中卫市沙尘污染天气分型及气象条件特征分析

2022-06-20张泽瑾李晓攀

农业科技与信息 2022年5期

张泽瑾，李晓攀，杨苑，杨贵

（1.中卫市气象局，宁夏中卫 755000；2.宁夏气象台，宁夏银川 750002）

中卫市地处宁夏中西部，当大气不稳定或遭遇大风时极易起沙，造成大范围沙尘天气污染，已然成为社会与政府关注的焦点。PM10在空气中长时间停留不仅会使能见度变差，更不利于公众的身体健康，对交通运输、生态环境和人类生产生活有着诸多不利影响。

有研究表明：沙尘天气的首要污染物均是PM10，其变化曲线呈正态分布，春季中度及以上污染日均出现在污染日当日或次日[1]，沙尘暴的发生离不开动力条件、热力条件及沙源影响[2]，且多发生在不稳定的大气层结中，并伴随有能量的积聚和释放[3]。

沙尘天气是影响中卫市环境质量的主要影响因子，故沙尘天气分型与气象条件分析是预测沙尘天气的基础。本文利用2015—2020年中卫市沙尘污染天气过程的高空和地面气象观测资料及PM10监测数据，分析沙尘污染天气时空变化特征及气象条件，对中卫地区沙尘污染天气的高空环流形势、地面天气形势展开研究，分析其特征并分型，为中卫市沙尘污染天气预报提供参考。

1 数据资料来源

2015—2020年PM10浓度数据来源于中卫市环境监测站，气象要素数据来源于中卫国家基本观测站，环流特征资料来源于欧洲中心全球大气再分析资料。

本文利用NCEP/NCAR 再分析资料，在前人研究的基础上，以2015－2020年中卫市沙尘统计数据为依据，分析大气环流与沙尘污染之间的关系，找寻预报关键点。通过对典型环流场及相关物理量的诊断分析，总结出发生沙尘污染时各气象要素的变化特征[3]。

2 结果分析

2.1 时空变化特征

从PM10污染年变化特征可以看出（图1），2016—2018年沙尘天气呈现逐渐增多的趋势，2019年沙尘天数最少，其原因之一是气候背景发生了变化。2016/2017、2019/2020年冬季分别为 1961年以来宁夏的第一暖冬和第二暖冬，气温偏高加之降水偏少，若地面有蒙古气旋活动，高空配合有冷空气下滑，遭遇大风时裸露的地面极易起沙。

图1 PM10年变化特征

从月变化特征可以看出（图2），中卫市一年四季均会出现沙尘天气。其中，春季（3—5月）发生次数最多，占总次数的 57%，冬季（12—2月）次之，达23%，秋季（9—11月）较少，为 15%，夏季（6—8月）最少，仅占4%。在春季3—5月中，5月年均出现沙尘暴2.6 d，次数最多，3月、4月平均为 1.4 d。这是因为春季冷空气活跃，气温回暖，土壤解冻，地表裸露，多气旋活动，在北方气旋前后部大风的影响下极易形成沙尘天气，造成PM10污染。

图2 PM10月变化特征

从日变化来看，沙尘天气多发生在下午到傍晚前后或傍晚前后到夜间。冷锋下午和傍晚过境要比上午过境造成的大风沙尘天气强度强，且影响时间相对长[4]，这是因为下午到傍晚近地层增温会破坏大气的稳定层结，上下层空气容易发生湍流交换，加大了天气影响强度。

2.2 环流特征分型

PM10浓度大于150 μg/m3时为轻度以上污染，从6年的资料中，选取PM10质量等级轻度及以上污染日进行分析。结果表明：造成中卫市沙尘污染的环流类型主要有以下3 种：脊前西北气流型、西风气流型、冷槽过境型。从表1 可以看出，沙尘污染发生概率最大的天气类型为脊前西北气流型。

表1 分型结果

2.2.1 脊前西北气流型污染机制 500 hPa 以经向环流为主，中卫市及上游地区为一致的西北气流控制，等高线密集，高空风速大，温度脊明显（图3）。地面上中卫市位于冷高压的前部，受太阳辐射影响，白天地面升温，近地层空气上升引起上下层空气垂直交换，动量下传形成大风，午后风速较大，容易引起浮尘、扬沙天气，造成PM10浓度升高（图4）。

图3 500 hPa 天气形势

图4 地面天气形势

2.2.2 冷槽过境型污染机制 500 hPa 以经向环流为主，蒙古到河西走廊为槽区，蒙古高原南下冷空气使得槽后有较强冷平流，河西到河套为明显的高空锋区（图5）。地面上蒙古低压强烈发展，冷锋过境，冷高压前沿的梯度大风卷起地表沙尘，PM10浓度升高，造成大风沙尘天气（图6）。

图5 500 hPa 天气形势

图6 地面天气形势

2.2.3 西风气流型污染机制 500 hPa 以纬向环流为主，中纬度气流较为平直，中卫市处在西风气流里（图7）。地面表现为均压场，气压变化小，风力弱（图8）。天气形势稳定，不易发生对流，大气水平、垂直运动都较小，一定厚度逆温层的存在使得污染物堆积不易扩散[5]，造成PM10浓度超标。

