內(nèi)蒙古自治區(qū)一次沙塵過程的激光雷達分析

任 超，程周杰，李榮忠

(1.北京航空氣象研究所，北京 100085；2.青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司，青島 266101)

引 言

沙塵天氣是一種強風(fēng)將地面沙塵吹(卷)起，使空氣混濁、能見度下降的一種自然氣象過程，地面吹起的大量氣溶膠會向大氣中輸送，作為凝結(jié)核影響云的生成、發(fā)展和降水過程，影響地-氣系統(tǒng)輻射平衡，對區(qū)域乃至全球氣候產(chǎn)生影響[1-4]。雖然總體來看，近50年來中國沙塵源區(qū)的沙塵強度呈明顯減小趨勢[5-6]，但是沙塵天氣，甚至持續(xù)性沙塵天氣依舊存在[7]。

前人利用地面常規(guī)氣象觀測站、衛(wèi)星和模式再分析資料對沙塵傳輸過程進行了豐富的研究[8-11]，但其時空分辨率較低，對于沙塵前后，尤其是風(fēng)場變化的觀測不夠詳實。隨著風(fēng)廓線雷達逐漸進入業(yè)務(wù)化應(yīng)用，時空分辨率更高的風(fēng)場觀測再次助力了沙塵研究[12-15]，但風(fēng)廓線雷達易受地物雜波、天氣背景場干擾，其探測能力具有明顯的季節(jié)和日變化特征，且存在在0.5km以下觀測精度不高的局限性[16-17]。相干多普勒測風(fēng)激光雷達(light detection and ranging,LiDAR)作為一種新型的遙感監(jiān)測設(shè)備，是利用大氣中氣溶膠粒子對激光的多普勒頻移效應(yīng)來測量大氣風(fēng)場[18-19]。對于城市復(fù)雜下墊面條件下邊界層不同高度的風(fēng)場觀測，測風(fēng)激光雷達相較于風(fēng)廓線雷達，與全球定位系統(tǒng)(globe positioning system,GPS)探空儀測風(fēng)結(jié)果具有更好的一致性[20]，且擁有更低的探測盲區(qū)、更高的時空分辨率和更便于移動的優(yōu)勢。另外，基于觀測原理，測風(fēng)激光雷達還可以同時獲得邊界層內(nèi)更精細的沙塵氣溶膠光學(xué)特性[21]，從而獲取沙塵起沙、沉降及傳輸過程中不同高度的水平及垂直方向風(fēng)場信息，為沙塵分析提供有力數(shù)據(jù)支撐。

內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟地處中緯度西風(fēng)氣流帶內(nèi)，屬于半干旱大陸性氣候，降水稀少，植被稀疏，是潛在的沙源地，配合一定的氣象條件，容易產(chǎn)生沙塵天氣，且在偏北大風(fēng)的影響下，沙塵極易向南傳輸至華北地區(qū)，對京津冀地區(qū)產(chǎn)生重要影響。本文中利用一臺相干多普勒測風(fēng)激光雷達，結(jié)合地面觀測站、衛(wèi)星和再分析等資料，對內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市2019-10-27～2019-10-28的一次沙塵過程進行了分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 測風(fēng)激光雷達

本文中觀測使用的是青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司的WindMast PBL型邊界層風(fēng)廓線測風(fēng)激光雷達(以下簡稱“雷達”)，其布設(shè)于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟毛登牧場(44°8′31.70″N,116°18′41.70″E)，如圖1所示。激光波束俯仰角度為71.38°，起測高度為28m，徑向距離分辨率為15m，高度分辨率為14m(徑向距離分辨率15m×sin 71.38°)，最大徑向探測距離為3000m。

Fig.1 Field photo of LiDAR equipment

Table 1 Performance specifications of coherent Doppler wind LiDAR (WindMast PBL)

本文中所用雷達數(shù)據(jù)為10min平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括水平風(fēng)速、水平風(fēng)向、垂直速度和消光系數(shù)等。表1中為相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。

