塔克拉瑪干沙漠熱力浮塵天氣特征初步研究

鞏 慶，馬明杰，蔣聚金，楊興華，4*，王文彪，崔正南

（1.塔中氣象站，新疆 且末 841900；2.新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學觀測研究站，新疆 庫爾勒 841000；3.巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市人工影響天氣辦公室，新疆 庫爾勒 841000；4.山西師范大學地理科學學院，山西 太原 030000；5.億利資源集團有限公司，北京 100026）

沙塵天氣是干旱—半干旱地區(qū)常見的災害性天氣之一[1]。根據(jù)能見度和風速等氣象條件，沙塵天氣又被分為沙塵暴、揚沙和浮塵[1-2]。全球沙塵天氣高發(fā)區(qū)主要分布于北非、澳大利亞、北美和中亞[3]，我國沙塵天氣高發(fā)區(qū)主要分布在塔克拉瑪干沙漠、巴丹吉林沙漠和河西走廊等地區(qū)[4]。沙塵天氣可導致大量土壤粒子進入大氣中，對區(qū)域或全球氣候、生態(tài)環(huán)境、人類健康和社會經(jīng)濟等產(chǎn)生重大影響[5-9]。

浮塵天氣發(fā)生頻次遠高于沙塵暴和揚沙[4]，可導致大量沙塵氣溶膠持久滯空，是沙塵氣溶膠與全球變化研究中的重要環(huán)節(jié)[10-11]。如塔里木盆地南緣和田地區(qū)的年均浮塵日數(shù)可達230.0 d，為沙塵暴和揚沙天氣的兩倍之多[10-11，12-14]。浮塵天氣形成原因是大量的沙塵粒子被輸送至大氣中后，較細的沙塵粒子滯留空中，導致大氣能見度低于10.0 km[1]。研究表明，地表沙塵粒子進入大氣的方式主要有動力起沙和熱力起沙兩種機制[15-16]。動力起沙以風力驅(qū)動為主，天氣現(xiàn)象可表現(xiàn)為沙塵暴或揚沙；熱力起沙即地表熱對流將細小的沙塵粒子抬升至大氣中，天氣現(xiàn)象多表現(xiàn)為晴天，肉眼難以直接觀測到起沙過程[15-16]。本研究中，將沙塵氣溶膠源于動力起沙，即沙塵暴或揚沙天氣發(fā)生之后出現(xiàn)的浮塵天氣定義為動力浮塵天氣；將沙塵氣溶膠源于熱力起沙的浮塵天氣定義為熱力浮塵天氣。當前，塔里木盆地浮塵天氣的研究主要集中在浮塵天氣的氣候特征[10-11，17-18]，浮塵天氣氣溶膠粒子譜與濃度分布[19-21]，浮塵天氣形成的影響因子[22]及其對天氣與氣候[23-24]、生態(tài)環(huán)境[25]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[17]、空氣質(zhì)量[26]及人類健康[27]的影響等方面。上述研究均圍繞動力浮塵天氣開展，熱力浮塵天氣雖然在觀測中常被發(fā)現(xiàn)，但是并未引起足夠的關(guān)注。關(guān)于其發(fā)生特征、形成過程及形成機制等方面的研究鮮有報道，不利于人們對沙塵氣溶膠進入大氣后運動軌跡的把握，限制了人們對于浮塵天氣的全面認識與理解，更限制了對該種災害性天氣預報預警工作的開展。本研究以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中為研究區(qū)，利用氣象站觀測記錄數(shù)據(jù)，初步解析熱力浮塵天氣過程地面氣象要素變化及熱力浮塵天氣月變化、日變化及持續(xù)時間等，為進一步認識、研究熱力浮塵天氣提供參考，為熱力浮塵天氣的預報預警提供支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠氣候干旱、植被稀少，85.0%以上的地區(qū)為流沙地表；土壤以風沙土為主[28]。塔克拉瑪干沙漠年均沙塵天氣日數(shù)達105.0 d 以上，是我國沙塵天氣的高發(fā)中心之一[29]。研究區(qū)塔中位于塔克拉瑪干沙漠腹地（圖1），下墊面裸露，地貌以縱向沙壟與壟間地相間分布為主；地表土壤的粒徑集中分布在63.0～250 μm；年均氣溫約為11.7 ℃，年均降水約27.6 mm，年均蒸發(fā)量達3 741.8 mm，年均風速約為2.2 m/s；研究區(qū)年平均沙塵暴、揚沙和浮塵天氣日數(shù)分別為17.0、68.0 和122.0 d，主要發(fā)生在春、夏兩季[30]。

