基于多源資料的西北地區(qū)一次沙塵暴天氣過(guò)程綜合分析

王莉娜,楊麗麗,?,楊燕萍,,王靜,陶會(huì)杰,閉建榮

(1 甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,甘肅 蘭州 730020;2 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3 無(wú)錫中科光電技術(shù)有限公司,江蘇 無(wú)錫 214135)

0 引言

沙塵氣溶膠一方面通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射以及紅外輻射影響地氣系統(tǒng)的能量收支[1],另一方面,作為云凝結(jié)核影響著云的微物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,最終影響著地氣系統(tǒng)的水文循環(huán)[2?4]。沙塵氣溶膠在一定的環(huán)流背景下可進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送,有研究表明東亞沙塵源區(qū)的沙塵粒子可傳輸至太平洋甚至北美沿岸[5]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告[6]明確指出,由于氣溶膠時(shí)空分布特征觀測(cè)數(shù)據(jù)的嚴(yán)重缺乏,導(dǎo)致當(dāng)前氣候模式模擬氣溶膠的總輻射強(qiáng)迫值仍然存在極大的不確定性。因此研究沙塵氣溶膠時(shí)空分布結(jié)構(gòu)對(duì)區(qū)域及全球大氣和生態(tài)環(huán)境都有重要的意義[7,8]。

甘肅省地形呈狹長(zhǎng)狀,東西長(zhǎng)1659 km,南北寬530 km,地域遼闊,地貌復(fù)雜多樣,各地氣候類(lèi)型多樣,河西走廊一帶深居西北內(nèi)陸,海洋暖濕氣流不易到達(dá),成雨機(jī)會(huì)少,烏鞘嶺以西降水明顯減少,大部分地區(qū)氣候干燥,植被稀疏,且由于北鄰巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠,容易受沙塵天氣影響,研究表明,甘肅省重污染天氣主要來(lái)源于沙塵天氣[9]。據(jù)《甘肅省環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì),2016 年甘肅省共發(fā)生沙塵天氣53 次;2017 年甘肅省共發(fā)生沙塵天氣39 次,全省各市州累計(jì)受沙塵天氣影響天數(shù)達(dá)366 天;2018 年全省各市州累計(jì)受沙塵天氣影響天數(shù)達(dá)642 天[10]。

傳統(tǒng)的氣象觀測(cè)及衛(wèi)星被動(dòng)遙感監(jiān)測(cè),雖然可以較好地描述氣溶膠在水平方向上的分布及傳輸特征,但是無(wú)法獲取垂直方向上氣溶膠的分布特征,導(dǎo)致現(xiàn)有的天氣氣候模型對(duì)于評(píng)估氣溶膠垂直加熱率具有較大的不確定性[11]。激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)式大氣遙感探測(cè)設(shè)備[12],可以獲得氣溶膠空間分布和垂直演變特征,還可以對(duì)遠(yuǎn)距離輸送的氣溶膠進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠較廣范圍、高時(shí)空分辨率、高探測(cè)精度的立體監(jiān)測(cè)[13?15]。我國(guó)首套激光雷達(dá)由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所于1965 年研制成功,中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所于1991 年成功研制出我國(guó)第一臺(tái)用于探測(cè)大氣氣溶膠的激光雷達(dá),并且隨后不斷改進(jìn)其性能[16?18],實(shí)現(xiàn)大氣氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的探測(cè)和研究。2006 年,裝載云-氣溶膠激光雷達(dá)的CALIPSO(Cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite observations)衛(wèi)星成功發(fā)射,可識(shí)別沙塵、氣溶膠、煙塵、卷云等[19,20]。

目前大多研究都基于單個(gè)站點(diǎn)激光雷達(dá)探測(cè),雖然可以對(duì)某一觀測(cè)站點(diǎn)提供較好的氣溶膠垂直分布特征,但是不能很好地刻畫(huà)氣溶膠的區(qū)域傳輸分布。為了研究京津冀地區(qū)顆粒物污染特征及污染傳輸,我國(guó)京津冀地區(qū)分別于2014–2017 年、2017–2020 年建設(shè)了第一代和第二代激光雷達(dá)立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)[21?23],隨著對(duì)大氣環(huán)境立體組網(wǎng)的迫切需求,甘肅省于2018–2020 年建設(shè)了沙塵立體監(jiān)測(cè)網(wǎng),首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)西北地區(qū)顆粒物特征及傳輸?shù)难芯?尤其對(duì)于沙塵過(guò)程引起的重污染天氣的研究。

