2021年中國(guó)北部特大沙塵天氣的遙感監(jiān)測(cè)與路徑分析

葉洽，鄭小慎，趙尚玉

天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院,天津 300457

1 引言

沙塵天氣是地面沙塵被大風(fēng)吹起、或被高空氣流帶到下游地區(qū)使空氣混濁的一種天氣現(xiàn)象，對(duì)人類(lèi)生命健康（Kotsyfakis 等，2019）、區(qū)域（Albani 和Mahowald，2019）和全球（Merchant 和Embury，2020）的氣候變化、生態(tài)環(huán)境（Wang等，2020）有著重要影響。因此，沙塵天氣的監(jiān)測(cè)與分析一直是國(guó)內(nèi)外大氣、生態(tài)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。中國(guó)的境內(nèi)和境外沙源地豐富，冬春季易受到沙塵侵襲（Yang 等，2021），沙塵監(jiān)測(cè)是中國(guó)防災(zāi)減災(zāi)體系中的重要組成部分（田海靜 等，2019）。

目前，沙塵天氣的監(jiān)測(cè)方式主要分為地基監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)。由于沙塵起源區(qū)域往往自然環(huán)境惡劣，常規(guī)的地基監(jiān)測(cè)很難及時(shí)獲取大范圍數(shù)據(jù)。相比之下，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其精度高、時(shí)效性強(qiáng)、空間分辨率大等優(yōu)勢(shì)在大范圍沙塵天氣監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用具有沙塵判識(shí)信息的衛(wèi)星反演產(chǎn)品，如EOS/MODIS 提供的衛(wèi)星云圖（Tao 等，2021）與大氣氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）（Liu等，2021）、EOS/OMI提供的吸收性氣溶膠指數(shù)（UVAI）（Filonchyk，2022；Hammer 等，2018）、FY-3/VIRR 的紅外差值沙塵指數(shù)（IDDI）（Fang 等，2016）、FY-4A/AGRI 的沙塵檢測(cè)產(chǎn)品（DSD）（Tao 等，2021）等，從水平方向?qū)ι硥m天氣進(jìn)行了大量研究。但由于遙感儀器和反演技術(shù)的限制，任何單一的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品在沙塵的精確監(jiān)測(cè)上均存在局限性。如，衛(wèi)星云圖在稀薄沙塵覆蓋區(qū)域的識(shí)別并不理想（劉清華，2018），AOD產(chǎn)品無(wú)法得到強(qiáng)沙塵發(fā)生時(shí)有效的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)（張鵬 等，2018）。吸收性氣溶膠指數(shù)不能區(qū)分吸收性氣溶膠的種類(lèi)（Li 等，2021）。FY-4A 的高時(shí)空分辨率沙塵檢測(cè)產(chǎn)品（DSD）能對(duì)中國(guó)地區(qū)沙塵進(jìn)行每日連續(xù)監(jiān)測(cè)，但對(duì)云下沙塵和云沙混合的情況存在一定的漏檢（李云，2018）。搭載在云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)和紅外探路者衛(wèi)星（CALIPSO）上的正交偏振云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)（CALIOP）可以通過(guò)主動(dòng)遙感的方式獲取沙塵氣溶膠的垂向位置，能彌補(bǔ)以上被動(dòng)遙感式衛(wèi)星產(chǎn)品無(wú)法提供沙塵垂向信息的缺憾（Tan等，2017）。Attiya和Jones（2022）利用CALIPSO 氣溶膠層產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析了2021 年6 月撒哈拉沙塵暴的特征。Tao 等（2022）使用MODIS AOD 和CALIPSO 氣溶膠光學(xué)特性數(shù)據(jù)探究了東亞沙塵的空間分布。因此，綜合利用多種衛(wèi)星產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)各衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能更全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)沙塵天氣過(guò)程。

沙塵天氣發(fā)生期間，空氣中的PM10濃度會(huì)顯著增大（Wang 等，2006），因此PM10可作為表示沙塵強(qiáng)度的指標(biāo)參與沙塵過(guò)程的分析（Tao 等，2022，2021；Lu 等，2018；Yao 等，2020）。數(shù)值模式是模擬和預(yù)報(bào)沙塵天氣過(guò)程，研究起沙、傳輸和沉降及其影響的有效工具。HYSPLIT 是學(xué)者研究沙塵傳輸路徑的常用模式。胡雯婕等（2021）利用HYSPLIT 后向軌跡模式模擬毛烏素沙地不同季節(jié)沙塵暴的輸送路徑。Iraji 等（2021）利用HYSPLIT 后向軌跡得出了伊朗沙塵暴的可能來(lái)源，并表明MODIS 氣溶膠光學(xué)深度數(shù)據(jù)和HYSPLIT 后向軌跡路徑具有很好的一致性。Lu 等（2018）結(jié)合CALIPSO 衛(wèi)星數(shù)據(jù)和HYSPLIT 模式，研究了華中地區(qū)氣溶膠的三維輸送特性。

