京津冀地區(qū)一次持續(xù)時間較長浮塵天氣的分析

張迎新 ，李 林 ，曹曉沖 ，李梓銘 ，馬小會 ，張玉婷

（1.北京市氣象臺，北京100089；2.北京市氣象局大氣探測中心，北京100089；3.河北省氣象臺，河北 石家莊050021；4.北京市環(huán)境氣象中心，北京100089；5.衡水市氣象臺，河北 衡水053000）

依據(jù)沙塵暴天氣等級國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20480-2006），按氣象觀測站當(dāng)時的地面水平能見度，將沙塵天氣依次分為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴5 個等級。浮塵是指當(dāng)天氣條件為無風(fēng)或平均風(fēng)速≤3.0 m/s 時，塵沙浮游在空中，使水平能見度＜10 km 的天氣現(xiàn)象。浮游的塵土和細(xì)沙多為遠(yuǎn)地沙塵經(jīng)上層氣流傳播而來，多為沙塵暴、揚(yáng)沙出現(xiàn)后尚未下沉的細(xì)粒。

相比于沙塵暴、揚(yáng)沙來說，浮塵的破壞性不大，但其影響卻不容忽視。浮塵天氣期間，空氣中可吸入顆粒濃度增加，顆粒物粘附大量有害物質(zhì)，對人體健康產(chǎn)生的危害較大；浮塵降低大氣能見度影響交通運(yùn)輸；沙塵氣溶膠在大氣中的長時間存在和輸送，對氣候效應(yīng)也會產(chǎn)生較大影響[1]。京津冀地區(qū)浮塵天氣出現(xiàn)的機(jī)率較高，統(tǒng)計(jì)分析北京50 a 的沙塵天氣觀測資料，浮塵占比達(dá)20%，遠(yuǎn)比沙塵暴的9%高[2]，因此急需研究京津冀浮塵天氣的成因。

中國西北地區(qū)以及與中國接壤的蒙古國存在大片的沙源地，多數(shù)的沙塵暴是由蒙古氣旋引發(fā)[3]。京津冀地區(qū)本地的沙源地較少，研究京津冀的沙塵天氣常常關(guān)注沙源地及沙塵的傳輸問題，相關(guān)研究成果頗多。陳廣庭[2]統(tǒng)計(jì)分析了北京50 a 的沙塵天氣觀測資料，得出浮塵來自內(nèi)蒙古高原中部農(nóng)牧交錯地區(qū)。張小玲等[4]利用沙塵模式模擬了一次北方的連續(xù)強(qiáng)沙塵天氣，得出沙塵的傳輸過程中高度可達(dá)6 km 以上。李彰俊等[5]基于沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式敏感性試驗(yàn)結(jié)果，分析討論了蒙古氣旋沙塵暴過程中沙塵傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，沙源區(qū)緯度越高，沙塵向東傳輸越強(qiáng)，緯度越低，向南傳輸越強(qiáng)；同時，高度越高，沙塵向東傳輸越強(qiáng)，高度越低，向南傳輸越強(qiáng)。對于浮塵天氣的傳輸過程及成因，馬井會等[6]初步研究了一次上海連續(xù)浮塵過程的傳輸特征和形成的主要原因。馬梁臣等[1]對長春市一次浮塵天氣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沙源來自蒙古國中部和內(nèi)蒙古中東部，并隨高空急流的輸送影響東北地區(qū)。郭萍萍等[7]分析了甘肅省春季一次連續(xù)浮塵天氣過程，此過程中的浮塵均出現(xiàn)在沙塵暴或揚(yáng)沙天氣之后，在連續(xù)浮塵天氣期間，甘肅省各地上空頻繁出現(xiàn)逆溫層，邊界層上部逆溫層的逆溫溫差越大，厚度越厚，造成浮塵天氣的強(qiáng)度越強(qiáng)，且“東高西低”的回流輸送對甘肅中東部地區(qū)的浮塵天氣有一定的作用。上述研究認(rèn)為沙塵多隨高空急流向下游傳輸，或在下游沉降到邊界層內(nèi)的沙塵粒子隨偏東風(fēng)回流輸送；持續(xù)時間長的浮塵天氣往往是兩次沙塵過程相繼影響下產(chǎn)生的。