本文以2019 年3 月26–28 日發(fā)生在甘肅省的一次沙塵暴過(guò)程為例,通過(guò)氣象條件分析起沙原因,并利用武威市、白銀市、定西市的三臺(tái)雙通道偏振激光雷達(dá)觀測(cè)資料,結(jié)合風(fēng)場(chǎng)、HYSPLIT(Hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory model)后向軌跡分析沙塵來(lái)源及傳輸路徑,全面探究了此次沙塵天氣的發(fā)生發(fā)展以及區(qū)域傳輸分布和垂直結(jié)構(gòu)分布。

1 資料與方法

1.1 雙通道偏振激光雷達(dá)

雙通道偏振激光雷達(dá)發(fā)射的一束激光在大氣中傳播時(shí),一部分能量被大氣氣溶膠通過(guò)后向散射沿原路徑返回,被激光雷達(dá)接收系統(tǒng)接收,依此獲取氣溶膠時(shí)空分布特征。米散射激光雷達(dá)方程[13]可表示為

式中:X(z)是距離訂正后的回波信號(hào),P(z)是高度z處雷達(dá)接收到的氣溶膠后向散射回波信號(hào),E是激光雷達(dá)的發(fā)射功率,C是雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù),β(z)是高度z處大氣后向散射系數(shù),σ(z)是高度z處大氣總消光系數(shù)。

求解消光系數(shù)σ(z)常用的反演方法有Collis 法、Klett 法和Fernald 法[24],各反演方法均存在一定的誤差,但相對(duì)而言Fernald 法反演消光系數(shù)更加成熟穩(wěn)定,且反演誤差最小[25]。Fernald 法假設(shè)粒子散射系數(shù)與消光系數(shù)成正比[26,27],即

式中:S為大氣氣溶膠消光后向散射比,其依賴于入射的激光波長(zhǎng)及大氣中氣溶膠特征,S取值50,空氣分子的消光后向散射比取值8π/3。

求解退偏振比δ(r)的計(jì)算公式為

式中:Pr,s(r)和Pr,p(r)分別為激光雷達(dá)接收到的距離r處氣溶膠后向散射平行分量和垂直分量的回波功率,ks和kp分別是接收平行分量和垂直分量通道的雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù),兩個(gè)通道的增益常數(shù)比k=kp/ks。由此可見(jiàn),偏振激光雷達(dá)探測(cè)大氣中非球形粒子時(shí)獲得的大氣退偏振比主要來(lái)自非球形粒子的貢獻(xiàn)。

本工作的觀測(cè)資料來(lái)源于武威市理工中專(zhuān)站(102.65?E,37.91?N)、白銀市市實(shí)驗(yàn)中學(xué)站(104.13?E,36.54?N)、定西市市環(huán)保局站(104.62?E,35.57?N)的AGHJ-I-LIDAR 型雙通道偏振激光雷達(dá),該型激光雷達(dá)的主要性能技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 AGHJ-I-LIDAR 型激光雷達(dá)主要性能指標(biāo)Table 1 Main specification of AGHJ-I-LIDAR

1.2 HYSPLIT 軌跡模型

HYSPLIT 模式是由NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) 的ARL (Air Resources Laboratory)和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種計(jì)算和分析大氣污染物的輸送、擴(kuò)散軌跡和沉降的專(zhuān)業(yè)模型,該模型被廣泛應(yīng)用于多種污染物在不同地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散研究中[28?30]。

