喀什地區(qū)浮塵天氣特征及一次重污染天氣成因分析

熱孜瓦古·孜比布拉，阿依謝姆古麗·孜比不拉，胡素琴，瑪依熱·艾海提，楊 鴻

（1.喀什地區(qū)氣象局，新疆 喀什 844000；2.克州氣象局，新疆 阿圖什 845350）

喀什地區(qū)位于我國西部邊陲，三面環(huán)山，北有天山，南有昆侖山，西有帕米爾高原，海拔均在3 km以上，東部則為塔克拉瑪干沙漠，地形復(fù)雜，植被覆蓋率低，生態(tài)脆弱。平原地區(qū)年平均降水量在56.5～82.1 mm，具有豐富的沙源。春、秋季冷空氣活動頻繁，強冷空氣從新疆東部進入塔里木盆地，在盆地東部產(chǎn)生偏東大風(fēng)，卷起塔克拉瑪干沙漠及戈壁沙塵西進，為沙塵天氣提供豐富的沙源，沙塵天氣發(fā)生頻率高。近年來，為打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，改善空氣質(zhì)量，保障人民群眾身體健康，為更好地滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要，實現(xiàn)全面建成小康社會的生態(tài)環(huán)境目標，研究喀什地區(qū)浮塵天氣特征及造成的重污染天氣成因顯得尤為重要。

近年來，學(xué)術(shù)界在風(fēng)沙天氣研究方面做了比較多的工作。劉華悅等[1]利用塔克拉瑪干地區(qū)風(fēng)速廓線分析了低空急流及其季節(jié)變化特征，從最大風(fēng)速發(fā)生高度、逆溫以及風(fēng)切變3個方面給出了低空急流的具體判定條件，并指出低空急流對暴雨發(fā)生、污染物的擴散、沙塵天氣具有重要的影響。王金輝等[2]對南疆西部克州春季的一次強風(fēng)沙天氣進行了分析，認為高空低壓槽和強鋒區(qū)是其主要的影響系統(tǒng)。楊蓮梅等[3]也對南疆盆地大風(fēng)造成沙塵暴的環(huán)流動力結(jié)構(gòu)進行了分析，認為西伯利亞冷高壓爆發(fā)性南下并強烈發(fā)展，氣壓梯度和變壓梯度使冷空氣加速，西風(fēng)急流動量下傳是導(dǎo)致地面大風(fēng)的主要因素。雖然浮塵天氣帶來的破壞性較小，但浮塵中沙塵氣溶膠對大氣環(huán)境有顯著影響[4]，嚴重影響人民群眾的生產(chǎn)生活。針對浮塵天氣，近年來的研究指出，穩(wěn)定的大氣層結(jié)是決定沙塵顆粒沉降的一個重要因素[5-7]。當高空出現(xiàn)逆溫層時，會阻礙空氣的對流活動，進而使逆溫層像蓋子一樣抑制污染物的輸送。逆溫層的存在對大氣污染有很大的影響[8-11]。李朝輝等[12]對包頭市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，逆溫直接影響PM10及其他大氣污染物的擴散。

沙塵暴、大風(fēng)是喀什地區(qū)春季嚴重的災(zāi)害性天氣之一，由于破壞性強，對其成因及日常業(yè)務(wù)預(yù)報等研究成果頗多[13-15]，而對春季大范圍的浮塵天氣過程分析較少。2019年3月19—25日，受東灌冷空氣的影響，南疆西部出現(xiàn)了一次大范圍的沙塵天氣，此次天氣影響范圍廣，持續(xù)時間長，天氣強度強。因此，本文分析喀什地區(qū)浮塵的年際變化特征，并針對一次浮塵天氣個例（2019年3月19—25日）分析造成此次強浮塵天氣的氣候背景和大氣環(huán)流形勢演變、熱力和動力條件，以及氣溫、相對濕度等主要氣象要素跟污染物濃度的相關(guān)關(guān)系，對以后工作中浮塵天氣預(yù)報提供一定的參考依據(jù)。

1 資料和方法

選取1961—2018年，喀什地區(qū)平原9個氣象臺站近60 a浮塵觀測資料，利用氣候趨勢分析、MK檢驗等方法對喀什地區(qū)的浮塵日數(shù)進行氣候統(tǒng)計分析。

利用2019年3月19日08時—25日20時，NCEP/NCAR逐日4次1.0°（1.0°網(wǎng)格再分析資料，地面、高空常規(guī)觀測資料，以及喀什地區(qū)3個環(huán)境監(jiān)測站提供相關(guān)空氣質(zhì)量逐小時監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，分析強浮塵天氣成因及物理量的變化。

