2020年10月21—22日济南一次沙尘天气过程分析

2023-11-07徐媛

农业灾害研究 2023年8期

徐媛

32282部队，山东济南 250000

沙尘天气是我国北方地区发生概率很高的一类灾害性天气[1]。沙尘天气的出现不仅会加剧土地荒漠化、影响空气质量，还会导致能见度急剧下降，影响交通运输安全[2-3]。因此，沙尘天气成为气象学者们研究的重要课题。

近年来，我国许多学者对大风沙尘天气的成因、机理展开了诸多研究，得出了许多研究成果。例如：马素艳等学者[4]分析了2011年5月11日内蒙古地区一次强沙尘暴天气过程，认为此次强沙尘暴天气是由冷涡、强锋区、蒙古气旋、冷锋等天气系统共同造成的。

闵月等[5]分析了2015年4月27日北疆沿天山一带的沙尘暴天气过程，认为乌拉尔山低槽分裂短波槽与中纬度锋区上中亚低槽汇合东移是沙尘暴发生的影响系统，地面冷锋过境是沙尘暴出现的直接原因，水平风速增大和局地上升运动的共同作用加大了空气的扰动和流动，促进了沙尘暴的产生。

姬菲菲等[6]从天气学成因、动力机制等方面对2013年宁夏春季的一次大风、沙尘天气过程展开分析，发现该大风沙尘天气是受高压脊前西北气流影响，地面冷锋和冷高压移动过境所致的，而中高层的强冷平流也是影响此次大风沙尘暴的重要因素之一。

宝乐尔[7]通过对阿拉善盟2019年春季一次风沙天气过程进行分析发现，此次天气过程主要是700 hPa大气斜压性作用、500 hPa冷平流触发作用、高空动量下传作用、锋生作用、变压梯度等各方面因素共同造成的。

吕娜等[8]对河套地区一次强沙尘暴天气进行分析发现，前低层辐合、高层辐散的垂直环流建立，上升与下沉垂直速度提高，且低层垂直速度中心值≥-28×10-3hPa/s，为大风、沙尘天气的发生提供了动力条件。

杨兴华等[9]通过分析塔克拉玛干沙漠腹地一次沙尘暴天气过程大气边界层特征量发现沙尘暴过境前后大气层结发生了转变，边界层风、温、湿廓线均打破了原有分布规律，影响了大气边界层结构的发展变化。

靳明宇等[10]通过对甘肃省金昌市2018年11月下旬出现的一次大风沙尘天气过程进行分析得出结论：此次大风沙尘是源于西西伯利亚的冷空气东移南下造成的；金昌市前期干暖的气候为沙尘天气带来了有利的环境因素和物质因素；地面冷锋前强烈抬升和锋后强烈下沉作用明显，促进了此次大风沙尘天气的发生发展。

济南市隶属山东省，地处山东省中西部地区，地理坐标处于116°11′～117°44′E，36°01′～37°32′N之间，气候属暖温带大陆性季风气候。济南市沙尘天气发生概率不高，但是受冷空气影响，北风风力较大，有利于沙尘的传输，有的年份也会出现沙尘天气，给人们生活、空气质量等方面均造成不良影响。

基于此，利用气象探测资料对2020年10月21—22日济南一次沙尘天气过程进行分析，旨在掌握沙尘天气的天气形势和发生发展规律，这对进一步提升济南沙尘天气的预报预警服务水平具有极大意义。

1 天气概况

在济南沙尘天气发生之前，蒙古国中南部于10月20日暴发沙尘天气，随着大气环流的发展，沙尘气溶胶持续南下，影响我国北方大部分地区，21—22日，它们开始对山东省济南市造成影响，促使当地发生沙尘天气过程。通过对此次沙尘天气期间颗粒物浓度变化情况进行分析可知（图1），21日13:00，济南市沙尘天气开始出现，PM10小时浓度值为320 μg/m3；22日19:00，济南市PM10小时浓度值大幅下降，浓度值为143 μg/m3，此次沙尘天气过程基本停止。PM10和PM2.5小时浓度变化趋势相吻合。