2021年3月中旬，中國(guó)北方遭遇了近十年以來(lái)強(qiáng)度最高的一次沙塵天氣，已有學(xué)者從天氣學(xué)（關(guān)良 等，2021）和沙源地環(huán)境（史忠林 等，2022）角度證明此次沙塵天氣是在氣溫偏高、降水偏少以及強(qiáng)烈的蒙古氣旋（楊曉軍 等，2021）等天氣背景下形成的。但對(duì)此次沙塵天氣的發(fā)生發(fā)展以及沙塵傳輸路徑的研究較為缺乏。因此，本文綜合了FY-4A/AGRI DSD、Sentinel-5P/TROPOMI UVAI、CALIPSO/CALIOP 的氣溶膠類(lèi)型掩碼產(chǎn)品3 種衛(wèi)星數(shù)據(jù)和PM10濃度數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)沙塵天氣過(guò)程在水平、垂向方向上的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，由于沙塵具有強(qiáng)風(fēng)作用下移動(dòng)速度快的特點(diǎn)，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)時(shí)間的局限性使其無(wú)法提供沙塵天氣過(guò)程的全時(shí)段監(jiān)測(cè)信息，本文將遙感影像與HYSPLIT 模式結(jié)合，利用HYSPLIT模式的前向、后向軌跡模擬和聚類(lèi)進(jìn)一步分析沙塵的來(lái)源與傳輸路徑，以期盡可能全面準(zhǔn)確地分析此次沙塵天氣過(guò)程的影響區(qū)域、強(qiáng)度特征及輸送路徑，為中國(guó)沙塵天氣的應(yīng)急監(jiān)測(cè)以及沙塵污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控政策的制定提供科學(xué)參考。

2 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

本文的研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)受2021 年3 月中旬沙塵天氣影響的主要地區(qū)，包括有沙源分布的西北地區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)以及處于沙塵輸送下游地區(qū)的東北、華北、華中北部、華東北部和西南北部，經(jīng)緯度范圍為26°N—54°N、74°E—136°E。該區(qū)域沙地分布和22個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域沙地分布圖Fig.1 Distribution of sandy land in the study area

2.2 數(shù)據(jù)和方法

2.2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

（1）FY-4A/AGRI DSD。風(fēng)云四號(hào)（FY-4A）衛(wèi)星是中國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星，其上搭載的多通道輻射成像儀（AGRI）的性能達(dá)到了世界先進(jìn)水平。FY-4A/AGRI 根據(jù)沙塵在各光譜展示的與云、地表和晴空大氣的獨(dú)特差異性，提供了將沙塵和煙塵從云和晴空水體陸地中區(qū)分開(kāi)的沙塵檢測(cè)產(chǎn)品（DSD）（王淦泉和沈霞，2018）。本文利用了DSD 產(chǎn)品中的沙塵分?jǐn)?shù)（DST）、紅外差值沙塵指數(shù)（IDDI-BK）數(shù)據(jù)集。沙塵分?jǐn)?shù)（DST）是由12 種沙塵判識(shí)指標(biāo)綜合而成，它避免了單一或少數(shù)的判識(shí)指標(biāo)所造成的誤判漏判，對(duì)無(wú)云的沙塵天氣檢測(cè)率很高（吳碩秋和馬曉燕，2020）。DST數(shù)值越高，表示衛(wèi)星影像中該處像元為沙塵的可能性越大（李云，2018）。紅外差值沙塵指數(shù)是目前國(guó)內(nèi)外靜止衛(wèi)星沙塵暴業(yè)務(wù)產(chǎn)品生成廣泛采用的參數(shù)之一，它通過(guò)表征大氣中沙塵導(dǎo)致的亮溫衰減量可半定量指示沙塵強(qiáng)度（Fang 等，2016）。IDDI-BK的閾值10和15分別對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度小于10 km的沙塵和能見(jiàn)度小于5 km的嚴(yán)重沙塵條件，IDDI-BK大于20則對(duì)應(yīng)著沙塵暴（胡秀清 等，2007）。數(shù)據(jù)從風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http：//satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx［2022-04-14］）下載，其時(shí)間分辨率為15 min，空間分辨率為4 km。本文依據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)說(shuō)明，將DSD data quality flags 參數(shù)不等于3作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所用數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制。

