京津冀地区一次持续时间较长浮尘天气的分析

2021-10-28张迎新曹晓冲李梓铭马小会张玉婷

沙漠与绿洲气象 2021年4期

张迎新，李林，曹晓冲，李梓铭，马小会，张玉婷

（1.北京市气象台，北京100089；2.北京市气象局大气探测中心，北京100089；3.河北省气象台，河北石家庄050021；4.北京市环境气象中心，北京100089；5.衡水市气象台，河北衡水053000）

依据沙尘暴天气等级国家标准（GB/T 20480-2006），按气象观测站当时的地面水平能见度，将沙尘天气依次分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5 个等级。浮尘是指当天气条件为无风或平均风速≤3.0 m/s 时，尘沙浮游在空中，使水平能见度＜10 km 的天气现象。浮游的尘土和细沙多为远地沙尘经上层气流传播而来，多为沙尘暴、扬沙出现后尚未下沉的细粒。

相比于沙尘暴、扬沙来说，浮尘的破坏性不大，但其影响却不容忽视。浮尘天气期间，空气中可吸入颗粒浓度增加，颗粒物粘附大量有害物质，对人体健康产生的危害较大；浮尘降低大气能见度影响交通运输；沙尘气溶胶在大气中的长时间存在和输送，对气候效应也会产生较大影响[1]。京津冀地区浮尘天气出现的机率较高，统计分析北京50 a 的沙尘天气观测资料，浮尘占比达20%，远比沙尘暴的9%高[2]，因此急需研究京津冀浮尘天气的成因。

中国西北地区以及与中国接壤的蒙古国存在大片的沙源地，多数的沙尘暴是由蒙古气旋引发[3]。京津冀地区本地的沙源地较少，研究京津冀的沙尘天气常常关注沙源地及沙尘的传输问题，相关研究成果颇多。陈广庭[2]统计分析了北京50 a 的沙尘天气观测资料，得出浮尘来自内蒙古高原中部农牧交错地区。张小玲等[4]利用沙尘模式模拟了一次北方的连续强沙尘天气，得出沙尘的传输过程中高度可达6 km 以上。李彰俊等[5]基于沙尘数值预报模式敏感性试验结果，分析讨论了蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘传输的特点，沙源区纬度越高，沙尘向东传输越强，纬度越低，向南传输越强；同时，高度越高，沙尘向东传输越强，高度越低，向南传输越强。对于浮尘天气的传输过程及成因，马井会等[6]初步研究了一次上海连续浮尘过程的传输特征和形成的主要原因。马梁臣等[1]对长春市一次浮尘天气进行分析，发现沙源来自蒙古国中部和内蒙古中东部，并随高空急流的输送影响东北地区。郭萍萍等[7]分析了甘肃省春季一次连续浮尘天气过程，此过程中的浮尘均出现在沙尘暴或扬沙天气之后，在连续浮尘天气期间，甘肃省各地上空频繁出现逆温层，边界层上部逆温层的逆温温差越大，厚度越厚，造成浮尘天气的强度越强，且“东高西低”的回流输送对甘肃中东部地区的浮尘天气有一定的作用。上述研究认为沙尘多随高空急流向下游传输，或在下游沉降到边界层内的沙尘粒子随偏东风回流输送；持续时间长的浮尘天气往往是两次沙尘过程相继影响下产生的。

2017 年5 月3 日白天到前半夜京津冀出现了小雨天气，局地中到大雨，北京最大降水出现在延庆的松山，达11.9 mm。5 月3 日后半夜至5 日白天（以北京海淀站为例，4 日04 时—5 日11 时，北京时间，下同），京津冀地区自北向南先后出现了一次大范围的浮尘天气过程，具有强度大、范围广等特征，为我国北方遭遇近两年来最严重的沙尘天气。京津冀地区上空被浮尘笼罩，空气质量急剧下降，空气中弥漫着尘土味。此次浮尘天气是出现在降水之后，且持续30 h 以上，其预报难度较大。而以往的研究几乎没涉及此类浮尘天气，因此有必要分析其成因及维持机制。

