2020年春季中国北方一次扬沙天气过程微气象学与沙尘输送特征

张艺萌 李晓岚 张宏升 洪也

（1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；2.辽宁省气象装备保障中心，辽宁 沈阳 110166；3.北京大学物理学院大气与海洋科学系，气候与海—气实验室，北京 100871）

引言

沙尘天气是中国北方地区春季时常发生的灾害性天气之一［1］。沙尘天气过程通常伴随着大风、低能见度、大气污染以及流沙尘土覆盖和掩埋等，影响交通、建筑、农、林、牧业、公共设施和社会活动，以及人类的健康和生活［1］。此外，沙尘气溶胶对大气辐射的收支平衡具有重要影响，通过直接和间接辐射作用影响云和降水的形成，甚至气候变化［2］。

20世纪90年代中国沙尘天气频发，引起国内外广泛关注。很多学者针对沙尘天气的成因机制、时空变化特征、起沙和沙尘输送特征等开展研究。胡隐樵和光田宁［3］指出，沙源、强风和热力条件是形成沙尘暴的必要条件。此外，下垫面的地理位置、植被覆盖等自然因素［4］，温度、相对湿度、风速、降水、湍流等气象条件［5-8］以及大气环流［9］也对沙尘天气的形成和发展有重要影响。霍彦峰等［10］利用地面污染物监测数据和常规气象资料并结合后向轨迹模型，分析得出天气系统、地面和边界层气象条件共同导致2017年5月中国长三角地区一次沙尘天气的形成。唐国利和巢清尘［11］分析了中国北方地区近50 a沙尘暴的变化趋势，发现沙尘暴天气发生频数总体呈波动下降趋势。刘玉兰等［12］则指出，1961—2008年银川市部分站点的沙尘日数存在增加趋势。王式功等［13］基于1954—2000年中国338个测站的沙尘天气资料及相关气候资料划分了中国沙尘暴天气的主要源区，并发现源区沙尘会向下游地区扩散，导致大范围浮尘或扬沙天气的发生。李晓岚和张宏升［14］基于湍流和气象要素梯度观测资料分析了北京地区一次强沙尘暴过程的微气象学特征，指出强沙尘暴过境时，不同高度向下的湍流动量输送、向上的湍流热量输送和湍流动能明显加强，水平湍流动能对湍流动能占主要贡献。高星星等［15］利用卫星资料，结合地面环境监测数据、气象观测数据和后向轨迹模式分析了汾渭平原2018年冬季一次混合污染过程及其传输特征。

中国北方干旱和半干旱地区是东亚沙尘暴多发区之一，辽宁地区是亚洲沙尘气溶胶向下游输送过程中的主要影响区。同时，辽宁地区春季大风天气较多，回暖迅速易产生大气不稳定层结，有助于该地区春季沙尘天气的发生［16］。经统计，沙尘天气是造成2007年春季辽宁中部城市群空气质量下降的主要原因，各城市中度以上的空气污染几乎均与沙尘天气过程有关［17］。以往基于沙尘天气观测资料的统计分析或基于气象模式，针对辽宁地区开展了沙尘天气发生的动力机制和气象条件的研究［18-21］、沙尘气溶胶对空气质量影响的评估［17，22］、沙尘天气的时空分布特征和影响因子分析［23］，以及沙尘暴天气的预报方法研究［24-25］等。然而较少针对上游沙源地区和影响区开展沙尘天气过程微气象学和沙尘输送特征的同步观测研究。

2020年5月10—11日，受大尺度天气系统影响，中国内蒙古、华北、东北地区中南部等地先后发生5—6级大风，阵风8—9级，局地阵风超过10级。在强风作用下，10日08时至11日08时，内蒙古西部和东南部、甘肃北部、河北北部、东北部分地区均出现了扬沙或浮尘天气（https：//www.sohu.com/a/394130150＿117884）。本文利用内蒙古科尔沁沙地（代表沙尘源区）和沈阳地区（代表沙尘影响区）的同步气象要素和颗粒物（包括PM2.5和PM10）质量浓度观测资料，分析了此次沙尘天气过程的微气象学和沙尘输送特征。

1 资料与方法

1.1 观测站点和资料

本文利用科尔沁沙地地区沙尘天气监测与观测实验站和沈阳地区气象和沙尘的同步观测资料开展分析研究（图1）。其中沙尘观测站（42.93°N，120.70°E）位于内蒙古通辽市奈曼旗，地处科尔沁沙地南部。该地区平均海拔高度为363 m，全年降水量为200—300 mm，属于典型的半干旱地区。测站周围全年植被覆盖度不到10%，零星地生长着沙蓬，地面基本裸露。流动沙丘以沙丘链为主，呈带状分布［6］。测站架设有20 m高的气象观测塔，观测项目包括20 m高度风向、4层风速、温度和相对湿度廓线；2层气压；3层土壤温度和湿度；太阳辐射、地面反射辐射和净辐射；以及8 m高度能见度观测。表1为上述观测项目、仪器及其技术指标。