（2）CALIPSO/CALIOP VFM。云—?dú)馊苣z正交偏振激光雷達(dá)（CALIOP）是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的星載激光雷達(dá)。CALIOP 提供的氣溶膠類(lèi)型掩碼產(chǎn)品VFM（Vertical Feature Mask）能夠通過(guò)對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的反演而有效判識(shí)其類(lèi)型（清潔海洋型、沙塵、污染大陸型、清潔大陸型、抬升煙塵型、沙塵海洋型）和垂向分布（Winker 等，2010）。其中，沙塵海洋型是沙塵與清潔海洋型氣溶膠混合的產(chǎn)物，污染沙塵型是沙塵與人類(lèi)活動(dòng)（生物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的煙或城市污染等）所產(chǎn)生的氣溶膠相混合的產(chǎn)物（Kim等，2018）。VFM數(shù)據(jù)從美國(guó)國(guó)家航空航天局網(wǎng)站（https：//search.earthdata.nasa.gov［2022-04-14］）下載，其時(shí)間分辨率為15 min，垂直分辨率隨高度變化而變化：30 m（-500—8.2 km），60 m（8.2—20.2 km）。本文采用VFM 產(chǎn)品自帶的數(shù)據(jù)質(zhì)量表征參數(shù)，將Feature Type QA 不為0 和SubType QA 不為0 作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選。

（3）Sentinel-5P/TROPOMI UVAI。Sentinel-5 Presursor（Sentinel-5P）是歐洲航天局于2017 年10 月13 日發(fā)射的太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星。該衛(wèi)星提供的紫外吸收性氣溶膠指數(shù)產(chǎn)品（UVAI）能顯示沙塵等紫外吸收性氣溶膠含量的多少，同時(shí)能云和吸收性氣溶膠區(qū)別開(kāi)來(lái)（Ali 等，2020）。UVAI 的值越大，表明該處吸收性氣溶膠含量越多（Tao 等，2022）。與傳統(tǒng)的傳感器相比，高分辨率TROPOMI提供了更加準(zhǔn)確精細(xì)的UVAI 數(shù)據(jù)（Torres 等，2020）。數(shù)據(jù)下載于Sentinel-5P 官網(wǎng)（https：//s5phub.copernicus.eu/dhus/#/home［2022-04-14］），其幅帶寬度為2600 km，空間分辨率為7×3.5 km。本文根據(jù)衛(wèi)星產(chǎn)品的官方建議，篩選了qa_value 值大于0.5的可信數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2.2.2 PM10濃度數(shù)據(jù)

本文使用中國(guó)空氣質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)（https：//www.aqistudy.cn/html/city_detail.html［2022-04-14］）發(fā)布的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)每小時(shí)的PM10濃度數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充衛(wèi)星的水平監(jiān)測(cè)結(jié)果，獲取更精準(zhǔn)的沙塵天氣變化特征。

2.3 HYSPLIT軌跡模型

混合單顆粒拉格朗日集合軌跡模型模式（HYSPLIT）是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局與澳大利亞氣象局共同開(kāi)發(fā)，用于模擬計(jì)算大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專(zhuān)業(yè)模型（Qor-El-Aine等，2022）。此模式模擬污染物傳輸?shù)幕舅悸肥羌僭O(shè)顆粒物隨風(fēng)移動(dòng)，移動(dòng)軌跡是顆粒物在時(shí)間和空間上位移矢量的積分（Stein 等，2015）。本文使用的初始?xì)庀髨?chǎng)為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心的全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)提供的小時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)下載自NOAA官網(wǎng)（https：//www.ready.noaa.gov/hypubbin/trajtype.pl［2022-04-14］），其空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為6 h。全文中的時(shí)次均為北京時(shí)。

2.4 軌跡聚類(lèi)分析

軌跡聚類(lèi)分析是按照氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度、速度和方向的相似性對(duì)所有軌跡進(jìn)行聚類(lèi)分組，能夠有效判斷模擬點(diǎn)處氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)的主要方向。本文使用Meteoinfo 軟件的Traj Sata模塊，采用聚類(lèi)分析中的角距離法，按照總空間相異度TSV（Total Spatial Variation）顯著增加的原則對(duì)HYSPLIT 模式模擬得出的氣團(tuán)軌跡進(jìn)行聚類(lèi)，以獲取沙塵輸送的主要路徑。