本文使用常规和非常规气象及环境观测、NCEP（0.25°×0.25°）再分析资料、激光雷达探测资料及Hysplit 后向轨迹模式等进行诊断分析，试图揭示浮尘天气持续时间长的成因。

1 研究区域、资料和方法

1.1 研究区域

京津冀地区位置独特，西倚太行山，东部有渤海湾，北部为燕山和坝上高原。燕山自西向东、太行山自北向南构成半环状“弧形山脉”环抱着华北平原，形成西北高、东南低逐级下降的地势（图1）。坝上高原系内蒙古高原的一部分，地势南高北低，平均海拔为1 200～1 500 m；北部燕山和西部太行山由中山、低山、盆地、丘陵组成，海拔多在2 000 m 以下。坝上高原地区近几年的植被覆盖有比较明显的改善，但是每年春季坝上的地表仍是裸露的，而且张家口怀来县、承德丰宁县有小面积的沙漠公园，这些都是春季京津冀地区的沙源地。

图1 京津冀地形地貌

1.2 资料和方法

本文使用2017 年5 月2—5 日亚欧地区的常规高空及地面观测资料、京津冀非常规观测资料及自动站资料，PM10实时数据来自于中国环境监测总站。

1.2.1 激光雷达资料

北京市观象台的激光雷达为双波长三通道激光雷达，激光器发射两种特定波长（355、532 nm）激光脉冲及经准直扩束后进入大气，大气中的粒子对激光产生米散射，其中方向为180°的散射光（后向散射）被望远镜系统接收，且又被分光成355、532 nm平行、532 nm 垂直的三路光，由探测系统分别探测到3 个通道的回波信号，再将回波信号反演成消光系数和退偏比（消偏振比）的垂直分布廓线等。消光系数是单位距离内气溶胶对光的吸收衰减的一个系数值，表示每千米或每米对光的吸收，数值的大小与空气中气溶胶的浓度成正比。利用退偏比，可以确定颗粒物的形状特征，进而对颗粒物进行分类，并判断其来源。局地生成的二次颗粒物大多为规则球型粒子，退偏比小；而外部输入的沙尘颗粒多为不规则形状，退偏比大[8-10]。本文使用 2017 年 5 月 3 日 13—4 日13 时北京市观象台的激光雷达反演的消光系数及退偏比进行分析，消光系数及退偏比方法见文献[8]。

1.2.2 后向轨迹模式及资料

HYSPLIT （Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由美国国家海洋与大气管理局（NOAA）、空气资源实验室 ARL（Air Resources Laboratory）和澳大利亚墨尔本气象研究中心联合开发的一种用于计算和分析气团输送、扩散轨迹的模型，即拉格朗日混合单粒子轨道模型。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式，已经被广泛地应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散的研究中[11-12]。

本文以北京（40°N，117°E）为例，计算 2017 年 5月4 日08 时（此时北京全市浮尘天气）过去36 h 后向轨迹（Backward Trajectory），高度选定为 10、100、500、1 000、1 500 和 3 000 m AGL（距地面高度），来分析此次沙尘的传输路径及其气团的性质。

2 浮尘天气实况

2.1 地面实况

受发展东移的高空槽、蒙古气旋影响，2017 年5月2—5 日西北地区、华北、东北出现了沙尘天气，尤其是内蒙古北部的部分地区出现沙尘暴、局地强沙尘暴，最低能见度约300 m。受短波槽影响，3 日白天到前半夜京津冀普降小雨，局地中到大雨，北京最大降水量出现在延庆的松山，为11.9 mm，本地因出现降水不利于起沙。由能见度观测及中国环境监测总站的PM10实时数据可知，浮尘于3 日21 时进入河北张家口西北地区，并逐渐自西北向东南蔓延，PM10浓度迅速增大，多站超过 1 000 μg·m-3。图 2a 为4 日08 时 FY-4 卫星云图，随着气旋云系的东移，沙尘覆盖内蒙古大部分地区、甘肃、宁夏、陕西、山西及河北、北京、天津等省市。以北京海淀为例（图2b），4 日 03 时以前浓度均在 200 μg·m-3以下，4 日04 时骤升至 616.7 μg·m-3，05 时—次日 07 时均处于爆表状态（爆表指浓度>1 000μg·m-3，4 日22 时南郊观象台最高达 1 706 μg·m-3），达到重度污染，能见度不足3 km，且持续时间长达30 h。5 日早晨开始北风加大，沙尘天气自西北向东南逐渐消散，能见度转好。