1.3 NCEP 全球再分析資料

為進(jìn)一步了解此次沙塵天氣起沙原因,利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)全球再分析數(shù)據(jù)分析沙塵期間天氣形勢(shì),該資料對(duì)多種數(shù)據(jù)(地面、船舶、無(wú)線電探空、測(cè)風(fēng)氣球、飛機(jī)、衛(wèi)星等)進(jìn)行質(zhì)量控制和同化處理,水平格距為2.5?×2.5?,垂直層包含17 個(gè)等壓面,分別為1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10[31]。

2 分析結(jié)果

2.1 AQI 及PM10 濃度分析

2019 年3 月26–28 日甘肅省發(fā)生了一次大范圍沙塵暴天氣過(guò)程,圖1 是3 月25 日00:00–29 日23:00 甘肅省14 個(gè)市州AQI(Air quality index)逐小時(shí)分布圖(數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省國(guó)控站點(diǎn)小時(shí)值),縱坐標(biāo)根據(jù)各市州地理位置自西向東排列為自下而上。可以看出,此次沙塵天氣過(guò)程自西向東逐漸影響全省大部分地區(qū),使環(huán)境空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差,部分城市空氣質(zhì)量達(dá)到嚴(yán)重污染。其中,河西走廊一帶(嘉峪關(guān)市、酒泉市、張掖市、金昌市、武威市)受影響最嚴(yán)重,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),主要發(fā)生在26 日午后至27 日,但沙塵天氣過(guò)境后,28 日空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)好,部分時(shí)段達(dá)到優(yōu);其次受影響較重城市有白銀市、蘭州市、定西市、臨夏州、平?jīng)鍪小c陽(yáng)市,主要發(fā)生在28 日,相比河西各城市污染程度較輕,但由于受地形條件限制,污染物不利擴(kuò)散,沙塵天氣過(guò)境后,環(huán)境空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好較慢。

圖1 2019 年3 月25 日00:00–29 日23:00 甘肅省14 個(gè)市州AQI 分布圖Fig.1 AQI distribution of 14 cities in Gansu Province from 00:00 on March 25 to 23:00 on 29,2019

沙塵天氣過(guò)程中,PM10濃度變化非常明顯,為了更好地了解此次沙塵天氣過(guò)程,依據(jù)沙塵起沙時(shí)間,自西向東選取酒泉市、武威市、白銀市、定西市、慶陽(yáng)市5 個(gè)城市,對(duì)其PM10濃度進(jìn)一步分析。圖2 是所選城市PM10濃度逐小時(shí)變化趨勢(shì)圖,從圖中可以看出,26–28 日共出現(xiàn)兩次明顯的沙塵天氣過(guò)程,甘肅省除河西地區(qū)以外,其他地區(qū)主要受第二次沙塵天氣的影響。對(duì)于第一次沙塵天氣而言,主要影響河西地區(qū),26 日17:00 酒泉市PM10濃度突然增加至1588μg·m?3;武威市稍有影響,PM10濃度最大值為458μg·m?3,出現(xiàn)在26 日23:00。第二次沙塵天氣發(fā)生時(shí),酒泉市27 日12:00 PM10濃度最大值為1360μg·m?3,較第一次沙塵過(guò)程有所降低;隨后,27 日20:00 武威市PM10濃度出現(xiàn)最大值為1084μg·m?3;隨著沙塵過(guò)程?hào)|移,其他城市也受到影響,28 日05:00 白銀市PM10濃度增加至658μg·m?3;28 日12:00 定西市PM10濃度升高至545μg·m?3;28 日14:00 慶陽(yáng)市PM10濃度增加為356μg·m?3。白銀市、定西市和慶陽(yáng)市相比酒泉市和武威市PM10濃度明顯較低,可能是此次沙塵天氣在東移過(guò)程中沉降非常明顯,也可能受沙塵移動(dòng)路徑影響,具體原因有待進(jìn)一步分析。

圖2 2019 年3 月26 日00:00–28 日23:00 不同城市PM10 濃度變化圖Fig.2 PM10 concentration in different cities from 00:00 on March 26 to 23:00 on 28,2019

