2010年杭州地区一次持续浮尘天气成因分析

徐柳韵 孟永军 黄春涛 陆耀辉 章莹菁

(1.余杭区气象局,浙江余杭311100;2.桐庐县气象局,浙江桐庐311500)

0 引 言

2010年3月20日前后一股较强冷空气自北而南袭击了大半个中国,并伴随严重的沙尘暴、扬沙和浮尘现象,这次沙尘暴、扬沙及浮尘现象强度之强,范围之广,实属罕见。这股冷空气在21日经过杭州地区时,出现了浮尘天气现象。浮尘,在中国气象局的《地面观测规范》中[1],定义为：“尘土、细沙均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10.0 km。多为远处尘沙经上层气流传播而来,或为沙尘暴、扬沙出现后尚未下沉的细粒浮游空中而成”。我国北方春季强冷空气活动频繁,地面干燥,土质疏松,沙源充足,与之相伴的大风极易将地面沙尘卷起形成沙尘暴。因而我国北方是亚洲一个沙尘暴多发区,主要在春季发生。我国学者针对沙尘暴机制的研究己有很多,取得了很大的进展[2-7],总结出强风、沙源、大气层结不稳定是沙尘暴发生的3个基本条件。杨晓玲等[8]、肖贤俊等[9]、王文等[10]、王劲松[11]等对部分沙尘暴个例进行分析,总结出了一定的预报思路和要点。但对南方地区浮尘天气的研究较少。本文利用National Centers for Environmental Prediction及环境监测站大气成分监测资料,针对2010年3月21—22日杭州地区浮尘天气过程的成因进行分析,以期为今后浮尘天气的预报提供一定的参考。

1 过程实况分析

1.1 天气实况

2010年3月21—22日杭州地区出现浮尘天气,定时观测水平能见度均在8 km以下,其中21日08时杭州水平能见度只有2 km。远处的景物均呈土黄色,天空中无云,目视太阳呈苍白色,垂直能见度也很差。到22日20时观测时,影响能见度的天气现象变化不大。22日夜里起出现降雨,浮尘天气结束。杭州各测站能见度变化见表1。

1.2 空气质量实况

本文以桐庐站(杭州地区中部)资料进行分析。图1是3月18—25日桐庐县环境监测站空气质量自动监测数据,清晰地反映了这次浮尘天气的空气污染情况。

图1 3月18—25日桐庐县环境监测站空气质量自动监测数据

表1 杭州地区各观测站3月20—23日能见度 km

3月20日以前反映空气质量中PM10的空气污染指数 API值在100以下,空气质量等级为良。21—22日 PM10的 API分别达到413～412,达到重度污染(API≥300为重度污染)程度。23日起明显下降,但 PM10仍较高,这是22日下午到夜里污染仍较重的贡献值。而反映汽车尾气及煤化石燃气等SO2,NO2有害气体的API值变化平稳,基本维持在50以下,质量等级为优。

2 浮尘天气气候概况

分析桐庐站1959—2009年的资料,以观测出现一次浮尘天气现象为一个浮尘日,在51 a中共出现177个浮尘日,见图2、表2。

图2 桐庐县1959—2009年各月浮尘日数分布

表2、图2可以清楚的反映出各月浮尘日数的变化情况,其中3—4月是浮尘天气发生的主要时期,占到全年浮尘发生的52.6%,而6—10月为全年浮尘发生的低频时期,仅占到全年浮尘日数的6.8%。杨东贞等指出,3,4和5月北方沙尘暴发生次数偏高,尤其以4月份沙尘暴发生次数为全年最高。5月以后沙尘暴发生次数急剧下降,9月和10月为最低[12]。杭州地区(桐庐代表站)的浮尘发生的季节变化和北方沙尘暴发生的季节变化基本相同,而对沙尘暴较多较成熟的研究分析也为本文浮尘天气的客观成因分析提供一定的参考借鉴作用。

表2 桐庐站各月出现浮尘日数所占比例 %

3 成因分析

3.1 大气环流分析

从地面图(图略)上可以看到,3月18—20日在蒙古气旋带来的冷空气自西向东开始影响我国北方地区,引发了一次大范围的强沙尘暴过程。到20日下午起冷空气影响至长江中下游地区,杭州地区即出现浮尘天气,浮尘天气到22日夜里结束。

对应的高空图上反映了这次冷空气的移动特征。以700 hPa为例(图3),3月20日08时,高空槽已移至我国东北地区,等温线和等高线几乎成90°角,表明冷平流和斜压性很强,系统发展强烈。但由于槽前以偏西气流为主,因此地面基本无雨区配合,为干冷空气过程。杭州地区仍在西南气流的控制下,回温较明显,至20时高空槽过境冷空气影响杭州地区,并继续东移南压,上游地区大风、沙尘天气所产生的沙尘粒子随西北气流向下游输送,并开始影响到地面;21—22日在高压脊控制下,天气稳定,浮尘天气维持。3月23日另一股冷空气配合高空槽,在杭州地区出现明显降水,浮尘天气结束。

