呼和浩特市一次強沙塵暴特征分析

王俊杰，杜凌峰

(四川省遂寧市氣象局，四川 遂寧 629000)

沙塵暴是強風把地面大量沙塵卷入空中、使空氣特別渾濁、水平能見度低于1 km的天氣現(xiàn)象，是大氣環(huán)流、近地面氣象條件及下墊面狀況等多種因素綜合作用的結(jié)果。沙塵暴多數(shù)發(fā)生于春季，且易發(fā)生于干旱、半干旱地區(qū)[1-3]。沙塵暴發(fā)生時對生態(tài)環(huán)境、人體健康等產(chǎn)生很大危害。

我國于20世紀70年代開始研究沙塵暴天氣，眾多學者從沙塵暴的時空分布、發(fā)生源地、移動路徑等方面做出了大量的研究[4-6]。劉景濤[7]等將影響中國北方的沙塵暴天氣劃分為冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型、干颮線與冷鋒混合型4種類型。2021年春季我國北方沙塵暴天氣多數(shù)為冷鋒型以及冷鋒與蒙古氣旋混合型。

呼和浩特地區(qū)為內(nèi)蒙古首府城市，環(huán)境的好壞已成為重要話題。筆者利用多源數(shù)據(jù)資料探究2021年3月27日—28日一次強沙塵暴天氣的特征，以期為提高呼和浩特沙塵暴天氣的認知提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于呼和浩特市環(huán)境監(jiān)測站，選取呼和浩特市8個國控監(jiān)測站的平均值，站點分布于整個市區(qū)，數(shù)據(jù)完整，有很好的代表性。常規(guī)氣象資料數(shù)據(jù)來自中國氣象局高空及地面觀測數(shù)據(jù)。HYSPLIT后向軌跡模型所用的氣象資料來自 NCEP(美國國家環(huán)境預報中心)的GDAS全球同化產(chǎn)品。

HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型是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。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源的功能，已經(jīng)被廣泛地應用于多種污染物在多地區(qū)的傳輸和擴散的研究中[8-10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣實況

2021年3月27日—28日呼和浩特大部地區(qū)均出現(xiàn)了強沙塵暴天氣，清水河縣為沙塵暴，其中呼和浩特市市區(qū)南部最小能見度降至323 m。結(jié)合呼和浩特市區(qū)AQI、PM10、PM2.5小時平均值與呼和浩特市最小能見度、平均相對濕度(RH)、近地面小時平均風速(見圖1)可知，3月27日—28日呼和浩特市AQI呈現(xiàn)出良—嚴重污染—良的變化趨勢，27日21：00AQI迅速增大且22:00達到500(AQI檢測上限為500，當所測值超過上限時顯示上限值)，嚴重污染持續(xù)到28日09:00，AQI爆表狀態(tài)持續(xù)12 h。PM2.5、PM10均呈現(xiàn)單峰型變化趨勢，但出現(xiàn)峰值時間不一致。3月27日21:00，PM10、PM2.5開始明顯升高，PM2.5峰值出現(xiàn)在22:00，為1 062 μg·m-3，本時段PM10增長速率遠大于PM2.5，且還在繼續(xù)增大，28日01:00出現(xiàn)峰值，為5 037 μg·m-3，隨后開始明顯下降。從平均風速來看，27日15:00之后風速開始增大，22:00達到最大值，為15.6 m·s-1，結(jié)合RH和最小能見度可知，20:00下降最為明顯，且21:00均降到最小值。28日凌晨開始，隨著近地面風力減弱，大氣污染邊界層開始抬升，污染物擴散條件轉(zhuǎn)好，使得污染物發(fā)生沉降，此次強沙塵暴污染逐漸趨于結(jié)束。此次強沙塵暴造成的污染，主要以粗粒子為主。