3 結(jié)果與討論

3.1 沙塵天氣過(guò)程水平監(jiān)測(cè)

DST 能在無(wú)云天氣下有效識(shí)別沙塵，IDDI-BK能半定量表征沙塵強(qiáng)度，UVAI 具有探測(cè)云下沙塵的優(yōu)勢(shì)。因此，本文在利用DST、IDDI-BK 獲取沙塵天氣的影響范圍和強(qiáng)度特征的同時(shí)，結(jié)合了UVAI 數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充DST 可能存在的云下漏檢沙塵信息。由于沙塵持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，本文選取了13 日至18 日每日13：45 的DST、IDDI-BK 影像和成像時(shí)間最接近13：45 的UVAI 影像進(jìn)行沙塵天氣的水平方向監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 3月13日至18日DST、IDDI-BK、UVAI的沙塵監(jiān)測(cè)圖Fig.2 Dust monitoring of DST，IDDI-BK，UVAI from March 13 to 18

13日13：45，中國(guó)北部地區(qū)僅新疆維吾爾自治區(qū)中部、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部有程度較輕的部分起沙。14日13：45，蒙古國(guó)中西部出現(xiàn)沙塵暴（IDDI-BK＞20），青海西北部現(xiàn)低強(qiáng)度沙塵（IDDI-BK＜15），新疆維吾爾自治區(qū)中部、內(nèi)蒙古西部的沙塵范圍較上一日減小。15日13：45，沙塵覆蓋范圍形成了一條自西向東的橫向沙塵帶，包含了中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)中部、青海西北部、甘肅中西部、內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、寧夏回族自治區(qū)、陜西北部、山西北部、河北、天津、北京以及東北地區(qū)西北部。由IDDI-BK 和UVAI 數(shù)值可知，甘肅中西部、內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部、寧夏回族自治區(qū)、陜西北部、河北、北京、天津以及東北地區(qū)西北部的沙塵達(dá)到了沙塵暴的強(qiáng)度。新疆維吾爾自治區(qū)中部的沙塵范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度仍然較低。

16 日至17 日，內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部及其周邊省市的強(qiáng)沙塵覆蓋范圍向西縮減，僅內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部、甘肅中部仍被強(qiáng)沙塵影響。16 日，河北南部、山西南部、山東、河南北部、安徽北部、湖南北部等沙塵輸送下游地區(qū)出現(xiàn)程度較輕的天氣。17 日新疆維吾爾自治區(qū)中部出現(xiàn)大面積沙塵暴，京津冀地區(qū)、山東北部、渤海海域有輕度沙塵天氣。18 日新疆維吾爾自治區(qū)中部沙塵范圍減少，內(nèi)蒙古西部強(qiáng)沙塵減弱，山西北部、陜西北部、河北受輕度沙塵影響，沙塵天氣整體趨于結(jié)束。

為了獲取更全面的沙塵影響范圍，本文選取了22個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的每小時(shí)PM10濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖3 所示，內(nèi)蒙古阿拉善盟、包頭、錫林郭楞盟的PM10濃度峰值集中在15 日，且內(nèi)蒙古阿拉善盟的PM10數(shù)值整體上大于包頭、錫林郭楞盟。甘肅張掖、新疆維吾爾自治區(qū)哈密的峰值在16 日，南疆哈密的峰值出現(xiàn)在17 日、18 日。這表明15 日強(qiáng)沙塵主要集中在內(nèi)蒙古中西部，16日強(qiáng)沙塵向西縮減至甘肅河西走廊，17日、18日新疆維吾爾自治區(qū)中部出現(xiàn)強(qiáng)沙塵。

圖3 3月14日至18日PM10濃度變化Fig.3 Hourly variations of PM10 from March 14 to 18

北京、河北保定、山西太原、河南許昌的PM10濃度在15日達(dá)到峰值。陜西延安、甘肅定西、寧夏固原的高值PM10出現(xiàn)在16日且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。這可能是由于中國(guó)中高緯處于平直西風(fēng)環(huán)流控制，而使西北地區(qū)大氣層結(jié)穩(wěn)定不利于沙塵消散（楊曉軍 等，2021）。南部和東北部省市的PM10峰值出現(xiàn)在16 日、17 日，吉林長(zhǎng)春、江蘇淮安、安徽淮南、湖北荊門(mén)的PM10峰值均大于800 μg/m3。這說(shuō)明14 日至15 日的沙塵向東南輸送影響了中國(guó)華中、華南、東北部分省市。

