2010年杭州地區(qū)一次持續(xù)浮塵天氣成因分析

徐柳韻 孟永軍 黃春濤 陸耀輝 章瑩菁

(1.余杭區(qū)氣象局,浙江余杭311100;2.桐廬縣氣象局,浙江桐廬311500)

0 引 言

2010年3月20日前后一股較強(qiáng)冷空氣自北而南襲擊了大半個(gè)中國,并伴隨嚴(yán)重的沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵現(xiàn)象,這次沙塵暴、揚(yáng)沙及浮塵現(xiàn)象強(qiáng)度之強(qiáng),范圍之廣,實(shí)屬罕見。這股冷空氣在21日經(jīng)過杭州地區(qū)時(shí),出現(xiàn)了浮塵天氣現(xiàn)象。浮塵,在中國氣象局的《地面觀測規(guī)范》中[1],定義為：“塵土、細(xì)沙均勻地浮游在空中,使水平能見度小于10.0 km。多為遠(yuǎn)處塵沙經(jīng)上層氣流傳播而來,或?yàn)樯硥m暴、揚(yáng)沙出現(xiàn)后尚未下沉的細(xì)粒浮游空中而成”。我國北方春季強(qiáng)冷空氣活動(dòng)頻繁,地面干燥,土質(zhì)疏松,沙源充足,與之相伴的大風(fēng)極易將地面沙塵卷起形成沙塵暴。因而我國北方是亞洲一個(gè)沙塵暴多發(fā)區(qū),主要在春季發(fā)生。我國學(xué)者針對沙塵暴機(jī)制的研究己有很多,取得了很大的進(jìn)展[2-7],總結(jié)出強(qiáng)風(fēng)、沙源、大氣層結(jié)不穩(wěn)定是沙塵暴發(fā)生的3個(gè)基本條件。楊曉玲等[8]、肖賢俊等[9]、王文等[10]、王勁松[11]等對部分沙塵暴個(gè)例進(jìn)行分析,總結(jié)出了一定的預(yù)報(bào)思路和要點(diǎn)。但對南方地區(qū)浮塵天氣的研究較少。本文利用National Centers for Environmental Prediction及環(huán)境監(jiān)測站大氣成分監(jiān)測資料,針對2010年3月21—22日杭州地區(qū)浮塵天氣過程的成因進(jìn)行分析,以期為今后浮塵天氣的預(yù)報(bào)提供一定的參考。

1 過程實(shí)況分析

1.1 天氣實(shí)況

2010年3月21—22日杭州地區(qū)出現(xiàn)浮塵天氣,定時(shí)觀測水平能見度均在8 km以下,其中21日08時(shí)杭州水平能見度只有2 km。遠(yuǎn)處的景物均呈土黃色,天空中無云,目視太陽呈蒼白色,垂直能見度也很差。到22日20時(shí)觀測時(shí),影響能見度的天氣現(xiàn)象變化不大。22日夜里起出現(xiàn)降雨,浮塵天氣結(jié)束。杭州各測站能見度變化見表1。

1.2 空氣質(zhì)量實(shí)況

本文以桐廬站(杭州地區(qū)中部)資料進(jìn)行分析。圖1是3月18—25日桐廬縣環(huán)境監(jiān)測站空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù),清晰地反映了這次浮塵天氣的空氣污染情況。

圖1 3月18—25日桐廬縣環(huán)境監(jiān)測站空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

表1 杭州地區(qū)各觀測站3月20—23日能見度 km

3月20日以前反映空氣質(zhì)量中PM10的空氣污染指數(shù) API值在100以下,空氣質(zhì)量等級為良。21—22日 PM10的 API分別達(dá)到413～412,達(dá)到重度污染(API≥300為重度污染)程度。23日起明顯下降,但 PM10仍較高,這是22日下午到夜里污染仍較重的貢獻(xiàn)值。而反映汽車尾氣及煤化石燃?xì)獾萐O2,NO2有害氣體的API值變化平穩(wěn),基本維持在50以下,質(zhì)量等級為優(yōu)。

