[0001] 本发明属于沙尘污染领域，更具体的说涉及颗粒物受沙尘天气影响期间浓度水平及变化趋向表征方法。

[0002] 沙尘天气是指强风从地面卷起大量尘沙，使空气浑浊、水平能见度明显下降到10 km以下的一种天气现象，是干旱和半干旱地区特有的一种灾害性风沙天气。根据气象观测规范定义，沙尘天气包括沙尘暴、扬沙和浮尘。沙尘天气的发生，尤其沙尘暴会对人类的生产、生活与生命财产安全造成严重影响。

[0003] 像我国西北地区一样，世界上许多地方也由于气候干燥、降水稀少、沙源丰富等原因，成为了沙尘天气的高发区域。对于这些地区的沙尘天气状况，已有许多学者展开了深入研究并取得了重要的成果。然而，在许多受沙尘影响的城市，关于空气质量受沙尘天气影响的研究仍相当有限。

[0004] 多数研究都关注于大城市如北京或上海，而缺少对中小城市或者城市群的综合量化分析。这些研究大多集中在沙尘天气的特征以及其对环境空气质量的影响，以及不同类型的环流形势和天气系统的影响等方面。然而，对于沙尘天气对城市群空气质量的影响特征，以及环流形势下的沙尘传输路径，目前的研究仍较为有限。

[0014] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本发明所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

[0015] 除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员理解的含义相同。本发明说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

[0016] 实施例一：如图1所示，颗粒物受沙尘天气影响期间浓度水平及变化趋向表征方法，所述的计
算方法包括：
数据收集，城市环境空气质量数据来源于空气质量联网监测管理平台；
构建沙尘天气强度分级和沙尘天气过程识别方法，
同时对沙尘天气过程的起止时间判定。起始时间判定条件：（1）城市PM10小时平均‑3
浓度大于等于前6个小时 PM10小时平均浓度的2倍且大于150 µg·m ；（2）城市PM2.5与PM10‑3
小时浓度比值小于等于前6个小时比值平均值的50%且PM10小时平均浓度大于150 µg·m 。
结束时间判定：（1）城市PM10小时平均浓度首次降至与沙尘天气前6个小时 PM10小时平均浓度相对偏差小于等于10%；（2）城市小时PM2.5AQI分指数首次超过小时PM10AQI分指数。

[0017] 沙尘天气影响期间城市颗粒物浓度水平评价方法沙尘天气过程对城市空气质量的影响主要表现为对颗粒物的影响，本发明分析对
象为PM10和PM2.5。

[0018] 表1颗粒物浓度范围和空气质量类别对应情况PM10浓度 PM2.5浓度 空气质量指数 空气质量类别
050150250350420600500 500（爆表） 严重污染
>1000 500（爆表） 严重污染
注：爆表是指空气质量指数AQI维持500，数值不再升高；该词为业内俗称表达。

[0019] 沙尘天气影响期间颗粒物浓度变化特征；基于城市环境空气质量小时监测数据，分析沙尘天气影响过程及前后关中各市
PM10和PM2.5浓度变化幅度特征。将沙尘天气起始前6小时平均颗粒物浓度作为城市受沙尘天气影响之前的参照浓度，简称沙尘前浓度。颗粒物受沙尘天气影响变化幅度计算公式见式(1)：
(1)
式中：M为颗粒物浓度变化幅度，无量纲；Cm为峰值浓度，C0为沙尘前浓度，浓度单位‑3
均为μg·m 。

[0020] 对沙尘天气期间浓度水平及变化特征进行分析包括：（1）沙尘天气影响期间关中各城市PM10和PM2.5的浓度水平特征。

[0021] 由图2 a 可知，2016—2020年关中各城市沙尘影响期间PM10小时浓度区间分布频数由高到低依次是（150,250]、（250,350]、（420,2100]、（350,420]和（50,150]，对应的空气质量等级依次为轻度污染、中度污染、严重污染、重度污染和良。由图2 b 可知，各城市沙尘影响期间PM10小时污染等级以轻度污染（40.2%~46.0%）和中度污染（22.5%~27.2%）为主，其次是严重污染（13.6% 18.8%），重度污染出现频次较少（5.7% 10.8%）。严重污染划分的3个~ ~浓度区间中（1000，2100]出现频次最低，可见关中地区高强度沙尘发生较少。关中各城市沙尘天气过程PM10小时浓度分布特征无明显差异。

[0022] 由图3 a 可知，2016—2020年关中各城市沙尘影响期间PM2.5小时浓度区间分布频数由高到低依次是（0,75]、（75,115]、（115,150]、（150,250]和（250,500]，对应的空气质量等级依次为优良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染。由图3 b 可知，各城市沙尘影响期间PM2.5小时污染等级以轻度污染（24.4%~28.3%）为主，其次是中度污染（5.5%~12.0%），重度污染和严重污染出现频次较少（均低于10%）。与PM10类似，关中各城市沙尘天气过程PM2.5小时浓度分布特征无明显差异。

