2020年春季中國北方一次揚(yáng)沙天氣過程微氣象學(xué)與沙塵輸送特征

張藝萌 李曉嵐 張宏升 洪也

（1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166；2.遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧 沈陽 110166；3.北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系，氣候與海—氣實驗室，北京 100871）

引言

沙塵天氣是中國北方地區(qū)春季時常發(fā)生的災(zāi)害性天氣之一［1］。沙塵天氣過程通常伴隨著大風(fēng)、低能見度、大氣污染以及流沙塵土覆蓋和掩埋等，影響交通、建筑、農(nóng)、林、牧業(yè)、公共設(shè)施和社會活動，以及人類的健康和生活［1］。此外，沙塵氣溶膠對大氣輻射的收支平衡具有重要影響，通過直接和間接輻射作用影響云和降水的形成，甚至氣候變化［2］。

20世紀(jì)90年代中國沙塵天氣頻發(fā)，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。很多學(xué)者針對沙塵天氣的成因機(jī)制、時空變化特征、起沙和沙塵輸送特征等開展研究。胡隱樵和光田寧［3］指出，沙源、強(qiáng)風(fēng)和熱力條件是形成沙塵暴的必要條件。此外，下墊面的地理位置、植被覆蓋等自然因素［4］，溫度、相對濕度、風(fēng)速、降水、湍流等氣象條件［5-8］以及大氣環(huán)流［9］也對沙塵天氣的形成和發(fā)展有重要影響?；魪┓宓龋?0］利用地面污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)和常規(guī)氣象資料并結(jié)合后向軌跡模型，分析得出天氣系統(tǒng)、地面和邊界層氣象條件共同導(dǎo)致2017年5月中國長三角地區(qū)一次沙塵天氣的形成。唐國利和巢清塵［11］分析了中國北方地區(qū)近50 a沙塵暴的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)沙塵暴天氣發(fā)生頻數(shù)總體呈波動下降趨勢。劉玉蘭等［12］則指出，1961—2008年銀川市部分站點的沙塵日數(shù)存在增加趨勢。王式功等［13］基于1954—2000年中國338個測站的沙塵天氣資料及相關(guān)氣候資料劃分了中國沙塵暴天氣的主要源區(qū)，并發(fā)現(xiàn)源區(qū)沙塵會向下游地區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致大范圍浮塵或揚(yáng)沙天氣的發(fā)生。李曉嵐和張宏升［14］基于湍流和氣象要素梯度觀測資料分析了北京地區(qū)一次強(qiáng)沙塵暴過程的微氣象學(xué)特征，指出強(qiáng)沙塵暴過境時，不同高度向下的湍流動量輸送、向上的湍流熱量輸送和湍流動能明顯加強(qiáng)，水平湍流動能對湍流動能占主要貢獻(xiàn)。高星星等［15］利用衛(wèi)星資料，結(jié)合地面環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象觀測數(shù)據(jù)和后向軌跡模式分析了汾渭平原2018年冬季一次混合污染過程及其傳輸特征。

中國北方干旱和半干旱地區(qū)是東亞沙塵暴多發(fā)區(qū)之一，遼寧地區(qū)是亞洲沙塵氣溶膠向下游輸送過程中的主要影響區(qū)。同時，遼寧地區(qū)春季大風(fēng)天氣較多，回暖迅速易產(chǎn)生大氣不穩(wěn)定層結(jié)，有助于該地區(qū)春季沙塵天氣的發(fā)生［16］。經(jīng)統(tǒng)計，沙塵天氣是造成2007年春季遼寧中部城市群空氣質(zhì)量下降的主要原因，各城市中度以上的空氣污染幾乎均與沙塵天氣過程有關(guān)［17］。以往基于沙塵天氣觀測資料的統(tǒng)計分析或基于氣象模式，針對遼寧地區(qū)開展了沙塵天氣發(fā)生的動力機(jī)制和氣象條件的研究［18-21］、沙塵氣溶膠對空氣質(zhì)量影響的評估［17，22］、沙塵天氣的時空分布特征和影響因子分析［23］，以及沙塵暴天氣的預(yù)報方法研究［24-25］等。然而較少針對上游沙源地區(qū)和影響區(qū)開展沙塵天氣過程微氣象學(xué)和沙塵輸送特征的同步觀測研究。

