沙尘暴里到底有什么？

Posted 2023-01-11 沙尘暴

篇首语：仰天大笑出门去，我辈岂是蓬蒿人。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了沙尘暴里到底有什么？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

编者按
每到春天，沙尘暴常常成为影响我国北方地区天气主要的因素之一。作为一种强灾害天气，沙尘暴破坏农作物生长，影响交通安全，甚至造成房屋倒塌，对国民经济建设和人民生命财产安全造成极大危害。
从环境保护的角度看，沙尘暴不只是一种特异性的气象灾害，更是一种跨省、区域的大气污染现象。沙尘暴发生后会对周边地区和下游的大气环境质量及地面环境造成一定污染，其对人类健康、农业、生态环境造成的影响是潜在和长期的。
甘肃省环境监测中心站工程师张宁长期以来一直关注并研究沙尘暴问题，其通过10多年来发生在我国西北地区的较大沙尘暴个例，分析和研究了沙尘暴尘的沉降量、沉降范围、化学组分、粒径分布、对大气环境背景值的影响等问题，本版特刊登其理论文章，希望相关领域有所借鉴。
我国沙漠总面积约71×104km2，主要集中分布于新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西、内蒙古中西部等省区。由于地质、地理环境特殊，我国沙化土地面积比较大。据对甘肃省河西地区16个县市区的调查，由于风沙线不断南移，自建国以来，河西走廊已有4600km2的绿洲面积沙漠化，相当于目前河西绿洲面积的1/3以上，现在河西走廊北部风沙线每年仍以平均3m～5m的速度向南推进。
近年来，在我国西北地区频频发生沙尘暴现象，给源地周围以及下游地区带来了巨大损失。我国的西北地区位于欧亚大陆腹地，是世界著名的干旱区之一。由于这些地区沙尘物质极其丰富，加上甘肃河西走廊狭窄的地形，成为我国和亚洲的沙尘暴多发区。利用这一较特殊地形来研究沙尘暴对大气环境的影响、对生态环境的影响、沙尘暴沉降量和沉降范围等问题，具有十分重要的意义。
沙尘暴尘对大气环境的影响
■阅读提示
强沙尘暴会对源区周边生态环境造成严重影响。它会对大气环境造成严重污染，其中的主要污染物是大气颗粒物（包括可吸入颗粒物）、自然降尘等。沙尘暴发生时会造成大气能见度明显下降，同时使环境空气质量呈严重污染。
要形成沙尘暴特别是强沙尘暴必须具备强风、沙源和不稳定的大气3个条件。我国西北部尤其是甘肃的河西走廊区域不但具备这几个条件，而且由于季风在通过狭长的河西走廊时产生狭管效应，以及近年来因人口增长。人为开采和滥用地下水对生态环境的破坏等因素，加剧了这些地区沙漠化的进程，对沙尘暴的产生起了推波助澜的作用。
沙尘暴沉降物对区域内大气环境的影响
强沙尘暴会对源区周边生态环境造成严重影响。它会对大气环境造成严重污染，其中的主要污染物是大气颗粒物（包括可吸入颗粒物）、自然降尘等。沙尘暴发生时会造成大气能见度明显下降，同时使环境空气质量呈严重污染。
沙尘暴虽然可以传输到很远的地方，但破环性和造成危害程度最大最直接的仍是源地和源地周围区域，而其对异地的危害和影响可能是潜在和长期的。近40年来，我国西北地区有详细记录的较大沙尘暴有70多次。笔者选择其中10多次较大沙尘暴个例，并对发生沙尘暴当月的大气背景沉降量进行统计，将其与同一时期未发生沙尘暴的降尘量平均值进行比较。可以看出，每当沙尘暴发生后，甘肃省各背景点沉降量都有不同程度的增加。随着强冷锋向东南移动和逐渐减弱，一部分沙尘（或粉尘）靠自身的重力在这些地区自然沉降下来。另一部分未能自然沉降的更小粒径微粒尘则会被传输到更远的地方，或长期飘浮在大气中。这些微粒可作为凝结核经碰撞、湍流扩散、静电吸引和互相作用等形成粗粒子而沉降，或以湿沉降的形式返回地表。