2 浮塵天氣氣候概況

分析桐廬站1959—2009年的資料,以觀測出現(xiàn)一次浮塵天氣現(xiàn)象為一個(gè)浮塵日,在51 a中共出現(xiàn)177個(gè)浮塵日,見圖2、表2。

圖2 桐廬縣1959—2009年各月浮塵日數(shù)分布

表2、圖2可以清楚的反映出各月浮塵日數(shù)的變化情況,其中3—4月是浮塵天氣發(fā)生的主要時(shí)期,占到全年浮塵發(fā)生的52.6%,而6—10月為全年浮塵發(fā)生的低頻時(shí)期,僅占到全年浮塵日數(shù)的6.8%。楊東貞等指出,3,4和5月北方沙塵暴發(fā)生次數(shù)偏高,尤其以4月份沙塵暴發(fā)生次數(shù)為全年最高。5月以后沙塵暴發(fā)生次數(shù)急劇下降,9月和10月為最低[12]。杭州地區(qū)(桐廬代表站)的浮塵發(fā)生的季節(jié)變化和北方沙塵暴發(fā)生的季節(jié)變化基本相同,而對沙塵暴較多較成熟的研究分析也為本文浮塵天氣的客觀成因分析提供一定的參考借鑒作用。

表2 桐廬站各月出現(xiàn)浮塵日數(shù)所占比例 %

3 成因分析

3.1 大氣環(huán)流分析

從地面圖(圖略)上可以看到,3月18—20日在蒙古氣旋帶來的冷空氣自西向東開始影響我國北方地區(qū),引發(fā)了一次大范圍的強(qiáng)沙塵暴過程。到20日下午起冷空氣影響至長江中下游地區(qū),杭州地區(qū)即出現(xiàn)浮塵天氣,浮塵天氣到22日夜里結(jié)束。

對應(yīng)的高空圖上反映了這次冷空氣的移動(dòng)特征。以700 hPa為例(圖3),3月20日08時(shí),高空槽已移至我國東北地區(qū),等溫線和等高線幾乎成90°角,表明冷平流和斜壓性很強(qiáng),系統(tǒng)發(fā)展強(qiáng)烈。但由于槽前以偏西氣流為主,因此地面基本無雨區(qū)配合,為干冷空氣過程。杭州地區(qū)仍在西南氣流的控制下,回溫較明顯,至20時(shí)高空槽過境冷空氣影響杭州地區(qū),并繼續(xù)東移南壓,上游地區(qū)大風(fēng)、沙塵天氣所產(chǎn)生的沙塵粒子隨西北氣流向下游輸送,并開始影響到地面;21—22日在高壓脊控制下,天氣穩(wěn)定,浮塵天氣維持。3月23日另一股冷空氣配合高空槽,在杭州地區(qū)出現(xiàn)明顯降水,浮塵天氣結(jié)束。

圖3 3月20日08時(shí)700 hPa高空圖

3.2 物理量診斷分析

3.2.1 風(fēng)場和垂直速度特征分析

大范圍的沙塵暴天氣一般與200 hPa高空的西風(fēng)急流相伴出現(xiàn)[13]。高空急流的動(dòng)量下傳對低層風(fēng)速的加大作用也是不容忽視的一個(gè)重要因素[14],而高空急流的存在是動(dòng)量下傳產(chǎn)生沙塵暴的必要條件。本文以120°E,30°N的格點(diǎn)資料分析高空風(fēng)場的分布情況,圖4為該點(diǎn)單站高空風(fēng)場的時(shí)間剖面圖。

