中衛(wèi)市沙塵污染天氣分型及氣象條件特征分析

張澤瑾，李曉攀，楊 苑，楊 貴

（1.中衛(wèi)市氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000；2.寧夏氣象臺，寧夏 銀川 750002）

中衛(wèi)市地處寧夏中西部，當大氣不穩(wěn)定或遭遇大風時極易起沙，造成大范圍沙塵天氣污染，已然成為社會與政府關(guān)注的焦點。PM10在空氣中長時間停留不僅會使能見度變差，更不利于公眾的身體健康，對交通運輸、生態(tài)環(huán)境和人類生產(chǎn)生活有著諸多不利影響。

有研究表明：沙塵天氣的首要污染物均是PM10，其變化曲線呈正態(tài)分布，春季中度及以上污染日均出現(xiàn)在污染日當日或次日[1]，沙塵暴的發(fā)生離不開動力條件、熱力條件及沙源影響[2]，且多發(fā)生在不穩(wěn)定的大氣層結(jié)中，并伴隨有能量的積聚和釋放[3]。

沙塵天氣是影響中衛(wèi)市環(huán)境質(zhì)量的主要影響因子，故沙塵天氣分型與氣象條件分析是預測沙塵天氣的基礎(chǔ)。本文利用2015—2020年中衛(wèi)市沙塵污染天氣過程的高空和地面氣象觀測資料及PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析沙塵污染天氣時空變化特征及氣象條件，對中衛(wèi)地區(qū)沙塵污染天氣的高空環(huán)流形勢、地面天氣形勢展開研究，分析其特征并分型，為中衛(wèi)市沙塵污染天氣預報提供參考。

1 數(shù)據(jù)資料來源

2015—2020年P(guān)M10濃度數(shù)據(jù)來源于中衛(wèi)市環(huán)境監(jiān)測站，氣象要素數(shù)據(jù)來源于中衛(wèi)國家基本觀測站，環(huán)流特征資料來源于歐洲中心全球大氣再分析資料。

本文利用NCEP/NCAR 再分析資料，在前人研究的基礎(chǔ)上，以2015－2020年中衛(wèi)市沙塵統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析大氣環(huán)流與沙塵污染之間的關(guān)系，找尋預報關(guān)鍵點。通過對典型環(huán)流場及相關(guān)物理量的診斷分析，總結(jié)出發(fā)生沙塵污染時各氣象要素的變化特征[3]。

2 結(jié)果分析

2.1 時空變化特征

從PM10污染年變化特征可以看出（圖1），2016—2018年沙塵天氣呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢，2019年沙塵天數(shù)最少，其原因之一是氣候背景發(fā)生了變化。2016/2017、2019/2020年冬季分別為 1961年以來寧夏的第一暖冬和第二暖冬，氣溫偏高加之降水偏少，若地面有蒙古氣旋活動，高空配合有冷空氣下滑，遭遇大風時裸露的地面極易起沙。

圖1 PM10年變化特征

從月變化特征可以看出（圖2），中衛(wèi)市一年四季均會出現(xiàn)沙塵天氣。其中，春季（3—5月）發(fā)生次數(shù)最多，占總次數(shù)的 57%，冬季（12—2月）次之，達23%，秋季（9—11月）較少，為 15%，夏季（6—8月）最少，僅占4%。在春季3—5月中，5月年均出現(xiàn)沙塵暴2.6 d，次數(shù)最多，3月、4月平均為 1.4 d。這是因為春季冷空氣活躍，氣溫回暖，土壤解凍，地表裸露，多氣旋活動，在北方氣旋前后部大風的影響下極易形成沙塵天氣，造成PM10污染。

圖2 PM10月變化特征

從日變化來看，沙塵天氣多發(fā)生在下午到傍晚前后或傍晚前后到夜間。冷鋒下午和傍晚過境要比上午過境造成的大風沙塵天氣強度強，且影響時間相對長[4]，這是因為下午到傍晚近地層增溫會破壞大氣的穩(wěn)定層結(jié)，上下層空氣容易發(fā)生湍流交換，加大了天氣影響強度。

2.2 環(huán)流特征分型

PM10濃度大于150 μg/m3時為輕度以上污染，從6年的資料中，選取PM10質(zhì)量等級輕度及以上污染日進行分析。結(jié)果表明：造成中衛(wèi)市沙塵污染的環(huán)流類型主要有以下3 種：脊前西北氣流型、西風氣流型、冷槽過境型。從表1 可以看出，沙塵污染發(fā)生概率最大的天氣類型為脊前西北氣流型。