1993年5月，发生在甘肃河西走廊的特大沙尘暴（以下简称“930505”特大沙尘暴）全过程历时11小时，其对地面造成直接和剧烈破坏的时间长达4小时。笔者通过对大气环境背景值影响范围的研究认为:此次特大沙尘暴使得甘肃各大气降尘背景点单位面积的总沉降量较多年同期平均值上升0.14倍～11.78倍，沙尘暴单位面积降尘量累计达909.45t/km2，甘肃省境内80.7％的面积上共沉降沙尘暴降尘1245.3×104t。沙尘暴降尘量在甘肃省的区域分布状况是西北部源地向东南部迅速减少，即源地中心向冷锋前移两侧的地区呈水波状扩散。由此可推断，大量的大颗粒沙尘主要沉降在源地及近下游地区，而远离源地地区的降尘量明显降低，沙尘暴降尘量与输送距离呈反比关系。
沙尘暴对大气背景值的影响
笔者曾对甘肃省大气自然降尘背景值状况进行统计，绘制了甘肃省近年大气背景降尘值年际变化曲线（图1）。根据甘肃省地形、地貌、地理位置和气候条件，并按大气自然降尘沉降量的区域分布，大致将其自西向东分为Ⅳ个区域。Ⅰ区包括甘肃西部河西走廊内5个市，这一区域内年降水量为50mm～200mm，年蒸发量较大，属干旱和半干旱区；Ⅱ区包括位于甘肃中部陇东黄土高原、陇西黄土高原在内的兰州、白银、临夏、定西以及平凉、庆阳等地市，其年均降水量为200mm～650mm，属半干旱和半湿润区，Ⅲ区包括甘肃东南部的天水和陇南山地；Ⅲ区南部和北部气候条件变化较大，年降水量在450mm～800mm，是甘肃省亚热带湿润区和暖湿带湿润区；位于甘肃南部的甘南高原为Ⅳ区，其年均降水量为500mm～800mm，属高寒湿润区。
由以上分类看，甘肃省中、西部基本为干旱和半干旱区。甘肃省降水分布呈东南向西北逐渐减少趋势，所对应的干湿程度也是由湿润区向半干旱、干旱区过渡。在甘肃全省Ⅰ～Ⅳ区降尘量的区域分布是Ⅰ区远远高于Ⅳ区。西北部的河西走廊是甘肃省的高值区，而金昌和武威又在其中位居首位。东南部和南部的陇南山地和甘南高原的降尘量要比中、西部低一个数量级，同时Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区的趋势线呈上升走势。
沙尘暴发生期间的沙尘沉降量
在“930505”特大沙尘暴发生期间，甘肃各大气降尘背景点单位面积的总沉降量较多年同期平均值上升了0.14倍～11.78倍，沙尘暴造成单位面积降尘量累计达909.45t/km2。笔者对1986年～1996年发生沙尘暴期间的沉降量进行统计，沙尘暴尘在甘肃省总的沉降量为3758.37×104t，其中在河西走廊沉降3064.69×104t，占全省总量的81.54％。金昌为全区域和全省的高值区，其沙尘暴尘总量达到1284.83×104t，占区域总量的41.92％，占全省总量的34.18％；陇西黄土高原沉降沙尘暴尘433.20×104t，占全省总量的11.53％；陇东黄土高原为187.30×104t，占全省总量的4.98％；陇南山地为73.18×104t，占全省总量的1.95％。
由于目前尚未得到甘肃邻近省、区的有关资料，还不能确定近年沙尘暴尘在这些地区的沉降状况。但有一点可以确定，就是我国西部发生沙尘暴时的沙尘暴尘，有相当一部分是通过狭长的河西走廊运输通道输送沉降在河西走廊东部、陇西黄土高原和陇东黄土高原一带。另外，造成甘肃境内西北部与东南部尘量较大差别的原因是，随海拔高度下降和搬运距离增加，气流对沙尘的搬运能力会逐渐减弱，致使不同颗粒的物质按由粗至细的次序沉降。