2 浮塵天氣時空變化特征

2.1 浮塵日數(shù)年際變化

根據(jù)1961—2018年喀什地區(qū)年平均沙塵日數(shù)統(tǒng)計分析，年平均沙塵日數(shù)為108 d，浮塵日數(shù)占總沙塵日數(shù)的71%。從喀什地區(qū)1961—2018年多年平均浮塵日數(shù)空間分布來看，年平均浮塵日數(shù)為56～120 d，其中莎車縣年平均浮塵日數(shù)最多，為120 d，伽師縣平均浮塵日數(shù)最少（圖1a）。利用1961—2018年9個氣象臺站近60 a浮塵觀測資料進行趨勢分析發(fā)現(xiàn)，喀什地區(qū)年平均浮塵日數(shù)為71 d，最多浮塵日數(shù)為124 d，出現(xiàn)在1979年，最少浮塵日數(shù)為35 d，出現(xiàn)在2011年。浮塵日數(shù)總體呈減少趨勢，線性趨勢傾向率為8.8 d/10 a，并通過0.05顯著性水平檢驗，浮塵日數(shù)減少趨勢明顯（圖1b）。浮塵日數(shù)在1985年以前呈增多趨勢，線性趨勢傾向率為5.5 d/10 a，但未通過0.05的顯著性檢驗，增多趨勢不是很明顯。1985年以后呈減少趨勢，線性趨勢傾向率為10.6 d/10 a，通過顯著性檢驗。

2.2 浮塵日數(shù)突變分析

通過喀什地區(qū)1961—2018年浮塵日數(shù)M-K突變檢驗結(jié)果顯示（圖2），UF曲線在1986年以后呈下降趨勢，在0.05顯著性水平下，UF曲線在1996年超過±1.96信度線，UF曲線和UB曲線相較于1997年，說明喀什地區(qū)浮塵日數(shù)在1997年開始由多到少的突變。

3 個例分析

受強冷空氣入侵的影響，2019年3月19日夜間至20日，喀什平原自東向西出現(xiàn)濃浮塵，同時大部分地區(qū)出現(xiàn)短時沙塵暴，偏東局地出現(xiàn)偏東大風(fēng)，能見度為145～475 m，喀什市最小能見度為232 m。21—23日各地維持濃浮塵天氣，24日浮塵趨于減弱。此次浮塵時2019年南疆西部入春以來影響范圍廣、強度強的一次重度污染天氣過程。以下針對這次浮塵天氣個例進行深入分析。

圖1 喀什地區(qū)1961—2018年浮塵日數(shù)空間變化（a）和年際變化趨勢（b，單位：d）

圖2 喀什地區(qū)1961—2018年浮塵日數(shù)Mann-Kendall突變

3.1 空氣質(zhì)量概況

從喀什地區(qū)環(huán)境監(jiān)測站提供監(jiān)測資料來看（表1），2019年3月20日出現(xiàn)浮塵天氣后氣溶膠質(zhì)量濃度迅速飆升，20日08—09時PM10濃度值從135 μg/m3上升到942 μg/m3，PM2.5濃度值從40 μg/m3上升到752 μg/m3，21—24日空氣污染指數(shù)AQI指達500，空氣質(zhì)量級別為Ⅵ級屬嚴重污染，PM2.5和PM10在21日、22日達到峰值，分別為494 μg/m3、1 175 μg/m3，直到26日隨著浮塵天氣的結(jié)束AQI指數(shù)下降到96，氣溶膠濃度逐漸降低。