2020年5月10—11日，受大尺度天氣系統(tǒng)影響，中國內(nèi)蒙古、華北、東北地區(qū)中南部等地先后發(fā)生5—6級大風(fēng)，陣風(fēng)8—9級，局地陣風(fēng)超過10級。在強(qiáng)風(fēng)作用下，10日08時至11日08時，內(nèi)蒙古西部和東南部、甘肅北部、河北北部、東北部分地區(qū)均出現(xiàn)了揚(yáng)沙或浮塵天氣（https：//www.sohu.com/a/394130150＿117884）。本文利用內(nèi)蒙古科爾沁沙地（代表沙塵源區(qū)）和沈陽地區(qū)（代表沙塵影響區(qū)）的同步氣象要素和顆粒物（包括PM2.5和PM10）質(zhì)量濃度觀測資料，分析了此次沙塵天氣過程的微氣象學(xué)和沙塵輸送特征。

1 資料與方法

1.1 觀測站點和資料

本文利用科爾沁沙地地區(qū)沙塵天氣監(jiān)測與觀測實驗站和沈陽地區(qū)氣象和沙塵的同步觀測資料開展分析研究（圖1）。其中沙塵觀測站（42.93°N，120.70°E）位于內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗，地處科爾沁沙地南部。該地區(qū)平均海拔高度為363 m，全年降水量為200—300 mm，屬于典型的半干旱地區(qū)。測站周圍全年植被覆蓋度不到10%，零星地生長著沙蓬，地面基本裸露。流動沙丘以沙丘鏈為主，呈帶狀分布［6］。測站架設(shè)有20 m高的氣象觀測塔，觀測項目包括20 m高度風(fēng)向、4層風(fēng)速、溫度和相對濕度廓線；2層氣壓；3層土壤溫度和濕度；太陽輻射、地面反射輻射和凈輻射；以及8 m高度能見度觀測。表1為上述觀測項目、儀器及其技術(shù)指標(biāo)。

圖1 科爾沁沙地奈曼站和沈陽的地理位置Fig.1 Geographical locations of Naiman station in Horqin Sandy Land area and Shenyang

表1 科爾沁沙地奈曼站主要觀測項目、儀器及其技術(shù)指標(biāo)一覽表Table 1 Major observational quantities，instrumentation，and related technical characteristics at Naiman station in Horqin Sandy Land area

沈陽地區(qū)觀測資料包括國家氣象站（41.74°N，123.51°E）逐時2 m高度的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對濕度（ZQZ-CⅡ自動氣象站，江蘇無線電科學(xué)研究所有限公司）和2.8 m高度大氣能見度觀測（DNQ1前向散射型能見度儀，中國華云氣象科技集團(tuán)公司），其中能見度的觀測上限為30 km；中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所大氣成分站（41.74°N，123.43°E）利用激光雷達(dá)（Lidar-D-2000，中國無錫中科光電）觀測的氣溶膠消光系數(shù)廓線［26］；以及沈陽地區(qū)11個環(huán)保監(jiān)測站觀測的逐時PM2.5和PM10質(zhì)量資料，取11個測站平均值代表沈陽地區(qū)顆粒物濃度［27］。

1.2 研究方法

利用塔層氣象要素梯度觀測資料，計算4 m高度的摩擦速度（u*）和對流速度尺度（θ*），以研究科爾沁沙地地區(qū)起沙過程中湍流動力和熱力作用的影響。根據(jù)Monin-Obukhov相似性理論計算u*和θ*，即

