湖北一次沙尘天气过程气象条件研究

赵碧云　湛甜　岳岩裕　何欢

关键词：沙尘；传输指数；后向轨迹；气象条件

中图分类号：X51 文献标志码：A

前言

沙尘暴是全球性的重大环境问题，严重影响空气质量、水资源利用和区域可持续发展。中国北方是沙尘暴多发区，针对北方沙尘暴天气过程的研究较多。例如田松妮等通过数值模拟、遥感技术和统计分析相结合的手段评估了沙尘对中国北方生态环境带来的危害和风险。翟亮等对北京地区两类典型沙尘过程进行对比，探讨不同天气背景下沙尘的动力清除机制。刘洋等采用气溶胶雷达数据和聚类分析方法对西北地区一次典型沙尘过程中气溶胶垂直分布和来源进行了分析。

湖北省离沙源地较远，沙尘天气次数较少，但一旦遇到合适的气象条件，北方沙尘远距离输入湖北省时，也可能造成严重空气污染。2021年3月14-18日，受蒙古气旋和地面冷锋影响，中国遭遇了近10年来最强沙尘暴天气，此次过程持续时间长、范围广，14日夜间开始影响中国北方地区，16-17日沙尘传输至湖北省，整个过程持续至18日结束。湖北省有10个地市出现轻度以上污染，其中位于中北部的十堰、襄阳、随州、荆门等市部分时次达严重污染。文章结合环境和气象观测资料，对此次沙尘天气过程进行分析，为以后沙尘天气影响评估和空气质量预报提供一定的参考。

1资料与方法

文章所用气象观测资料来源于各地国家级气象观测站，气象要素主要包括水平风、降水等；PM₁₀浓度数据来源于中国环境监测总站公布的各地环保国控监测站；用于气团传输轨迹计算的大气再分析数据为NOAA提供的GDAS（Global Data Assimilation System）1°×1°逐3小时资料。

气团的传输轨迹中包含了大量对污染天气有指示意义的信息，通过对传输路径上污染物浓度进行积分，可以得到一个表征污染物传输强度的指标。基于HYSPLIT模型，以GDAS数据作为气象场进行后向轨迹模拟，逐小时计算一次研究站点后向气流轨迹，以此来反映气团的传输轨迹，根据气流轨迹路径结合路径上的观测实况值计算出的传输指数，可较为合理的表征传输强度。

2结果与分析

2.1本次沙尘天气过程特点概述

2021年3月16-17日湖北省发生了一次大范围沙尘天气，本次沙尘天气具有以下两个特点：（1）波及范围广。3月16日上午开始，沙尘经河南传输至湖北省襄阳和随州，随后陆续传输至十堰、荆门、荆州、宜昌、孝感、武汉、鄂州、黄冈等地，湖北省有10个地市不同程度遭遇沙尘天气影响。（2）强度为近10年最强。此次过程北方部分地区达到强沙尘暴级别，为近10年来中国出现的最强沙尘天气过程。北方多地PM₁₀峰值浓度超过5000μg／m³。沙尘传输至湖北省时，PM₁₀浓度仍很高，襄阳、十堰、荆门、随州、荆州等中北部城市PM_2.5峰值浓度超过600μg／m³，尤其是襄阳16日11时浓度达到1096μg／m³。沙尘天气持续时间长，襄阳、十堰、荆门、荆州、随州等地PMio达轻度污染以上分别持续了39 h、42 h、34 h、33 h和24 h。

此次沙尘传输影响过程，主要影响地区位于湖北省中北部十堰、襄阳、随州、荆门等，恩施、咸宁、黄石等地市未受到沙尘影响。如图1所示襄阳在16日08-09时开始受到沙尘影响，PM₁₀浓度从138μg／m³（08时）迅速上升至1096μg／m³（11时），荆门、荆州分别在14时和17时受到影响，输送时间3～5 h。宜昌由于降水影响，17日03时才受到沙尘影响。随州16日12时PM₁₀浓度升至410μg／m³，孝感、武汉分别于16日17时、22时开始受影响，输送时间5h左右；到达武汉后强度明显减弱，经历10 h后，于17日09时到达鄂州和黄冈，影响时间偏晚，且仅维持了5h。

2.2沙尘天气过程成因

此次沙尘暴天气过程发生前，蒙古国及中国北方地区气温异常偏高、降水偏少，并且处于土壤逐渐解冻期，为沙尘天气的发生提供了良好的沙源。3月15日08时500 hPa、700 hPa和850 hPa三层为一致的低压中心，槽后有明显冷平流，500 hPa槽后有40 m/s的大风区，700 hPa槽后有20～30 m/s的大风区。地面气压梯度非常强，高低中心气压差达到50 hPa以上（图略）。蒙古气旋快速发展并东移，大风卷扬起的沙尘随上升气流输送到高空，并在高空和地面偏北大风引导下，影响了中国大范围地区。15日沙尘随锋面影响中国西北地区中东部、内蒙古、华北、东北地区西部等地。16日沙尘经河南南阳盆地输入湖北省，开始影响湖北北部襄阳市，并随冷空气进一步南下，逐渐影响湖北荆门、荆州等市；随州市沙尘则从河南信阳输入，并南下逐渐输入到孝感、武汉、鄂州、黄冈。

2.3沙尘传输路径轨迹

地形分布特征形成了湖北省境内大气污染物输送和迁移通道。丘陵以及平原为大气污染物的积累提供了有利地形。根据湖北地形特征以及沙尘出现在各地的顺序以及前文天气形势分析，此次沙尘输送过程在湖北省内可划分为两个通道，如图2所示，中部主通道经南阳盆地，进入襄阳，到达荆门、荆州，即位于鄂西山地和大洪山之间形成的通道；东部次要通道经过河南信阳进入随州，传输到孝感、武汉、鄂州、黄冈，即位于桐柏山和大洪山形成的传输通道。沙尘通过这两个输送通道迁移，在湖北省形成严重污染。因本次冷空气偏北大风有偏东分量，故湖北中部一线的输入强度最大，污染最重。另外也因偏东分量存在，沙尘从南阳盆地输入进鄂西山地的十堰地区，污染较重；而鄂东地区相对较轻。