2.2 环流形势

2017 年 5 月 3 日 08 时 500 hPa 高空图上，亚欧大陆中高纬地区为两脊一槽的形势，脊线分别位于乌拉尔山地区及海参崴—伊春—雅霍茨克一线。两脊之间为一宽广的槽，西西伯利亚有一低涡，其前部自贝加尔湖经内蒙西部的额济纳旗到甘肃敦煌一线有一西风带低槽；另有一短波槽自河套经崆峒到汉中，京津冀地区处于槽前的西南气流中，受其影响3 日白天到夜间出现了降水（普降小雨，部分地区中到大雨）。对应地面图（图3a），3 日20 时庞大的蒙古气旋中心位于贝加尔湖以东的中蒙边界，气旋底部及其冷锋后有大片的扬沙或沙尘暴（黄色阴影区），此时京津冀大部有降水（绿色阴影区）。随着锋面气旋东移，沙尘区东移南扩（图3b），内蒙古及东北地区以沙尘暴、扬沙为主，而京津冀及其以南地区主要以浮尘天气为主。

FY-4A 云图显示（图 2a），4 日 08 时蒙古气旋中心东移至我国黑龙江、俄罗斯及蒙古国交界处，气旋冷锋云系已移出京津冀地区（除河北东北部），京津冀中北部已被沙尘笼罩。此时500 hPa 东亚中纬度地区有东、西2 个西风带低槽，东槽对应蒙古气旋冷锋，其南段位于京津冀北部，并逐渐东移，京津冀受槽后下沉气流影响，易于沙尘沉降。西槽位于贝加尔湖东部—蒙古国中部，是低涡后部补充南下的冷空气（图3c，粗实（虚）线分别为08 时（20 时）槽线位置）。5 日08 时（图3d），西槽东移南下至锡林浩特—张家口—银川一线，槽后有-36 °C 的冷中心。风速＞20 m/s 且风向与等温线近乎垂直，可知槽后冷空气势力强（·2T＜0）且南下速度快。此时地面冷空气前沿已抵达张家口，张家口市境内风速加大到5 级以上，张家口能见度逐渐转好。5 日白天此低槽扫过京津冀，冷空气扫过时地面自西北到东南先后出现5 级左右的大风，局地伴有扬沙天气。冷空气过后京津冀地区各地能见度迅速转好，长时间持续的沙尘天气于5 日白天自西北到东南先后结束。

图2 2017 年 5 月 4 日 08 时 FY-4A 云图（a）和北京市海淀站的 PM10 浓度（b）

图3 2017 年 5 月 3 日 20 时地面形势（a）、5 月 3 日 20 时—4 日 14 时逐 6 h 沙尘区前沿（b，标值为时间）、5 月 4 日 08 时（c）、5 月 5 日 08 时（d）500 hPa 高空形势及槽动态（c）

实际业务预报中，考虑5 月4 日蒙古气旋偏北，华北中南部地区风速小且已出现降水，本地不具备起沙条件。上游地区虽然出现了沙尘暴天气，但一般认为沙尘伴随500～700 hPa 的平均流场为引导气流向下游输送。5 月4 日华北上空500～700 hPa 为一致的偏西—西西南气流，预报沙尘天气将主要出现在华北北部及东北地区，考虑沉降将影响北京以北地区，对华北中南部影响不大。总之从以往的经验看，5 月4 日的天气形势不利于京津冀出现大范围的持续性的浮尘天气。

与常见的沙尘暴、扬沙出现后尚未下沉的细粒子浮游空中而成的浮尘不同，本次浮尘天气前京津冀地区出现了降水。浮尘是由于东北移动的蒙古气旋带来的沙尘区南扩输送到本地沉降而形成的。由于京津冀地区高空以纬向环流为主，地面位于鞍型场中，形势稳定且地面风力很小，沙尘粒子长时间悬浮在近地层，产生了大范围的持续浮尘天气。