表1 2019年3月19—25日喀什地區(qū)空氣質(zhì)量日均值 μg/m3

3.2 高低空環(huán)流形勢演變

前期3月17日20時，500 hPa高空圖上歐亞范圍呈兩脊兩槽的經(jīng)向型環(huán)流，烏拉爾山至巴湖一帶為高壓脊，貝加爾湖至西西伯利亞地區(qū)為橫槽，溫度場配合有-36 ℃冷中心，冷舌落后于高空槽，且槽底等溫線密集，系統(tǒng)斜壓性強，新疆處于橫槽底部偏西氣流控制。隨著烏拉爾山高壓脊東移并向東北伸展，與巴爾喀什湖脊同位相疊加，脊前引導(dǎo)冷空氣匯入槽區(qū)，橫槽南壓，18日20時，強鋒區(qū)進入新疆中東部，北疆上空偏西風(fēng)快速增大，南疆西部地區(qū)為深厚暖脊控制，19日20時巴湖脊進一步發(fā)展并穩(wěn)定維持，低槽強鋒區(qū)穩(wěn)定維持在東疆，冷空氣在東疆堆積并不斷灌入南疆盆地，850 hPa高空圖上南疆盆地高度場呈西高東低分布，位勢梯度密集區(qū)位于巴州一帶，南疆盆地東部出現(xiàn)偏東急流，最大風(fēng)速達22 m/s。由于巴爾喀什湖高壓脊的穩(wěn)定維持，引導(dǎo)冷空氣不斷補充低槽，東疆低槽長時間維持，直至23日20時低槽減弱東移，全疆大部受淺脊控制，隨著南疆西部國境線一小短波擾動，850 hPa喀什地區(qū)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，浮塵天氣趨于減弱，能見度逐漸轉(zhuǎn)好（圖3a，3b）。

從地面天氣圖來看（圖3c），此次天氣冷高移動路徑為西北路徑，19日08時地面冷高移到巴爾喀什湖以北，中心強度為1 037.5 hPa，南疆盆地受熱力低壓控制，受天山地形阻擋，高壓地區(qū)海平面氣壓梯度密集，南北氣壓差達35 hPa。20日08時冷高壓中心移至蒙古高原并加強至1 040 hPa，南疆盆地東部呈現(xiàn)西北東南走向的等壓線密集區(qū)，隨著冷空氣的灌入南疆盆地，喀什地區(qū)快速加壓，3 h變壓達+4 hPa，在強氣壓梯度和變壓梯度作用南疆盆地出現(xiàn)強西北風(fēng)，最小能見度降到200 m，近地層強烈持續(xù)偏東風(fēng)的作用下將塔克拉瑪干沙漠的沙塵輸送到南疆西部。因南疆盆地地勢西高東低，西部帕米爾高原平均海拔在3 km以上，浮塵受帕米爾高原阻擋在喀什地區(qū)停滯，由于21—24日蒙古冷高壓穩(wěn)定控制，并不斷分裂冷空氣灌入南疆盆地，進一步增強了浮塵的維持時間，25日冷高壓減弱地面減壓，浮塵天氣趨于減弱。

3.3 熱力條件分析

溫度場來看（圖4），19日20時喀什地區(qū)處于16 ℃暖脊控制，此時850 hPa溫度T850與500 hPa溫度T500溫差在36 ℃左右，上冷下暖，冷暖交匯，有利于產(chǎn)生熱力不穩(wěn)定層結(jié)。隨著冷空氣入侵，20日08時850 hPa零度線壓在沿天山一帶，喀什地區(qū)氣溫驟降處于8 ℃線控制，并且一直到24日08時喀什地區(qū)維持在8 ℃，不利于污染物的擴散。

通過此次浮塵天氣過程期間的喀什站的探空曲線，發(fā)現(xiàn)對流有效位能均為負值，整層大氣十分穩(wěn)定，對流和湍流運動受到限制。浮塵天氣開始前期16日08時開始喀什近地面層有較淺薄逆溫層，20日08時出現(xiàn)雙層逆溫，近地面逆溫層和700 hPa附近逆溫層，23日08時又出現(xiàn)雙層逆溫，此時上面逆溫層頂達到600 hPa，逆溫層的抬升阻擋了低層空氣的上升運動，使低層沙塵污染物聚集在低空，從而使浮塵天氣得以持續(xù)。

圖3 2019年3月19日08時500 hPa位勢高度場（單位：gpm）和風(fēng)場（單位：m/s）（a）、20日08時850 hPa位勢高度場（單位：gpm）和風(fēng)場（單位：m/s）（b）以及19日08時地面海平面氣壓場（單位：hPa）（c）

圖4 2019年3月19日20時500 hPa（a）、850 hPa（b）溫度平流（單位：℃）

3.4 動力條件分析

3.4.1高低空風(fēng)場分析

喀什地區(qū)地勢西高東低，東臨塔克拉瑪干大沙漠，平原平均海拔高度在1 200 m左右，低層700～850 hPa偏東風(fēng)對傳輸沙塵起主要作用。此次浮塵天氣期間19—25日高層以西風(fēng)帶偏西氣流為主，850 hPa風(fēng)場上19日08時盆地東部出現(xiàn)14 m/s東風(fēng)，此時喀什地區(qū)為弱西北風(fēng)，到24時盆地中部風(fēng)速達到20 m/s，20日08時喀什地區(qū)偏東風(fēng)風(fēng)速達10 m/s，此時700 hPa上喀什偏東風(fēng)風(fēng)速達12 m/s。21—23日南疆盆地維持弱偏東風(fēng)，喀什地區(qū)維持濃浮塵天氣，24日20時喀什地區(qū)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，浮塵趨于減弱。