表1 分型結(jié)果

2.2.1 脊前西北氣流型污染機制 500 hPa 以經(jīng)向環(huán)流為主，中衛(wèi)市及上游地區(qū)為一致的西北氣流控制，等高線密集，高空風速大，溫度脊明顯（圖3）。地面上中衛(wèi)市位于冷高壓的前部，受太陽輻射影響，白天地面升溫，近地層空氣上升引起上下層空氣垂直交換，動量下傳形成大風，午后風速較大，容易引起浮塵、揚沙天氣，造成PM10濃度升高（圖4）。

圖3 500 hPa 天氣形勢

圖4 地面天氣形勢

2.2.2 冷槽過境型污染機制 500 hPa 以經(jīng)向環(huán)流為主，蒙古到河西走廊為槽區(qū)，蒙古高原南下冷空氣使得槽后有較強冷平流，河西到河套為明顯的高空鋒區(qū)（圖5）。地面上蒙古低壓強烈發(fā)展，冷鋒過境，冷高壓前沿的梯度大風卷起地表沙塵，PM10濃度升高，造成大風沙塵天氣（圖6）。

圖5 500 hPa 天氣形勢

圖6 地面天氣形勢

2.2.3 西風氣流型污染機制 500 hPa 以緯向環(huán)流為主，中緯度氣流較為平直，中衛(wèi)市處在西風氣流里（圖7）。地面表現(xiàn)為均壓場，氣壓變化小，風力弱（圖8）。天氣形勢穩(wěn)定，不易發(fā)生對流，大氣水平、垂直運動都較小，一定厚度逆溫層的存在使得污染物堆積不易擴散[5]，造成PM10濃度超標。

圖7 500 hPa 天氣形勢

圖8 地面天氣形勢

2.3 氣象條件分析

2.3.1 氣象要素特征 PM10濃度變化與氣象要素關(guān)系密切，沙塵天氣過境時，氣象要素變化劇烈。

2.3.1.1 氣壓。天氣過程的強弱與地面氣壓的大小密不可分，具體表現(xiàn)為冷暖氣團的勢力強弱[6]。發(fā)生沙塵暴天氣時，前期氣壓呈緩慢上升的趨勢，沙塵暴來臨前，地面受低壓控制，過境時氣壓猛增。

2.3.1.2 溫度。冬春季PM10濃度較高，夏季PM10濃度最低。冷空氣過境時，PM10濃度增加明顯。沙塵暴發(fā)生前后地面氣溫呈現(xiàn)先降后升再下降的態(tài)勢。

2.3.1.3 相對濕度。PM10濃度隨相對濕度的增大而減小。沙塵天氣到來前期，空氣相對濕度存在一個較明顯的下降過程，沙塵暴天氣結(jié)束后天氣相對干冷。春季氣溫逐步升高，地表迅速加熱，蒸發(fā)作用加強，空氣相對濕度減小，利于起沙。當冷空氣過境時，中高緯度有南下干冷空氣，相對濕度再次下降[6]。

2.3.1.4 云量。過程前期以晴好天氣為主，云系較少，有利于地面升溫，沙塵天氣出現(xiàn)時，PM10濃度升高，隨著冷鋒后云系移入，云量增加，削弱了太陽輻射，從而抑制了光化學反應。此外，云中的水汽對顆粒物有著“清除”作用。

2.3.1.5 風向風速。沙塵天氣到來前期，風速較小，以偏南風為主；沙塵天氣出現(xiàn)時中衛(wèi)市主導風向為西北風，持續(xù)時間與最大風速之間成正相關(guān)，在大風的裹挾下沙塵被輸送，風速越大，上游源地的沙塵會被輸送的越遠，當平均風力達到5 級時，地面揚塵被吹起，使得空氣中PM10濃度增加。

2.3.1.6 能見度。過程前期能見度較好，當沙塵天氣發(fā)生時能見度較差，這是因為白天日照強、地面氣溫較高，大氣層結(jié)易不穩(wěn)定，當鋒面過境時風速增大，亂流較強烈，助長了沙塵對能見度的影響，能見度最差，隨著系統(tǒng)移出，沙天氣結(jié)束，能見度轉(zhuǎn)好。

