湖北一次沙塵天氣過程氣象條件研究

趙碧云　湛甜　岳巖?！『螝g

關(guān)鍵詞：沙塵；傳輸指數(shù)；后向軌跡；氣象條件

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

沙塵暴是全球性的重大環(huán)境問題，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量、水資源利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。中國北方是沙塵暴多發(fā)區(qū)，針對(duì)北方沙塵暴天氣過程的研究較多。例如田松妮等通過數(shù)值模擬、遙感技術(shù)和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的手段評(píng)估了沙塵對(duì)中國北方生態(tài)環(huán)境帶來的危害和風(fēng)險(xiǎn)。翟亮等對(duì)北京地區(qū)兩類典型沙塵過程進(jìn)行對(duì)比，探討不同天氣背景下沙塵的動(dòng)力清除機(jī)制。劉洋等采用氣溶膠雷達(dá)數(shù)據(jù)和聚類分析方法對(duì)西北地區(qū)一次典型沙塵過程中氣溶膠垂直分布和來源進(jìn)行了分析。

湖北省離沙源地較遠(yuǎn)，沙塵天氣次數(shù)較少，但一旦遇到合適的氣象條件，北方沙塵遠(yuǎn)距離輸入湖北省時(shí)，也可能造成嚴(yán)重空氣污染。2021年3月14-18日，受蒙古氣旋和地面冷鋒影響，中國遭遇了近10年來最強(qiáng)沙塵暴天氣，此次過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣，14日夜間開始影響中國北方地區(qū)，16-17日沙塵傳輸至湖北省，整個(gè)過程持續(xù)至18日結(jié)束。湖北省有10個(gè)地市出現(xiàn)輕度以上污染，其中位于中北部的十堰、襄陽、隨州、荊門等市部分時(shí)次達(dá)嚴(yán)重污染。文章結(jié)合環(huán)境和氣象觀測(cè)資料，對(duì)此次沙塵天氣過程進(jìn)行分析，為以后沙塵天氣影響評(píng)估和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供一定的參考。

1資料與方法

文章所用氣象觀測(cè)資料來源于各地國家級(jí)氣象觀測(cè)站，氣象要素主要包括水平風(fēng)、降水等；PM₁₀濃度數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站公布的各地環(huán)保國控監(jiān)測(cè)站；用于氣團(tuán)傳輸軌跡計(jì)算的大氣再分析數(shù)據(jù)為NOAA提供的GDAS（Global Data Assimilation System）1°×1°逐3小時(shí)資料。

氣團(tuán)的傳輸軌跡中包含了大量對(duì)污染天氣有指示意義的信息，通過對(duì)傳輸路徑上污染物濃度進(jìn)行積分，可以得到一個(gè)表征污染物傳輸強(qiáng)度的指標(biāo)。基于HYSPLIT模型，以GDAS數(shù)據(jù)作為氣象場(chǎng)進(jìn)行后向軌跡模擬，逐小時(shí)計(jì)算一次研究站點(diǎn)后向氣流軌跡，以此來反映氣團(tuán)的傳輸軌跡，根據(jù)氣流軌跡路徑結(jié)合路徑上的觀測(cè)實(shí)況值計(jì)算出的傳輸指數(shù)，可較為合理的表征傳輸強(qiáng)度。

2結(jié)果與分析

2.1本次沙塵天氣過程特點(diǎn)概述

2021年3月16-17日湖北省發(fā)生了一次大范圍沙塵天氣，本次沙塵天氣具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）波及范圍廣。3月16日上午開始，沙塵經(jīng)河南傳輸至湖北省襄陽和隨州，隨后陸續(xù)傳輸至十堰、荊門、荊州、宜昌、孝感、武漢、鄂州、黃岡等地，湖北省有10個(gè)地市不同程度遭遇沙塵天氣影響。（2）強(qiáng)度為近10年最強(qiáng)。此次過程北方部分地區(qū)達(dá)到強(qiáng)沙塵暴級(jí)別，為近10年來中國出現(xiàn)的最強(qiáng)沙塵天氣過程。北方多地PM₁₀峰值濃度超過5000μg／m³。沙塵傳輸至湖北省時(shí)，PM₁₀濃度仍很高，襄陽、十堰、荊門、隨州、荊州等中北部城市PM_2.5峰值濃度超過600μg／m³，尤其是襄陽16日11時(shí)濃度達(dá)到1096μg／m³。沙塵天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，襄陽、十堰、荊門、荊州、隨州等地PMio達(dá)輕度污染以上分別持續(xù)了39 h、42 h、34 h、33 h和24 h。