PM10數(shù)據(jù)所指示的沙塵強(qiáng)度和變化特征與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的基本一致，且補(bǔ)充了衛(wèi)星缺測(cè)的中國(guó)南部省市沙塵信息。根據(jù)衛(wèi)星和PM10濃度數(shù)據(jù)所監(jiān)測(cè)到的沙塵影響范圍與強(qiáng)度的變化情況，可看出此次沙塵天氣過(guò)程大致分為兩個(gè)階段：第一階段為14 日至15 日。14 日蒙古國(guó)中部發(fā)生沙塵暴，15 日中國(guó)西北地區(qū)東北部、華北地區(qū)北部、東北地區(qū)西北部亦現(xiàn)沙塵暴。期間，新疆維吾爾自治區(qū)中部沙塵強(qiáng)度相對(duì)較低。16 日至18 日為第二階段。此階段強(qiáng)沙塵范圍向西縮減，新疆維吾爾自治區(qū)中部爆發(fā)沙塵暴。沙塵向東南輸送至西北地區(qū)東北部、華北地區(qū)西部、華中北部、華東北部及渤黃海近岸海域地區(qū)，其中西北地區(qū)東北部受持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的強(qiáng)沙塵影響。

3.2 沙塵天氣過(guò)程垂向監(jiān)測(cè)

在獲取沙塵天氣水平的動(dòng)態(tài)變化后，本文利用CALIPSO VFM 數(shù)據(jù)繼續(xù)分析了研究時(shí)段內(nèi)大氣氣溶膠的垂直分布特征。圖4 中15 日13、14 時(shí)的VFM 影像顯示，蒙古國(guó)中東部、內(nèi)蒙古中東部、河北北部的沙塵集中在1—3 km 高度。因此，中國(guó)北部大范圍橫向沙塵帶在垂向上所在高度為1—3 km。

圖4 氣溶膠類(lèi)型垂向分布圖（0=未確定，1=清潔海洋型，2=沙塵，3=污染大陸型，4=清潔大陸型，5=污染沙塵型，6=抬升煙塵型，7=沙塵海洋型）Fig.4 Vertical distribution of various types of aerosols（0=Not Determined，1=Clean Marine，2=Dust，3=Polluted Continental/Smoke，4=Clean Continental，5=Polluted Dust，6=Elevated Smoke，7=Dusty Marine）

16 日03、04 時(shí)，大量的沙塵和少量污染沙塵分布在蒙古國(guó)中部南至內(nèi)蒙古中部上空5—12 km高度。陜西至四川北部的1—4 km 高度上有沙塵和污染沙塵，四川南部與云南、貴州交接處3—5 km 高度有污染沙塵、抬升煙塵與清潔大陸型氣溶膠。這說(shuō)沙塵在輸送過(guò)程中與人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠混合，給下游地區(qū)帶來(lái)了雙重污染。16日14、15時(shí)，蒙古國(guó)中部和內(nèi)蒙古自治區(qū)中部無(wú)高空沙塵，推測(cè)該處的高空沙塵已通過(guò)對(duì)流層中高層氣流運(yùn)動(dòng)輸送至其他區(qū)域。新疆維吾爾自治區(qū)中部和蒙古國(guó)中部的沙塵分布在1—3 km。值得注意的是，此時(shí)內(nèi)蒙古上空僅存在少量沙塵，這表明蒙古國(guó)中部沙塵的南向輸送減弱。17 日02 時(shí)、03 時(shí)，蒙古國(guó)僅北部有少量沙塵，青海上空3—10 km有稀疏的沙塵、污染沙塵。黑龍江黑河0—3 km、3—6 km分別為污染沙塵和大量沙塵氣溶膠。吉林、遼寧、渤黃海沿岸海域上空3—10 km高度有大量沙塵。渤黃海沿岸海域近地面有沙塵和沙塵海洋型氣溶膠。浙江沿海區(qū)域2—5 km存在沙塵和抬升煙塵型氣溶膠。