2.3.2 物理量場特征 動力條件和熱力條件是形成沙塵天氣必不可少的條件，2019年5月11日夜間，中衛(wèi)市出現(xiàn)了1 次大風沙塵天氣，平均風普遍在5 級以上，陣風 7～9 級，11日 22 時至 12日 05 時大部出現(xiàn)了沙塵暴，最低能見度出現(xiàn)在中寧站，為762 m。選取此次典型沙塵天氣過程對其物理量場進行分析。

2.3.2.1 動力條件。沙塵暴作為一種強烈的對流天氣，輻合輻散分布顯著，用散度和渦度表征沙塵暴天氣的輻合輻散，可很好地了解其動力學特征。

從散度分布場可以看出（圖9a），沙塵暴天氣發(fā)生時中衛(wèi)市形成了低空輻合、高空輻散的流場形勢，抽吸作用明顯，有利于對流活動。最大散度負值在850 hPa 附近，散度“0”線在 600 hPa 附近，最大散度正值出現(xiàn)在350 hPa 附近，說明在此高度上氣流輻散達到最大，對垂直氣流的發(fā)生極為有利。

從渦度場分布場可以看出（圖9b），過程前一天中高層為正渦度區(qū)有氣旋式環(huán)流，600 hPa 以下為負渦度區(qū)；沙塵暴天氣發(fā)生時，渦度值隨高度變化比較小，700～250 hPa 為負渦度區(qū)，有反氣旋式環(huán)流，極值出現(xiàn)在600 hPa 附近，850 hPa 及其以下為渦度正值區(qū)，有氣旋性渦柱，利于垂直運動發(fā)展。

從水平速度場可以看出（圖9c），高空風速先增大后減小，從低層到高層存在垂直風切變，高層西風急流明顯，伴有強輻散，動量下傳作用使得中低層和地面風速加大，急流使得冷鋒和沙塵暴移速較快，加強了中低層的斜壓不穩(wěn)定性，觸發(fā)地面氣旋發(fā)展。

從垂直速度場可以看出（圖9d），冷鋒過境時上升運動明顯，冷鋒過境后地面受冷高壓控制，受下沉氣流控制。

圖9 動力場分析

2.3.2.2 熱力條件。從假相當位溫場可以看出（圖10a），沙塵天氣到來前假相當位溫隨高度遞減，鋒區(qū)附近水平梯度大，大氣表現(xiàn)為熱力不穩(wěn)定狀態(tài)，會產(chǎn)生較強的上升運動。

從溫度濕度場可以看出（圖10b），沙塵天氣到來前層結(jié)上冷下暖，上濕下干，低層溫度高、相對濕度小，空氣干燥，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有熱對流發(fā)展，高層強烈的冷平流利于大風形成。

圖10 熱力場分析

2.4 沙源及地形條件

除了動熱力條件，沙塵源也是沙塵天氣發(fā)生必不可少的因子之一。影響中衛(wèi)市的沙源可分為本地型、外來型和二者結(jié)合型，沙源十分充足。寧夏從西面、北面到東面都與沙漠接壤，南面與黃土高原相連，當大氣層結(jié)不穩(wěn)定或有大風天氣時極易起沙[7]。此外，上游新疆到河西走廊一帶還分布著古爾班通古特沙漠、庫姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠，強的西北風會攜帶大量沙塵，經(jīng)阿拉善高原東移影響中衛(wèi)市。

而中衛(wèi)市地處寧夏中西部，西北部緊貼騰格里沙漠，無山脈植被的阻擋，出現(xiàn)偏北大風時，常伴隨有沙塵天氣，且中衛(wèi)市位于賀蘭山南端口，受南支繞山氣流及沙塵暴過山氣流的共同影響，對沙塵的發(fā)展有放大作用。

3 結(jié)論

一是中衛(wèi)市沙塵污染季節(jié)性明顯，多發(fā)生在冬春季，從日變化來看，沙塵天氣多發(fā)生在下午到傍晚前后或傍晚前后到夜間。

二是中衛(wèi)市沙塵污染天氣環(huán)流類型分為脊前西北氣流型、冷槽過境型、西風氣流型，沙塵污染發(fā)生概率最大的天氣類型為脊前西北氣流型。

三是沙塵天氣過境時，氣象要素變化劇烈，風力強勁、氣壓猛增、主導風向為西北風、氣溫下降、露點驟減、能見度轉(zhuǎn)差。

四是內(nèi)外部沙塵源、動力條件、熱力作用及本地地形共同造成沙塵天氣的產(chǎn)生。上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，地面蒙古氣旋及冷鋒強烈發(fā)展及鋒后下沉氣流致使近地面產(chǎn)生輻散大風。