分析沙塵傳輸時(shí)間對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)具有一定的參考意義。從酒泉市和武威市PM10濃度最大值還可以看出,兩次沙塵過(guò)程發(fā)生僅僅相隔大致20 h;分析各城市PM10濃度最大值發(fā)現(xiàn),此次沙塵過(guò)程自西向東傳輸時(shí),從酒泉市至武威市需8 h,從武威市至白銀市需9 h,從白銀市至定西市需7 h。

2.2 氣象條件分析

圖3 是甘肅省國(guó)控站點(diǎn)地面風(fēng)場(chǎng)資料,圖中箭頭代表風(fēng)向,發(fā)現(xiàn)酒泉市風(fēng)速變化趨勢(shì)與PM10濃度變化趨勢(shì)非常一致。酒泉市多為戈壁、沙漠且降水稀少,是沙塵的潛在源地。酒泉市第一次沙塵發(fā)生時(shí)風(fēng)速僅為2 m·s?1,以西北風(fēng)為主,因此表明在風(fēng)速極小的情況下也可能引起強(qiáng)沙塵天氣;第二次沙塵天氣期間,酒泉市最大風(fēng)速為5 m·s?1,仍以西北風(fēng)為主,相比第一次沙塵,風(fēng)速有所增大,但PM10濃度卻降低了,說(shuō)明此次沙塵過(guò)程可能受外來(lái)輸送影響。武威市風(fēng)速變化趨勢(shì)與PM10濃度變化趨勢(shì)同樣一致,但沙塵發(fā)生期間風(fēng)速非常小,基本維持在1～2 m·s?1范圍內(nèi),因此PM10濃度比酒泉市低。白銀市風(fēng)速變化非常明顯,共出現(xiàn)3次大風(fēng),后兩次大風(fēng)時(shí)段對(duì)應(yīng)PM10濃度也較大,說(shuō)明白銀市沙塵天氣以本地沙塵污染為主;第一次大風(fēng)時(shí)段,即26 日凌晨至上午,最大風(fēng)速達(dá)到23.7 m·s?1,但PM10濃度非常低,為185μg·m?3,結(jié)合天氣形勢(shì)分析,此時(shí)地面冷鋒還未到達(dá)白銀市,所以未引起沙塵天氣。定西市風(fēng)速整體比較小,基本維持在1 m·s?1左右,個(gè)別時(shí)刻風(fēng)速達(dá)到2 m·s?1左右,以偏北氣流為主,說(shuō)明沙塵主要源于外來(lái)輸送,因此PM10濃度相比上游城市降低非常明顯。

圖3 2019 年3 月26 日00:00–28 日23:00 甘肅省國(guó)控站點(diǎn)地面風(fēng)場(chǎng)變化圖。(a)酒泉;(b)武威;(c)白銀;(d)定西Fig.3 Surface wind monitored by national station in Gansu Province from 00:00 on March 26 to 23:00 on 28,2019.(a)Jiuquan,(b)Wuwei,(c)Baiyin,(d)Dingxi