綜合15日至17日的VFM 影像可以得出：此次沙塵天氣垂向輸送高度較高，主要集中在對(duì)流層低層1—3 km 和對(duì)流層中高層3—10 km。15 日中午中國(guó)北部橫向強(qiáng)沙塵帶主要位于1—3 km 高度。16 日、17 日內(nèi)蒙古自治區(qū)中部與東北地區(qū)、渤黃海近岸海域出現(xiàn)了對(duì)流層中高層沙塵。沙塵輸送下游地區(qū)容易受到沙塵和人為污染物的混合污染。近年來(lái)中國(guó)京津風(fēng)沙源治理、三北防護(hù)林建設(shè)等重點(diǎn)生態(tài)工程通過(guò)植被根系固沙蓄水功能取得了顯著的防沙治沙效果，但生態(tài)防護(hù)工程以減少局地?fù)P沙為主，無(wú)法攔截此次沙塵天氣中懸浮于大氣中的沙塵（黃麟 等，2018）。

3.3 沙塵傳輸路徑分析

單純依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)無(wú)法對(duì)不同高度沙塵的來(lái)源與輸送路徑等關(guān)鍵信息做出可靠判斷。因此，本文依據(jù)蒙古國(guó)及中國(guó)沙源地所在位置設(shè)置了7個(gè)沙塵源地氣團(tuán)前向軌跡模擬點(diǎn)，根據(jù)多源衛(wèi)星影像和PM10數(shù)據(jù)顯示的沙塵所在經(jīng)緯度設(shè)置了11 個(gè)具有代表性的非沙源地后向軌跡模擬點(diǎn)，利用HYSPLIT 的氣團(tuán)前向、后向軌跡模式和軌跡聚類(lèi)的方法，從沙源地起沙情況和非沙源地受哪些沙塵源區(qū)影響兩方面對(duì)沙塵的移動(dòng)路徑進(jìn)行了細(xì)致分析。因與沙塵有關(guān)的氣溶膠在1—3 km 和3—10 km高度均有出現(xiàn)，本文將非沙塵源地后向軌跡模擬高度設(shè)置為3 km，將沙塵源地前向軌跡模擬高度設(shè)置為500 m、3 km。

3.3.1 沙塵源地前向軌跡

強(qiáng)風(fēng)與裸露的沙塵源是造成沙塵天氣的必要條件。本文通過(guò)對(duì)14 日至17 日內(nèi)沙塵源地每天500 m、3000 m 高度氣團(tuán)的前向24 h 軌跡模擬和聚類(lèi)分析，初步判斷該地起沙強(qiáng)度以及沙塵外輸?shù)目赡芊较蚺c高度。結(jié)果如圖5所示，氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡越長(zhǎng)，說(shuō)明其移動(dòng)速度越快。軌跡的不同線(xiàn)型代表該方向軌跡聚類(lèi)的不同占比，其顏色則指示著氣團(tuán)所處高度。

圖5 沙塵源地氣團(tuán)前向軌跡模擬Fig.5 Forward trajectories of air masses at dust sources

14 日，強(qiáng)烈的蒙古氣旋和強(qiáng)冷平流使得蒙古沙源地刮起西北大風(fēng)（楊曉軍 等，2021）。后向軌跡顯示西北大風(fēng)吹起蒙古國(guó)中西部沙塵并向中國(guó)境內(nèi)輸送，直接影響內(nèi)蒙古、河北、山西等地。西南風(fēng)將蒙古國(guó)中東部與內(nèi)蒙古中部的沙塵向上揚(yáng)起至對(duì)流層中高層，并向東輸送影響中國(guó)東北地區(qū)西北部。15 日，不穩(wěn)定層結(jié)導(dǎo)致沙塵通過(guò)湍流向上交換（關(guān)良 等，2021），蒙古國(guó)中西部的地表沙塵被抬升至對(duì)流層中高層后被西北氣流輸送至中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)上空。蒙古國(guó)中東部的地表沙塵在北風(fēng)作用下向內(nèi)蒙古中部移動(dòng)。內(nèi)蒙古西部的14、15 日的500 m 氣團(tuán)前向軌跡表明，該處起沙風(fēng)力相對(duì)較弱，沙塵主要影響本地及寧夏、陜西北部。內(nèi)蒙古西部在15 日的3 km 氣團(tuán)前向軌跡說(shuō)明，蒙古國(guó)中部的沙塵在抵達(dá)內(nèi)蒙古西部后能繼續(xù)向南影響陜西、山西地區(qū)。因此，VFM 影像中16 日03 時(shí)內(nèi)蒙古中部及陜西北部的高空沙塵為15 日蒙古國(guó)中部高空沙塵的南下輸送所致。內(nèi)蒙古中東部的氣團(tuán)軌跡表明蒙古國(guó)高空沙塵經(jīng)過(guò)內(nèi)蒙古影響東北地區(qū)，內(nèi)蒙古東部的部分起沙向南輸送影響河北北部。新疆維吾爾自治區(qū)中部在14日至15日持續(xù)起沙，沙塵除影響本地外可能通過(guò)對(duì)流層中高層輸送到內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、甘肅中部。由14、15 日的前向軌跡分析可知：造成15 日中午中國(guó)北方橫向強(qiáng)沙塵帶的沙塵主要來(lái)自蒙古國(guó)中部，大風(fēng)途經(jīng)的內(nèi)蒙古中部沙源地應(yīng)也為貢獻(xiàn)了部分沙塵。