1.2 地面監(jiān)測站

本文中選用內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市2019-10-27～2019-10-28(年月日時間均為北京時間)地面觀測站(站號：54102，43°57′0.36″N,116°7′11.64″E)逐小時整點時刻的瞬時溫度、地面氣壓、相對濕度、瞬時風(fēng)速、瞬時風(fēng)向、1h降水量和能見度數(shù)據(jù)，以及空氣質(zhì)量監(jiān)測站(43°55′46.99″N,116°6′14.08″E)的每小時顆粒物(particulate matter，PM)粒徑不大于2.5μm(PM2.5)和10μm(PM10)的質(zhì)量濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index,AQI)。

地面觀測站和環(huán)保監(jiān)測站是距離雷達最近的地面觀測站點，均位于雷達西南方的錫林浩特市區(qū)，分別與雷達相距24.4km和27.5km,如圖2所示?？紤]到同處于草原中，周圍地勢均為平整，氣象觀測站和市環(huán)保監(jiān)測站所觀測到的數(shù)據(jù)資料，可以近似表示測風(fēng)激光雷達觀測點處的地面氣象要素和空氣顆粒物濃度狀況。同時需要注意的是，城市下墊面和測風(fēng)激光雷達所處的草地下墊面仍有不同，在分析過程中要根據(jù)具體情況來處理。

Fig.2 Position of ground observation station relative to LiDAR

1.3 衛(wèi)星

MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)是搭載在Terra和Aqua兩顆極軌衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀。388nm通道，1°×1°分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)可反映沙塵分布情況，分析沙塵的移動路徑。

1.4 再分析數(shù)據(jù)

利用ERA5-Land-hourly 0.1°×0.1°分辨率的2m氣溫數(shù)據(jù)用來分析沙塵天氣前期及沙塵天氣期間下墊面的溫度情況，選取2019-10-26～2019-10-29每日14:00的2m氣溫數(shù)據(jù)，將后一日與前一日氣溫值做差，獲得兩日14:00的2m氣溫變化情況。

1.5 HYSPLIT模型

混合單粒子拉格朗日積分軌道(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory，HYSPLIT)模型是由美國國家海洋和大氣管理局的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局在過去20年間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型。該模型已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物各個地區(qū)的傳輸和擴散研究中。

2 沙塵天氣過程概況

2.1 天氣形勢

2019-10-27～2019-10-29，一股強冷空氣自西向東影響我國。受高空冷渦、蒙古氣旋的共同影響，內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟出現(xiàn)降水過程并伴有大風(fēng)和沙塵。27日20:00，500hPa天氣圖(見圖3a)上，貝加爾湖以北低壓中心與冷中心基本重合，槽線向南延伸至內(nèi)蒙古中部。850hPa天氣圖(見圖3b)上，位于貝加爾湖和大興安嶺之間的低渦后部，其等高線與等溫線近乎垂直，等溫線密集，冷平流旺盛，低渦從貝加爾湖地區(qū)向南甩下冷空氣，逐漸影響東南方向下游地區(qū)；溫壓場配合良好，有利于低渦發(fā)展，觀測點位于低渦底前部，暖濕氣流較強，動力抬升條件較好，為28日凌晨降水創(chuàng)造了有利條件。圖中,五角星為雷達位置。

Fig.3 Weather situation at 2019-10-27T20:00a—500hPa b—850hPa c—the ground

27日08:00(圖略)和20:00地面天氣圖(見圖3c)表明，貝加爾湖以南蒙古氣旋發(fā)展，氣旋后部等壓線密集，對應(yīng)有冷鋒。冷鋒恰好在下午至傍晚一天當(dāng)中氣溫較高時段過境沙源地，熱力疊加動力條件，有利于垂直上升運動發(fā)展，沙塵揚起，此時段鋒面過境利于起沙，在內(nèi)蒙古中部形成大范圍沙塵天氣。在西北風(fēng)的引導(dǎo)下，沙塵自西北向東南移動。本次沙塵起源自蒙古國中西部及內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，先后經(jīng)過內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、陜西北部、山西大部，隨后影響到華北平原。沙塵過境使局地PM10質(zhì)量濃度短時快速上升，10月28日00:00起，沙塵開始影響錫林郭勒盟。高空冷渦與鋒區(qū)是激發(fā)這次沙塵暴的重要動力機制，蒙古氣旋是造成這次沙塵暴的主要影響天氣系統(tǒng)。