图1 科尔沁沙地奈曼站和沈阳的地理位置Fig.1 Geographical locations of Naiman station in Horqin Sandy Land area and Shenyang

表1 科尔沁沙地奈曼站主要观测项目、仪器及其技术指标一览表Table 1 Major observational quantities，instrumentation，and related technical characteristics at Naiman station in Horqin Sandy Land area

沈阳地区观测资料包括国家气象站（41.74°N，123.51°E）逐时2 m高度的风速、风向、气温、相对湿度（ZQZ-CⅡ自动气象站，江苏无线电科学研究所有限公司）和2.8 m高度大气能见度观测（DNQ1前向散射型能见度仪，中国华云气象科技集团公司），其中能见度的观测上限为30 km；中国气象局沈阳大气环境研究所大气成分站（41.74°N，123.43°E）利用激光雷达（Lidar-D-2000，中国无锡中科光电）观测的气溶胶消光系数廓线［26］；以及沈阳地区11个环保监测站观测的逐时PM2.5和PM10质量资料，取11个测站平均值代表沈阳地区颗粒物浓度［27］。

1.2 研究方法

利用塔层气象要素梯度观测资料，计算4 m高度的摩擦速度（u*）和对流速度尺度（θ*），以研究科尔沁沙地地区起沙过程中湍流动力和热力作用的影响。根据Monin-Obukhov相似性理论计算u*和θ*，即

式（1）—式（2）中，κ为冯—卡曼常数，取0.4。

式（3）中，L为Obukhov长度；为z2高度的风速，z2＝4 m；z1取2 m高度为位温，z0为空气动力学地表粗糙度，ΨM和ΨH分别为速度和位温的稳定度修正函数；w′为垂直速度脉动量；g为重力加速度。具体计算方法可参考文献［6］。

图2 2020年5月9—12日科尔沁沙地大气能见度与摩擦速度（a）、沈阳地区地面小时平均PM 2.5和PM 10质量浓度与能见度（b）以及PM 2.5与PM 10质量浓度比值（c）变化Fig.2 Variations of atmospheric visibility and friction velocity in Horqin Sandy Land area（a），surface hourly mean PM 2.5 and PM 10 mass concentration and visibility（b），and the ratio of PM 2.5 to PM 10 mass concentration in Shenyang（c）from May 9 to 12，2020

2 结果分析

2.1 2020年5月10日扬沙天气过程概述

根据中国气象局颁布的《沙尘暴天气监测规范》，以风力和能见度为指标可将沙尘天气划分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5个等级。其中，浮尘天气是指有广泛、均匀浮尘，水平能见度一般不超过10 km的天气现象；扬沙定义为风将地面沙尘吹起，空气比较浑浊，水平能见度降至1—10 km的天气现象。2020年5月10日科尔沁沙地和沈阳地区大气能见度位于1—10 km（图2），根据上述沙尘天气等级划分，属于一次扬沙天气过程。

科尔沁沙地沙尘天气发生前（10日04时前），u*基本小于0.4 m·s-1，对应的能见度多超过10 km。此后，u*迅速增大并超过临界起沙摩擦速度，导致大量沙尘粒子释放到空气中，从而引起能见度迅速减小。15：40左右，u*增大至最大值1.1m·s-1，对应的能见度达到最小值，为2.8 km。此后u*逐渐减小，能见度有所回升，至21：30左右，能见度升至10 km以上，第一阶段的扬沙天气过程结束。次日白天随着u*的增加，扬沙天气再次出现，至11日15时u*增大至1.2 m·s-1，对应能见度减小至7.3 km（图2a）。需要注意的是，与10日扬沙天气相比，虽然11日u*数值较高，但能见度明显高于10日的数值，这可能与第二阶段扬沙天气过程中地面可提供的释放到空中的沙尘粒子数量减少有关，导致11日临界起沙摩擦速度有所增大［28］。

受科尔沁沙地等沙源地区沙尘输送的影响，沈阳地区2020年5月10日也出现了扬沙天气过程，其发生时间与科尔沁沙地相比有所滞后。由图2b可知，沈阳地区沙尘天气发生前（10日12时前），地面PM2.5和PM10浓度均小于100μg·m-3，且二者变化趋势较为一致。此后PM10浓度迅速升高，18时左右达到峰值，为817μg·m-3；相应的能见度迅速降低，最小值为3.7 km（图2b）。沙尘天气过程中，PM2.5与PM10的比值明显减小（0.1—0.3）（图2c），表明大气中较粗的沙尘粒子的比例有所增加，是沙尘天气的典型特征［26］。