式（1）—式（2）中，κ為馮—卡曼常數(shù)，取0.4。

式（3）中，L為Obukhov長度；為z2高度的風(fēng)速，z2＝4 m；z1取2 m高度為位溫，z0為空氣動力學(xué)地表粗糙度，ΨM和ΨH分別為速度和位溫的穩(wěn)定度修正函數(shù)；w′為垂直速度脈動量；g為重力加速度。具體計算方法可參考文獻(xiàn)［6］。

圖2 2020年5月9—12日科爾沁沙地大氣能見度與摩擦速度（a）、沈陽地區(qū)地面小時平均PM 2.5和PM 10質(zhì)量濃度與能見度（b）以及PM 2.5與PM 10質(zhì)量濃度比值（c）變化Fig.2 Variations of atmospheric visibility and friction velocity in Horqin Sandy Land area（a），surface hourly mean PM 2.5 and PM 10 mass concentration and visibility（b），and the ratio of PM 2.5 to PM 10 mass concentration in Shenyang（c）from May 9 to 12，2020

2 結(jié)果分析

2.1 2020年5月10日揚(yáng)沙天氣過程概述

根據(jù)中國氣象局頒布的《沙塵暴天氣監(jiān)測規(guī)范》，以風(fēng)力和能見度為指標(biāo)可將沙塵天氣劃分為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴5個等級。其中，浮塵天氣是指有廣泛、均勻浮塵，水平能見度一般不超過10 km的天氣現(xiàn)象；揚(yáng)沙定義為風(fēng)將地面沙塵吹起，空氣比較渾濁，水平能見度降至1—10 km的天氣現(xiàn)象。2020年5月10日科爾沁沙地和沈陽地區(qū)大氣能見度位于1—10 km（圖2），根據(jù)上述沙塵天氣等級劃分，屬于一次揚(yáng)沙天氣過程。

科爾沁沙地沙塵天氣發(fā)生前（10日04時前），u*基本小于0.4 m·s-1，對應(yīng)的能見度多超過10 km。此后，u*迅速增大并超過臨界起沙摩擦速度，導(dǎo)致大量沙塵粒子釋放到空氣中，從而引起能見度迅速減小。15：40左右，u*增大至最大值1.1m·s-1，對應(yīng)的能見度達(dá)到最小值，為2.8 km。此后u*逐漸減小，能見度有所回升，至21：30左右，能見度升至10 km以上，第一階段的揚(yáng)沙天氣過程結(jié)束。次日白天隨著u*的增加，揚(yáng)沙天氣再次出現(xiàn)，至11日15時u*增大至1.2 m·s-1，對應(yīng)能見度減小至7.3 km（圖2a）。需要注意的是，與10日揚(yáng)沙天氣相比，雖然11日u*數(shù)值較高，但能見度明顯高于10日的數(shù)值，這可能與第二階段揚(yáng)沙天氣過程中地面可提供的釋放到空中的沙塵粒子數(shù)量減少有關(guān)，導(dǎo)致11日臨界起沙摩擦速度有所增大［28］。

受科爾沁沙地等沙源地區(qū)沙塵輸送的影響，沈陽地區(qū)2020年5月10日也出現(xiàn)了揚(yáng)沙天氣過程，其發(fā)生時間與科爾沁沙地相比有所滯后。由圖2b可知，沈陽地區(qū)沙塵天氣發(fā)生前（10日12時前），地面PM2.5和PM10濃度均小于100μg·m-3，且二者變化趨勢較為一致。此后PM10濃度迅速升高，18時左右達(dá)到峰值，為817μg·m-3；相應(yīng)的能見度迅速降低，最小值為3.7 km（圖2b）。沙塵天氣過程中，PM2.5與PM10的比值明顯減?。?.1—0.3）（圖2c），表明大氣中較粗的沙塵粒子的比例有所增加，是沙塵天氣的典型特征［26］。