2.2 沙塵形勢

圖4是2019-10地表沙塵質(zhì)量濃度水平分布，南疆塔克拉瑪干沙漠區(qū)域為明顯的沙塵源區(qū)，沙塵質(zhì)量濃度基本在600μg/m3以上，隨著西風(fēng)的輸運作用，沙塵向東部的內(nèi)蒙古及甘肅地區(qū)擴張，在適宜的沙塵輸運條件下，會結(jié)合蒙古國源區(qū)南下的沙塵繼續(xù)向東向南輸運，影響我國大部分地區(qū)。

Fig.4 Horizontal distribution of surface dust mass concentration in 2019-10

圖5是2019-10-27～2019-10-28 MODIS衛(wèi)星388nm波段，1°×1°水平分辨率日平均AOD分布情況。AOD可用來描述氣溶膠對光的衰減作用,藍色實心點是雷達所在位置。由圖5可以看出:27日95°E以西的新疆東部戈壁區(qū)AOD達到2，沙塵較為嚴重，內(nèi)蒙古西部及其以北的部分蒙古地區(qū)AOD多在0.8以上，內(nèi)蒙古中部以及雷達布放站點東北的錫林郭勒盟地區(qū)AOD再次達到2；28日，新疆東部沙塵已移動至內(nèi)蒙古西部，AOD依舊維持在2，沙塵強度依然較強，內(nèi)蒙古中部AOD基本在0.5以下，沙塵已明顯減弱，影響錫林郭勒盟的沙塵過程已基本結(jié)束。

Fig.5 Horizontal distribution of MODIS AOD from 2019-10-27 to 2019-10-28a—2019-10-27 b—2019-10-28

圖6展示了2019-10-26～2019-10-29每日14:00 ERA5-Land-hourly 2m的氣溫差ΔT。26日與27日的結(jié)果表明，沙塵源地新疆東部、內(nèi)蒙古西部乃至整個沙塵能影響到的內(nèi)蒙古地區(qū)，氣溫差均為正值，內(nèi)蒙古中部比西部的氣溫差更大，錫林郭勒盟西部地區(qū)升溫達4℃～6℃，蒙古國中部的沙塵已向南傳輸至我國，沙塵過后氣溫有所下降，氣溫差為負值；27日與28日的結(jié)果表明，西部沙塵源地大范圍地區(qū)及蒙古國西部升溫明顯，蒙古國部分地區(qū)氣溫差達10℃以上，沙塵影響結(jié)束以及雨雪天氣影響的內(nèi)蒙古中部地區(qū)降溫明顯，大范圍的沙塵氣溶膠影響太陽短波輻射，錫林郭勒盟西部地區(qū)降溫達10℃以上；28日與29日的結(jié)果表明，西部沙塵源地氣溫差整體不大，沒有明顯的氣溫波動，沙塵結(jié)束后的晴好天氣使得內(nèi)蒙古中部地區(qū)升溫明顯。

Fig.6 2m temperature difference from 2019-10-26 to 2019-10-29 at 14:00a—26th and 27th b—27th and 28th c—28th and 29th

沙塵的傳輸高度一般在海拔2km～4km，能分辨到的沙塵最高高度為5km左右，在沙塵沉降區(qū)分辨到的沙塵主要分布在1km以下[22]。圖7為利用HYSPLIT模式計算的2019-10-28T02:00,200m,500m和1000m的前24h的后向氣流軌跡結(jié)果。氣流源地均在蒙古國境內(nèi)，3個高度的氣流傳輸路徑相差較大，1000m高度的氣流從庫蘇古爾湖以西向東南方向移動，氣流高度在2000m以上，隨東移南下過程，高度逐漸降低；500m和200m高度氣流源地位于庫蘇古爾湖以南200km和400km的區(qū)域，二者向東南輸運過程中高度偏低，500m和1000m兩股氣流路徑基本一致。沙塵到來前后，200m氣流方向偏西南，1000m氣流方向偏西北，從低空到高空，風(fēng)向呈順時針旋轉(zhuǎn)，低空有弱的暖平流。圖中標(biāo)注的時間為世界時間。

Fig.7 24h backward flow trajectory at 2019-10-28T02:00

圖8是沙塵來臨前后，雷達觀測到的800m高度以下的3個時刻的風(fēng)向廓線(見圖8a)和風(fēng)速(見圖8b)。其中28日02:00為沙塵影響時間，雷達探測高度較低;27日16:00沙塵來臨前，風(fēng)向為西南風(fēng)，風(fēng)速主要范圍為15m/s～20m/s；28日02:00沙塵影響時，風(fēng)向略向北偏轉(zhuǎn)，風(fēng)速增大至20m/s以上；28日16:00沙塵過程結(jié)束后，風(fēng)向已轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速降至10m/s以下。