圖1 呼和浩特市PM2.5、PM10、AQI

2.2 天氣形勢分析

沙塵爆發(fā)前，2021年3月27日08：00高空圖上顯示，貝加爾湖東側(cè)有明顯的高空槽，槽后為偏北風，風速最大可達28 m·s-1，配合有明顯的冷溫槽，有冷空氣的配合，且冷溫槽落后于高空槽，使低槽進一步發(fā)展加強；地面氣壓場為明顯的東低西高，冷高壓中心強度為1 027.5 hPa，低壓中心強度為995 hPa，在高低壓之間有明顯的冷鋒位于貝加爾湖—蒙古中部—內(nèi)蒙古西部，鋒面附近氣壓梯度力較大。3月27日20：00低槽發(fā)展至蒙古東部—內(nèi)蒙古中部，溫度槽仍落后于高空槽，呼和浩特市位于高空槽前偏西氣流中(圖2a)；700 hPa低渦已經(jīng)移至內(nèi)蒙古東部，河套地區(qū)處于低槽控制區(qū)，槽后西北氣流較強，最大風速達28 m·s-1，并且有明顯的冷溫槽與低槽配合，風向與等溫線存在明顯的夾角，700 hPa呼和浩特市由西南風轉(zhuǎn)為西北偏西風控制(圖2b)。

隨著高空槽攜帶冷空氣逐漸東移加深，冷高壓逐漸發(fā)展，3月27日20：00冷鋒位于內(nèi)蒙古河套地區(qū)(圖2c)，鋒后冷空氣攜帶大量沙塵，呼和浩特地區(qū)自北向南逐漸出現(xiàn)沙塵暴天氣。28日08:00的500 hPa高空圖上，高空槽移至內(nèi)蒙古東部，呼和浩特市轉(zhuǎn)為西北氣流控制；地面圖上，呼和浩特市位于高壓底前部，隨著高壓東移，28日11：00呼和浩特市等壓線變得稀疏(圖2d)，風力減弱，重污染天氣好轉(zhuǎn)。

圖2 2021年3月27日20:00(a)500 hPa、700 hPa(b)高空圖，3月27日20：00(c)、3月28日11：00(d)地面圖

2.3 后向軌跡分析

通過HYSPLIT對此次沙塵污染過程進行軌跡分析，選取空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6 h的GDAS數(shù)據(jù)，以呼和浩特市(40.82°N，111.68°E)為參考點，選取高度100 m、500 m、1 000 m共三個高度，分別計算后向48 h的氣團逐6 h軌跡，追蹤到達呼和浩特的氣團過去48 h的軌跡，用于分析不同高度的污染物來源。2021年3月28日08：00后向軌跡可知(見圖3)，三個高度路徑一致，27日白天冷空氣團高度明顯下降，此次冷氣團來自貝加爾湖以西地區(qū)經(jīng)偏北氣流途經(jīng)蒙古進入呼和浩特市，傳輸路徑為偏北路徑，而沙塵污染源來自蒙古國。

圖3 2021年3月28日08：00后向軌跡分析(橫坐標為UTC時間)

由圖3可知，HYSPLIT模擬結(jié)果與圖1中污染物變化結(jié)果相一致，可見此次區(qū)域性沙塵污染，呼和浩特地區(qū)受冷鋒影響，邊界層迅速下降使得高空沙塵氣溶膠發(fā)生沉降到達近地面。最初沙塵源來自蒙古國。

3 結(jié)論

2021年3月27日—28日呼和浩特大部地區(qū)均出現(xiàn)了強沙塵暴天氣，清水河縣為沙塵暴，其中呼和浩特市市區(qū)南部最小能見度降至323 m。呼和浩特市AQI呈現(xiàn)出良—嚴重污染—良的變化趨勢，AQI爆表狀態(tài)持續(xù)12 h。PM2.5、PM10均呈現(xiàn)單峰型變化趨勢， PM2.5峰值出現(xiàn)在22：00，為1 062 μg·m-3，PM10于28日01：00出現(xiàn)峰值，為5 037 μg·m-3。此次強沙塵暴造成的污染，主要以粗粒子為主。

此次沙塵暴主要受地面冷鋒以及高空槽共同影響。鋒后冷空氣攜帶大量沙塵，在冷鋒過境的同時污染邊界層下降，造成沙塵沉降，使得呼和浩特地區(qū)發(fā)生強沙塵暴天氣。

通過后向軌跡分析可知，2021年3月27日白天冷空氣團高度明顯下降，此次冷氣團來自貝加爾湖以西地區(qū)經(jīng)偏北氣流途經(jīng)蒙古進入呼和浩特市，傳輸路徑為偏北路徑，而沙塵污染源來自蒙古國。