图3 2020年5月9日（a）、10日（b）、11日（c）08时900 hPa位势高度场和风场Fig.3 Composites of 900 hPa geopotential height and wind vectors at 08：00 on May 9（a），May 10（b），and May 11（c），2020

根据沙尘天气爆发前后900 hPa位势高度场和风场（欧洲中期天气预报中心，European Center for Mesoscale Weather Forecast，ECMWF）再分析资料的变化可知，此次中国北方地区大范围扬沙天气过程主要是由大尺度冷锋天气系统造成的（图3）。沙尘天气爆发前，中国内蒙古和中国东北地区天气静稳，气压梯度力较弱，风速较小（图3a）。10日随着东北部低压系统和西部高压系统的迅速加强，内蒙古和中国东北地区处于高低压系统过渡地带，气压梯度力明显增加，风速迅速增大（图3b）。系统性大风天气将前期暖干地面上大量的沙尘粒子吹到空中，并在西北气流的控制下向下游地区输送。基于混合单粒子拉格朗日积分轨迹（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory，HYSPLIT）模型的后向轨迹分析，可进一步证实5月10日白天影响沈阳地区的沙尘气团在不同高度上（200 m、300 m和500 m）均途经西北方向的科尔沁沙地地区（图4）。

图4 2020年5月10日16时起沈阳地区200 m、300 m和500 m高度气团48 h后向轨迹Fig.4 48-h backward trajectory of air masses at 200 m，300 m，and 500 m at Shenyang starting from 16：00 on M ay 10，2020

2.2 2020年5月10日扬沙天气过程微气象学和沙尘输送特征

2020年5月9—12日科尔沁沙地和沈阳地区不同高度气象要素（包括气温、相对湿度和风速）变化见图5。受冷锋系统影响，科尔沁沙地沙尘天气过程中不同高度的气温均明显降低，白天2 m高度最高温度（约18℃）较前一日降低4℃左右（图5a）。沈阳地区2 m高度气温从5月10日14时开始的5 h内骤降7.3℃（图5b）。伴随冷锋系统过境，科尔沁沙地不同高度风速从10日06时起均迅速增大，其中16 m高度风速最高达18.5 m·s-1，对应的能见度也明显降低，之后风速逐渐减弱，能见度有所回升（图5c和图2）。沈阳地区则从10日10时起地面风速开始迅速增大，17时风速达到最大值，为8.6 m·s-1（图5d）。此外，此次扬沙天气过程中科尔沁沙地和沈阳地区的环境湿度均有所降低。科尔沁沙地沙尘天气过程中相对湿度基本小于30%，09时前后最低仅为10%（图5e）；同时浅层（5 cm深度）土壤的含水量也明显降低，最低值为0.045 v·v-1（图略）。沈阳地区白天相对湿度基本维持在30%以下，15时相对湿度降至最低点10%（图6f）。干燥的土壤和空气环境可导致临界起沙摩擦速度的减小，有利于沙尘天气的发生［30-31］。

图5 2020年5月9—12日科尔沁沙地不同高度气温（a）、相对湿度（b）、风速（c）及沈阳地面小时平均气温（d）、相对湿度（e）、风速（f）变化Fig.5 Variations of air tem perature（a），relative hum idity（c），w ind speed（e）at different altitudes in Horqin Sandy Land area and surface hourly mean air temperature（b），relative hum idity（d），w ind speed（f）in Shenyang from May 9 to 12，2020

图6 2020年5月9—12日科尔沁沙地净辐射与运动学湍流垂直热通量的变化趋势（a）以及10—11日沈阳地区地面向下短波辐射变化（b）Fig.6 Variations of net radiation and kinematic turbulent vertical heat flux in Horqin Sandy Land area from M ay 9 to 12（a），and variation of surface downward short-wave radiation in Shenyang on M ay 10 to 11（b），2020

受沙尘天气的影响，科尔沁沙地和沈阳地区地面净辐射和向下短波辐射的变化特征与非沙尘日相比存在差异。一般而言，沙尘日由于空气中沙尘气溶胶浓度增大，到达地面的短波辐射减少，净辐射也减少，日变化规律遭到破坏。沙尘浓度越高，辐射值越低［6］。此次扬沙天气过程中，科尔沁沙地5月10日午间净辐射数值明显降低，14时左右净辐射数值甚至接近零值（图6a），这表明大气中剧烈运动的沙尘粒子影响了太阳辐射的收入，导致到达地面的净辐射减少。类似地，沈阳地区沙尘日（5月10日）白天地面向下短波辐射相比前一日有所减小，表明空气中大量的沙尘粒子通过散射和反射作用减少了到达地面的太阳辐射（图6b）。

