物，而顆粒物的消光系數(shù)占總消光系數(shù)的90%[26-28]，消光系數(shù)值越大，說明污染越重。退偏比反映氣溶膠粒子的非球形特征[29]，沙塵過境期間粗顆粒所占比例較高，一般以退偏比的閾值大小來判別本地氣溶膠和沙塵氣溶膠，當(dāng)退偏比大于0.10時(shí)為沙塵氣溶膠，[25,30-31]。因此，通常利用氣溶膠激光雷達(dá)退偏比數(shù)據(jù)判斷沙塵。

利用Fernald方法對(duì)5月4—8日期間激光雷達(dá)探測(cè)的Mie散射信號(hào)進(jìn)行反演，得到消光系數(shù)和退偏比的垂直分布。圖6和圖7分別為5月4日沙塵初期濟(jì)南市0.075～5.0 km高度的大氣氣溶膠消光系數(shù)和退偏比變化情況。

圖6 2017年5月4日沙塵初期氣溶膠消光系數(shù)變化Fig.6 The vertical profile of aerosol extinction cofficient detected by Lidar in Jinan on 4 May,2017

圖7 2017年5月4日沙塵初期氣溶膠退偏比變化Fig.7 The vertical profile of depolarization ratio detected by Lidar in Jinan on 4 May,2017

從圖6、圖7可以看出，5月4日00:00—07:00近地面至高空300 m處氣溶膠消光系數(shù)較大(消光系數(shù)1.1 km-1以上)，但具有較強(qiáng)消光作用的同時(shí)退偏比卻比較小(0.1以下)，說明此探測(cè)范圍內(nèi)消光粒子以球形為主，非球形特性不明顯。08:00，在太陽輻射作用下，大氣邊界層逐漸抬升，近地面氣溶膠消光系數(shù)相對(duì)于0:00—07:00降低，此時(shí)退偏比仍比較小，消光粒子仍以球形為主，結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)資料以及氣象資料，地面相對(duì)濕度在90%左右，(圖8)出現(xiàn)一次弱降水過程，近地面層的高濕促進(jìn)了污染物吸濕增長(zhǎng)和二次轉(zhuǎn)化，大氣消光主要是由于球形粒子造成。

圖8 PM10、PM2.5小時(shí)濃度均值與相對(duì)濕度Fig.8 The hour average concentration of PM10、PM2.5and relative humidity

11:00，近地面1.5 km內(nèi)退偏比值迅速升高，達(dá)到0.1以上，非球形粒子濃度相對(duì)于球形粒子濃度的比例出現(xiàn)明顯上升。夾雜著沙塵的云層不斷有沙塵傳輸沉降至地面，地面PM10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯迅速上升，沙塵傳輸逐漸影響濟(jì)南市。至12:00，高空100 m處退偏比達(dá)到0.12，非球形粒子顯著，近地面PM10質(zhì)量濃度為215 μg/m3，相比較沙塵未影響時(shí)段(00:00—10:00)，12:00近地面PM10濃度上升2.4倍。隨著時(shí)間推移，18:00起，近地面至高空5 km范圍內(nèi)，退偏比均在0.12以上，尤其是18:00—21:00在近地面1.0 km以下，形成了退偏比極大區(qū)，整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)退偏比均值達(dá)到0.14，其中20:00高空100 m處退偏比高達(dá)0.17，空氣污染加重。

圖9和圖10分別為5月5—8日沙塵期間濟(jì)南市0.075～5.0 km高度的大氣氣溶膠消光系數(shù)和退偏比變化情況。

圖9 2017年5月5—8日沙塵過境期間氣溶膠消光系數(shù)變化Fig.9 The vertical profile of aerosol extinction cofficient detected by Lidar in Jinan on 5-8 May.2017

圖10 2017年5月5—8日氣溶膠退偏比變化Fig.10 The vertical profile of depolarization ratio detected by Lidar in Jinan on 5-8 May,2017