3.4.2散度及垂直速度

沿39°N對2019年3月20日08時散度和垂直速度做垂直剖面如圖5a。08時喀什地區(qū)（75°～80°E）800 hPa以下低層至近地面有-50×10-5s-1輻散區(qū)，高層為弱輻合區(qū)，20日20時—22日20時低層維持為弱輻散區(qū)，23日08時喀什地區(qū)低層為-30×10-5s-1輻散區(qū)（圖5a）。由圖5b可以看出，20日08時75°E（喀什市）附近存在明顯的動量下傳，400～500 hPa的垂直速度大值中心為20×10-2hPa/s，喀什地區(qū)處于下沉運動區(qū)，結(jié)合風(fēng)場來看，低層850 hPa為8 m/s將沙塵源源不斷地輸送到喀什。

3.5 相關(guān)性分析

由喀什地區(qū)環(huán)境監(jiān)測站提供的喀什市3個站氣溶膠濃度監(jiān)測資料來看，喀什市主要污染物為PM10和PM2.5，因此選取PM10濃度和PM2.5濃度與喀什市氣溫、相對濕度、本站氣壓和2 min風(fēng)速，采用相關(guān)性分析方法分析本次污染過程前后氣象要素與大氣污染物濃度間的相關(guān)關(guān)系（圖6）。結(jié)果可以得出，氣溫與PM10濃度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.494，通過了0.01的顯著性檢驗，氣溫跟PM2.5濃度相關(guān)性不是很明顯。本站氣壓與PM10濃度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.762，通過濃度0.01顯著性檢驗，氣壓與PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)為0.507，通過濃度0.05顯著性檢驗。相對濕度跟PM10濃度和PM2.5濃度呈正相關(guān)，相關(guān)性均通過0.05顯著性檢驗。2 min風(fēng)速跟PM10濃度相關(guān)性不是很明顯，與PM2.5濃度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.532，通過0.01顯著性檢驗。表明在大氣污染過程中氣象因子對大氣環(huán)境的影響十分明顯。

4 結(jié)論

圖5 2019年3月20日08時沿39°N散度（a）和垂直速度（b）剖面

圖6 喀什市本站氣壓（a）、2 min風(fēng)速（b）與PM10、PM2.5濃度相關(guān)

（1）喀什平原地區(qū)年平均浮塵日數(shù)為55～129 d，浮塵日數(shù)占總沙塵日數(shù)的71%。喀什地區(qū)年平均浮塵日數(shù)為71 d，浮塵日數(shù)總體呈減少趨勢，并通過了0.05顯著性檢驗，浮塵日數(shù)減少趨勢明顯。喀什地區(qū)浮塵日數(shù)在1997年開始由多到少的突變。

（2）一次個例分析顯示，烏拉爾山高壓脊的發(fā)展使得貝加爾湖低槽南壓，橫槽轉(zhuǎn)豎過程中自西向東快速橫掃整個新疆，新疆東部回流東灌造成2019年春季南疆西部的沙塵天氣。此次天氣影響范圍廣，濃浮塵持續(xù)時間長，空氣污染嚴重。

（3）從熱力條件來看，喀什地區(qū)2019年入冬以來平均氣溫較歷年偏高，干燥少雨。強冷空氣入侵后垂直方向上上冷下暖，冷暖交匯，有利于產(chǎn)生熱力不穩(wěn)定層結(jié)。另外加上近地面層有逆溫層不利于污染物的擴散下沉，有利于濃浮塵維持時間長。

（4）從動力條件來看，低層強偏東急流將沙塵輸送到喀什地區(qū)，400 hPa以下存在明顯的動量下傳，最強下沉運動垂直速度為20×10-2hPa/s，喀什地區(qū)低層為輻散區(qū)。氣象條件均有利于浮塵天氣形成并維持。

（5）由浮塵天氣前后主要氣象因子與污染物濃度做相關(guān)性分析可以看出，本站氣壓與PM10和PM2.5濃度正相關(guān)性顯著，氣溫與PM10濃度負相關(guān)性顯著，相對濕度與PM10濃度和PM2.5濃度呈顯著正相關(guān)。