圖1 塔克拉瑪干沙漠及研究區(qū)塔中位置

1.2 資料與方法

浮塵天氣的記錄來自塔中氣象站2005 年1月—2011 年12 月天氣現(xiàn)象記錄（塔中氣象站2012年1 月1 日以后夜間不再記錄天氣現(xiàn)象起止時間），包括浮塵天氣發(fā)生日數(shù)、發(fā)生及結(jié)束時間等；地面氣象要素包括氣溫、氣壓、水汽壓和風速，來自塔中氣象站記錄的小時地面常規(guī)氣象觀測資料。氣象觀測規(guī)范中以20：00 作為每日分界線[2]，本研究中選取24：00 為每日分界線；每日中出現(xiàn)一次或多次浮塵天氣現(xiàn)象均記為一個浮塵日。由于熱力浮塵天氣尚未有明確的界定標準，根據(jù)研究區(qū)沙塵天氣持續(xù)時間及低空急流研究成果[11，31-32]，本研究規(guī)定：當某次浮塵天氣發(fā)生前3 d 為晴天或無沙塵天氣，且期間風速均＜6.0 m/s 時，同時若羌和且末站無沙塵天氣發(fā)生，該次浮塵天氣可被認定為一次熱力浮塵天氣。限定晴天或無沙塵天氣時間是為了排除沙塵暴或揚沙天氣的影響；限定風速＜6.0 m/s（研究區(qū)10.0 m 高度起沙風速）是為了排除無沙塵暴或揚沙天氣時陣性起沙的影響；限定若羌和且末站無沙塵天氣是為了排除低空急流將該區(qū)域大氣中的沙塵輸送至研究區(qū)，然后沉降而形成浮塵天氣。PM10濃度由美國TEOM1400a 大氣顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀測量，儀器采樣流量為16.17 L/min，觀測高度為3.0 m，數(shù)據(jù)采集頻率為5.0 min 一組，文中將其平均為1.0 h 值，對于PM10值為負數(shù)及大于20 000.0 μg/m3的異常數(shù)據(jù)進行剔除。

2 結(jié)果分析

2.1 地面氣象要素變化

圖2 為2009 年6 月24—25 日一次熱力浮塵天氣過程前后氣溫、氣壓、水汽壓、風速和PM10的變化。本次浮塵天氣發(fā)生時段為2009 年6 月24 日23：50—6 月25 日16：04，共計974.0 min。2009 年6月20 日00 時至浮塵天氣發(fā)生前，研究區(qū)無沙塵天氣發(fā)生，均為晴天或多云天氣，且風速維持在較低水平，最大風速僅為5.5 m/s。相對應的PM10濃度也維持在較低水平，92.7%的PM10濃度值＜500.0 μg/m3，均值為249.7 μg/m3。本次浮塵天氣期間，氣溫呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。最高氣溫由6 月20 日的33.6 ℃持續(xù)升高至6 月24 日的38.9 °C，溫差為5.3 ℃；浮塵天氣發(fā)生后，6 月25 日最高氣溫略下降，為38.5 ℃，仍高于6 月20—23 日的最高氣溫。與氣溫變化趨勢相反，氣壓呈顯著的下降趨勢。最高氣壓由6 月20日的886.9 hPa 持續(xù)下降至6 月24 日的881.3 hPa，氣壓差為5.6 hPa；浮塵天氣發(fā)生后，6 月25 日最高氣壓略微上升，為882.6 hPa，仍低于6 月20—23 日的最高氣壓。浮塵天氣發(fā)生后，風速仍然維持在較低水平，直至浮塵天氣結(jié)束，均在4.0 m/s 以下。PM10濃度隨著浮塵天氣的發(fā)生迅速升高，最大值約為1 471.9 μg/m3；浮塵天氣結(jié)束后PM10濃度值迅速下降，但仍然顯著高于發(fā)生前的濃度值，說明大氣中仍有大量沙塵粒子滯留。