近年来发生的多次较大沙尘暴的源地均位于中国西北地区的新疆、甘肃和内蒙古的干燥沙漠或沙地带。这些地区充足的沙（土）尘源和河西走廊的特殊地形对增大沙尘暴的危害程度起了积极作用。有学者通过对沙尘暴天气成因的分析，确认我国沙尘暴的源地主要在新疆、甘肃、宁夏和内蒙古的干燥沙漠地带。沙尘暴尘在甘肃的分布区域是以河西走廊东部为中心，向大气环流下游的地域扩散。沙尘暴对源地沙（土）尘的搬运能力是巨大的，但要准确地测定沙尘暴发生时在大范围内的沉降量是比较困难的。据估算，每年约有1.0Gt～3.0Gt的沙尘粒子被注入大气。
沙尘暴尘跨区域输送、迁移和污染
■阅读提示
强度小的沙尘暴产生的沙尘暴尘影响的面积和范围要小一些，而高强度的沙尘暴产生的沙尘暴尘影响的面积和范围要大得多，甚至可以由西部影响到其他区域。
沙尘暴发生强度不同，沙尘暴尘造成的污染和影响面积范围会有所不同。强度小的沙尘暴产生的沙尘暴尘影响的面积和范围要小一些，而高强度的沙尘暴产生的沙尘暴尘影响的面积和范围要大得多。
2010年3月19日～20日、21日～22日接连发生了入春以来连续的强、弱两次沙尘暴天气过程。其中3月19日～20日沙尘天气为近5年来遭受到的强度最大、影响范围最广的沙尘天气过程。此次沙尘天气影响范围由北方地区扩展到了长江流域及其以南地区广大区域。
有学者用二维传输模式研究认为，粒径大于150μm者不能飞到高空。而粒径小于40μm则可以上升到4000m高空，并在离源地数百公里的下风向地区沉降。另外，粒径12μm±者可被输送到3000Km以外的地区，粒径小于12μm的微粒可传输到7000Km外，7μm者传输到1万Km以外。2010年3月发生的强沙尘暴验证了这一论点。根据对沙尘暴源地至甘肃境内可测到沙尘暴尘最远的距离看，其输送距离约为430Km～2500Km。由于被收集到的沙尘暴尘只是以自身重力自然沉降的颗粒物，而那些PM10或更小的颗粒物，依靠自身的重力较难沉降，会被输送到更远的地方，影响和污染的区域也会更大。
另外，每当沙尘暴发生时，不只是通过西风急流向下游输送沙尘，同时还会向下游地区输送一些尾矿粉末。由于这些大量露天堆放的尾矿粉末粒径非常细（一般在200目以下），沙尘暴来临时它会随大风尘暴一起离开地表进入高空。例如“930505”特大沙尘暴期间，位于沙尘暴源区附近的甘肃某尾矿坝（选矿排泄区），面积约30km2，沉积厚达数米，含有很多有害矿物粉末，在沙尘暴中风蚀深度平均达10cm，也就是说沙尘暴期间它向大气中输入了有害矿末约30万m3。
尾矿砂作为矿山选矿后的固体废物，其危害有目共睹，它不仅占用土地、破坏植被，而且还会对当地的大气环境、地表水和地下水造成严重污染，使生态环境遭到破坏。位于我国西部的尾矿库，在每年春季发生沙尘暴时，都会将这些有害物质向下游地区输送，形成跨区域的大气污染现象。尾矿库大部分是建在矿山生产区和居民生活区的上游，其所潜伏的泥石流、山体滑坡、垮坝等大型地质灾害也威胁矿区周边群众的生命财产安全。截至目前，国际处置尾矿的方法仍以储存为主要方式，尚不能从根本上解决尾矿的危害问题，但尾矿的危害性现已引起有关部门的高度重视。