2017 年5 月3 日白天到前半夜京津冀出現(xiàn)了小雨天氣，局地中到大雨，北京最大降水出現(xiàn)在延慶的松山，達(dá)11.9 mm。5 月3 日后半夜至5 日白天（以北京海淀站為例，4 日04 時—5 日11 時，北京時間，下同），京津冀地區(qū)自北向南先后出現(xiàn)了一次大范圍的浮塵天氣過程，具有強(qiáng)度大、范圍廣等特征，為我國北方遭遇近兩年來最嚴(yán)重的沙塵天氣。京津冀地區(qū)上空被浮塵籠罩，空氣質(zhì)量急劇下降，空氣中彌漫著塵土味。此次浮塵天氣是出現(xiàn)在降水之后，且持續(xù)30 h 以上，其預(yù)報(bào)難度較大。而以往的研究幾乎沒涉及此類浮塵天氣，因此有必要分析其成因及維持機(jī)制。

本文使用常規(guī)和非常規(guī)氣象及環(huán)境觀測、NCEP（0.25°×0.25°）再分析資料、激光雷達(dá)探測資料及Hysplit 后向軌跡模式等進(jìn)行診斷分析，試圖揭示浮塵天氣持續(xù)時間長的成因。

1 研究區(qū)域、資料和方法

1.1 研究區(qū)域

京津冀地區(qū)位置獨(dú)特，西倚太行山，東部有渤海灣，北部為燕山和壩上高原。燕山自西向東、太行山自北向南構(gòu)成半環(huán)狀“弧形山脈”環(huán)抱著華北平原，形成西北高、東南低逐級下降的地勢（圖1）。壩上高原系內(nèi)蒙古高原的一部分，地勢南高北低，平均海拔為1 200～1 500 m；北部燕山和西部太行山由中山、低山、盆地、丘陵組成，海拔多在2 000 m 以下。壩上高原地區(qū)近幾年的植被覆蓋有比較明顯的改善，但是每年春季壩上的地表仍是裸露的，而且張家口懷來縣、承德豐寧縣有小面積的沙漠公園，這些都是春季京津冀地區(qū)的沙源地。

圖1 京津冀地形地貌

1.2 資料和方法

本文使用2017 年5 月2—5 日亞歐地區(qū)的常規(guī)高空及地面觀測資料、京津冀非常規(guī)觀測資料及自動站資料，PM10實(shí)時數(shù)據(jù)來自于中國環(huán)境監(jiān)測總站。

1.2.1 激光雷達(dá)資料

北京市觀象臺的激光雷達(dá)為雙波長三通道激光雷達(dá)，激光器發(fā)射兩種特定波長（355、532 nm）激光脈沖及經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后進(jìn)入大氣，大氣中的粒子對激光產(chǎn)生米散射，其中方向?yàn)?80°的散射光（后向散射）被望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，且又被分光成355、532 nm平行、532 nm 垂直的三路光，由探測系統(tǒng)分別探測到3 個通道的回波信號，再將回波信號反演成消光系數(shù)和退偏比（消偏振比）的垂直分布廓線等。消光系數(shù)是單位距離內(nèi)氣溶膠對光的吸收衰減的一個系數(shù)值，表示每千米或每米對光的吸收，數(shù)值的大小與空氣中氣溶膠的濃度成正比。利用退偏比，可以確定顆粒物的形狀特征，進(jìn)而對顆粒物進(jìn)行分類，并判斷其來源。局地生成的二次顆粒物大多為規(guī)則球型粒子，退偏比??；而外部輸入的沙塵顆粒多為不規(guī)則形狀，退偏比大[8-10]。本文使用 2017 年 5 月 3 日 13—4 日13 時北京市觀象臺的激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)及退偏比進(jìn)行分析，消光系數(shù)及退偏比方法見文獻(xiàn)[8]。

1.2.2 后向軌跡模式及資料

HYSPLIT （Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）、空氣資源實(shí)驗(yàn)室 ARL（Air Resources Laboratory）和澳大利亞墨爾本氣象研究中心聯(lián)合開發(fā)的一種用于計(jì)算和分析氣團(tuán)輸送、擴(kuò)散軌跡的模型，即拉格朗日混合單粒子軌道模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中[11-12]。

本文以北京（40°N，117°E）為例，計(jì)算 2017 年 5月4 日08 時（此時北京全市浮塵天氣）過去36 h 后向軌跡（Backward Trajectory），高度選定為 10、100、500、1 000、1 500 和 3 000 m AGL（距地面高度），來分析此次沙塵的傳輸路徑及其氣團(tuán)的性質(zhì)。

