兰州市一次持续重污染过程的气象条件分析

叶燕华,张 宁*,王基鑫,甘泽文,田祎楠

兰州市一次持续重污染过程的气象条件分析

叶燕华1,张 宁1*,王基鑫2,甘泽文1,田祎楠1

(1.兰州市气象局,甘肃 兰州 730020；2.兰州中心气象台,甘肃 兰州 730020)

利用常规气象观测资料、PM10浓度资料及ERA-5再分析资料,对2021年3月14～21日兰州地区一次持续性重污染过程进行分析,结果表明:此次兰州重污染过程主要污染物为PM10,主要来源是输入性沙尘,上游甘肃河西西部、内蒙古西部及蒙古中部在13日傍晚到夜间、14～15日及19日清晨有3个起沙过程;连续3次沙尘输入以及本地沉降缓慢是重污染过程持续时间长的主要原因.沙尘的输送路径主要是河套-宁夏-兰州及阿拉善-宁夏南部-兰州;输送高度主要在1.5～3km.上游白银、中卫的地面风速增大可以预报兰州市沙尘天气的减弱,下沉对流能的突变可以预报兰州市PM10浓度的增加,混合层厚度大值中心的位置和移动方向可以指示沙尘输送的方向.

重污染过程；持续性沙尘天气；沙尘输送；混合层厚度；稳定度指数

兰州市是西北地区重要的城市之一,是工业基地和综合交通枢纽、丝绸之路经济带的核心节点城市,作为甘肃省的省会城市,兰州市的大气环境问题历来受到重视.随着近年来,城市建设的高速发展以及蓝天工程的逐步推进,生态环境服务的需求逐渐增长,预报质量要求逐渐提高.兰州市较重的空气污染主要出现在11月～次年4月,春季的沙尘天气对空气污染有重要影响[1-2].兰州市距沙尘天气易发区相对较近,其西北方向的巴丹吉林沙漠、北方的腾格里沙漠、东北方向的乌兰布和沙漠、库布比沙漠及毛乌素沙地等均可能成为沙尘粒子的来源[3-5],沙尘输送路径及在本地的堆积过程是日常沙尘天气预报中的难点.

目前,针对我国沙尘天气气候规律的统计研究较为广泛[6-8],这些研究为预报员准确预报沙尘天气提供了有利的背景知识.同时,对典型沙尘暴天气过程的天气学和动力学以及物理量特征分析方面的研究有很多[9-14],为预报员认识和预报沙尘天气积累了宝贵的经验.在实际业务预报实践中,预报员通过分析气候背景特征,前期降水情况,地表热力状况以及短期内天气的影响系统,结合沙尘数值预报产品和个人预报经验能够较为准确地预报沙源区出现的沙尘天气[14-15].而对远离沙源区的由远距离输送引起的沙尘天气,预报难度很大,预报准确率较低[16-17].虽然业务沙尘模式提供了沙尘浓度的预报结果[18],但由于高原地形以及数值模式本身的局限性,对兰州地区沙尘天气预报的指导作用有限.近年来有关沙尘粒子及沙尘气溶胶的输送特性研究也有很多[19-22],沙尘在输送过程中被抬升到自由对流层,沙尘粒子主要靠对流层低层的大风长距离地输送,输送到内蒙古、甘肃地区时沙尘主要分布在2.5～3km高度.这些研究对北方沙尘天气的沙尘粒子输送特征有了较清楚的描述,但主要关注点为大范围的、定性的研究;对于兰州市的沙尘天气预报而言,上述研究缺乏足够的定量指标.

2021年3月14～21日,兰州市出现了持续7d的沙尘天气,有38h达到沙尘暴,空气污染等级达重度污染,此次沙尘天气过程持续时间之长、沙尘浓度之大是近年所罕见的.预报员对沙尘天气的起止时间预报较实况偏差较大,对冷空气和降水天气对空气污染物沉降的影响预计过于乐观.为了更好地认识兰州春季持续性沙尘天气,更准确地制作空气污染气象条件预报,有必要对本次过程作进一步分析研究.本文采用常规气象观测资料、兰州市逐小时污染物浓度资料及ERA-5逐6h再分析资料,寻找预报兰州沙尘的关键区;利用预报员容易获得的一些物理量,分析可用的、定量化指标,以期对今后兰州市的沙尘天气预报和空气污染气象条件预报有所助益.

