风廓线雷达在北京地区一次强沙尘天气分析中的应用

刘 超,张碧辉*,花 丛,张恒德,吴东丽



风廓线雷达在北京地区一次强沙尘天气分析中的应用

刘 超1,张碧辉1*,花 丛1,张恒德1,吴东丽2

(1.国家气象中心,北京 100081；2.中国气象局气象探测中心,北京 100081)

基于北京地区逐小时风廓线雷达数据、大气成分观测数据以及地面常规观测资料对2017年5月3~7日一次沙尘天气过程进行了研究.结果表明:受蒙古气旋影响,全国多地出现空气质量严重污染,其中北京PM10浓度达到严重污染级别时间超过30h.通过对边界层内水平风场、垂直速度以及大气折射率结构常数等要素进行分析,研究发现沙尘爆发前,边界层内出现平均风速达到14.8m/s的西北急流核,该急流核的建立有利于将高层沙尘粒子向近地面传输,而沙尘爆发阶段边界层通风量较前期增加31.6%,中低层的通风量逐渐占据主导地位,使近地面PM10浓度出现爆发性增长.此外,整个沙尘天气过程中,以弱下沉运动为主,垂直速度在1m/s以下,而沙尘天气爆发前,边界层内出现强烈垂直下沉运动,达到5.3m/s.同时,大气折射率结构常数出现1.0×10-16的高值中心.二者均先于地面污染物浓度的变化,预报时间提前量为8~9h,可为今后沙尘预报提供一定参考.

沙尘；风廓线；边界层通风量；垂直速度

沙尘天气是一种由强风将地面沙尘卷到空中,在特定的大尺度天气背景下诱发的灾害性天气[1].地面观测站根据天气现象和能见度将沙尘天气划分为沙尘暴、扬沙和浮尘[2].尽管有相关研究表明[3],北京、呼和浩特等北方重点城市近些年来春季沙尘天气日数和影响范围呈现出下降趋势,但沙尘作为一种对空气质量、大气能见度及人体健康有明显影响的灾害性天气现象[4-6],依然受到广泛关注.近年来,关于影响北京地区的沙尘天气开展了大量的研究.徐文帅等[7]结合后向轨迹模型和激光雷达观测资料发现2011年3月18~21日污染过程主要是由于沙尘在上游沙源地起沙后先直接输送穿过北京,在弱高压系统作用下,沙尘又回流至北京所致.邓梅等[8]借助大气气溶胶激光雷达红外探索系统对北京地区沙尘天气进行了研究,采用双波长迭代反演法得到了沙尘天气下气溶胶光学厚度垂直分布特征.樊璠等[9]探讨了2012年3月30~31日沙尘天气过程中气溶胶的时空分布及输送特征.Liu等[10]研究发现2012年春季北京地区两次沙尘天气PM10中铅同位素比值明显高于非沙尘天气,该比值与内蒙古高原、张北高原沙尘源地的比值接近.Wei等[11]研究发现沙尘天气下积聚模态气溶胶数浓度达到400cm-3,明显低于雾霾天气下的水平.Cao等[12]利用后向轨迹对2005~2010年影响北京地区的主要沙尘输送路径进行分析,结果表明影响北京的沙尘输送路径来自内蒙古地区和蒙古国.上述研究主要侧重于沙尘天气背景场、气溶胶理化特征、沙尘输送路径等方面,而对于北京地区沙尘天气下边界层内精细化风场结构和演变特征以及垂直动力条件等方面的研究却鲜有报道.

风廓线雷达主要利用大气湍流对电磁波的散射作用,通过接收返回信号的频移对大气风场、大气折射率结构常数等物理量进行探测,对大气三维风场具有较强的探测能力[13-14].由于其具备较高时空分辨率,在暴雨、短时强降水等降水预报中得到广泛的应用.古红萍等[15]利用北京及周围3个边界层风廓线雷达资料对2005年北京8月3日一次强降水天气研究发现,有高空槽和弱冷空气共同配合产生的低涡切变线是影响此次暴雨过程的主要中尺度系统.方翀等[16]结合风廓线雷达监测资料对2012年7月21日北京极端强降水天气进行了分析,结果表明中低层风向风速的转变,可用于判断水汽输送的情况.董保举等[17]针对云南大理2008年6月1~2日一次暴雨过程,对垂直速度和信噪比分布特征进行了讨论.上述研究表明,风廓线雷达资料在降水天气中发挥着重要的作用.