圖3 2020年5月9日（a）、10日（b）、11日（c）08時900 hPa位勢高度場和風(fēng)場Fig.3 Composites of 900 hPa geopotential height and wind vectors at 08：00 on May 9（a），May 10（b），and May 11（c），2020

根據(jù)沙塵天氣爆發(fā)前后900 hPa位勢高度場和風(fēng)場（歐洲中期天氣預(yù)報中心，European Center for Mesoscale Weather Forecast，ECMWF）再分析資料的變化可知，此次中國北方地區(qū)大范圍揚(yáng)沙天氣過程主要是由大尺度冷鋒天氣系統(tǒng)造成的（圖3）。沙塵天氣爆發(fā)前，中國內(nèi)蒙古和中國東北地區(qū)天氣靜穩(wěn)，氣壓梯度力較弱，風(fēng)速較?。▓D3a）。10日隨著東北部低壓系統(tǒng)和西部高壓系統(tǒng)的迅速加強(qiáng)，內(nèi)蒙古和中國東北地區(qū)處于高低壓系統(tǒng)過渡地帶，氣壓梯度力明顯增加，風(fēng)速迅速增大（圖3b）。系統(tǒng)性大風(fēng)天氣將前期暖干地面上大量的沙塵粒子吹到空中，并在西北氣流的控制下向下游地區(qū)輸送?；诨旌蠁瘟Ｗ永窭嗜辗e分軌跡（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory，HYSPLIT）模型的后向軌跡分析，可進(jìn)一步證實5月10日白天影響沈陽地區(qū)的沙塵氣團(tuán)在不同高度上（200 m、300 m和500 m）均途經(jīng)西北方向的科爾沁沙地地區(qū)（圖4）。

圖4 2020年5月10日16時起沈陽地區(qū)200 m、300 m和500 m高度氣團(tuán)48 h后向軌跡Fig.4 48-h backward trajectory of air masses at 200 m，300 m，and 500 m at Shenyang starting from 16：00 on M ay 10，2020

2.2 2020年5月10日揚(yáng)沙天氣過程微氣象學(xué)和沙塵輸送特征

2020年5月9—12日科爾沁沙地和沈陽地區(qū)不同高度氣象要素（包括氣溫、相對濕度和風(fēng)速）變化見圖5。受冷鋒系統(tǒng)影響，科爾沁沙地沙塵天氣過程中不同高度的氣溫均明顯降低，白天2 m高度最高溫度（約18℃）較前一日降低4℃左右（圖5a）。沈陽地區(qū)2 m高度氣溫從5月10日14時開始的5 h內(nèi)驟降7.3℃（圖5b）。伴隨冷鋒系統(tǒng)過境，科爾沁沙地不同高度風(fēng)速從10日06時起均迅速增大，其中16 m高度風(fēng)速最高達(dá)18.5 m·s-1，對應(yīng)的能見度也明顯降低，之后風(fēng)速逐漸減弱，能見度有所回升（圖5c和圖2）。沈陽地區(qū)則從10日10時起地面風(fēng)速開始迅速增大，17時風(fēng)速達(dá)到最大值，為8.6 m·s-1（圖5d）。此外，此次揚(yáng)沙天氣過程中科爾沁沙地和沈陽地區(qū)的環(huán)境濕度均有所降低。科爾沁沙地沙塵天氣過程中相對濕度基本小于30%，09時前后最低僅為10%（圖5e）；同時淺層（5 cm深度）土壤的含水量也明顯降低，最低值為0.045 v·v-1（圖略）。沈陽地區(qū)白天相對濕度基本維持在30%以下，15時相對濕度降至最低點10%（圖6f）。干燥的土壤和空氣環(huán)境可導(dǎo)致臨界起沙摩擦速度的減小，有利于沙塵天氣的發(fā)生［30-31］。