5月5—8日期間，高空不斷有沙塵氣溶膠輸送，近地面1.5 km以下氣溶膠含量較高，形成退偏比極大區(qū)。5月5日0:00—07:00，在高空1.0～2.0 km存在退偏比極大區(qū)，此時(shí)間段內(nèi)主要是高空沙塵傳輸，并在傳輸過程中逐漸沉降。08:00—16:00，近地面至200 m內(nèi)消光系數(shù)在0.5 km-1以上，退偏比在0.1以上，尤其是在11:00—13:00，300 m處退偏比平均高達(dá)0.19，非球形特性顯著。

5月6—7日，退偏比在0.15～0.2之間，非球形粒子為主，根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)資料，地面PM10質(zhì)量濃度均值288 μg/m3，超出PM10濃度國(guó)家二級(jí)年標(biāo)準(zhǔn)(70 μg/m3)的3.1倍。直至5月8日，隨著降水濕沉影響，沙塵逐漸清除，20:00退偏比減小至0.086，沙塵影響結(jié)束。

2.4.2 光學(xué)厚度變化特征

氣溶膠光學(xué)厚度反映整層大氣透明程度，光學(xué)厚度值越大，大氣愈渾濁[32]。圖11所示是沙塵前后氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)和PM10小時(shí)濃度變化情況。從圖11可以看出，5月4日00:00—10:00，光學(xué)厚度較大(平均為2.7)，而PM10平均質(zhì)量濃度較低(60 μg/m3)，考慮是由此時(shí)間段內(nèi)降水造成。在沙塵傳輸過程中，光學(xué)厚度出現(xiàn)短時(shí)下降后，不斷再次上升。5月5日11:00—13:00，近地面PM10小時(shí)濃度最大值高達(dá)953 μg/m3，光學(xué)厚度急劇上升，最大達(dá)到2.9，空氣污染嚴(yán)重。5月8日12:00—19:00受降水影響，PM10小時(shí)濃度逐漸下降，但降水造成光學(xué)厚度再次上升。至5月8日20:00，隨著降水濕沉作用，光學(xué)厚度降至0.16，近地面PM10質(zhì)量濃度為79 μg/m3，沙塵過程趨于結(jié)束。

圖11 2017年5月4—8日氣溶膠光學(xué)厚度和PM10小時(shí)濃度變化Fig.11 Diurnal variation of AOD measured by Lidar and PM10 from May 4 to 8, 2017

2.4.3 退偏比與PM10濃度關(guān)系

研究表明，退偏比反映氣溶膠粒子的非球形特征[33-35]，退偏比數(shù)值越大，表明氣溶膠粒子非球形越顯著。將2017年5月5日至8日地面PM10小時(shí)濃度和激光雷達(dá)100 m處退偏比對(duì)應(yīng)分析(圖12)。

圖12 2017年5月4—8日激光雷達(dá)115 m處退偏比和地面PM10小時(shí)濃度變化Fig.12 Aerosol extinction coefficient at 115 m measured by Lidar and concentration of PM10 at land surface

從圖12可以看出，激光雷達(dá)100 m處的退偏比與地面PM10小時(shí)濃度變化趨勢(shì)基本吻合，退偏比值越大，地面PM10小時(shí)濃度越高。沙塵傳輸期間，地面PM10小時(shí)濃度與退偏比呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.71。

5月5日0:00—07:00，退偏比為0.089～0.14，結(jié)合圖6和圖7，此時(shí)段主要高空沙塵傳輸，沉降較少。5月5日08:00至5月8日18:00，高空100 m處退偏比平均高達(dá)0.16，尤其5月5日11:00退偏比達(dá)到0.22，沙塵污染嚴(yán)重。5月8日20:00，退偏比降至0.086，非球形特性減弱，同時(shí)近地面PM10小時(shí)濃度降至79 μg/m3，PM2.5與PM10比例為70%，空氣質(zhì)量良，首要污染物為PM2.5，沙塵影響結(jié)束。

2.5 PM2.5水溶性離子變化特征分析

研究分析PM2.5及其化學(xué)組分的變化、形成機(jī)制是識(shí)別污染來源的重要依據(jù)。PM2.5主要包括水溶性離子、無機(jī)元素和碳組分，其中水溶性離子是PM2.5最重要的化學(xué)組分[36-38]。圖13顯示了該次沙塵過程中PM2.5化學(xué)組分變化情況。