2017年5月4~5日,北京出现近年来较为严重的一次沙尘天气过程,本研究利用北京风廓线雷达连续观测资料,探讨此次沙尘天气过程中边界层内风场和通风量变化特征,并分析垂直速度、大气折射率结构常数等要素的变化趋势,归纳提炼具有预报指示意义的物理量特征值,以期加深对沙尘天气边界层内气象要素垂直分布和动力条件的认识,丰富沙尘天气预报经验.

1 数据与方法

表1 边界层风廓线雷达主要参数设置

地面常规观测数据来源于北京南郊观象台的每日8次(3h/次)MICAPS数据.北京12个国控站点的污染物浓度数据来源于全国城市空气质量实时发布平台(http://113.108.142.147:20035/ emcpublish/),时间分辨率为1h.

2 沙尘过程概述

2017年5月3~7日,我国北方大部地区出现一次沙尘天气过程.此次沙尘天气过程呈现出影响范围广、强度大的特点,影响面积达到235km2,局部地区出现强沙尘暴.受沙尘天气影响,多地空气质量出现“爆表”,其中内蒙古局地PM10峰值浓度超过2000μg/m3.

由图1可知,本次沙尘天气过程影响北京的时段为4日04:00~5日11:00,PM10严重污染级别持续时间超过30h,平均能见度仅为3.2km.3日12:00~4日03:00,北京PM2.5和PM10浓度维持在较低水平,能见度超过20km.4日04:00起,受沙尘天气影响,北京PM10浓度迅速增长,其中04:00~ 07:00PM10浓度增长速率达到169.3μg/(m3·h).4日12:00~16:00,PM10浓度略有下降,自17:00起, PM10浓度再一次增长,且长时间维持在900μg/m3以上.5日12:00起,受地面冷锋过境清除作用影响,大气能见度逐渐转好,PM10浓度下降至77μg/m3.此外,沙尘主要影响时段的PM2.5/PM10比值仅为0.41,该比值较前期下降28.1%,由此可见沙尘天气中大气气溶胶以大粒径的PM10为主.

图1 北京污染物浓度和能见度实况

3 天气形势分析

在500hPa高度场上,1日20:00(图略)里海偏东方向形成闭合高压,随着高压脊逐渐东移北抬,新西伯利亚至新疆一带的高空槽逐渐加深,引导槽后冷空气东移,自西向东影响新疆、内蒙古、甘肃等地.3日20:00(图2),位于蒙古气旋底部的内蒙古中部地面等压线较为密集,较大的气压梯度力,使得内蒙古中部地区地面风速达到16m/s,局地风速出现超过20m/s,华北上游地区出现大范围沙尘天气.4日02:00(图3),蒙古气旋继续东移加强,中心气压降低到990hPa.此时位于蒙古气旋底部的华北地区高空经向度较大,大气斜压性明显加强,有利于引导高空气流南下,将上游地区的沙尘粒子向下游传输(图略).5日11:00(图略),伴随着地面冷锋南下,影响北京地区的沙尘天气过程结束.

图2 5月3日20:00海平面气压场(hPa)

图3 5月4日02:00海平面气压场(hPa)