工业和信息化部、科学技术部、国土资源部、国家安全生产监督管理总局联合发布的关于《金属尾矿综合利用专项规划（2010～2015年）》的通知指出，尾矿已成为我国工业目前产出量最大、综合利用率最低的大宗固体废弃物。我国现有尾矿库12718座，其中在建尾矿库为1526座，占总数的12％，已经闭库的尾矿库1024座，占总数的8％，截至2007年，全国尾矿堆积总量为80.46亿吨。仅2007年，全国尾矿排量近10亿吨。尾矿所含的污染物质会随尾矿水流入附近河流或渗入地下，污染河流及地下水源。自然干涸后的尾砂，遇大风形成扬尘，吹到周边地区，会对环境造成危害。目前我国绝大多数尾矿尚未被综合利用，综合利用率不足10％，尤其是铁尾矿和有色金属尾矿的利用率更低。随着我国矿产资源开采力度的不断加大，尾矿排出量会每年不断递增，加快尾矿的综合利用已迫在眉睫。《通知》要求开展尾矿综合利用，建议用于尾矿制作肥料，变废为宝。由于有些尾矿中含有植物生长所需要的多种微量元素，经过适当处理可制成用于改良土壤的微量元素肥料，笔者建议尽快对尾矿渣进行再开发和再利用，同时开展这方面的研究工作。
沙尘暴尘的化学组成和粒径分布特征
■阅读提示
沙尘暴发生前后，PM10主要由燃煤飞灰、烟尘集合体组成，其次是少量的矿物颗粒，而沙尘暴高峰期则相反。
对沙尘暴尘的构成分析一直是国内外沙尘暴研究工作者关心的问题之一。以往有关沙尘暴的研究主要集中在沙尘暴天气条件下大气颗粒物的质量浓度特征、、沙尘暴的成因、监测与防治等方面，对我国西北地区沙尘暴降尘沉积物中化学组分和粒度分布状况的研究开展不多。研究沙尘暴过程中PM10的组成变化特征不仅有利于弄清楚沙尘暴的来源、输送机制及其发展阶段，而且还有助于了解沙尘暴对所经地区大气环境的影响。
沙尘暴尘的化学组成特征
近几年笔者利用场发射扫描电镜（FES－EM）与图像分析单颗粒技术方法、离子色谱法，先后开展了沙尘暴期间及其发生前后PM10的微观形貌、粒度分布、水溶性离子等变化特征的研究。笔者根据近年采集到的沙尘暴降尘样品，使用中子活化分析法和X射线吸收一沉降法对沙尘暴沉积物中的Al、As、Au等38种化学元素和粒径、粒径分布状况进行了全面测定。
对兰州市全年大气自然降尘的粒径分布研究分析显示:兰州大气降尘沉积物的质量中值直径范围为6.39μm～12.64μm，年平均为8.93μm，几何平均直径为1.37μm～8.21μm，年平均为3.78μm，二者的月、季度变化不十分明显。降尘粒径最集中的范围为30μm～5μm，并在10μm和5μm处各出现一个峰值区。由各季度的频率分布看，一、二、四季度的曲线比较相近，而三季度各月的离散性较大，降尘粒径的相对频率分?a href='http://www.baiven.com/baike/220/249174.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>家蚕嘤Τ鱿直浠＠贾荽笃匀唤党镜牧Ｗ佑?4.55％集中在30μm～5μm的粒径段内。
沙尘暴沉积物的粒径分布特征
大气中颗粒物的来源可以分为天然来源和人为来源两类。在天然源和人为源中都有一次和二次颗粒物的来源，其粒径一般大于0.5μm。据有关资料统计，全球天然源的发生量中一次颗粒物为1207×106t/a，二次颗粒物为1105×106t/a。关于天然源与人为源的产生量，各种资料的统计结果都有所不同。有人认为，人为活动产生的量约占9％～11％±，随着工业的发展，人为源的量还会增加。
对1996年5月30日敦煌发生特大沙尘暴现场采集样品的分析，发现其粒径与武威沙尘暴有所不同，粒径主要集中在30μm～10μm和10μm～30μm的粒径段上。相对频率的累计值分别占总量的51.12％和39.47％。
用在线监测设备对沙尘暴水溶物开展分析研究
在对2010年3月19日沙尘暴在兰州过境期间的观测研究中，笔者首次使用了大气/气溶胶中阴阳离子在线监测设备（以下简称URG），首次进行了沙尘暴中PM2.5和大气中离子浓度在不同时段的变化状况研究，取得了非常好的效果。