2 浮塵天氣實(shí)況

2.1 地面實(shí)況

受發(fā)展東移的高空槽、蒙古氣旋影響，2017 年5月2—5 日西北地區(qū)、華北、東北出現(xiàn)了沙塵天氣，尤其是內(nèi)蒙古北部的部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴、局地強(qiáng)沙塵暴，最低能見度約300 m。受短波槽影響，3 日白天到前半夜京津冀普降小雨，局地中到大雨，北京最大降水量出現(xiàn)在延慶的松山，為11.9 mm，本地因出現(xiàn)降水不利于起沙。由能見度觀測及中國環(huán)境監(jiān)測總站的PM10實(shí)時數(shù)據(jù)可知，浮塵于3 日21 時進(jìn)入河北張家口西北地區(qū)，并逐漸自西北向東南蔓延，PM10濃度迅速增大，多站超過 1 000 μg·m-3。圖 2a 為4 日08 時 FY-4 衛(wèi)星云圖，隨著氣旋云系的東移，沙塵覆蓋內(nèi)蒙古大部分地區(qū)、甘肅、寧夏、陜西、山西及河北、北京、天津等省市。以北京海淀為例（圖2b），4 日 03 時以前濃度均在 200 μg·m-3以下，4 日04 時驟升至 616.7 μg·m-3，05 時—次日 07 時均處于爆表狀態(tài) （爆表指濃度>1 000μg·m-3，4 日22 時南郊觀象臺最高達(dá) 1 706 μg·m-3），達(dá)到重度污染，能見度不足3 km，且持續(xù)時間長達(dá)30 h。5 日早晨開始北風(fēng)加大，沙塵天氣自西北向東南逐漸消散，能見度轉(zhuǎn)好。

2.2 環(huán)流形勢

2017 年 5 月 3 日 08 時 500 hPa 高空圖上，亞歐大陸中高緯地區(qū)為兩脊一槽的形勢，脊線分別位于烏拉爾山地區(qū)及海參崴—伊春—雅霍茨克一線。兩脊之間為一寬廣的槽，西西伯利亞有一低渦，其前部自貝加爾湖經(jīng)內(nèi)蒙西部的額濟(jì)納旗到甘肅敦煌一線有一西風(fēng)帶低槽；另有一短波槽自河套經(jīng)崆峒到漢中，京津冀地區(qū)處于槽前的西南氣流中，受其影響3 日白天到夜間出現(xiàn)了降水（普降小雨，部分地區(qū)中到大雨）。對應(yīng)地面圖（圖3a），3 日20 時龐大的蒙古氣旋中心位于貝加爾湖以東的中蒙邊界，氣旋底部及其冷鋒后有大片的揚(yáng)沙或沙塵暴（黃色陰影區(qū)），此時京津冀大部有降水（綠色陰影區(qū)）。隨著鋒面氣旋東移，沙塵區(qū)東移南擴(kuò)（圖3b），內(nèi)蒙古及東北地區(qū)以沙塵暴、揚(yáng)沙為主，而京津冀及其以南地區(qū)主要以浮塵天氣為主。

FY-4A 云圖顯示 （圖 2a），4 日 08 時蒙古氣旋中心東移至我國黑龍江、俄羅斯及蒙古國交界處，氣旋冷鋒云系已移出京津冀地區(qū)（除河北東北部），京津冀中北部已被沙塵籠罩。此時500 hPa 東亞中緯度地區(qū)有東、西2 個西風(fēng)帶低槽，東槽對應(yīng)蒙古氣旋冷鋒，其南段位于京津冀北部，并逐漸東移，京津冀受槽后下沉氣流影響，易于沙塵沉降。西槽位于貝加爾湖東部—蒙古國中部，是低渦后部補(bǔ)充南下的冷空氣（圖3c，粗實(shí)（虛）線分別為08 時（20 時）槽線位置）。5 日08 時（圖3d），西槽東移南下至錫林浩特—張家口—銀川一線，槽后有-36 °C 的冷中心。風(fēng)速＞20 m/s 且風(fēng)向與等溫線近乎垂直，可知槽后冷空氣勢力強(qiáng)（·2T＜0）且南下速度快。此時地面冷空氣前沿已抵達(dá)張家口，張家口市境內(nèi)風(fēng)速加大到5 級以上，張家口能見度逐漸轉(zhuǎn)好。5 日白天此低槽掃過京津冀，冷空氣掃過時地面自西北到東南先后出現(xiàn)5 級左右的大風(fēng)，局地伴有揚(yáng)沙天氣。冷空氣過后京津冀地區(qū)各地能見度迅速轉(zhuǎn)好，長時間持續(xù)的沙塵天氣于5 日白天自西北到東南先后結(jié)束。