[0023] （2）沙尘天气影响期间关中各城市PM10和PM2.5浓度变化幅度特征。

[0024] 发生沙尘天气时，受沙尘天气过程影响城市的颗粒物质量浓度具有明显的变化响应特征，其颗粒物浓度变化幅度可以反映沙尘天气的强度。2016—2020年沙尘天气影响期间关中各城市PM10和PM2.5浓度变化幅度箱线图如图4所示，PM10和PM2.5浓度变化幅度统计结果见表2。

[0025] 表2 2016—2020年关中地区城市沙尘天气过程PM10和PM2.5浓度变化幅度统计结果[0026] 关中各城市PM10浓度变化幅度分布均呈右偏分布，即其在低于各城市PM10浓度变化幅度中位值一侧分布较多，宝鸡、西安、咸阳、渭南和铜川PM10浓度变化幅度最高分别达到了40.20%，14.95%，17.91%，14.14%和36.12%。在关中5市中，西安PM10浓度变化幅度分布最为集中，其浓度变化幅度在0%—200%的占比最多，达56.0%，而铜川PM10浓度变化幅度分布最为分散。西安、咸阳、渭南和铜川PM2.5浓度变化幅度呈右偏分布，而宝鸡为左偏分布，即其在高于PM2.5浓度变化幅度中位值一侧分布较多，宝鸡、西安、咸阳、渭南和铜川PM2.5浓度变化幅度最高分别达到了11.21%，10.29%，11.96%，10.92%和26.56%，其中铜川PM2.5浓度变化幅度分布最为集中，其浓度变化幅度在0%—200%的占比最多，达65.3%，而咸阳PM2.5浓度变化幅度分布最为分散。另外，关中各城市PM2.5浓度变化幅度均出现了不同占比的负值，即其对应沙尘天气影响过程期间城市PM2.5浓度有一定程度的下降。这种情况大多出现在秋季和冬季，主要是因为沙尘天气来临之前当地为灰霾天气，PM2.5浓度相对较高，当沙尘天气到来后，风速的增大加速了大气的水平混合，从而使PM2.5浓度下降。

[0027] （3）沙尘天气影响期间关中各城市PM2.5/PM10比值变化特征。

[0028] 图5为2016‑2020年关中各城市沙尘天气影响期间PM2.5/PM10比值频数分布图。从图5可以看出，关中地区沙尘天气影响期间PM2.5/PM10比值变化范围分布在0.08—0.43之间，其中最小值出现在咸阳，最大值出现在铜川。对于关中各城市来说，宝鸡、咸阳和铜川PM2.5/PM10比值在0.25—0.35之间出现的频次最多，分别占比58.3%，41.2%和44.9%，西安在0.15—
0.25之间出现的频次最多，占比46.0%，渭南在0.15—0.25和0.25—0.35之间出现的频次相同，均占比45.5%，这在一定程度上与其各城市沙尘天气过程强度有关。由于沙尘天气对PM10的影响最显著，因而沙尘天气强度越大，PM2.5/PM10比值一般也越低，表明空气中含有更多粗颗粒物和更少的细颗粒物。

[0029] （4）沙尘天气影响期间关中地区PM10和PM2.5浓度变化特征。

[0030] 沙尘天气发生时，大气中的颗粒物浓度会急剧升高并达到峰值，当沙尘天气结束后又会恢复到正常水平，具有一定的峰型特征。针对关中地区沙尘天气影响过程，研究以西安市为例，分析了西安市48次沙尘天气过程期间PM10和PM2.5小时浓度变化曲线的峰型特征。结果发现，西安沙尘天气过程的PM10峰型包括：PM10单峰型、PM10双峰型和PM10多峰型（具有3个及以上峰值点）三种类型，而PM2.5峰型比PM10多了两种类型，包括PM2.5单峰型、PM2.5双峰型、PM2.5多峰型、PM2.5下降型和PM2.5小幅水平直线型。从图6可知，PM10和PM2.5峰型均以单峰型占比最多，其他类型占比相对少些。