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文所用气象观测数据来自气象大数据云平台“天擎”,为2021年3月13～22日常规地面和探空观测资料,以及欧洲中期天气预报中心(ECMWF) ERA-5逐6h 1°´1°地表感热通量、高空温度场和风场分析资料.同期污染物浓度观测资料来自兰州市环境监测站,其数据为主城区5个国家环境空气质量自动监测站观测浓度平均值.常规地面气象和污染物浓度观测资料时间分辨率为1h,气象探空观测资料时间分辨率为12h;为便于分析,本文中所用时间均为北京时(BTC).

1.2 数据处理与方法

由于目前常规地面观测中天气现象的观测判识为自动判识,本次过程中许多地面天气现象为霾,不便于进行统一分析;因此,本文对本次沙尘的天气现象统一使用能见度与环境监测站的PM10值相结合的判识方法,能见度低于10km同时PM10浓度大于150µg/m3的站点被判定为有浮尘.

本文对冷空气活动的分析方法为天气学形势分析方法,对文中物理量通过计算相关系数来分析其与污染物浓度及地面能见度的关系.

2 结果与分析

2.1 观测实况及大尺度天气背景

2.1.1 兰州市污染物浓度与能见度变化 3月14日凌晨2:00,兰州市污染浓度迅速上升,同时地面最低能见度从14.0km骤减为3.9km;凌晨04:00～06:00 PM10浓度达到峰值,同时兰州城区最小能见度为2.5～2.6km,此后PM10浓度缓慢降低,能见度逐渐转好,14日08:00～20:00为5～6km.14日21:00～15日23:00,PM10浓度基本为中度污染,兰州能见度7～9km,维持弱浮尘天气.16日00:00开始,上游沙尘抵达本地,PM10浓度从238µg/m3骤升至1651µg/m3并在16日04:00达到峰值3950µg/m3.能见度由7.5km降至0.77km,达到沙尘暴,最小能见度出现在16日10:00,为537m.兰州PM10浓度直到17日11:00一直维持3000µg/m3以上,17日13:00～19:00,PM10浓度明显减小,在1500µg/m3左右,但能见度仍不足2km,浮尘天气持续.17日20:00～19日凌晨05:00,空气质量维持重污染,19日清晨06:00起,兰州出现降水,PM10浓度迅速减小,但中午降水趋于结束时PM10浓度又开始升高,直至20日凌晨PM10浓度才开始缓慢下降,但兰州能见度仍不足10km,浮尘天气持续至21日01:00;同时空气质量转为轻度污染.

从图1可以看出,兰州市区PM2.5与PM10浓度变化十分一致,只是浓度值比PM10小很多.从PM2.5与PM10浓度比值来看,13日白天到夜间,PM2.5与PM10浓度比接近1:2;随着上游沙尘进入兰州,PM2.5占比迅速减小,14～15日基本在0.3左右;16日凌晨沙尘再次来袭,PM2.5占比继续下降至不足0.2;PM2.5与PM10浓度比的变化正好与浓度值变化相反.据此,本文把此次兰州沙尘天气过程划分为3个阶段:14日2:00至15日23:00(S1阶段);16日0:00～19日11:00(S2阶段);19日12:00～21日1:00(S3阶段).其中在17日午后地面风速增大,加速沙尘扩散;19日清晨至中午有降水,但仍未能彻底清除浮尘.

2.1.2 天气影响系统 在重污染过程中,有多次冷空气活动过程,本文将其分为三个阶段(S1～S3).

S1阶段的主要影响系统为短波槽系统,13日20:00张掖以东为暖脊,酒泉到张掖风速与等温线交角较大(图2a); 700hPa酒泉西北风均在16m/s以上,张掖东部到武威等温线密集,短波槽位于内蒙西部到武威一线(图2b);此系统斜压性较强,东移南压速度快,到14日08:00已基本移出甘肃省.地面天气系统主要是内蒙西部到甘肃中部的热低压,13日傍晚到夜间甘肃河西及青海北部地面增压,导致河西中东部锋生,地面风速增大(图2c).