3 浮尘天气的气溶胶垂直结构特征

由北京观象台激光雷达观测可见（图4），气溶胶高浓度区（图4 中红色部分），于3 日15 时前后自5～6 km 高度逐渐降低到 4 km 后，在 2～4 km 的高度区间上下浮动，虽然3 日19—22 时出现降水，因雨水使得0～2 km 的消光系数增加（对应退偏比的演变此时段几乎为零，说明为球形的水滴），直至4 日04 时前后高浓度区下降到1 km 以下。对应此时段的退偏比垂直分布的演变（图4b），与消光系数的演变基本一致，表明本次大气的气溶胶以不规则的沙尘粒子为主，且由外部通过高空输送至北京地区。从 03：30 起，2～4 km 的退偏振比显著减小，而地面到1.5 km 退偏振比逐步增大，表明此时高空的沙尘开始向近地面沉降，形成沙尘天气，伴随能见度下降、PM10浓度升高（图 2b）。

图4 浮尘天气过程的北京激光雷达探测资料的垂直演变

4 浮尘天气长时间持续成因分析

4.1 环流条件

浮尘天气持续期间（4 日凌晨—5 日），500 hPa东亚中纬度地区有东、西两西风带低槽，东槽对应蒙古气旋冷锋，其南段位于京津冀北部，并逐渐东移，京津冀受槽后下沉气流影响，易于沙尘沉降。西槽位于贝加尔湖东部—蒙古国中部，是低涡后部补充南下的冷空气。京津冀上空浮尘天气期间，500 hPa 受东、西两槽间偏西气流控制，地面气压场呈东西高、南北低的鞍型场，地面风速小。

4.2 边界层条件

使用京津冀地区4 部L 波段雷达探空资料分析气象要素的垂直演变，以北京观象台为例，3 日夜间有一低槽过境，对应4 日08 时（浮尘出现在05时），800 hPa 以上为偏西风，比湿下降明显（图5a）；800 hPa 以下随高度降低由西北风转为偏北风，按热成风原理知此厚度内应为冷平流，从温度廓线看温度略有下降，但比湿下降明显，说明800 hPa 到地面干平流明显。从位温的廓线看（图5b），4 日08时—5 日 08 时近地层（4 日 08 时 800 hPa、20 时900 hPa 以下、5 日 08 时 970 hPa）θ 近乎垂直（随高度变化 1 K 左右），∂θ/∂P≈0 为中性层结，有利于沙尘粒子悬浮于空中，这也是浮尘天气维持时间长的原因之一。

图5 北京观象台L 波段探空时序（a）及位温廓线（b）

应用京津冀地区14 部风廓线雷达资料分析水平风、垂直气流的演变（图 6），5 月3 日夜间—4 日白天2～4 km 高度内有2 个槽经过，第一个槽后西北气流由高到低于4 日04—05 时到达地面，与西北气流对应4 km 以下为下沉气流（图6 中阴影区），此时北京能见度降低、PM10浓度升高（图2b），形成浮尘天气。此后2 km 以下以湍流活动为主，上升、下沉气流弱但交互出现，有利于沙尘粒子悬浮于空中，浮尘天气维持时间长。

图6 2017 年 5 月 3 日 22:00—4 日 19:00 北京观象台风廓线

5 沙尘源地及其传输路径

以5 月4 日08 时为起始时刻计算36 h 后向轨迹，高度选定为 10、100、500、1 000、1 500 和3 000 m AGL（距地面高度），分析沙尘天气条件下的沙尘来源、移动路径及其气团的性质（图7）。结合地面观测发现，此次过程沙尘来源于西西伯利亚，沿途经过蒙古国南部和新疆北部的戈壁滩、阿拉善高原、巴丹吉林沙漠及乌兰布和沙漠等地，传输高度基本在3～5 km。张家口、承德坝上虽然有裸露的地表及小沙漠，从后向轨迹看没有来自本地的沙尘。根据10 m 高度的质点轨迹中的湿度分布可知，起始的湿度在10%以下，因沙尘区前沿一直有降水，在传输过程中湿度虽有增加但均在30%左右，最大相对湿度为47.5%。