图1 2020年10月21—22日济南沙尘天气过程中PM10、PM2.5小时浓度变化特征

2 天气形势分析

通过对济南市沙尘天气过程中的天气形势资料进行分析可知，2020年10月21日，济南市500 hPa高空槽前西南气流转变成槽底偏西气流，中低空700 hPa和850 hPa干槽过境，因为槽后强大下沉气流的作用，21日上午地面冷锋过境，这个时候近面北风越来越大，随着系统发展，源于蒙古国南部一带的沙尘不断朝着东部和南部发展，途经区域PM10浓度值大幅升高。22日白天，受冷空气的影响，沙尘持续传输沉降，促使济南市PM10浓度依然处于高水平状态，随着冷空气主体不断推进，22日夜间济南沙尘天气过程基本停止。

3 后向轨迹模拟分析

结合HYSPLIT后向轨迹模型对此次沙尘天气过程中不同气团的发生发展规律进行定性分析（图2）。分析过程气象资料源于GDAS数据库。研究区域选择济南市开发区测站，高度选取3 000 m、1 500 m、500 m。具体模拟21日19:00的气团后向轨迹，追踪过去48 h的轨迹变化。通过模拟得出结论，不同高度气团传输路径基本相吻合，均沿西北路径向济南传输。其中，距离地面3 000 m的气溶胶后向轨迹表明气源于蒙古国4 000 m高度以上；蒙古国3 000 m高度的气溶胶沿西北方向在传输期间垂直剖线在21日00:00显著降低，济南市此时高度为500 m。后向轨迹模拟不同高度的气团传输路径和实况天气形势大体上一致。

4 激光雷达退偏比垂直分布

通过激光雷达能够了解到颗粒物的退偏振比和消光系数的光学特性。通过对济南市此次天气期间退偏振比和消光系数的时空分布特征进行分析可知（图3），2020年10月21日03:00～06:00，本地区高空退偏比显著增加，沙尘由高空进入山东济南地区，有一显著的沙尘带处于500～3 500 m之间；而近地面消光系数值和退偏比都很低，这意味着本时间段沙尘主要属于高空传输，沉降并不显著。21日06:00～12:00，近地面1 000 m以下，消光系数急剧升高。100 m高度位置，退偏比较低，最大消光系数为0.94 km-1，PM10与PM2.5浓度大幅提升，这是因为冷空气前锋，南北风转向期间呈静稳特点，扩散条件差，沙尘天气过程大气污染物浓度攀升。

图3 此次天气期间退偏振比和消光系数的时空分布特征

由于冷空气不断发展，从10月21日12:00开始，近地面到高空2 000 m位置消光系数不断降低，退偏比急剧升高，气溶胶非球形特点越来越强，颗粒物主要属于粗粒子污染。至10月22日21:00，沙尘气溶胶聚集2 500 m以下区域。10月22日21:00开始，大气退偏比不断变小，大气中粗离子占比也随之下降，此次沙尘天气过程基本停止。

5 PM2.5化学组分变化特征

5.1 碳质组分污染特征分析

在此次沙尘天气过程中，ρ（EC）的平均值为1.89 μg/m3，占ρ（PM2.5）的4.8%，ρ（OC）的平均值为4.71 μg/m3，占ρ（PM2.5）的12.1%。ρ（EC）小于ρ（OC），这意味着济南PM2.5中碳质气溶胶EC化学性质相对稳定，其主要为OC，OC较活泼，它的成分中不但包括污染源直排的POC，而且包括SOC。

通过分析此次天气过程中OC与EC散点图、相关性发现，此次天气过程中OC与EC具备很高的相关性（R2=0.53，P＜0.01），这意味着它们的污染源一致。由大气中OC/EC 比值分析碳质组分的排放和转化特点可知，在沙尘天气过程中，济南市OC/EC为2.5，意味着沙尘天气发生过程存在一些SOC，这主要是沙尘天气过境时造成的低温低湿环境造成的。

5.2 水溶性离子污染特征分析

通过分析此次济南沙尘天气过程中PM2.5中水溶性的离子特点发现，在本次沙尘天气发生之前（21日00:00～12:00），本地区PM2.5中水溶性离子主要包括SO42-、NH4+以及NO3-，其平均质量浓度值分别为6.75、13.38、32.67 μg/m3，这说明许多气态污染物的二次化学转化的作用较大；随着沙尘天气的出现（21日13:00～14:00），这3种水溶性离子显著降低，但是Ca2+、Mg2+急剧增加，这意味着沙尘天气过程一次污染源的作用较大。