由图6a还可知，科尔沁沙地地区由于短波入射辐射的减少，地表接收的热量减少，导致动力学湍流垂直热通量与θ*成正比）也明显降低。这意味着此次扬沙天气过程中，湍流热力作用相比动力作用对起沙的贡献应该较小。为进一步分析湍流动力和热力作用对此次起沙过程的影响，图6给出了起沙阶段（2020年5月10日04—16时）科尔沁沙地地区能见度与u*（代表湍流动力作用）和′（代表湍流热力作用）的散点图。由图6a可见，当u*从0.21m·s-1增大至0.32m·s-1时，能见度变化不明显，此时由于u*尚未增大至临界起沙阈值，沙尘粒子未能摆脱阻力脱离地表进入大气中。随着u*的继续增大（约0.39 m·s-1），能见度逐渐下降至10 km以下。当u*达到0.6 m·s-1时，更多的沙尘粒子释放到大气中，导致能见度迅速降低。整体而言，起沙阶段能见度与u*存在明显的反相关关系（相关系数R2＝0.93）。同时，起沙过程中能见度与′也存在反相关关系，即随着沙尘天气的发生′有所减小，但二者的相关性较弱（R2＝0.42）。前人研究表明［32-33］，对于以跃移起沙机制为主的沙尘天气而言，湍流动力作用起主要影响；而湍流热力作用主要对对流起沙过程有重要影响作用，这体现了不同起沙机制的影响。

此外，临界起沙摩擦速度是风蚀起沙研究中非常重要的物理量之一，可表征地表土壤的可蚀性。李晓岚等［34］基于微气象学方法，定义当沙尘浓度和垂直沙尘通量均开始增加且至少持续30 m in所对应的摩擦速度为临界起沙摩擦速度。基于能见度与摩擦速度的变化关系，可粗略估算此次扬沙天气过程中临界起沙摩擦速度为0.39 m·s-1左右（对应能见度开始下降至10 km以下的摩擦速度）。与以往观测得到的科尔沁沙地临界起沙摩擦速度相比，该数值位于合理的变化范围之内（0.45±0.20）m·s-1［34］。

图7 2020年5月10日04—16时科尔沁沙地起沙阶段能见度与摩擦速度（a）以及动力学湍流垂直热通量（b）关系散点图Fig.7 Scatter p lot of relationships between visibility and friction velocity（a）and kinematic turbulent vertical heat flux（b）in Horqin Sandy Land area during the dust em ission period from 04：00 to 16：00 on M ay 10，2020

图8 2020年5月9日12时至11日23时沈阳地区大气消光系数垂直分布时间变化Fig.8 Time-height variations of atmospheric extinction coefficient in Shenyang from 12：00 on M ay 9 to 23：00 on M ay 11，2020

为研究沈阳地区扬沙天气过程中的沙尘输送特征及影响，图8给出了2020年5月9—11日沈阳地区气溶胶消光系数的垂直分布和演变。9日20时至10日10时，较高的气溶胶消光系数主要集中在0.5 km以下，对应的PM2.5和PM10比值在0.6左右（图2c），表明此时段沈阳地区以细粒子污染为主。此后，1 km以下的气溶胶消光系数明显减小，系统性大风导致气溶胶粒子的垂直混合加剧，同时伴随着高空沙尘粒子的输送，气溶胶消光系数的高值区可达2—3 km。18时之后随着风速的减小，沙尘粒子的干沉降作用导致沙尘气溶胶垂直分布高度逐渐降低，沙尘天气过程结束。

3 结论

（1）受大尺度天气系统影响，2020年5月10日科尔沁沙地发生扬沙天气过程，不同高度（＜20 m）的风速均迅速增大，其中16 m高度的风速最高达18.5 m·s-1，且以西北风为主，各层气温均明显降低，白天2 m高度最高温度（约18℃）较前一日低4℃左右。06时开始各层相对湿度基本位于30%以下，最低约10%，同时浅层土壤的含水量也明显降低。干燥的地表土壤和大气环境有利于更多的沙尘粒子在较强的湍流动力作用下释放到大气中。

（2）大气中大量沙尘粒子在较强的西北气流控制下向下游地区输送，此过程中沙尘粒子主要集中在2—3 km以下高度。受沙尘输送的影响，沈阳地区10日也出现了扬沙天气过程，10时开始地面风速迅速增大，PM10浓度迅速升高，18时左右达到峰值817μg·m-3，相应的能见度迅速降低，最小值为3.7 km，过程中气温和相对湿度也明显降低。18时之后随着风速的减小，沙尘过程逐步结束。

（3）此次科尔沁沙地扬沙天气过程中，起沙阶段能见度与摩擦速度存在明显的反相关关系（R2＝0.93），能见度与湍流动力学热通量也存在反相关关系，但相关性较弱（R2＝0.42），表明湍流动力作用相比热力作用对此次起沙过程的贡献更加明显。