圖2 2017 年 5 月 4 日 08 時 FY-4A 云圖（a）和北京市海淀站的 PM10 濃度（b）

圖3 2017 年 5 月 3 日 20 時地面形勢（a）、5 月 3 日 20 時—4 日 14 時逐 6 h 沙塵區(qū)前沿（b，標(biāo)值為時間）、5 月 4 日 08 時（c）、5 月 5 日 08 時（d）500 hPa 高空形勢及槽動態(tài)（c）

實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，考慮5 月4 日蒙古氣旋偏北，華北中南部地區(qū)風(fēng)速小且已出現(xiàn)降水，本地不具備起沙條件。上游地區(qū)雖然出現(xiàn)了沙塵暴天氣，但一般認(rèn)為沙塵伴隨500～700 hPa 的平均流場為引導(dǎo)氣流向下游輸送。5 月4 日華北上空500～700 hPa 為一致的偏西—西西南氣流，預(yù)報(bào)沙塵天氣將主要出現(xiàn)在華北北部及東北地區(qū)，考慮沉降將影響北京以北地區(qū)，對華北中南部影響不大。總之從以往的經(jīng)驗(yàn)看，5 月4 日的天氣形勢不利于京津冀出現(xiàn)大范圍的持續(xù)性的浮塵天氣。

與常見的沙塵暴、揚(yáng)沙出現(xiàn)后尚未下沉的細(xì)粒子浮游空中而成的浮塵不同，本次浮塵天氣前京津冀地區(qū)出現(xiàn)了降水。浮塵是由于東北移動的蒙古氣旋帶來的沙塵區(qū)南擴(kuò)輸送到本地沉降而形成的。由于京津冀地區(qū)高空以緯向環(huán)流為主，地面位于鞍型場中，形勢穩(wěn)定且地面風(fēng)力很小，沙塵粒子長時間懸浮在近地層，產(chǎn)生了大范圍的持續(xù)浮塵天氣。

3 浮塵天氣的氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)特征

由北京觀象臺激光雷達(dá)觀測可見（圖4），氣溶膠高濃度區(qū)（圖4 中紅色部分），于3 日15 時前后自5～6 km 高度逐漸降低到 4 km 后，在 2～4 km 的高度區(qū)間上下浮動，雖然3 日19—22 時出現(xiàn)降水，因雨水使得0～2 km 的消光系數(shù)增加（對應(yīng)退偏比的演變此時段幾乎為零，說明為球形的水滴），直至4 日04 時前后高濃度區(qū)下降到1 km 以下。對應(yīng)此時段的退偏比垂直分布的演變（圖4b），與消光系數(shù)的演變基本一致，表明本次大氣的氣溶膠以不規(guī)則的沙塵粒子為主，且由外部通過高空輸送至北京地區(qū)。從 03：30 起，2～4 km 的退偏振比顯著減小，而地面到1.5 km 退偏振比逐步增大，表明此時高空的沙塵開始向近地面沉降，形成沙塵天氣，伴隨能見度下降、PM10濃度升高（圖 2b）。

圖4 浮塵天氣過程的北京激光雷達(dá)探測資料的垂直演變

4 浮塵天氣長時間持續(xù)成因分析

4.1 環(huán)流條件

浮塵天氣持續(xù)期間（4 日凌晨—5 日），500 hPa東亞中緯度地區(qū)有東、西兩西風(fēng)帶低槽，東槽對應(yīng)蒙古氣旋冷鋒，其南段位于京津冀北部，并逐漸東移，京津冀受槽后下沉氣流影響，易于沙塵沉降。西槽位于貝加爾湖東部—蒙古國中部，是低渦后部補(bǔ)充南下的冷空氣。京津冀上空浮塵天氣期間，500 hPa 受東、西兩槽間偏西氣流控制，地面氣壓場呈東西高、南北低的鞍型場，地面風(fēng)速小。