此次沙塵傳輸影響過程，主要影響地區(qū)位于湖北省中北部十堰、襄陽、隨州、荊門等，恩施、咸寧、黃石等地市未受到沙塵影響。如圖1所示襄陽在16日08-09時(shí)開始受到沙塵影響，PM₁₀濃度從138μg／m³（08時(shí)）迅速上升至1096μg／m³（11時(shí)），荊門、荊州分別在14時(shí)和17時(shí)受到影響，輸送時(shí)間3～5 h。宜昌由于降水影響，17日03時(shí)才受到沙塵影響。隨州16日12時(shí)PM₁₀濃度升至410μg／m³，孝感、武漢分別于16日17時(shí)、22時(shí)開始受影響，輸送時(shí)間5h左右；到達(dá)武漢后強(qiáng)度明顯減弱，經(jīng)歷10 h后，于17日09時(shí)到達(dá)鄂州和黃岡，影響時(shí)間偏晚，且僅維持了5h。

2.2沙塵天氣過程成因

此次沙塵暴天氣過程發(fā)生前，蒙古國及中國北方地區(qū)氣溫異常偏高、降水偏少，并且處于土壤逐漸解凍期，為沙塵天氣的發(fā)生提供了良好的沙源。3月15日08時(shí)500 hPa、700 hPa和850 hPa三層為一致的低壓中心，槽后有明顯冷平流，500 hPa槽后有40 m/s的大風(fēng)區(qū)，700 hPa槽后有20～30 m/s的大風(fēng)區(qū)。地面氣壓梯度非常強(qiáng)，高低中心氣壓差達(dá)到50 hPa以上（圖略）。蒙古氣旋快速發(fā)展并東移，大風(fēng)卷揚(yáng)起的沙塵隨上升氣流輸送到高空，并在高空和地面偏北大風(fēng)引導(dǎo)下，影響了中國大范圍地區(qū)。15日沙塵隨鋒面影響中國西北地區(qū)中東部、內(nèi)蒙古、華北、東北地區(qū)西部等地。16日沙塵經(jīng)河南南陽盆地輸入湖北省，開始影響湖北北部襄陽市，并隨冷空氣進(jìn)一步南下，逐漸影響湖北荊門、荊州等市；隨州市沙塵則從河南信陽輸入，并南下逐漸輸入到孝感、武漢、鄂州、黃岡。

2.3沙塵傳輸路徑軌跡

地形分布特征形成了湖北省境內(nèi)大氣污染物輸送和遷移通道。丘陵以及平原為大氣污染物的積累提供了有利地形。根據(jù)湖北地形特征以及沙塵出現(xiàn)在各地的順序以及前文天氣形勢(shì)分析，此次沙塵輸送過程在湖北省內(nèi)可劃分為兩個(gè)通道，如圖2所示，中部主通道經(jīng)南陽盆地，進(jìn)入襄陽，到達(dá)荊門、荊州，即位于鄂西山地和大洪山之間形成的通道；東部次要通道經(jīng)過河南信陽進(jìn)入隨州，傳輸?shù)叫⒏?、武漢、鄂州、黃岡，即位于桐柏山和大洪山形成的傳輸通道。沙塵通過這兩個(gè)輸送通道遷移，在湖北省形成嚴(yán)重污染。因本次冷空氣偏北大風(fēng)有偏東分量，故湖北中部一線的輸入強(qiáng)度最大，污染最重。另外也因偏東分量存在，沙塵從南陽盆地輸入進(jìn)鄂西山地的十堰地區(qū)，污染較重；而鄂東地區(qū)相對(duì)較輕。