4 风廓线雷达资料应用分析

4.1 水平风场

由风廓线雷达水平风场时序图可以看出(图4),3日14:00~4日0:00,边界层内盛行西南风, PM10浓度较低.结合风向廓线来看(图5),4日01:00~03:00,1800m以下均以西南风控制为主,随着时间的推移,高空西北气流的影响高度逐渐降低并向近地面渗透.4日04:00,边界层内整层盛行西北气流且明显接地,而此时正好对应北京PM10浓度开始增长.4日05:00~07:00,在630m~1590m高度区间出现西北急流核,平均风速达到14.8m/s,最大风速(16.1m/s)出现在1350m.根据杨德宝等[18]和朱晓炜等[19]的研究结果,急流的存在是动量下传产生沙尘的必要条件,并伴有明显的层结不稳定(垂直运动分析详见4.3节).该西北急流核的建立有利于将高层沙尘粒子向近地面传输,使得近地面PM10浓度出现快速增长.此外,4日12:00~16:00,在近地面风速减小和重力自由沉降共同作用下,PM10浓度略有降低,并于16:00下降至804μg/m3.18:00起,北京地区位于高空槽后并盛行西南风,风向随高度增加而顺时针旋转,根据热成风原理有明显的暖平流,中低层大气的不稳定程度增大,配合低层西南风风速加大,有利于将近地面沙尘粒子再一次扬起,导致PM10浓度再一次增长至900μg/m3以上.

图4 水平风场时间-高度剖面

另外,有研究表明[20]在出现大范围沙尘天气前,若高空有明显风速带建立并伴随较强的垂直风切变,则有利于高空动量下传,近地面风速加强,不利于大气稳定度的维持.从垂直风切变的分布特征来看(图6),3日14:00~4日0:00,边界层内垂直风切变较弱,强度在0.01s-1左右,大气层结较为稳定.4日0:00起,2700m以下垂直风切强度有所增加,大部分在0.02s-1以上,并分别在400m和1200m附近达到0.068s-1和0.075s-1.根据国际民航组织第五次航空会议上制定的垂直风切变值所对应的强度[21],二者垂直风切变值已达到中度级别强度.结合水平风场特征来看,边界层中低层垂直风切变的加强,使大气稳定度得到一定的破坏,有利于沙尘天气长时间维持.

图5 风向廓线

图6 垂直风切变时间-高度剖面图(s-1)

4.2 通风量

通风量(VI)是指一定高度层内累计风速的大小,可以用来表征风场对污染物的输送能力,本文通过对该物理量的计算,研究风场对沙尘粒子输送的动态时空分布特征以及向近地面传输沙尘粒子的动力条件等方面,其计算公式如式[22-23](1):

式中:为该时刻风廓线数据中垂直高度从低至高的第个数据;h为第个数据所对应的垂直高度,0为0m;V为第个数据对应的风速大小.

为了解通风量对沙尘天气的影响,参考刘超等[24]研究成果,计算2000m以下的通风量大小.根据风廓线雷达资料,2000m以下共计16层,故max=16.

表2为此次沙尘过程不同阶段2000m以下的边界层通风量.在沙尘影响前,平均通风量为16023.4m2/s,整层风速较小,空气质量整体以优良为主,但在沙尘爆发阶段受西北急流建立的影响,边界层内整体风速加大,通风量较前期增加31.6%,达到21095.2m2/s,PM10浓度在此阶段也出现迅速增长.而在沙尘维持阶段,通风量显著下降,强度低于沙尘影响前,且仅有沙尘爆发阶段的70.8%,由此可见较小的通风量有助于沙尘天气的维持和沙尘粒子的缓慢沉降.在沙尘结束阶段,受地面冷锋影响,边界层内风速再一次加大,通风量达到33439.6m2/s,对污染物清除起到重要的作用.

表2 不同沙尘阶段2000m以下边界层通风量

图7 沙尘爆发阶段不同高度区间西北风通风量比例及平均影响高度

此外,结合4日凌晨沙尘爆发阶段中低层西北急流的分布特征,对不同时段各高度区间风向在270°~360°区间的通风量比例分布以及平均影响高度进行了计算(图7).结果表明,4日0:00起,西北风风向的平均影响高度呈现出逐渐降低的趋势,并于06:00降低至1230m,反映出高空风逐渐向近地面向下渗透的趋势,有利于将高空的沙尘粒子不断向中低空(2430m以下)输送,与此同时由于中低空风速的不断加大,导致边界层内中低层通风量的所占比例逐渐增加,4日06:00低层(150~1230m)和中层(1350~2430m)的通风量比例分别为56.5%和43.5%,而高层通风量则明显降低,此时对应PM10浓度出现爆发性增长.由此可以看出随着时间的推移,沙尘爆发阶段西北急流轴影响高度逐渐接近地面,且中低层的通风量占据主导地位.