图7 500 hPa 天气形势

图8 地面天气形势

2.3 气象条件分析

2.3.1 气象要素特征 PM10浓度变化与气象要素关系密切，沙尘天气过境时，气象要素变化剧烈。

2.3.1.1 气压。天气过程的强弱与地面气压的大小密不可分，具体表现为冷暖气团的势力强弱[6]。发生沙尘暴天气时，前期气压呈缓慢上升的趋势，沙尘暴来临前，地面受低压控制，过境时气压猛增。

2.3.1.2 温度。冬春季PM10浓度较高，夏季PM10浓度最低。冷空气过境时，PM10浓度增加明显。沙尘暴发生前后地面气温呈现先降后升再下降的态势。

2.3.1.3 相对湿度。PM10浓度随相对湿度的增大而减小。沙尘天气到来前期，空气相对湿度存在一个较明显的下降过程，沙尘暴天气结束后天气相对干冷。春季气温逐步升高，地表迅速加热，蒸发作用加强，空气相对湿度减小，利于起沙。当冷空气过境时，中高纬度有南下干冷空气，相对湿度再次下降[6]。

2.3.1.4 云量。过程前期以晴好天气为主，云系较少，有利于地面升温，沙尘天气出现时，PM10浓度升高，随着冷锋后云系移入，云量增加，削弱了太阳辐射，从而抑制了光化学反应。此外，云中的水汽对颗粒物有着“清除”作用。

2.3.1.5 风向风速。沙尘天气到来前期，风速较小，以偏南风为主；沙尘天气出现时中卫市主导风向为西北风，持续时间与最大风速之间成正相关，在大风的裹挟下沙尘被输送，风速越大，上游源地的沙尘会被输送的越远，当平均风力达到5 级时，地面扬尘被吹起，使得空气中PM10浓度增加。

2.3.1.6 能见度。过程前期能见度较好，当沙尘天气发生时能见度较差，这是因为白天日照强、地面气温较高，大气层结易不稳定，当锋面过境时风速增大，乱流较强烈，助长了沙尘对能见度的影响，能见度最差，随着系统移出，沙天气结束，能见度转好。

2.3.2 物理量场特征动力条件和热力条件是形成沙尘天气必不可少的条件，2019年5月11日夜间，中卫市出现了1 次大风沙尘天气，平均风普遍在5 级以上，阵风 7～9 级，11日 22 时至 12日 05 时大部出现了沙尘暴，最低能见度出现在中宁站，为762 m。选取此次典型沙尘天气过程对其物理量场进行分析。

2.3.2.1 动力条件。沙尘暴作为一种强烈的对流天气，辐合辐散分布显著，用散度和涡度表征沙尘暴天气的辐合辐散，可很好地了解其动力学特征。

从散度分布场可以看出（图9a），沙尘暴天气发生时中卫市形成了低空辐合、高空辐散的流场形势，抽吸作用明显，有利于对流活动。最大散度负值在850 hPa 附近，散度“0”线在 600 hPa 附近，最大散度正值出现在350 hPa 附近，说明在此高度上气流辐散达到最大，对垂直气流的发生极为有利。

从涡度场分布场可以看出（图9b），过程前一天中高层为正涡度区有气旋式环流，600 hPa 以下为负涡度区；沙尘暴天气发生时，涡度值随高度变化比较小，700～250 hPa 为负涡度区，有反气旋式环流，极值出现在600 hPa 附近，850 hPa 及其以下为涡度正值区，有气旋性涡柱，利于垂直运动发展。

从水平速度场可以看出（图9c），高空风速先增大后减小，从低层到高层存在垂直风切变，高层西风急流明显，伴有强辐散，动量下传作用使得中低层和地面风速加大，急流使得冷锋和沙尘暴移速较快，加强了中低层的斜压不稳定性，触发地面气旋发展。

从垂直速度场可以看出（图9d），冷锋过境时上升运动明显，冷锋过境后地面受冷高压控制，受下沉气流控制。

图9 动力场分析

2.3.2.2 热力条件。从假相当位温场可以看出（图10a），沙尘天气到来前假相当位温随高度递减，锋区附近水平梯度大，大气表现为热力不稳定状态，会产生较强的上升运动。

从温度湿度场可以看出（图10b），沙尘天气到来前层结上冷下暖，上湿下干，低层温度高、相对湿度小，空气干燥，大气层结不稳定，有热对流发展，高层强烈的冷平流利于大风形成。

图10 热力场分析

2.4 沙源及地形条件

除了动热力条件，沙尘源也是沙尘天气发生必不可少的因子之一。影响中卫市的沙源可分为本地型、外来型和二者结合型，沙源十分充足。宁夏从西面、北面到东面都与沙漠接壤，南面与黄土高原相连，当大气层结不稳定或有大风天气时极易起沙[7]。此外，上游新疆到河西走廊一带还分布着古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠，强的西北风会携带大量沙尘，经阿拉善高原东移影响中卫市。

而中卫市地处宁夏中西部，西北部紧贴腾格里沙漠，无山脉植被的阻挡，出现偏北大风时，常伴随有沙尘天气，且中卫市位于贺兰山南端口，受南支绕山气流及沙尘暴过山气流的共同影响，对沙尘的发展有放大作用。