以此次污染最为严重的襄阳（32.0°N、112.08°E）作为HYSPLIT模型后向轨迹模拟受点，模拟高度500 m，后向模拟时长48 h，在15日08时至19日07时期间逐小时模拟。选取襄阳污染最重的第一天白天（即16日08-20时）轨迹，如图2所示，各条轨迹路径比较一致，气团来源清晰，主要是从蒙古国经内蒙古、华北、河南到达湖北省，从蒙古国到湖北省传输高度均较低，华北平原以南1000 m以下，内蒙古以北地区2000～3000 m，属地面冷空气大风传输。可见后向轨迹能很好的反应本次沙尘的传输情况。

2.4降水和风对沙尘的影响

16日，位于湖北上游的河南等地PM₁₀浓度仍然较高，湖北省仅西南部和中部地区有明显降水，降水对沙尘的抑制作用需要考虑到其量级和发生时间；中东部地区16日白天平均风速4 m/s以上，沙尘输入明显。降水对PM₁₀浓度的影响主要体现在削峰清除作用，荆门和荆州表现最为显著，如图3所示，16日随着沙尘持续输入，荆门荆州PM₁₀逐渐达到峰值后，上游襄阳还维持较高浓度且偏北风仍然持续，但是此时降水的削峰清除作用使PM₁₀浓度出现下降，雨强0.2～2.5

mm/h持续9h，导致PM₁₀下降166～230μg／m³。降水停止后，荆门和荆州的PM₁₀浓度回升至520μg／m³左右。

沙尘随着风向下游扩散，但相对于风速的增大，PM₁₀浓度的增长有一定的滞后性，如图3所示，各地均表现为风速先增大一段时间后，PM₁₀浓度才开始上升。风对PM₁₀浓度的影响主要体现在输入和清除两方面，中部输送通道的襄阳-荆门-荆州表现最为显著。在风向都是偏北风的情况下，三地16日的达峰时间分别为：11、17、19时，因为荆州在达峰期间出现弱降水，使得荆门荆州达峰时间较接近，但三地总体呈现和地理位置一致的滞后，17日PM₁₀浓度开始下降时的清除作用也同样表现出和地理位置一致的滞后。处于东部输送通道的随州一孝感一武汉也有类似表现。另外，宜昌不在中部主输送通道上，风速整体偏小，污染开始发生时间偏晚，持续时间，强度偏弱；武汉位于东部次要输送通道偏南地区，发生时间偏晚，持续时间短，强度偏弱；十堰在17日风速偏低，风对沙尘的清除作用减弱，其污染结束时间最晚。

2.5传输指数

将此次过程的后向轨迹以及实况PM₁₀浓度值带入式（1）计算，可得出逐小时的传输指数。为了使计算得出的传输指数具有预报指示意义，同时对比各时段轨迹计算出的传输指数效果，将t1-t2分别取后向12～18 h、18～24 h、24～30 h、30～36 h、36～42 h、42～48 h的6种轨迹时段，即每6h一段。计算得出的各时段传输指数T如图4所示，与PM₁₀实况相关系数分别为0.94、0.92、0.94、0.79、0.49、0.42，总体来说：构建的传输指数基本合理，越到临近时段越能够反应出输送对受点的PM₁₀浓度变化的重要影响，距离开始时间越近，一致性越好；时间越长一致性越差，36～42 h、42～48 h两个时段下降非常明显，这可能与距离受点时间较长距离较远有关，大气长时间长距离传输，传输指数未考虑稀释、扩散、沉降清除等效应。另一方面是后向时间较长时，气团轨迹已经到达蒙古国，而PM₁₀实况数据仅有国内数据，在插值为网格数据计算时导致境外格点误差太大，传输指数计算失真。如中国更南方地区48 h的轨迹路径可能都在国内，预报指示效果将更好。所以在选择后向轨迹时段计算传输指数时，要综合考虑预报的提前量和轨迹途经地实况数据的可获取性。

本次沙尘过程，源地较远，蒙古国PM₁₀实况数据无法获取，并且中国内蒙古地区监测站点较少，插值后数据准确性较低，为了能让传输指数为预报提供明确的指示意义，襄阳选择24～30 h时段可兼顾预报提前量和准确性，该时段内后向轨迹路径大致在华北地区，环境监测站点多，计算出的传输指数准确可靠。在实际预报时，可将数值模式气象预报场输入HYSPLIT模型计算预测的气团轨迹路径，本次过程即能提前24 h较准确预报沙尘的输入情况。

3结论

本次湖北省沙尘天气受上游输入影响，源地位于蒙古国，蒙古气旋发展东移，在高空和地面偏北大风引导下，影响湖北省。本次过程在湖北省内可划分为两个输送通道：中部主通道是襄阳-荆门-荆州一线，东部次要通道是随州-孝感-武汉一线。此次冷空气偏北大风有偏东分量，故湖北省中部地区输入强度最大，污染最重。降水对沙尘的影响主要体现在削峰清除作用；风对沙尘的影响主要体现在输入和清除两方面，并且沙尘随着风向下游扩散，相对于风速的增大，PM₁₀浓度的增长有一定的滞后性。建立的传输指数在本次沙尘过程中表现出较好预报指示意义，在以后的传输型污染预报中，可先进行天气形势诊断分析选择最佳时段，再应用此方法获得客观参考依据。