Fig.8 LiDAR wind direction and speed profile

圖9為2019-10-27～2019-10-28每小時地面站監(jiān)測結(jié)果。

2019-10-27T00:00～10:00，沙塵影響前，顆粒物質(zhì)量濃度處于較低水平，均處于50μg/m3以下。溫度逐漸上升，相對濕度隨之降低，氣壓有所減小，地面風(fēng)向為西南風(fēng)，風(fēng)速有所增大，10:00瞬時風(fēng)速增大至6m/s。能見度條件良好，維持在30km。

2019-10-27T10:00～2019-10-28T02:00，沙塵開始影響并逐漸增強，PM2.5質(zhì)量濃度基本維持不變，PM10質(zhì)量濃度顯著上升，從27日10:00的11μg/m3升高至268μg/m3。此時段隨著太陽輻射增強，溫度不斷上升，在27日16:00達最高值11.8℃，相對濕度隨之繼續(xù)降低；之后太陽輻射逐漸減小，地面溫度降低，同時西南風(fēng)逐漸增強，相對濕度有所上升，受蒙古氣旋影響，地面氣壓持續(xù)降低，最低達到了888.7hPa。地面風(fēng)向仍為西南風(fēng)，地面風(fēng)速先減小后增強，風(fēng)速最大達到11m/s，較強風(fēng)速有利于沙塵輸送。能見度逐漸減小，但其變化滯后于PM10質(zhì)量濃度變化。

Fig.9 Hourly surface monitoring results from 2019-10-27 to 2019-10-28

2019-10-28T02:00～06:00，PM10質(zhì)量濃度從268μg/m3迅速減小為22μg/m3，之后PM10質(zhì)量濃度仍維持在30μg/m3以下，沙塵影響基本結(jié)束。此時段隨著干冷空氣影響，溫度平穩(wěn)下降，28日16:00溫度較前一日同時刻最高溫度降低了12℃。2019-10-28T03:00～06:00冷空氣影響前期，相對濕度較高，維持在80%以上，觀測點處于冷鋒鋒后，有小的鋒面降水天氣，濕沉降作用對地面PM10質(zhì)量濃度下降有一定的正貢獻；之后隨著干冷空氣持續(xù)影響，相對濕度逐漸減小。受冷高壓影響，地面氣壓逐漸上升，最高達到900.9hPa。2019-10-28T02:00～18:00，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)和西北風(fēng)為主，風(fēng)速多在6m/s以上，18:00～23:00風(fēng)向逐漸逆轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速也有所減小。此時段能見度隨著PM10質(zhì)量濃度降低而升高，地面能見度變化和PM10質(zhì)量濃度變化之間，表現(xiàn)出較為明顯的負相關(guān)關(guān)系。

2.3 雷達反演結(jié)果應(yīng)用

相干多普勒測風(fēng)激光雷達可以用來反演氣溶膠光學(xué)特性[23-25]，ZHANG等人[26]發(fā)現(xiàn)，地面PM10質(zhì)量濃度與200m高度消光系數(shù)隨時間變化存在較好的一致性，本文中采取同樣高度消光系數(shù)與地面PM10質(zhì)量濃度進行分析。圖10為2019-10-27～2019-10-28PM10質(zhì)量濃度與200m高度氣溶膠消光系數(shù)。兩者變化關(guān)系較為吻合，但是在2019-10-27T00:00～2019-10-28T02:00階段，消光系數(shù)變化明顯滯后于地面PM10質(zhì)量濃度變化，這是因為錫林郭勒盟離沙源地較近，沙塵吹起后，近地面首先受到影響，之后在氣流混合作用下，低空大氣也逐漸受到沙塵影響，消光系數(shù)陡升，在28日02:00時,地面PM10質(zhì)量濃度達最大值268μg/m3，消光系數(shù)超過30km-1，達到最大值。從28日02:00開始，地面PM10質(zhì)量濃度和消光系數(shù)均開始迅速下降，28日06:00,沙塵過程基本結(jié)束。