圖5 2020年5月9—12日科爾沁沙地不同高度氣溫（a）、相對濕度（b）、風(fēng)速（c）及沈陽地面小時平均氣溫（d）、相對濕度（e）、風(fēng)速（f）變化Fig.5 Variations of air tem perature（a），relative hum idity（c），w ind speed（e）at different altitudes in Horqin Sandy Land area and surface hourly mean air temperature（b），relative hum idity（d），w ind speed（f）in Shenyang from May 9 to 12，2020

圖6 2020年5月9—12日科爾沁沙地凈輻射與運動學(xué)湍流垂直熱通量的變化趨勢（a）以及10—11日沈陽地區(qū)地面向下短波輻射變化（b）Fig.6 Variations of net radiation and kinematic turbulent vertical heat flux in Horqin Sandy Land area from M ay 9 to 12（a），and variation of surface downward short-wave radiation in Shenyang on M ay 10 to 11（b），2020

受沙塵天氣的影響，科爾沁沙地和沈陽地區(qū)地面凈輻射和向下短波輻射的變化特征與非沙塵日相比存在差異。一般而言，沙塵日由于空氣中沙塵氣溶膠濃度增大，到達(dá)地面的短波輻射減少，凈輻射也減少，日變化規(guī)律遭到破壞。沙塵濃度越高，輻射值越低［6］。此次揚(yáng)沙天氣過程中，科爾沁沙地5月10日午間凈輻射數(shù)值明顯降低，14時左右凈輻射數(shù)值甚至接近零值（圖6a），這表明大氣中劇烈運動的沙塵粒子影響了太陽輻射的收入，導(dǎo)致到達(dá)地面的凈輻射減少。類似地，沈陽地區(qū)沙塵日（5月10日）白天地面向下短波輻射相比前一日有所減小，表明空氣中大量的沙塵粒子通過散射和反射作用減少了到達(dá)地面的太陽輻射（圖6b）。

由圖6a還可知，科爾沁沙地地區(qū)由于短波入射輻射的減少，地表接收的熱量減少，導(dǎo)致動力學(xué)湍流垂直熱通量與θ*成正比）也明顯降低。這意味著此次揚(yáng)沙天氣過程中，湍流熱力作用相比動力作用對起沙的貢獻(xiàn)應(yīng)該較小。為進(jìn)一步分析湍流動力和熱力作用對此次起沙過程的影響，圖6給出了起沙階段（2020年5月10日04—16時）科爾沁沙地地區(qū)能見度與u*（代表湍流動力作用）和′（代表湍流熱力作用）的散點圖。由圖6a可見，當(dāng)u*從0.21m·s-1增大至0.32m·s-1時，能見度變化不明顯，此時由于u*尚未增大至臨界起沙閾值，沙塵粒子未能擺脫阻力脫離地表進(jìn)入大氣中。隨著u*的繼續(xù)增大（約0.39 m·s-1），能見度逐漸下降至10 km以下。當(dāng)u*達(dá)到0.6 m·s-1時，更多的沙塵粒子釋放到大氣中，導(dǎo)致能見度迅速降低。整體而言，起沙階段能見度與u*存在明顯的反相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2＝0.93）。同時，起沙過程中能見度與′也存在反相關(guān)關(guān)系，即隨著沙塵天氣的發(fā)生′有所減小，但二者的相關(guān)性較弱（R2＝0.42）。前人研究表明［32-33］，對于以躍移起沙機(jī)制為主的沙塵天氣而言，湍流動力作用起主要影響；而湍流熱力作用主要對對流起沙過程有重要影響作用，這體現(xiàn)了不同起沙機(jī)制的影響。

