安陽市沙塵天氣成因及特征性探究

周英濤

（安陽市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，河南 安陽 455000）

0 引言

沙塵天氣是由強風將地面沙塵攜卷到空中，對農(nóng)業(yè)、人類生產(chǎn)生活和生態(tài)系統(tǒng)均造成一定危害，并嚴重影響著環(huán)境空氣質(zhì)量[1]。激光雷達也被廣泛地應用到沙塵天氣分析，并發(fā)現(xiàn)存在沙塵與地面污染混合的現(xiàn)象，沙塵層主要分布高度在1000m～2000m 區(qū)域，氣溶膠最大退偏比為0.34[2]；激光雷達的探測可以精確反映出不同天氣形勢下沙塵氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)和時空變化特征，對遠距離輸送的高空粗粒子沉降有較好的監(jiān)測能力[3]；目前，已有的研究多集中于單一設備對沙塵過程的個例分析，對沙塵天氣傳輸沉降造成的環(huán)境空氣污染分析研究相對較少。

該文以安陽市2021 年1 月10—14 日出現(xiàn)的一次沙塵天氣為例，結(jié)合激光雷達，分析在沙塵天氣過程中的大氣消光系數(shù)、退偏比、邊界層等的變化，探討了沙塵沉降對近地面顆粒物污染物濃度變化的影響，為沙塵天氣的預報預警和環(huán)境空氣質(zhì)量預報等工作提供參考。

1 研究方法

1.1 儀器及方法

該研究所使用的微脈沖偏振激光雷達（Micro Pulse Lidar，MPL）為北京怡孚和融科技有限公司生產(chǎn)的EV－LIDA R型雷達，根據(jù)后向散射原理探測到激光回波信號，可有效的區(qū)分球形顆粒（小水滴、霧滴）與非球形顆粒物（飄塵、沙塵、冰晶）。激光器為二極管泵浦 Nd：YAG，工作波長532nm，單脈沖輸出能量13uJ，脈沖重復頻率2.5kHz，脈沖寬度12ns，接收望遠鏡為同軸式，口徑160mm，探測器為單光子計數(shù)探測器，數(shù)據(jù)采集為光子計數(shù)器，探測距離最大30km，空間分辨率15 m。根據(jù)激光雷達方程使用后向散射算法，在過程中反演出空氣中氣溶膠顆粒物得到它的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)，利用后向散射信號強度在垂直和平行向的分量計算得出氣溶膠顆粒物的退偏比[4]。

1.2 后向軌跡模式（HYSPLIT）

HYSPLIT（HybridSingle Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的混合型單粒子歐拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）擴散模式（Stein et al，2016），用于追蹤氣流攜帶的粒子或移動方向，利用HYS-PLIT 模式分析沙塵天氣的源地和傳輸路徑。

1.3 數(shù)據(jù)來源

該次沙塵過程分析所應用的污染物資料及相關(guān)氣象資料主要來源于中國氣象局、河南省安陽市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心、安陽市氣象局，空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)來源是監(jiān)測中心管理的環(huán)境空氣質(zhì)量國控點自動監(jiān)測數(shù)據(jù)及真氣網(wǎng)中空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)（圖1）；氣象資料主要來源于中國氣象局相關(guān)的空氣數(shù)據(jù)、安陽市氣象局下發(fā)的MICAPS同期高空和地面的實況觀測相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

圖1 2021 年1 月12 日0 時中國北方主要城市PM10 分布圖

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量和天氣形勢變化情況

2021 年1 月10 日開始，來自西北方向的沙塵前鋒到達安陽市上空，受到沙塵傳輸影響直至14 日，安陽市PM2.5與PM10整體濃度呈升高趨勢。10 日凌晨時段至12 日上午時段空氣站PM2.5濃度在35 μg/m3～60 μg/m3，12 日中午時段開始PM2.5濃度開始逐步升高，于14 日11 時達到峰值159ug/m3，PM2.5AQI 分指數(shù)為209，隨后濃度逐步呈下降趨勢（圖2）。10 日凌晨至11 日上午時段空氣站PM10濃度維持在150ug/m3以下，11 日11 時后濃度出現(xiàn)一次小幅升高，隨后濃度下降，12 日凌晨時段開始PM10濃度迅速升高，于下午14 時達到峰值334ug/m3，隨后濃度呈下降趨勢，13 日凌晨時段開始PM10濃度再次迅速升高，峰值達到454ug/m3，PM10AQI 分指數(shù)為343，空氣質(zhì)量達到六級嚴重污染。粗顆粒高值濃度持續(xù)至14日下午時段開始逐步呈下降趨勢。結(jié)合天氣形勢和空氣質(zhì)量變化可知，這次沙塵天氣導致的環(huán)境空氣質(zhì)量惡化過程在安陽地區(qū)可以分為3 個階段：第一個階段是11 日08:00—11日22:00，此時安陽地區(qū)顆粒污染物主要以高空浮塵向近地沉降影響為主；第二個階段是12 日02:00 時—12 日22:00，此時風力加大，粗顆粒物污染以外來傳輸影響為主；第三個階段是13 日01:00—14 日23:00，該時段高空沙塵強度加重，粗顆粒物占比再次升高，對近地影響加強。