16 日，蒙古氣旋均開(kāi)始減弱并緩慢東移（關(guān)良 等，2021）。蒙古國(guó)中部起沙減弱且無(wú)南向輸送，17 日起高空沙塵向東影響內(nèi)蒙古中東部和東北地區(qū)。內(nèi)蒙古自治區(qū)西部在16 至17 日的地表起沙逐漸減弱、僅影響本地，對(duì)流層中高層沙塵會(huì)向東輸送影響河北北部。16 日至17 日新疆維吾爾自治區(qū)中部的風(fēng)力增大，起沙增強(qiáng)。南疆沙塵向上揚(yáng)起并通過(guò)對(duì)流層中高層向東輸送影響甘肅中部、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、蒙古國(guó)西南部。16 日至17 日青海北部地表沙塵被抬升，部分向東輸送至甘肅、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部。因此，17 日VFM 影像中東北地區(qū)的高空沙塵來(lái)自蒙古國(guó)中部，青海地區(qū)的高空沙塵則源于本地。16 日、17 日的前向軌跡分析表明：在此階段蒙古國(guó)起沙減弱且無(wú)南向輸送，16 日至18 日的沙塵應(yīng)主要源自新疆維吾爾自治區(qū)中部、內(nèi)蒙古中西部，蒙古國(guó)中部?jī)H貢獻(xiàn)了部分對(duì)流層中高層沙塵。

3.3.2 非沙塵源地后向軌跡

衛(wèi)星影像和PM10濃度數(shù)據(jù)均顯示中國(guó)中南部省市以及渤黃海近岸海域等距沙源地較遠(yuǎn)地區(qū)也受到了沙塵天氣的影響，但僅通過(guò)沙源地氣團(tuán)前向軌跡分析無(wú)法推測(cè)其沙塵源自何處。所以本文對(duì)11個(gè)非沙塵源地在14日14時(shí)至15日14時(shí)、15日14 時(shí)至16 日14 時(shí)、16 日14 時(shí)至17 日14 時(shí)的3 km高度氣團(tuán)進(jìn)行了后向24 h 軌跡的模擬及聚類(lèi)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 非沙塵源地氣團(tuán)后向軌跡模擬Fig.6 Backward trajectories of air masses in non-dust-source regions

根據(jù)14 日14 時(shí)至15 日14 時(shí)的后向軌跡可知，沙塵自蒙古國(guó)中部南下，經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)中部影響北京、河北北部以及東北地區(qū)西北部。新疆維吾爾自治區(qū)中部的沙塵向東經(jīng)甘肅河西走廊或經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵源區(qū)向南至陜西南部。這與沙塵源地前向軌跡分析結(jié)果一致。河南、黃海的后向軌跡表明內(nèi)蒙古西部上空的沙塵應(yīng)向東經(jīng)陜西、山西而影響河南，向東經(jīng)陜西、山東到達(dá)黃海。浙江的后向軌跡表明山東、江蘇的沙塵能繼續(xù)向南影響浙江。

15 日14 時(shí)至16 日14 時(shí)的后向軌跡顯示，蒙古國(guó)中部對(duì)流層中高層沙塵向東南輸送至京津冀地區(qū)、吉林和黃海近岸海域上空。內(nèi)蒙古西部的沙塵向東南輸送經(jīng)寧夏、陜西、山西后向河南、湖北、江蘇等華東、華中地區(qū)輸送。寧夏上空的對(duì)流層中高空沙塵向南抵達(dá)四川北部。從16 日14 時(shí)至17 日14 時(shí)的后向軌跡可以得出，華北、華中、華東地區(qū)受偏南風(fēng)影響出現(xiàn)沙塵回流現(xiàn)象。衛(wèi)星影像在17 日中午監(jiān)測(cè)到的河北中部的輕度沙塵應(yīng)為西南風(fēng)作用下回流的沙塵（關(guān)良 等，2021）。