大量研究表明高空橫槽是引起沙塵天氣的關(guān)鍵因素[32,33]。結(jié)合26 日08:00 500 hPa[圖4(a)]和地面[圖4(b)]天氣形勢(shì)圖分析,我國(guó)以北地區(qū)蒙古國(guó)高空有一橫槽,對(duì)應(yīng)地面冷高壓盤(pán)踞在蒙古國(guó)西北部,高空橫槽西側(cè)是暖脊,脊后部等高線非常密集,西南氣流強(qiáng)盛,暖平流很強(qiáng),說(shuō)明暖脊將繼續(xù)向北發(fā)展加強(qiáng),脊前部氣流由西北向轉(zhuǎn)為偏北甚至東北向,使高空冷平流加強(qiáng),橫槽加深發(fā)展。同時(shí),位于青藏高原的高空槽自西向東移動(dòng),冷槽位于高空槽后,預(yù)示高空槽將發(fā)展加強(qiáng)。南疆盆地、河西走廊一帶,地面處于冷高壓前部的低壓槽區(qū)。高低空配合將引起沙塵天氣。26 日20:00,高空500 hPa[圖4(c)]脊區(qū)南下東移,橫槽加深,尤其我國(guó)西北地區(qū)槽區(qū)明顯加深,地面[圖4(d)]蒙古高壓發(fā)展加強(qiáng)。南疆盆地至河西走廊一帶位于兩高壓中心之間的低壓帶區(qū)域,使得南疆盆地至河西走廊出現(xiàn)西風(fēng),且風(fēng)速呈現(xiàn)明顯日變化,午后熱低壓最強(qiáng)時(shí)段對(duì)應(yīng)西風(fēng)最強(qiáng)時(shí)段,引起沙塵天氣,酒泉市表現(xiàn)尤為明顯。橫槽尾部偏北氣流冷空氣的輸送使青藏高原低槽發(fā)展加強(qiáng),對(duì)應(yīng)地面冷高壓發(fā)展,南疆盆地的沙塵向東傳輸,進(jìn)入河西地區(qū)。高空脊和橫槽穩(wěn)定發(fā)展階段,地面形勢(shì)得以維持,沙塵持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。至28 日20:00,高空500 hpa[圖4(e)]橫槽明顯轉(zhuǎn)豎東移,地面[圖4(f)]冷高壓也隨之東移南下。冷鋒進(jìn)入河西,沙塵隨冷鋒推進(jìn)加速擴(kuò)散,濃度明顯降低,隨著冷鋒過(guò)境,各地環(huán)境空氣質(zhì)量依次轉(zhuǎn)好。

圖4 2019 年3 月沙塵過(guò)程期間天氣形勢(shì)圖。(a)26 日08:00 500 hPa;(b)26 日08:00 地面;(c)26 日20:00 500 hPa;(d)26 日20:00 地面;(e)28 日20:00 500 hPa;(f)28 日20:00 地面Fig.4 Synoptic situation during the sandstorm in March 2019.(a)500 hPa at 08:00 on 26,(b)surface at 08:00 on 26,(c)500 hPa at 20:00 on 26,(d)surface at 20:00 on 26,(e)500 hPa at 20:00 on 28,(f)surface at 20:00 on 28

2.3 基于HYSPLIT 軌跡模型的沙塵傳輸路徑分析

采用GDAS(Global data assimilation system)1?×1?資料,通過(guò)HYSPLIT 后向軌跡模型對(duì)選取城市進(jìn)行溯源。依據(jù)沙塵期間PM10濃度峰值時(shí)刻,自西向東依次選取酒泉市(98.49?E,39.73?N)26 日17:00、武威市(102.64?E,37.93?N)27 日20:00、定西市(104.63?E,35.58?N)28 日12:00、慶陽(yáng)市(107.64?E,35.71?N)28 日14:00 進(jìn)行48 h 后向軌跡模型模擬,結(jié)果如圖5 所示。由圖可知,酒泉市自高空至近地面沙塵主要來(lái)自于其西邊的塔克拉瑪干沙漠。武威市沙塵主要來(lái)自于西北方向,48 h 前氣團(tuán)來(lái)自酒泉市,與天氣形勢(shì)分析一致,沙塵隨著西北氣流向東南方向傳輸。定西市沙塵來(lái)自兩個(gè)方向,500 m 以下氣團(tuán)來(lái)源于西北方向,隨后轉(zhuǎn)自由北向南傳輸。1000 m 高度處氣團(tuán)主要來(lái)自于西北方向。慶陽(yáng)28 日14:00 的48 h 后向軌跡圖顯示氣團(tuán)同樣來(lái)自于西北方向的酒泉市。從HYSPLIT 后向軌跡還可以看出,定西市和慶陽(yáng)市軌跡相比酒泉市和武威市路徑偏北,說(shuō)明定西市、慶陽(yáng)市等城市受沙塵過(guò)程影響,但影響程度不及武威市、酒泉市等上游城市,這與實(shí)況分析相對(duì)應(yīng),進(jìn)一步證明,沙塵過(guò)程移動(dòng)路徑是定西市和慶陽(yáng)市相比酒泉市和武威市PM10濃度明顯較低的原因之一。