4.2 邊界層條件

使用京津冀地區(qū)4 部L 波段雷達(dá)探空資料分析氣象要素的垂直演變，以北京觀象臺為例，3 日夜間有一低槽過境，對應(yīng)4 日08 時（浮塵出現(xiàn)在05時），800 hPa 以上為偏西風(fēng)，比濕下降明顯（圖5a）；800 hPa 以下隨高度降低由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，按熱成風(fēng)原理知此厚度內(nèi)應(yīng)為冷平流，從溫度廓線看溫度略有下降，但比濕下降明顯，說明800 hPa 到地面干平流明顯。從位溫的廓線看（圖5b），4 日08時—5 日 08 時近地層 （4 日 08 時 800 hPa、20 時900 hPa 以下、5 日 08 時 970 hPa）θ 近乎垂直（隨高度變化 1 K 左右），?θ/?P≈0 為中性層結(jié)，有利于沙塵粒子懸浮于空中，這也是浮塵天氣維持時間長的原因之一。

圖5 北京觀象臺L 波段探空時序（a）及位溫廓線（b）

應(yīng)用京津冀地區(qū)14 部風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析水平風(fēng)、垂直氣流的演變（圖 6），5 月3 日夜間—4 日白天2～4 km 高度內(nèi)有2 個槽經(jīng)過，第一個槽后西北氣流由高到低于4 日04—05 時到達(dá)地面，與西北氣流對應(yīng)4 km 以下為下沉氣流（圖6 中陰影區(qū)），此時北京能見度降低、PM10濃度升高（圖2b），形成浮塵天氣。此后2 km 以下以湍流活動為主，上升、下沉氣流弱但交互出現(xiàn)，有利于沙塵粒子懸浮于空中，浮塵天氣維持時間長。

圖6 2017 年 5 月 3 日 22:00—4 日 19:00 北京觀象臺風(fēng)廓線

5 沙塵源地及其傳輸路徑

以5 月4 日08 時為起始時刻計(jì)算36 h 后向軌跡，高度選定為 10、100、500、1 000、1 500 和3 000 m AGL（距地面高度），分析沙塵天氣條件下的沙塵來源、移動路徑及其氣團(tuán)的性質(zhì)（圖7）。結(jié)合地面觀測發(fā)現(xiàn)，此次過程沙塵來源于西西伯利亞，沿途經(jīng)過蒙古國南部和新疆北部的戈壁灘、阿拉善高原、巴丹吉林沙漠及烏蘭布和沙漠等地，傳輸高度基本在3～5 km。張家口、承德壩上雖然有裸露的地表及小沙漠，從后向軌跡看沒有來自本地的沙塵。根據(jù)10 m 高度的質(zhì)點(diǎn)軌跡中的濕度分布可知，起始的濕度在10%以下，因沙塵區(qū)前沿一直有降水，在傳輸過程中濕度雖有增加但均在30%左右，最大相對濕度為47.5%。

圖7 北京上空（39.8°N，116.48°E）粒子的36 h 后向軌跡

6 結(jié)論

使用氣象、環(huán)境觀測、激光雷達(dá)探測、后向軌跡模式產(chǎn)品等資料分析了2017 年5 月3—4 日京津冀地區(qū)一次浮塵天氣長時間持續(xù)的原因，得出如下結(jié)論：

（1）此次浮塵天氣持續(xù)期間（4 日凌晨—5 日），主要受東、西兩槽間的緯向氣流控制，京津冀處于氣旋冷鋒南段后的下沉區(qū)，有利于沙塵粒子沉降。但鋒后冷空氣勢力弱，地面近似呈東西高、南北低的鞍型場，京津冀地區(qū)近乎為均壓場，風(fēng)速小或?yàn)殪o風(fēng)。此類高、低空天氣系統(tǒng)的配置有利于浮塵天氣長時間維持。

（2）此次浮塵天氣的沉降過程、邊界層內(nèi)頻繁的大氣湍流活動及中性層結(jié)，由于邊界層內(nèi)大氣的湍流活動旺盛且地面風(fēng)速較小，使得浮塵長時間停留在空中，持續(xù)時間較長。

（3）激光雷達(dá)監(jiān)測結(jié)合后向軌跡模式分析揭示此次京津冀地區(qū)的浮塵是上游地區(qū)沙塵傳輸，不是本地沙塵。消光系數(shù)的空間分布可以監(jiān)測到此次浮塵天氣的傳輸高度基本在2～4 km（以往認(rèn)為6 km左右）。