此外，臨界起沙摩擦速度是風(fēng)蝕起沙研究中非常重要的物理量之一，可表征地表土壤的可蝕性。李曉嵐等［34］基于微氣象學(xué)方法，定義當(dāng)沙塵濃度和垂直沙塵通量均開始增加且至少持續(xù)30 m in所對應(yīng)的摩擦速度為臨界起沙摩擦速度?；谀芤姸扰c摩擦速度的變化關(guān)系，可粗略估算此次揚(yáng)沙天氣過程中臨界起沙摩擦速度為0.39 m·s-1左右（對應(yīng)能見度開始下降至10 km以下的摩擦速度）。與以往觀測得到的科爾沁沙地臨界起沙摩擦速度相比，該數(shù)值位于合理的變化范圍之內(nèi)（0.45±0.20）m·s-1［34］。

圖7 2020年5月10日04—16時科爾沁沙地起沙階段能見度與摩擦速度（a）以及動力學(xué)湍流垂直熱通量（b）關(guān)系散點圖Fig.7 Scatter p lot of relationships between visibility and friction velocity（a）and kinematic turbulent vertical heat flux（b）in Horqin Sandy Land area during the dust em ission period from 04：00 to 16：00 on M ay 10，2020

圖8 2020年5月9日12時至11日23時沈陽地區(qū)大氣消光系數(shù)垂直分布時間變化Fig.8 Time-height variations of atmospheric extinction coefficient in Shenyang from 12：00 on M ay 9 to 23：00 on M ay 11，2020

為研究沈陽地區(qū)揚(yáng)沙天氣過程中的沙塵輸送特征及影響，圖8給出了2020年5月9—11日沈陽地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布和演變。9日20時至10日10時，較高的氣溶膠消光系數(shù)主要集中在0.5 km以下，對應(yīng)的PM2.5和PM10比值在0.6左右（圖2c），表明此時段沈陽地區(qū)以細(xì)粒子污染為主。此后，1 km以下的氣溶膠消光系數(shù)明顯減小，系統(tǒng)性大風(fēng)導(dǎo)致氣溶膠粒子的垂直混合加劇，同時伴隨著高空沙塵粒子的輸送，氣溶膠消光系數(shù)的高值區(qū)可達(dá)2—3 km。18時之后隨著風(fēng)速的減小，沙塵粒子的干沉降作用導(dǎo)致沙塵氣溶膠垂直分布高度逐漸降低，沙塵天氣過程結(jié)束。

3 結(jié)論

（1）受大尺度天氣系統(tǒng)影響，2020年5月10日科爾沁沙地發(fā)生揚(yáng)沙天氣過程，不同高度（＜20 m）的風(fēng)速均迅速增大，其中16 m高度的風(fēng)速最高達(dá)18.5 m·s-1，且以西北風(fēng)為主，各層氣溫均明顯降低，白天2 m高度最高溫度（約18℃）較前一日低4℃左右。06時開始各層相對濕度基本位于30%以下，最低約10%，同時淺層土壤的含水量也明顯降低。干燥的地表土壤和大氣環(huán)境有利于更多的沙塵粒子在較強(qiáng)的湍流動力作用下釋放到大氣中。

（2）大氣中大量沙塵粒子在較強(qiáng)的西北氣流控制下向下游地區(qū)輸送，此過程中沙塵粒子主要集中在2—3 km以下高度。受沙塵輸送的影響，沈陽地區(qū)10日也出現(xiàn)了揚(yáng)沙天氣過程，10時開始地面風(fēng)速迅速增大，PM10濃度迅速升高，18時左右達(dá)到峰值817μg·m-3，相應(yīng)的能見度迅速降低，最小值為3.7 km，過程中氣溫和相對濕度也明顯降低。18時之后隨著風(fēng)速的減小，沙塵過程逐步結(jié)束。

（3）此次科爾沁沙地?fù)P沙天氣過程中，起沙階段能見度與摩擦速度存在明顯的反相關(guān)關(guān)系（R2＝0.93），能見度與湍流動力學(xué)熱通量也存在反相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較弱（R2＝0.42），表明湍流動力作用相比熱力作用對此次起沙過程的貢獻(xiàn)更加明顯。