URG逐小时监测结果显示，沙尘暴天气在兰州过境期间约11个小时的初期，PM2.5中被测离子浓度由于受沙尘暴的影响，呈急速下降趋势，而同一时刻PM2.5中的Ca2＋浓度则呈急速上升再下降的变化过程（图2）。随着沙尘暴前锋离境，PM2.5中的Ca2＋浓度也随之回归到与其他离子相同的浓度水平。与我们通常使用的手工采集沙尘暴样品的方法不同，URG在线装置很好地分阶段捕捉到了这一变化全过程。由此可以断定，当沙尘暴到来时，前锋将当地大气中原有的气态和固态污染物裹挟出兰州，同时又将沙源地的沙尘带到了兰州。而气态和固态污染物中被测无机离子浓度在沙尘天气过境前、过境期间和过境后的剧烈变化现象证明了这一变化过程。沙尘暴的发生与气象条件密切相关。此次沙尘暴过境时，强大风速和它携带的大量沙尘，使当地的能见度从平时的30km瞬间下降到了4km以下。随着沙尘暴离境，它所携带的大量沙尘随同沙尘暴也被带离兰州，使得PM2.5中的Ca2＋浓度随之快速下降。强沙尘暴的发生，是对兰州盆地内有限大气环境容量的一次大置换的过程，强风使得当地人为排放的污染物，得以向外迅速扩散和被置换出兰州盆地。
用场发射扫描电镜（FESEM）和图像分析技术研究沙尘暴尘中的单颗粒特征
为研究沙尘暴过程对大气PM10组成变化的影响，笔者利用场发射扫描电镜（FESEM）和图像分析技术，研究了2006年3月31日发生在兰州市的沙尘暴期间及其发生前后PM10中的单颗粒特征。结果表明，沙尘暴发生前后，PM10主要由燃煤飞灰、烟尘集合体组成，其次是少量的矿物颗粒，而沙尘暴高峰期则相反。与沙尘暴发生前后相比，沙尘暴高峰期矿物颗粒的数量百分比（59.31％）和体积百分比（99.39％）有明显增加，而其数量和体积粒度分布则相反。根据沙尘暴过程中PM10的组成变化特征，可将其划分为4个不同的阶段:本地污染物清除阶段、新污染物携入阶段、本地新污染物吹入及外来沙尘颗粒减少阶段、沙尘颗粒基本清除阶段。
沙尘暴影响生态环境与人体健康
■阅读提示
沙尘暴通过沙埋、吹刮等，对西北地区的植被生态环境造成了严重的破坏，大大加快了西北地区土地荒漠化的进程。沙尘暴不但破坏环境，而且对人体的皮肤、耳、鼻和肺都有一定的损害，已成为影响人类健康的一大问题。
随着我国人口增长尤其是西部人口增加和工业的发展，以及滥垦、滥牧、滥伐、滥采等现象，使本已脆弱的西部生态环境变得更加脆弱。人类的活动使得地表植被大面积减少和退化，再加上全球变暖引起的中西部气候干旱，使得这一地区沙尘暴频繁发生。人类的生产和生活活动已成为沙尘暴形成和演变的重要驱动因子，应该认真地对待和保护本已脆弱的西部生态环境。每发生一次特大沙尘暴，都会对源地及周围地区人民群众的财产及农林牧业、电力通讯、公路铁路交通运输等造成巨大损失。沙尘暴通过沙埋、吹刮等，对西北地区的植被生态环境造成了严重的破坏，大大加快了西北地区土地荒漠化的进程，其间接经济损失是难以估量的。为我国的可持续发展，为子孙后代造福，保护西部脆弱的生态环境已刻不容缓。
沙尘暴不但破坏环境，而且对人体的皮肤、耳、鼻和肺都有一定的损害，已成为影响人类健康的一大问题。每当沙尘暴产生时就有大量的沙（土）尘微粒悬浮于大气中，使大气环境质量严重恶化。混浊的空气使人们呼吸困难，严重影响人体健康，应该积极开展沙尘暴对人体健康影响的调查和研究工作。
图1甘肃各区域大气背景点年降尘总量变化曲线
图2强沙尘暴在兰州过境前后Ca2＋在PM2.5和大气中浓度变化状况
作者单位:甘肃省环境监测中心站