圖5 HYSPLIT 48 h 后向軌跡。(a)酒泉市26 日17:00;(b)武威市27 日20:00;(c)定西市28 日12:00;(d)慶陽(yáng)市28 日14:00Fig.5 Backward trajectories of 48 hours from HYSPLIT.(a)Jiuquan at 17:00 on 26,(b)Wuwei at 20:00 on 27,(c)Dingxi at 12:00 on 28,(d)Qingyang at 14:00 on 28

2.4 基于雙通道偏振激光雷達(dá)的沙塵來(lái)源和濃度變化特征分析

圖6 和圖7 分別展示了三個(gè)站點(diǎn)激光雷達(dá)探測(cè)的不同高度層消光系數(shù)和退偏振比。從武威市雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,26 日19:00 起,各個(gè)高度層消光系數(shù)和退偏振比均稍有升高,對(duì)應(yīng)地面20:00 PM10濃度開(kāi)始升高,至23:00 達(dá)到峰值,僅為458μg·m?3,說(shuō)明此時(shí)段沙塵強(qiáng)度較弱,由風(fēng)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn),整個(gè)沙塵過(guò)程期間,武威市風(fēng)速很小,說(shuō)明沙塵由外來(lái)輸送和本地起沙兩方面原因引起。27 日19:00 起,各高度層消光系數(shù)和退偏振比同步升高,說(shuō)明地面再次起沙,部分時(shí)段2000 m 高度處消光系數(shù)大于2000 m 以下高度處的消光系數(shù),說(shuō)明2000 m 以下高空有外來(lái)沙塵輸入,至20:00 武威市PM10濃度出現(xiàn)最大值,為1084μg·m?3。隨著沙塵團(tuán)繼續(xù)向東南方向輸送,且后續(xù)無(wú)沙塵補(bǔ)充,退偏振比降低,武威市本地沙塵開(kāi)始沉降,PM10濃度隨之降低。至28 日04:00 左右,高空消光系數(shù)和退偏振比反而高于近地面,說(shuō)明地面沙塵開(kāi)始向高空擴(kuò)散,空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。06:00 左右再次監(jiān)測(cè)到高空1000～2000 m 有沙塵團(tuán)沉降,于12:00 影響近地面,導(dǎo)致PM10濃度小幅升高,后受冷空氣影響,擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn),空氣質(zhì)量隨之轉(zhuǎn)好。

圖6 不同高度層消光系數(shù)。(a)武威;(b)白銀;(c)定西Fig.6 Extinction coefficient at different altitudes.(a)Wuwei,(b)Baiyin,(c)Dingxi

圖7 不同高度層退偏振比。(a)武威;(b)白銀;(c)定西Fig.7 Depolarization ratio at different altitudes.(a)Wuwei,(b)Baiyin,(c)Dingxi

從白銀市雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以明顯看出,從200 m 至高空2000 m,消光系數(shù)逐漸降低,說(shuō)明此次沙塵過(guò)程期間,白銀沙塵主要來(lái)源于本地,與風(fēng)場(chǎng)分析結(jié)果一致。另外,27 日01:00,白銀市雷達(dá)首先監(jiān)測(cè)到近地面至1000 m 高度處消光系數(shù)和退偏振比急劇升高,其中退偏振比已達(dá)閾值0.4,對(duì)應(yīng)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)27 日03:00 起PM10濃度逐漸升高,09:00 消光系數(shù)和退偏振比達(dá)到峰值,對(duì)應(yīng)12:00 PM10濃度達(dá)到峰值,隨后消光系數(shù)和退偏振比逐漸降低,PM10濃度也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。28 日00:00,監(jiān)測(cè)到近地面至1000 m 高度處消光系數(shù)和退偏振比再次升高,新的沙塵團(tuán)補(bǔ)充,與空中未沉降沙塵混合,導(dǎo)致粗顆粒物進(jìn)一步累積,對(duì)應(yīng)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),28 日06:00 PM10濃度出現(xiàn)第二次峰值,隨后消光系數(shù)和退偏振比逐漸減小,空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。