[0031] 如图7所示，当PM10峰型为单峰型时，其对应的PM2.5峰型包括PM2.5单峰型、PM2.5多峰型、PM2.5下降型和PM2.5小幅水平直线型，这4种峰型占比由高到低依次为：PM2.5单峰型（51.7%）＞PM2.5下降型（24.2%）＞PM2.5多峰型（13.8%）＞PM2.5小幅水平直线型（10.3%）。分析发现，单峰（PM10）—单峰型（PM2.5）沙尘天气包括扬沙、浮尘和受沙尘天气影响3个沙尘天气‑3等级，这类沙尘天气过程大多发生在春季，PM10峰值浓度在208—1563μg·m 之间，影响时长在10h左右，PM10和PM2.5浓度变化趋势基本一致，往往呈现出明显的“急升急降”特征。以‑3
2020年3月26日扬沙天气为例，沙尘前6h PM10平均浓度仅为113μg·m ，随着沙尘的到来，‑3
PM10浓度急剧升高，上升速率最高达到了430(μg·m )·h‑1，3h后达到峰值浓度1221μg·m‑3
，之后开始迅速下降，PM2.5浓度变化趋势类似；单峰（PM10）—下降（PM2.5）型沙尘天气以受‑3
沙尘天气影响过程为主，冬季发生的概率较大，PM10峰值浓度在245—896μg·m 之间，影响时长大多在10h以上，这类沙尘天气过程来临前大多情况下当地为灰霾天气，PM2.5浓度相对较高，为首要污染物。以2020年2月20日受沙尘天气影响过程为例，沙尘前6h PM2.5平均浓度‑3
达到了97μg·m ，为二级标准的1.3倍，沙尘期PM2.5浓度开始缓缓下降，PM10浓度逐渐攀升，接替PM2.5成为首要污染物；单峰（PM10）—多峰（PM2.5）型和单峰（PM10）—小幅水平直线（PM2.5）型沙尘天气出现概率较小，涉及浮尘和受沙尘天气影响过程，大多发生在春季，影响时长相对较长，大多在20h以上。

[0032] 如图8所示，当PM10峰型为双峰型时，其对应的PM2.5峰型包括单峰型、双峰型、下降型和小幅水平直线型，这4种峰型占比由高到低依次为：双峰型（66.7%）＞下降型（11.1%）=单峰型（11.1%）=小幅水平直线型（11.1%）。分析发现，双峰（PM10）—双峰（PM2.5）型沙尘天气‑3均为受沙尘天气影响过程，大多发生在春季，PM10峰值浓度在187—502μg·m 之间，影响时长大多在20h以上，PM10和PM2.5浓度变化趋势基本一致，PM10和PM2.5的两个峰值时间点均间隔较短，两个峰值基本持平，近似呈“M”型，且沙尘过程期间存在沙尘回流的特例，这种情况下其持续时间可达三四天甚至更久，这不仅影响沙源地周边的地区，还会对远距离地区的空气质量造成影响。以2016年3月4日沙尘天气过程为例，沙尘到达后PM10浓度迅速上升，2h‑3 ‑3
后达到第一个峰值浓度483μg·m ，再经过2h后达到第二个峰值浓度499μg·m （最大峰值浓度），之后又迅速下降，3月5日07:00时沙尘开始回流，PM10浓度呈现出先波动上升后又波动下降的趋势，PM2.5浓度变化趋势与之类似，整个沙尘回流过程长达98h，占总沙尘过程时长的88%；双峰（PM10）—单峰（PM2.5）型、双峰（PM10）—下降（PM2.5）型和双峰（PM10）—小幅水平直线（PM2.5）型沙尘天气均只出现了一次，均为受沙尘天气影响过程，影响时长在20h左右，不存在沙尘回流的情况。

[0033] 如图9所示，当PM10峰型为多峰型时，其对应的PM2.5峰型包括PM2.5多峰型、PM2.5下降型和PM2.5小幅水平直线型，这3种峰型占比由高到低依次为：多峰型（80.0%）＞下降型（10.0%）=小幅水平直线型（10.0%）。分析发现，多峰（PM10）—多峰（PM2.5）型沙尘天气均为受沙尘天气影响过程，大多发生在春季，影响时长大多在30h以上，PM10峰值浓度在225—511μ‑3g·m 之间，PM10和PM2.5浓度变化趋势也具有较好的一致性。以2020年5月30日沙尘天气过‑3
程为例，随着沙尘天气的影响，在沙尘期2h后达到最大峰值浓度250μg·m ，后在下降了一段时间后相继出现了第二个和第三个小峰值，5月31日18:00时PM10浓度迅速上升，达到了次‑3
峰值203μg·m ，之后呈下降趋势，PM2.5浓度变化趋势与PM10基本一致；多峰（PM10）—下降（PM2.5）型和多峰（PM10）—小幅水平直线（PM2.5）型均只出现了一次，均为受沙尘天气影响过程，影响时长在20h左右。

[0034] （5）沙尘天气对关中城市空气质量等级的影响分析。

[0035] 2016—2020年关中5市5年累计发生沙尘天气过程合计230次，对关中5市的颗粒物日均值进行分析，了解沙尘天气对关中城市空气质量等级的影响。

[0036] 与沙尘影响日前一天的空气质量相比，沙尘天气造成空气质量等级上升的有174次，其中等级上升一级的有114次，上升两级的有30次，上升三级的有14次，上升四级的有7次，上升五级的有9次；未造成空气质量等级变化的有53次；造成空气质量等级下降的有3次，均为空气质量等级从中度污染降为轻度污染，且均发生在冬季，造成这种现象的主要原因是冬季颗粒物本底值较高，而冷空气过境带来沙尘的同时，也对本地的颗粒物起到了清除作用，在沙尘过程结束后，空气质量状况也得到了缓解。

[0037] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ReadOnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

[0038] 应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。