以此次污染最為嚴(yán)重的襄陽（32.0°N、112.08°E）作為HYSPLIT模型后向軌跡模擬受點(diǎn)，模擬高度500 m，后向模擬時(shí)長(zhǎng)48 h，在15日08時(shí)至19日07時(shí)期間逐小時(shí)模擬。選取襄陽污染最重的第一天白天（即16日08-20時(shí)）軌跡，如圖2所示，各條軌跡路徑比較一致，氣團(tuán)來源清晰，主要是從蒙古國經(jīng)內(nèi)蒙古、華北、河南到達(dá)湖北省，從蒙古國到湖北省傳輸高度均較低，華北平原以南1000 m以下，內(nèi)蒙古以北地區(qū)2000～3000 m，屬地面冷空氣大風(fēng)傳輸。可見后向軌跡能很好的反應(yīng)本次沙塵的傳輸情況。

2.4降水和風(fēng)對(duì)沙塵的影響

16日，位于湖北上游的河南等地PM₁₀濃度仍然較高，湖北省僅西南部和中部地區(qū)有明顯降水，降水對(duì)沙塵的抑制作用需要考慮到其量級(jí)和發(fā)生時(shí)間；中東部地區(qū)16日白天平均風(fēng)速4 m/s以上，沙塵輸入明顯。降水對(duì)PM₁₀濃度的影響主要體現(xiàn)在削峰清除作用，荊門和荊州表現(xiàn)最為顯著，如圖3所示，16日隨著沙塵持續(xù)輸入，荊門荊州PM₁₀逐漸達(dá)到峰值后，上游襄陽還維持較高濃度且偏北風(fēng)仍然持續(xù)，但是此時(shí)降水的削峰清除作用使PM₁₀濃度出現(xiàn)下降，雨強(qiáng)0.2～2.5

mm/h持續(xù)9h，導(dǎo)致PM₁₀下降166～230μg／m³。降水停止后，荊門和荊州的PM₁₀濃度回升至520μg／m³左右。

沙塵隨著風(fēng)向下游擴(kuò)散，但相對(duì)于風(fēng)速的增大，PM₁₀濃度的增長(zhǎng)有一定的滯后性，如圖3所示，各地均表現(xiàn)為風(fēng)速先增大一段時(shí)間后，PM₁₀濃度才開始上升。風(fēng)對(duì)PM₁₀濃度的影響主要體現(xiàn)在輸入和清除兩方面，中部輸送通道的襄陽-荊門-荊州表現(xiàn)最為顯著。在風(fēng)向都是偏北風(fēng)的情況下，三地16日的達(dá)峰時(shí)間分別為：11、17、19時(shí)，因?yàn)榍G州在達(dá)峰期間出現(xiàn)弱降水，使得荊門荊州達(dá)峰時(shí)間較接近，但三地總體呈現(xiàn)和地理位置一致的滯后，17日PM₁₀濃度開始下降時(shí)的清除作用也同樣表現(xiàn)出和地理位置一致的滯后。處于東部輸送通道的隨州一孝感一武漢也有類似表現(xiàn)。另外，宜昌不在中部主輸送通道上，風(fēng)速整體偏小，污染開始發(fā)生時(shí)間偏晚，持續(xù)時(shí)間，強(qiáng)度偏弱；武漢位于東部次要輸送通道偏南地區(qū)，發(fā)生時(shí)間偏晚，持續(xù)時(shí)間短，強(qiáng)度偏弱；十堰在17日風(fēng)速偏低，風(fēng)對(duì)沙塵的清除作用減弱，其污染結(jié)束時(shí)間最晚。

2.5傳輸指數(shù)