Fig.10 Time sequence diagram of PM10 mass concentration and aerosol extinction coefficient at 200m height from 2019-10-27 to 2019-10-28

圖11是2019-10-27～2019-10-28雷達反演獲得的氣溶膠消光系數(shù)、垂直氣流速度、垂直風(fēng)切變和風(fēng)羽。沙塵來臨前，高空明顯風(fēng)速帶的建立以及較強垂直風(fēng)切變的存在，有利于高空動量下傳和大氣不穩(wěn)定度的維持。從垂直風(fēng)切變的分布特征來看，2019-10-27T00:00～09:00，400m以下低空的垂直風(fēng)切變很強，在0.5s-1左右，此高度以上為明顯的偏西風(fēng)，以下為明顯的偏西南風(fēng)，大氣不穩(wěn)定，隨著風(fēng)向穩(wěn)定為西南風(fēng)，2019-10-27T12:00～16:00垂直風(fēng)切變較弱，在80.2s-1以下，大氣層結(jié)較穩(wěn)定；2019-10-27T16:00～2019-10-28T00:00，400m以下垂直風(fēng)切變再次增強至0.5s-1左右，此時段也伴隨著高空風(fēng)速不斷增大和動量下傳。28日03:00～15:00沙塵影響時段，400m以下下沉氣流旺盛，氣溶膠消光系數(shù)驟增數(shù)十倍，沙塵垂直風(fēng)切變呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，2019-10-28T10:00～15:00基本維持在0.1s-1左右，大氣逐漸穩(wěn)定，沙塵過程隨之減弱，繼而結(jié)束。

Fig.11 Aerosol extinction coefficient, vertical velocity, vertical wind shear and wind plume by wind lidar from 2019-10-27 to 2019-10-28

結(jié)合地面站和雷達觀測結(jié)果，二者的要素隨時間變化的特征并不完全匹配，2019-10-28T02:00，地面觀測結(jié)果顯示PM10質(zhì)量濃度已達到高峰，而雷達的氣溶膠消光系數(shù)則是從2019-10-28T03:00開始迅速增大，且持續(xù)到15:00左右。原因包括觀測站點之間存在大于2km的距離，另外，雷達所處位置的地理環(huán)境為草原牧場，下墊面多為草本植物和沙塵顆粒，在受到大氣不穩(wěn)定條件影響下，從地表向高空極易形成持續(xù)性污染；地面觀測站位于錫林浩特市區(qū)，地面觀測結(jié)果直接受到高空污染物沉降的影響，從地表向上抬升的污染物較草原牧場明顯偏少。

3 結(jié) 論

2019-10-27～2019-10-28，受高空冷渦、蒙古氣旋的共同影響，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟出現(xiàn)降水過程并伴有大風(fēng)和沙塵。冷鋒恰好在下午至傍晚一天當(dāng)中氣溫較高時段過境沙源地，熱力疊加動力條件，有利于垂直上升運動發(fā)展，沙塵揚起，此時段鋒面過境利于起沙，在內(nèi)蒙古中部形成大范圍沙塵天氣。

MODIS反演的AOD顯示,2019-10主要沙塵源區(qū)為南疆塔克拉瑪干沙漠，日平均AOD也可大致表現(xiàn)出沙塵傳輸過程，不過需要結(jié)合HYSPLIT模式的后向氣流軌跡和雷達風(fēng)廓線才可以更好地確定沙塵源地及移動路徑。

地面觀測的PM10質(zhì)量濃度和雷達反演的200m高度氣溶膠消光系數(shù)隨時間變化一致性良好，雷達反演的氣溶膠消光系數(shù)可反應(yīng)邊界層大氣中氣溶膠的變化情況。沙塵來臨前，高空明顯風(fēng)速帶的建立以及較強垂直風(fēng)切變的存在，有利于高空動量下傳和大氣不穩(wěn)定度的維持。沙塵來臨前，此特征非常明顯，并且伴隨著風(fēng)速減弱和下沉氣流增強，沙塵過程中存在明顯的風(fēng)向轉(zhuǎn)向。

城市下墊面和草地下墊面對于沙塵的響應(yīng)狀況存在明顯區(qū)別。城市下墊面沙塵持續(xù)時間更短，垂直風(fēng)切變使得草地下墊面更易揚起沙塵，造成持續(xù)性污染。