總結(jié)前向、后向軌跡分析可知：14、15 日的沙塵主要來(lái)自蒙古國(guó)中部。在16 日至18 日，蒙古國(guó)中部沙塵南輸減弱，新疆維吾爾自治區(qū)中部和內(nèi)蒙古西部經(jīng)過(guò)前兩日的起沙積累貢獻(xiàn)了影響此階段的大部分沙塵。沙塵的傳輸路徑主要分為3 支：西北路為自蒙古國(guó)中東部向東，經(jīng)內(nèi)蒙古中東部，影響東北地區(qū)北部；北路為自蒙古國(guó)中部向南經(jīng)內(nèi)蒙古中西部后、或自?xún)?nèi)蒙古中西部，向南輸送至華北、西北地區(qū)東北部后，繼續(xù)向東南移動(dòng)至華中北部、華東北部、渤黃海近岸海域；西路為自新疆維吾爾自治區(qū)中部向東至內(nèi)蒙古西、甘肅中部、寧夏后向東南擴(kuò)散。

4 結(jié)論

2021 年3 月中旬的沙塵天氣具有時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。本文將衛(wèi)星數(shù)據(jù)和PM10數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)沙塵天氣過(guò)程進(jìn)行了水平、垂直兩個(gè)方向的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)HYSPLIT 前向、后向軌跡聚類(lèi)分析了沙塵的來(lái)源與傳輸路徑，主要得出以下結(jié)論：

（1）此次沙塵天氣過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，第一階段為14日至15日。14日、15日蒙古國(guó)中部強(qiáng)烈起沙，中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部、甘肅中部、寧夏、陜西北部、陜西北部、河北以及吉林、遼寧西北部、黑龍江西北部出現(xiàn)沙塵暴天氣。第二階段為16 日至18 日。此階段內(nèi)中國(guó)北部強(qiáng)沙塵覆蓋范圍向西縮減，僅內(nèi)蒙古自治區(qū)西部與甘肅中部的強(qiáng)沙塵天氣仍在持續(xù)。新疆維吾爾自治區(qū)中部現(xiàn)大面積沙塵暴。華中、華東部分省市及渤黃海海域受到沙塵東南輸送的影響。18 日沙塵天氣趨于結(jié)束。

（2）此次沙塵天氣的沙源地復(fù)雜，蒙古國(guó)中部是造成中國(guó)14 日、15 日北部地區(qū)強(qiáng)沙塵天氣的主要沙塵源地，中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)中部、內(nèi)蒙古中西部則對(duì)16 日至18 日的沙塵貢獻(xiàn)更多。沙塵的傳輸路徑主要分為西北路、西路、北路3 支，對(duì)中國(guó)20 個(gè)省市和渤黃海近岸海域造成影響。沙塵輸送下游地區(qū)出現(xiàn)的沙塵混合污染和沙塵回流現(xiàn)象要求我們?cè)谏硥m天氣監(jiān)測(cè)工作中還應(yīng)密切監(jiān)測(cè)下游地區(qū)的受影響狀況。

（3）沙塵天氣在垂向上包含了對(duì)流層低層（1—3 km）、對(duì)流層中高層（3—10 km）的沙塵輸送。中國(guó)“三北防護(hù)林”等生態(tài)建設(shè)工程無(wú)法攔截懸浮在大氣的沙塵，加強(qiáng)和蒙古國(guó)的風(fēng)沙災(zāi)害防治國(guó)際合作尤為必要。

HYSPLIT模式主要從氣流運(yùn)動(dòng)角度體現(xiàn)沙塵傳輸路徑，沒(méi)有考慮不同沙塵源地的地表起沙活躍程度的差異性，無(wú)法定量比較不同沙源地的貢獻(xiàn)。因此今后將從多源遙感數(shù)據(jù)與WRF、CMAQ等耦合沙塵起沙模塊的數(shù)值模式相結(jié)合入手（Ma 等，2019），提高沙塵天氣的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和預(yù)報(bào)水平。

志 謝感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）提供的沙地類(lèi)型數(shù)據(jù)，感謝天津科技大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目的支持。