圖13 2017年5月4—8日濟(jì)南市PM2.5及其中水溶性離子小時(shí)質(zhì)量濃度變化Fig.13 The hourly concentration of PM2.5 and water soluble ions in PM2.5 during the dust case in Jinan

由圖13可以看出，沙塵天氣發(fā)生之前(5月4日00:00—10:00)，濟(jì)南市PM2.5中水溶性離子以NH4+、SO42-和NO3-為主，體現(xiàn)了大量氣態(tài)污染物的二次化學(xué)轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)更為明顯；沙塵影響期間(5月4—8日)，Mg2+與PM2.5相關(guān)系數(shù)最大，為79.2%，其次為Ca2+與PM2.5相關(guān)系數(shù)(72.2%)，而Mg2+、Ca2+主要來自土壤源，體現(xiàn)了沙塵期間一次顆粒物貢獻(xiàn)顯著。

沙塵未影響前期(5月4日00:00—10:00)Ca2+小時(shí)濃度為0.35～0.8 μg/m3，Mg2+小時(shí)濃度為0.036 μg/m3。5月5日11：00，二次離子大幅下降，礦物離子出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，一次源影響顯著。受沙塵天氣影響，5月5日12:00，Ca2+、Mg2+小時(shí)質(zhì)量濃度均達(dá)到峰值，分別為20.649 μg/m3、1.589 μg/m3。沙塵過境后，5月9日Ca2+日均質(zhì)量濃度為1.46 μg/m3，Mg2+日均質(zhì)量濃度為0.14 μg/m3。沙塵期間Ca2+峰值濃度、Mg2+峰值濃度分別是沙塵過境后(5月9日日均濃度)的14倍和11倍。值得注意的是，在沙塵影響期間，二次離子(NH4+、SO42-和NO3-)小時(shí)質(zhì)量濃度與PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致，由此可見，沙塵傳輸中PM2.5組分不僅Ca2+、Mg2+明顯升高，還可能使硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽傳輸沉降至濟(jì)南。

3 結(jié)論

1)2017年 5月4日12:00沙塵天氣開始影響濟(jì)南市，空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)壞，環(huán)境空氣污染物中可吸入顆粒物(PM10)濃度有較大幅度上升，5月5日達(dá)到重度污染(AQI是209)，PM10小時(shí)最大濃度達(dá)到953 μg/m3，5月6—7日持續(xù)中度污染(AQI分別是173、165)，直至5月8日至輕度污染(AQI是110)，此次沙塵持續(xù)時(shí)間久，環(huán)境影響嚴(yán)重。

2)利用激光雷達(dá)探測(cè)Mie散射信號(hào)，反演得到沙塵過境期間濟(jì)南市0.075～5.0 km高度的大氣氣溶膠消光系數(shù)和退偏比垂直分布。5月4日12:00，近地面100 m處退偏比達(dá)到0.12，非球形粒子顯著，近地面PM10質(zhì)量濃度為215 μg/m3，相比較沙塵未影響時(shí)段(00:00—10:00)，12：00近地面PM10濃度上升2.4倍。5月5—8日期間，高空不斷有沙塵氣溶膠輸送，近地面1.5 km米以下氣溶膠含量較高，形成退偏比極大區(qū)。尤其是5月5日11:00—13:00，300 m處退偏比平均高達(dá)0.19，非球形特性顯著。直至5月8日20:00，退偏比降至0.086，近地面PM2.5與PM10比例為70%，空氣質(zhì)量良，首要污染物為PM2.5，沙塵影響結(jié)束。

3)研究分析PM2.5及其化學(xué)組分的變化、形成機(jī)制是識(shí)別污染來源的重要依據(jù)，沙塵傳輸中Mg2+、Ca2+組分明顯升高，Mg2+與PM2.5相關(guān)系數(shù)最大(79.2%)，其次為Ca2+與PM2.5相關(guān)系數(shù)(72.2%)，而Mg2+、Ca2+主要來自土壤源，體現(xiàn)了沙塵期間一次顆粒物貢獻(xiàn)顯著。

4)結(jié)合MICAPS觀測(cè)實(shí)況資料和HYSPLIT模式分析了此次沙塵天氣的傳輸路徑。分析表明，此次沙塵路徑是隨著高空西北氣流傳輸沉降到達(dá)濟(jì)南。