從圖4中發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)站上空200 hPa附近一直維持一個(gè)高空西風(fēng)急流,極大風(fēng)速出現(xiàn)在20日08時(shí),達(dá)72 m/s。低層已從偏南風(fēng)向偏西風(fēng)順轉(zhuǎn),14時(shí)前后已轉(zhuǎn)為西北風(fēng),這表明冷空氣已從低層逐漸侵入,杭州地區(qū)天氣出現(xiàn)變化,云量明顯增多,下了零星小雨,垂直能見度和水平能見度己開始明顯變差,觀測員根據(jù)相對濕度判別標(biāo)準(zhǔn),將這天的低能見度天氣記錄為霾(∞)。

當(dāng)日20時(shí)高空的西風(fēng)急流加強(qiáng)且開始下傳,在500 hPa附近還出現(xiàn)了34 m/s的急流,同時(shí)高空的風(fēng)速垂直切變也開始下傳,20時(shí)該點(diǎn)上空除了200～300 hPa仍然維持強(qiáng)風(fēng)速垂直切變(42 m/s),在500～850 hPa也出現(xiàn)了24 m/s的風(fēng)速垂直切變;當(dāng)天,1000 hPa,925 hPa和850 hPa繼續(xù)維持西北風(fēng),700 hPa風(fēng)向也從20日14時(shí)西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng),說明高空淺槽過境,風(fēng)速明顯增強(qiáng),冷空氣繼續(xù)東移侵入且開始明顯南壓。

從20日20時(shí)的垂直速度圖5中也可發(fā)現(xiàn),我國華北等地存在著一支下沉氣流,這和上面風(fēng)速的垂直分布情況是相同的。隨著動(dòng)量的下傳,近地925 hPa和1000 hPa的風(fēng)速達(dá)到12 m/s,上游隨西北氣流輸送來的大量沙礫也隨之下傳至近地面,杭州地區(qū)開始出現(xiàn)歷史罕見的浮塵天氣。

圖4 120°E,30°N處風(fēng)場的時(shí)間剖面圖

圖5 20日20時(shí)垂直速度分布圖(單位：Pa/s)

從圖4中分析發(fā)現(xiàn),21—22日近地層風(fēng)速變化明顯,從減小再增大,而且風(fēng)向也快速轉(zhuǎn)變,從偏北-東北-東南,地面圖上表征為一個(gè)較穩(wěn)定小高壓的底后部。這表明浮塵天氣出現(xiàn)后,風(fēng)向的快速轉(zhuǎn)變,較濕的偏東氣流阻滯,使得沙塵難以擴(kuò)散。同時(shí)從22日08時(shí)的垂直速度圖6中也可發(fā)現(xiàn),杭州地區(qū)近地層存在著弱的上升氣流,湍流作用使得沙塵粒子不易沉降,浮塵天氣維持。至23日另一股冷空氣配合地面明顯降雨,浮塵天氣結(jié)束。

圖6 22日08時(shí)垂直速度分布圖(單位：Pa/s)

3.2.2 干冷空氣分析

楊曉玲等[8]分析指出,強(qiáng)冷空氣的卷入為沙塵暴的發(fā)展提供了動(dòng)力條件;林良根等[15]分析表明,強(qiáng)沙塵暴過程中有明顯的干空氣侵入。此次沙塵暴過程,干冷空氣同樣起著非常重要的作用。從700 hPa風(fēng)場和溫度分布來看(圖略),3月20日08時(shí),華北地區(qū)有一明顯的冷渦存在,杭州地區(qū)處于冷渦底部,有弱的冷平流。同時(shí)從700 hPa比濕圖(圖7)上發(fā)現(xiàn),內(nèi)蒙至華北、東北有一明顯的干區(qū),向長江中下游延伸。因此干冷空氣的影響,也是導(dǎo)致長江中下游地區(qū)浮塵天氣爆發(fā)的重要因素。

4 結(jié) 語

4.1 “3·21”浮塵天氣發(fā)生時(shí),空氣為重度污染,吸入顆粒物的濃度達(dá)到罕見的高值區(qū),說明空氣污染主要來自沙塵,3月21—22日出現(xiàn)浮塵天氣時(shí)杭州地區(qū)定時(shí)觀測水平能見度均在8 km以下。