圖2 2021 年1 月10 日—14 日安陽市顆粒物濃度變化趨勢圖

2.2 氣溶膠激光雷達的探測分析

通過對氣溶膠激光雷達分析發(fā)現(xiàn)，該次沙塵天氣造成的空氣質(zhì)量惡化主要與高空顆粒物的沉降密切相關(guān)，其中消光系數(shù)（圖3）表明1 月10 日—12 日凌晨時段近地消光值較低，城市PM2.5濃度相對較低，12 日上午時段高空2.5km 左右出現(xiàn)沙塵氣團，對近地影響較小。13 日9 時左右高空沙塵氣團逐漸向近地沉降，空氣站PM2.5濃度呈逐步升高趨勢于14 日中午時段影響達到最大，下午時段氣團向上擴散，擴散高度在800m 左右，本地影響減輕。消光系數(shù)表示氣溶膠粒子通過散射和吸收作用，對某一波段輻射單位面積、單位長度的衰減程度，通常，消光系數(shù)越小，表明細顆粒越少，反之細顆粒越多。

圖3 2021 年1 月10 日至14 日激光雷達反演的消光系數(shù)、退偏圖

圖5 氣流后向軌跡運行圖

由于沙塵氣溶膠具有較高的退偏比，為粗顆粒。而一般氣溶膠、云中的水滴等近乎球形，退偏比較低，因此易于在退偏比圖上將沙塵氣溶膠與其他大氣污染物區(qū)分開，通過退偏比數(shù)據(jù)顯示1 月10 日—11 日凌晨時段高空1km 內(nèi)存在輕微浮塵（圖2），對近地影響相對較小，11 日8 時左右高空2km 內(nèi)出現(xiàn)沙塵源并快速沉降，空氣站PM10濃度出現(xiàn)第一次峰值，16 時—12 日0 時沙塵影響對近地減弱，12 日2 時左右高空沙塵濃度加強，對近地影響加重，空氣站PM10濃度迅速升高達到第二次峰值，沙塵于12 日20 時左右向上擴散，對近地影響減輕。13 日凌晨時段出現(xiàn)第三次沙塵入境并向近地沉降，空氣站PM10濃度再次升高達到第三次峰值，中午時段開始沙塵逐漸向上擴散，對近地影響逐漸減弱，空氣站PM10占比降低。

由激光雷達反演的消光系數(shù)和退偏比廓線分析發(fā)現(xiàn)：該次沙塵天氣的外來輸入性明顯，大量沙塵受氣流以及重力雙沉降到近地層是造成該次環(huán)境大氣污染事件的主要原因。1 月10 日—14 日安陽市本地邊界層高度整體維持在1km 左右，受高空沙塵影響帶來的冷空氣變化影響，邊界層高度出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，沙塵傳輸下沉邊界層下壓至800m 左右，整體擴散條件受冷空氣過境影響較好。沙塵天氣一般都帶來冷空氣影響，對近地面細顆粒存在清潔作用[5]。

2.3 沙塵源地及輸送條件

為深入分析該次沙塵天氣的源地和傳輸路徑，利用HYSPLIT 圖對氣流軌跡進行繁衍，1 月10 日—14 日（圖4），通過后向軌跡表明沙塵傳輸源地主要為西北方位，結(jié)合其他分析資料表明為蒙古西部。通過遠距離輸送使氣流在移動過程中攜帶了大量沙塵顆粒污染物，同時受下沉運動輸送到近地對本地空氣質(zhì)量產(chǎn)生較嚴重的影響，造成PM10成為首要污染物。11 日—12 日氣流表明呈下沉，說明存在氣流沉降影響。同時沙塵也受重力沉降影響。

圖4 2021 年1 月10 日—14 日邊界層高度變化

3 結(jié)論

1）2021 年1 月10 日—14 日的環(huán)境空氣質(zhì)量惡化可分為3 個過程，過程1：11日08:00～22:00，安陽顆粒污染主要以高空浮塵向近地沉降影響為主；過程2：12 日02:00～22:00，冷空氣攜帶粗顆粒物污染沉降影響為主；過程3：13 日01:00—14 日23:00，高空沙塵強度加重，粗顆粒物占比再次升高，對近地面影響加強。

2）激光雷達數(shù)據(jù)表明，這次沙塵過程主要以外來傳輸沉降為主，退偏比較好的說明了高空沙塵的沉降變化，應用退偏比數(shù)據(jù)來判斷 PM10濃度變化的原因。沙塵天氣同時帶來冷空氣會使邊界層維持較高的高度[6]。

3）后向軌跡圖數(shù)據(jù)表明該次沙塵傳輸過程安陽市主要受西北方位（蒙古旋氣流）2km 內(nèi)下沉或平緩氣流影響，沙塵從高空輸入，同時受到氣流下沉與重力沉降的影響，近地面PM10濃度快速升高，成為首要污染物，并達到重度污染。