图3 3月20日08时700 hPa高空图

3.2 物理量诊断分析

3.2.1 风场和垂直速度特征分析

大范围的沙尘暴天气一般与200 hPa高空的西风急流相伴出现[13]。高空急流的动量下传对低层风速的加大作用也是不容忽视的一个重要因素[14],而高空急流的存在是动量下传产生沙尘暴的必要条件。本文以120°E,30°N的格点资料分析高空风场的分布情况,图4为该点单站高空风场的时间剖面图。

从图4中发现该点站上空200 hPa附近一直维持一个高空西风急流,极大风速出现在20日08时,达72 m/s。低层已从偏南风向偏西风顺转,14时前后已转为西北风,这表明冷空气已从低层逐渐侵入,杭州地区天气出现变化,云量明显增多,下了零星小雨,垂直能见度和水平能见度己开始明显变差,观测员根据相对湿度判别标准,将这天的低能见度天气记录为霾(∞)。

当日20时高空的西风急流加强且开始下传,在500 hPa附近还出现了34 m/s的急流,同时高空的风速垂直切变也开始下传,20时该点上空除了200～300 hPa仍然维持强风速垂直切变(42 m/s),在500～850 hPa也出现了24 m/s的风速垂直切变;当天,1000 hPa,925 hPa和850 hPa继续维持西北风,700 hPa风向也从20日14时西南风转为西北风,说明高空浅槽过境,风速明显增强,冷空气继续东移侵入且开始明显南压。

从20日20时的垂直速度图5中也可发现,我国华北等地存在着一支下沉气流,这和上面风速的垂直分布情况是相同的。随着动量的下传,近地925 hPa和1000 hPa的风速达到12 m/s,上游随西北气流输送来的大量沙砾也随之下传至近地面,杭州地区开始出现历史罕见的浮尘天气。

图4 120°E,30°N处风场的时间剖面图

图5 20日20时垂直速度分布图(单位：Pa/s)

从图4中分析发现,21—22日近地层风速变化明显,从减小再增大,而且风向也快速转变,从偏北-东北-东南,地面图上表征为一个较稳定小高压的底后部。这表明浮尘天气出现后,风向的快速转变,较湿的偏东气流阻滞,使得沙尘难以扩散。同时从22日08时的垂直速度图6中也可发现,杭州地区近地层存在着弱的上升气流,湍流作用使得沙尘粒子不易沉降,浮尘天气维持。至23日另一股冷空气配合地面明显降雨,浮尘天气结束。

图6 22日08时垂直速度分布图(单位：Pa/s)

3.2.2 干冷空气分析

杨晓玲等[8]分析指出,强冷空气的卷入为沙尘暴的发展提供了动力条件;林良根等[15]分析表明,强沙尘暴过程中有明显的干空气侵入。此次沙尘暴过程,干冷空气同样起着非常重要的作用。从700 hPa风场和温度分布来看(图略),3月20日08时,华北地区有一明显的冷涡存在,杭州地区处于冷涡底部,有弱的冷平流。同时从700 hPa比湿图(图7)上发现,内蒙至华北、东北有一明显的干区,向长江中下游延伸。因此干冷空气的影响,也是导致长江中下游地区浮尘天气爆发的重要因素。

4 结 语

4.1 “3·21”浮尘天气发生时,空气为重度污染,吸入颗粒物的浓度达到罕见的高值区,说明空气污染主要来自沙尘,3月21—22日出现浮尘天气时杭州地区定时观测水平能见度均在8 km以下。

图7 20日700 hPa比湿图(单位：kg/kg)

4.2 杭州地区3—4月是浮尘天气发生的主要时期,这和北方沙尘暴发生的季节变化相同,对浮尘天气的成因分析可以提供一定的分析研究参考。

4.3 “3·21”浮尘天气源自北方蒙古的沙尘暴,并随着强干冷空气自西向东、后自北向南先后影响到我国西北、华北、东北至华东北部地区、长江中下游等地区,3月20日白天当700 hPa高空槽过境、干冷空气侵入且配合下沉运动时,上游地区大量沙砾被输送并下传至近地面,杭州地区“浮尘”天气爆发。

4.4 诊断分析表明,“浮尘”天气爆发后,在高压系统控制下,近地面风向的迅速变化,较湿的偏东气流阻滞及弱的湍流作用,使得沙尘粒子难以扩散、不易沉降,21—22日浮尘天气维持。3月23日另一股冷空气配合高空槽,在杭州地区出现明显降水,浮尘天气结束。

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