圖7 20日700 hPa比濕圖(單位：kg/kg)

4.2 杭州地區(qū)3—4月是浮塵天氣發(fā)生的主要時(shí)期,這和北方沙塵暴發(fā)生的季節(jié)變化相同,對浮塵天氣的成因分析可以提供一定的分析研究參考。

4.3 “3·21”浮塵天氣源自北方蒙古的沙塵暴,并隨著強(qiáng)干冷空氣自西向東、后自北向南先后影響到我國西北、華北、東北至華東北部地區(qū)、長江中下游等地區(qū),3月20日白天當(dāng)700 hPa高空槽過境、干冷空氣侵入且配合下沉運(yùn)動(dòng)時(shí),上游地區(qū)大量沙礫被輸送并下傳至近地面,杭州地區(qū)“浮塵”天氣爆發(fā)。

4.4 診斷分析表明,“浮塵”天氣爆發(fā)后,在高壓系統(tǒng)控制下,近地面風(fēng)向的迅速變化,較濕的偏東氣流阻滯及弱的湍流作用,使得沙塵粒子難以擴(kuò)散、不易沉降,21—22日浮塵天氣維持。3月23日另一股冷空氣配合高空槽,在杭州地區(qū)出現(xiàn)明顯降水,浮塵天氣結(jié)束。

[1] 中國氣象局.地而氣象觀測規(guī)范一[M].北京：氣象出版社 ,2004：23.

[2] 胡隱樵,光田宇.強(qiáng)沙塵暴發(fā)展與干颮線——黑風(fēng)暴形成的一個(gè)機(jī)理分析[J].高原氣象,1996,15(2)：178-185.

[3] 項(xiàng)續(xù)康,江吉喜.西北地區(qū)強(qiáng)沙塵暴成因的中尺度分析[J].高原氣象 ,1996,15(4)：448-455.

[4] 胡隱樵,光田宇.強(qiáng)沙塵暴微氣象特征和局地觸發(fā)機(jī)制[J].大氣科學(xué) ,1997,21(5)：581-589.

[5] 江吉喜.一次特大沙塵暴成因的衛(wèi)星云圖分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1995,6(2)：177-184.

[6] 王世功,董光榮,陳惠忠,等.沙塵暴研究的進(jìn)展[J].中國沙漠 ,2000,20(4) ：349-350.

[7] 李耀輝.近年來我國沙塵暴研究的新進(jìn)展[J].中國沙漠,2004,24(5)：616-622.

[8] 楊曉玲,丁文魁,錢 莉,等.一次區(qū)域性大風(fēng)沙塵暴天氣成因分析[J].中國沙漠,2005,25(5)：702-705.

[9] 肖賢俊,劉還珠,宋振鑫,等.2002年3月19日沙塵暴爆發(fā)條件分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2004,15(1)：1-9.

[10] 王 文,隆霄,李耀輝,等.“2003.3”強(qiáng)沙塵暴過程的中尺度動(dòng)力學(xué)診斷分析[J].干旱氣象,2004,22(3)：17-21.

[11] 王勁松 ,李耀輝 ,康鳳琴 ,等.“4·12”沙塵暴天氣的數(shù)值模擬及診斷分析[J].高原氣象,2004,23(1)：89-96.

[12] 楊東貞,房秀梅,李興生.我國北方沙塵暴變化趨勢的分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2002,13(2)：193-200.

[13] 程海霞,丁治英,帥克杰.近5a我國沙塵暴與高空急流關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析[J].中國沙漠,2005,5(6)：890-896.

[14] 尹樹新,趙亞賢.西風(fēng)急流異變對“5.5”西北地區(qū)沙塵暴的影響//方宗義,朱?？?江吉喜,等.中國沙塵暴研究[C].北京：氣象出版社,1997：65-69.

[15] 林良根,壽紹文,沈之林.一次強(qiáng)沙塵暴過程中干空氣侵入的數(shù)值模擬和診斷分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2006,29(3)：371-378.