图1 兰州市区2021年3月13～21日逐小时平均PM2.5和PM10浓度演变

图2 2021年3月13、14、19日环流形势

阴影区为主要冷平流区域

S2阶段:14～15日500hPa西伯利亚高空槽加深发展东移,引导冷空气南下,500hPa冷涡中心516dagpm,贝加尔湖南部的冷中心低于-36℃(图2d);同时巴尔喀什湖以西又有低槽发展,冷空气补充东移南下,造成蒙古南部到河西北部锋区维持(图2e).16～17日上午,河西中部以东主要为偏西气流,青海有波动东移, 17日下午河西有弱冷空气东移.到19日清晨,高原槽东移,同时新疆东部有冷槽,冷空气前锋与暖湿气流在内蒙西部到甘肃中部一带交汇,造成降水.从地面天气系统演变来看,14日午后地面冷锋南压迅速,从14日夜间至15日,冷锋东北段东移,但西段受高原阻挡,在河西西部维持时间较长.地面冷高压和热低压均在14日傍晚到夜间发展到最强,冷高压中心为1045hPa,低压中心980hPa,两者相距20个经距,约1500km(图2f),在冷高压前部,气压梯度达6.7Pa/km.地面冷高压于15日白天开始减弱,到20:00,冷高压中心为1030hPa,最大气压梯度3.6Pa/km.在地面系统最强时段,最大风区域主要在蒙古,甘肃省沙尘以外来输入性为主.

S3阶段:新疆东部冷槽东移,槽前冷平流较强,700hPa河西及内蒙西部西北风较大,有冷平流;地面冷锋位于陕西西北部至陇东、祁连山东部,锋后内蒙西部到甘肃河西气压梯度较大,内蒙西部及甘肃民勤附近出现扬沙或沙尘暴(图2g～i).

2.1.3 大气热力状况演变 大风沙尘暴天气发生的原因除与前期气候条件、大型冷暖空气强度及环流形势有关外,主要还与近地层空气热力稳定性及其日变化有关.有研究表明近地层感热对沙漠地区沙尘暴的产生和加强起着重要作用[19],感热加热边界层大气,增加大气的不稳定性,并影响锋生的强度及锋生环流.所以,分别分析河西西部(38.2°～43°N、92.4°～100°E)、内蒙西部(37.3°～43°N、100°～110°E)及蒙古国中部(43°～50°N、98°～110°E)的高空温度平流以及地表感热通量变化(图3),分析上游大气热力状况的变化,进而分析近地层主要的物质交换时间和地点.

图3 2021年3月13～22日河西西部、内蒙西部及蒙古国中部平均温度平流和感热通量变化

S1阶段,13日下午内蒙西部及河西西部的感热通量明显大于蒙古中部,同时河西西部500～ 700hPa都有冷平流,说明此时大气最不稳定区域主要位于河西西部,与之对应的沙尘天气区域主要在河西地区.S2阶段,14日午后,蒙古地区的感热通量明显增加,为三个地区之冠,高空冷平流也最强;15日午后河西及内蒙西部感热通量明显增加,超过了蒙古中部,但高空冷平流是河西西部最强,总体不稳定能量比14日午后蒙古地区差.S3阶段, 19日午后,感热通量明显增加主要在河西西部,其次为内蒙西部,与之对应时段的较强冷平流是在内蒙西部,所以内蒙西部和民勤是主要的起沙地区.

2.2 沙尘输送特征

从前文的分析可知,本次天气过程以S2阶段的沙尘输送为主,在3月14～16日沙尘天气出现时间(图4)可以看出,兰州此次沙尘天气过程的输送路径主要是东北-西南走向.因此,对沙尘的上游输送条件重点分析河西东部、内蒙古阿拉善地区及宁夏沿黄河地区.那么,气象要素的演变是否能够揭示沙尘粒子的输送过程？下面就对本地及上游的一些气象要素进行深入分析.

2.2.1 能见度与地面风速 从兰州及东北方向上游几个站的能见度演变可以看出(图5),这几个站均有两次能见度骤降过程,在13日夜间、15日白天到夜间以及19日清晨.13日夜间中卫出现沙尘时间比景泰、皋兰早4h ,比白银早5h,比兰州早6h,靖远没有出现浮尘.15日沙尘最早到达中卫,其后依次为景泰、靖远、皋兰、白银、兰州;中卫出现沙尘时间比景泰早1h,9h后靖远、10h后皋兰、11h后白银出现沙尘,兰州市一直维持浮尘天气,能见度骤降、出现沙尘暴时间比中卫晚15h.17日中午和18日夜间,景泰和靖远有明显的沙尘减弱时段,对应的地面风速靖远17日9:00是0.7m/s,17日10:00～13:00增加到2.1～3.6m/s;18日下午由0.6m/s增加到2.0～5.1m/s;景泰17日的地面风速变化与最小能见度变化对应不明显;18日夜间地面风速变化与最小能见度变化对应有1～2h的提前量.