從定西市雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,消光系數(shù)相比武威和白銀明顯減小,對(duì)應(yīng)的顆粒物濃度也明顯降低。27 日21:00 至28 日07:00,定西市近地面退偏振比降低較明顯,說(shuō)明不規(guī)則粒子濃度降低,對(duì)應(yīng)地面此時(shí)段PM10濃度較低,結(jié)合風(fēng)場(chǎng)分析,此時(shí)段風(fēng)速相比前一時(shí)段有所降低,風(fēng)向由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),擴(kuò)散條件較好。之后退偏振比升高則是西北方向沙塵傳輸引起,即28 日07:00,近地面退偏振比明顯增大至0.25 左右,有沙塵團(tuán)輸入,PM10濃度不斷攀升,至12:00 達(dá)到峰值,隨后擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn),PM10濃度降低。另外,此時(shí)段消光系數(shù)小幅升高,說(shuō)明沙塵傳輸過(guò)程中帶來(lái)少量細(xì)顆粒物。

3 結(jié)論

2019 年3 月26–28 日甘肅省發(fā)生了一次大范圍強(qiáng)沙塵天氣過(guò)程,此次天氣分兩次影響甘肅省,第一次沙塵天氣主要影響河西地區(qū),第二次沙塵過(guò)程自西向東逐漸影響全省大部分地區(qū),部分城市環(huán)境空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為嚴(yán)重污染。高空橫槽引起了沙塵暴天氣;橫槽及高空脊穩(wěn)定發(fā)展且南移不明顯,配合地面天氣形勢(shì)穩(wěn)定維持,使沙塵過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);橫槽轉(zhuǎn)豎,冷鋒過(guò)境,沙塵隨之結(jié)束。青藏高原西側(cè)低槽東移發(fā)展,配合地面高壓北側(cè)冷高壓加強(qiáng),是這次塔克拉瑪干沙漠沙塵東輸?shù)闹饕绊懴到y(tǒng)。沙塵主要起源于塔克拉瑪干沙漠,隨氣團(tuán)自西向東影響其他城市,傳輸過(guò)程中濃度不斷降低。由于此次沙塵移動(dòng)路徑主要位于甘肅省以北，且沙塵在東移過(guò)程中濃度逐漸降低，因此對(duì)甘肅省各市州的影響呈逐漸減弱的趨勢(shì)。從PM10濃度最大值分析,發(fā)現(xiàn)兩波沙塵過(guò)程發(fā)生僅相隔大致20 h;此次沙塵過(guò)程傳輸,從酒泉市至武威市需8 h,從武威市至白銀市需9 h,從白銀市至定西市需7 h,這對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)具有一定的參考意義。值得注意的是,對(duì)于荒漠半干旱區(qū),在風(fēng)速極小(如2 m·s?1)的情況下也可能出現(xiàn)強(qiáng)沙塵天氣(26 日17:00 酒泉市PM10濃度突增至1588μg·m?3);而風(fēng)速非常大(如20 m·s?1)時(shí)不一定出現(xiàn)沙塵天氣,還需結(jié)合天氣形勢(shì)。

沙塵天氣過(guò)程中,顆粒物激光雷達(dá)不同高度的消光系數(shù)和退偏振比的變化不僅能說(shuō)明沙塵天氣的垂直發(fā)展,而且對(duì)沙塵的傳輸路徑具有很好的指示意義,結(jié)合多部顆粒物激光雷達(dá)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)沙塵傳輸過(guò)程的研究。結(jié)合風(fēng)場(chǎng)和激光雷達(dá)產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)酒泉市風(fēng)速變化趨勢(shì)與PM10濃度變化趨勢(shì)非常一致,沙塵天氣以本地沙塵為主,外來(lái)輸送為輔;白銀市沙塵天氣主要來(lái)源于本地,武威市沙塵由外來(lái)輸送和本地沙塵共同影響;定西市則主要受外來(lái)沙塵輸入影響。

通過(guò)沙塵天氣的個(gè)例研究,探究沙塵天氣的發(fā)生發(fā)展、時(shí)空分布和垂直結(jié)構(gòu)特征以及主要來(lái)源和傳輸路徑,有助于提高沙塵天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù),尤其是結(jié)合激光雷達(dá)組網(wǎng)改善重污染過(guò)程的臨近預(yù)報(bào)。