4.3 垂直速度

由图8垂直速度时序图可以看出,在沙尘天气影响前,边界层内以弱下沉运动为主,垂直速度小于1m/s,符合稳定天气系统控制下大气垂直运动速度的相关研究结果[25].自3日18:00起,边界层内垂直下沉运动逐渐加强,在990~1230m高度区间出现垂直下沉运动中心,最大垂直速度达到5.3m/s(图9),8h后PM10浓度出现爆发性增长.由此可以看出,沙尘天气爆发前边界层强烈的下沉运动先于地面污染物浓度的变化,具有一定的预报时间提前量,该结论与张亚妮等[26]对2012年春季一次影响北京地区沙尘天气中850hPa垂直运动分析结果大体一致.在沙尘影响阶段,边界层内垂直运动变化较小,以弱下沉运动为主,速度大多在1.5m/s以下.5日08:00起,受地面冷锋影响在900m以上再一次出现剧烈下沉运动,但此次下沉运动强度明显偏弱,最大垂直速度仅为2.2m/s,且垂直速度中心高度较高,与沙尘爆发前的分布形态有较明显区别.

图8 垂直速度时间-高度剖面图(m/s,正值表示下沉运动)

图9 垂直速度廓线

4.4 大气折射率结构常数

图10 大气折射率结构常数时间-高度剖面图

图11 激光雷达退偏振比时间-高度剖面

5 结论

5.1 沙尘爆发前,边界层内西北急流核的建立有利于将高层沙尘粒子向近地面传输,使得近地面PM10浓度出现爆发性增长,该急流核平均风速达到14.8m/s,最大风速达到16.1m/s.

5.2 沙尘爆发阶段,边界层通风量达到21095.2m2/s较爆发前增加31.6%,并且西北急流平均影响高度呈现出逐渐降低的趋势,反映出高空风逐渐向近地面向下渗透的趋势,有利于将高空的沙尘粒子不断向中低空输送.

5.3 从动力条件来看,沙尘天气爆发前边界层内出现强烈下沉运动,最大垂直速度达到5.3m/s,有利于高空沙尘粒子向近地面传输,而8h后PM10浓度才出现爆发性增长,具有一定的预报时间提前量.

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Application of wind profiler radar in a strong sand dust weather analysis in Beijing.

LIU Chao1, ZHANG Bi-hui1*, HUA Cong1, ZHANG Heng-de1, WU Dong-li2

(1.National Meteorological Centre, Beijing 100081, China；2.Meteological Observation Centre of China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)., 2018,38(5)：1663~1669

A sand dust period occurred from May 3 to 7 2017 was studied based on wind profiles radar data hourly, atmospheric composition data, and ground surface observation data of Beijing. As the results showed that air quality reached heavy polluted level in many places, in which the concentration of PM10reached heavy polluted level in Beijing had lasted about more than 30 hours in this sand dust period. The horizontal wind, vertical velocity and the atmospheric refraction index structure constant in boundary layer were analyzed. The main results were given as follow: wind speed of the northwest wind jet core average reached 14.8m/s in the boundary layer, and the establishment of jet core could help dust particles to transfer from upper-level to the ground. It was revealed that the ventilation index in sand dust explosion period increased 31.6% than before, and ventilation index of the middle and low layers played an important role gradually, which leaded concentration of PM10to increase explosively. In addition, the weak descending motion was the main motion, and the vertical velocity was below 1m/s in this sand dust period, while the vertical velocity could reach 5.3m/s before sand dust explosion period. Meanwhile, atmospheric refraction index structure constant reached the maximum value(1.0´10-16). Moreover, vertical velocity and atmospheric refraction index structure constant both were earlier than variation of pollutant concentration, and which had a forecast of about 8 to 9 hours in advance, which could play a reference role in forecasting sand dust in the future.

sand dust；wind profiler；ventilation index；vertical velocity

X51

A

1000-6923(2018)05-1663-07

2017-10-17

国家重点研发计划课题(2016YFC0203301);国家基金委重点研究项目(91644223)

* 责任作者, 高级工程师, bihui_zhang@qq.com

刘 超(1989-),男,北京人,工程师,硕士,主要从事大气边界层内污染物形成机制方面研究.