图4 2021年3月14～16日地面沙尘天气出现时间

图5 2021年3月13～21日地面最低能见度对比

从表1中还可以看出,白银和景泰的地面风速对其本地能见度有一定的预报意义.另外,中卫和景泰的地面风速与兰州下一小时能见度的相关系数分别为0.478和0.386,即中卫和景泰的地面风速增大可以预报兰州市沙尘天气的减弱.

表1 地面风速与最小能见度相关系数

2.2.2 输送路径上的混合层分析 混合层是在地面行星边界层中形成的中性层结,在沙尘暴发生时,往往伴随深厚的等熵混合层[23].通过研究混合层厚度变化及其平流过程,可以追踪沙尘天气的输送路径和定位沉降地[16].本文根据Anthes等[24]定义的混合层计算方法,求取近似等熵的等熵混合层厚度,即从地面向上计算到500hPa,且取第一个∂υ/∂z<1.5K/km的厚度层.

从图6中可以看出,15日上午在内蒙西部及河套地区有混合层厚度大值中心,这两个大值中心在15日白天主要向南移动,受到地形和高空风的影响,河套的中心南压迅速;由于张掖中层有偏南风,内蒙西部的中心移动缓慢,且受祁连山的阻挡而有所增厚.值得注意的是15日甘肃中东部的700hPa均维持较强的偏南风(14m/s),与之相对应,兰州附近混合层高度也大约在700hPa,这可能是兰州沙尘暴出现时间比宁夏南部晚15h的原因之一.到15日夜间,兰州混合层高度接近2km,对应高度上的风向转为偏西,且风速减小至6m/s,沙尘开始沉降,本地迅速出现沙尘暴.

图6 2021年3月15日混合层厚度演变和700hPa风场

箭头所指为厚度中心移动方向,阴影为地面能见度

图7 混合层厚度演变(站点-时间剖面)

通过混合层厚度大值中心及其演变分析可以看出,此次沙尘天气输送高度主要在地表以上1.5～3km,这与郑有飞等[20]、王宁等[22]的研究结果较为一致.

为了进一步研究本地的沙尘输送路径,对沿河套-宁夏-兰州(东路)、内蒙西部阿拉善地区-民勤-兰州(中路)及河西走廊(西路)一带的混合层厚度时空演变作对比分析(图7).可以看出,S1阶段输送过程主要在沿河套-宁夏及阿拉善地区-民勤一线,即东路和中路;S2阶段的输送过程主要在东路,中路和西路的混合层厚度中心与本地不相连;S3阶段的输送过程主要在西路和中路.

2.3 沙尘持续成因分析

此次沙尘天气过程的持续时间很长,即使有17日午后、19日清晨两次冷空气过程,兰州市仍维持重污染.17日无降水,地面风速增大对沙尘粒子浓度减小有一定作用.19日清晨有降水,降水区主要在河西东部以东,但降水时间较短,总降水量不大.19日清晨在内蒙西部有扬沙和沙尘暴,导致兰州市降水过后能见度迅速减小,沙尘天气维持.

由于混合层高度越低,越不利于污染物在垂直方向的扩散,所以混合层厚度在沙源区与沉降区对沙尘天气的指示意义不同.但在本次过程中,本地的混合层厚度与本地最小能见度的总体相关系数为-0.715;说明本地混合层厚度用于沙尘天气的预报需根据天气过程的不同阶段而判断.在S1阶段,本地的混合层厚度较小,15日8:00～20:00混合层厚度有所增大,说明垂直扩散能力增强,本地PM10浓度下降.S2阶段前期为沙尘输入期,此时本地混合层厚度大;17日混合层厚度明显减小,所以虽然水平扩散能力增大,但垂直扩散能力变差,对沙尘粒子的清除作用有限;18日20:00至19日混合层厚度增大,本地垂直扩散能力增强但同时又有沙尘输入,与降水作用叠加,19日上午PM10浓度急速下降至中度污染等级.S3阶段,19日夜间混合层厚度迅速减小,本地扩散能力较差,至21日混合层厚度开始增大,PM10浓度下降至轻度污染,本地浮尘天气结束.