將此次過程的后向軌跡以及實(shí)況PM₁₀濃度值帶入式（1）計(jì)算，可得出逐小時(shí)的傳輸指數(shù)。為了使計(jì)算得出的傳輸指數(shù)具有預(yù)報(bào)指示意義，同時(shí)對(duì)比各時(shí)段軌跡計(jì)算出的傳輸指數(shù)效果，將t1-t2分別取后向12～18 h、18～24 h、24～30 h、30～36 h、36～42 h、42～48 h的6種軌跡時(shí)段，即每6h一段。計(jì)算得出的各時(shí)段傳輸指數(shù)T如圖4所示，與PM₁₀實(shí)況相關(guān)系數(shù)分別為0.94、0.92、0.94、0.79、0.49、0.42，總體來說：構(gòu)建的傳輸指數(shù)基本合理，越到臨近時(shí)段越能夠反應(yīng)出輸送對(duì)受點(diǎn)的PM₁₀濃度變化的重要影響，距離開始時(shí)間越近，一致性越好；時(shí)間越長(zhǎng)一致性越差，36～42 h、42～48 h兩個(gè)時(shí)段下降非常明顯，這可能與距離受點(diǎn)時(shí)間較長(zhǎng)距離較遠(yuǎn)有關(guān)，大氣長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離傳輸，傳輸指數(shù)未考慮稀釋、擴(kuò)散、沉降清除等效應(yīng)。另一方面是后向時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，氣團(tuán)軌跡已經(jīng)到達(dá)蒙古國，而PM₁₀實(shí)況數(shù)據(jù)僅有國內(nèi)數(shù)據(jù)，在插值為網(wǎng)格數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)導(dǎo)致境外格點(diǎn)誤差太大，傳輸指數(shù)計(jì)算失真。如中國更南方地區(qū)48 h的軌跡路徑可能都在國內(nèi)，預(yù)報(bào)指示效果將更好。所以在選擇后向軌跡時(shí)段計(jì)算傳輸指數(shù)時(shí)，要綜合考慮預(yù)報(bào)的提前量和軌跡途經(jīng)地實(shí)況數(shù)據(jù)的可獲取性。

本次沙塵過程，源地較遠(yuǎn)，蒙古國PM₁₀實(shí)況數(shù)據(jù)無法獲取，并且中國內(nèi)蒙古地區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少，插值后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，為了能讓傳輸指數(shù)為預(yù)報(bào)提供明確的指示意義，襄陽選擇24～30 h時(shí)段可兼顧預(yù)報(bào)提前量和準(zhǔn)確性，該時(shí)段內(nèi)后向軌跡路徑大致在華北地區(qū)，環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)多，計(jì)算出的傳輸指數(shù)準(zhǔn)確可靠。在實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)，可將數(shù)值模式氣象預(yù)報(bào)場(chǎng)輸入HYSPLIT模型計(jì)算預(yù)測(cè)的氣團(tuán)軌跡路徑，本次過程即能提前24 h較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)沙塵的輸入情況。

3結(jié)論

本次湖北省沙塵天氣受上游輸入影響，源地位于蒙古國，蒙古氣旋發(fā)展東移，在高空和地面偏北大風(fēng)引導(dǎo)下，影響湖北省。本次過程在湖北省內(nèi)可劃分為兩個(gè)輸送通道：中部主通道是襄陽-荊門-荊州一線，東部次要通道是隨州-孝感-武漢一線。此次冷空氣偏北大風(fēng)有偏東分量，故湖北省中部地區(qū)輸入強(qiáng)度最大，污染最重。降水對(duì)沙塵的影響主要體現(xiàn)在削峰清除作用；風(fēng)對(duì)沙塵的影響主要體現(xiàn)在輸入和清除兩方面，并且沙塵隨著風(fēng)向下游擴(kuò)散，相對(duì)于風(fēng)速的增大，PM₁₀濃度的增長(zhǎng)有一定的滯后性。建立的傳輸指數(shù)在本次沙塵過程中表現(xiàn)出較好預(yù)報(bào)指示意義，在以后的傳輸型污染預(yù)報(bào)中，可先進(jìn)行天氣形勢(shì)診斷分析選擇最佳時(shí)段，再應(yīng)用此方法獲得客觀參考依據(jù)。