前人的研究表明中低层基本处于中性或弱不稳定层结时[1,23,25]不利于沉降过程,所以本文主要研究本地的稳定度指标及不稳定能量指标.简便起见,本文采用MICAPS系统计算的干暖盖指数(s)和600hPa起始下沉对流能.干暖盖指数(s)表示为逆温层顶的饱和湿球位温最大值与地面至500hPa气层的湿球位温平均值的差值.s越大表示干暖盖愈强,储存的大气不稳定能量越大.600hPa起始下沉对流能(DCape600)为对流云体中(从600hPa起始计算)下沉气流到达地面时可能具有的最大动能,即环境负浮力对气块做功所产生的动能. 从本地两种指标演变来看(图8),干暖盖指数对于本次沙尘过程的变化有一定指示意义,大于-20℃时沙尘浓度开始迅速减小,其与本地最小能见度的相关系数可达0.621;下沉对流能的突变可以预报兰州市PM10浓度的增加,能够提前12h左右.

图8 2021年3月13～21日兰州市本地物理量变化

本文从环流形势、沙源地热力状况、混合层高度的变化及本地稳定度等方面对于此次兰州市重污染过程的气象条件进行了分析,但主要集中在沙尘输送方面,对沙尘粒子的沉降过程还有待进一步研究.用混合层高度来表征沙尘输送高度还比较片面,需用其他观测方式予以佐证;另外,沙尘输送路径仅限于本次过程,这些均有待于今后作进一步的验证.

3 结论

3.1 此次兰州市重污染过程主要有3个阶段:14日凌晨～15日夜间;16日凌晨～19日上午;19日中午～21日;首要污染物为PM10.这三个阶段的沙源地和起沙机制有所不同.

3.2 通过本次重污染过程的沙尘主要有两条传输路径:河套-宁夏-兰州及阿拉善-宁夏南部-兰州;沙尘的输送高度主要在1.5～3km.

3.3 上游中卫和景泰的地面风速、兰州本地的下沉对流能和干暖盖指数等因子均可以用于对兰州市的沙尘天气发生及PM10沉降的预报.

3.4 连续三次沙尘输入过程以及本地沙尘沉降过程缓慢是导致重污染过程持续时间较长的主要原因.

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Analysis of meteorological conditions of a continuous heavy pollution process affecting Lanzhou.

YE Yan-hua1, ZHANG Ning1*, WANG Ji-xin2, GAN Ze-wen1, TIAN Yi-nan1

(1.Lanzhou Meteorological Bureau, Lanzhou 730020, China；2.Lanzhou Central Meteorological Observatory, Lanzhou 730020, China)., 2023,43(12)：6281～6289

Based on the analysis of a persistent heavy pollution process in Lanzhou from March 14 to 21 in 2021, several conclusions were drawn that the main pollutant was PM10, and the main source was imported dust, there were three sand-releasing processes in the west of Hexi, the west of Inner Mongolia and the middle of Mongolia. The main reasons for the long and heavy pollution process was that the dust continuous input and slowly settled. The main transport routes were Hetao-Ningxia-Lanzhou and Alxa-Southern Ningxia-Lanzhou. The height of dust transport was mainly 1.5～3km. The location and moving direction of the upper surface wind speed, the great value of mixed layer thickness and the local dry and warm index could help to predict dust weather in Lanzhou.

heavy pollution process；persistent dust weather；dust transport；mixed layer thickness；stability Index

X513

A

1000-6923(2023)12-6281-09

叶燕华,张 宁,王基鑫,等.兰州市一次持续重污染过程的气象条件分析 [J]. 中国环境科学, 2023,43(12):6281-6289.

Ye Y H, Zhang N, Wang J X, et al. Analysis of meteorological conditions of a continuous heavy pollution process affecting Lanzhou [J]. China Envirenmental Science, 2023,43(12):6281-6289.

2023-04-26

甘肃省青年科技基金资助项目(22JR5RA1061)

* 责任作者, 高级工程师, 395998248@qq.com

感谢兰州市环境监测站提供空气污染物浓度监测数据,欧洲中期天气预报中心提供的ERA5再分析数据.

叶燕华(1972-),女,福建南安人,高级工程师,主要从事短期天气预报工作和大气环境研究.发表论文7篇.65376963@qq.com.