圖2 2009 年6 月25 日熱力浮塵天氣過程地面氣象要素變化

圖3 為2009 年5 月19—22 日一次動力浮塵天氣過程前后氣溫、氣壓、水汽壓、風速和PM10的變化。本次浮塵天氣發(fā)生時段為2009 年5 月20 日21：21—5 月21 日10：33，5 月21 日14：40—5 月22日09：43，共計1 935.0 min。2009 年5 月19 日00：00—20 日01：52 研究區(qū)以晴天為主，20 日01：53—21：20為沙塵暴和揚沙天氣。與熱力浮塵天氣不同的是氣溫和氣壓在沙塵暴天氣發(fā)生時存在顯著的轉(zhuǎn)折點，如氣溫在沙塵暴天氣發(fā)生后總體呈下降趨勢，氣壓則呈持續(xù)上升趨勢，浮塵天氣過程中氣溫和氣壓的變化趨勢基本不變。水汽壓、風速和PM10濃度則經(jīng)歷了晴天到沙塵暴、揚沙天氣持續(xù)上升，然后到浮塵天氣又持續(xù)下降的變化趨勢。在動力浮塵天氣發(fā)生期間，PM10濃度均維持在1 000.0～3 000.0 μg/m3，顯著高于熱力浮塵天氣。究其原因，動力起沙過程中起沙量可達100.0 μg/m2·s-1，而熱力起沙過程中起沙量基本上維持在30.0 μg/m2·s-1以下，且起沙時長小[16]。

圖3 2009 年5 月21 日動力浮塵天氣過程地面氣象要素變化

2.2 熱力浮塵天氣月變化

圖4 為研究區(qū)熱力和動力浮塵天氣發(fā)生頻率的月變化。熱力浮塵天氣僅出現(xiàn)在5—9 月，最大值出現(xiàn)在6 月，占47.1%；其次為7 和8 月，分別占23.5%和17.6%；5 和9 月均僅占5.9%。88.2%的熱力浮塵天氣發(fā)生在夏季，春、秋季次之，冬季無熱力浮塵天氣。熱力起沙主要受地表感熱通量的影響，感熱通量越大，越利于起沙的發(fā)生[16]。研究區(qū)夏季太陽輻射較強，感熱通量最大，最利于熱力起沙的發(fā)生[16，33]。研究表明，熱力起沙過程向大氣中貢獻的沙塵氣溶膠量可占到全部起沙量的27.0%左右[34]。持續(xù)的熱力起沙，可使大量細小的沙塵粒子被輸送至大氣中，有利于浮塵天氣的形成。相比于熱力浮塵天氣，動力浮塵天氣在一年中的任何月份均可發(fā)生。最大值出現(xiàn)在5 月，為13.8%；最小值出現(xiàn)在12 月，為2.3%。從季節(jié)分布看，動力浮塵發(fā)生頻次從高到低依次為春季、夏季、秋季和冬季，它們分別占到總發(fā)生次數(shù)的38.6%、32.3%、17.5%和11.6%。動力浮塵天氣，作為沙塵暴或揚沙天氣的延續(xù)，其月變化和季節(jié)變化與沙塵暴或揚沙天氣基本一致[30]。

圖4 熱力和動力浮塵天氣出現(xiàn)頻率的月變化

2.3 熱力浮塵日變化

圖5 為熱力和動力浮塵天氣出現(xiàn)頻率日變化。除02：00—03：00、04：00—05：00、08：00—10：00 和11：00—21：00 外，其他時刻均有熱力浮塵天氣發(fā)生。其中，92.9%的熱力浮塵天氣發(fā)生在夜間（20：00—08：00），白天（08：00—20：00）僅占7.1%。最大值出現(xiàn)在03：00—04：00，占21.4%，其次為00：00—01：00 和05：00—06：00，均占14.3%。動力浮塵天氣全天均可出現(xiàn)，但高值均出現(xiàn)在夜間。動力浮塵天氣發(fā)生在夜間（20：00—08：00）的比重為72.6%，白天（08：00—20：00）發(fā)生比重為27.4%。最高值出現(xiàn)在00：00—01：00，為14.2%，其次為01：00—20：00，占11.9%。雖然沙塵氣溶膠源自不同的起沙過程，但是熱力和動力浮塵天氣的高發(fā)時段均出現(xiàn)在夜間，表明其形成條件存在一定的共性。李曉嵐等[16]在科爾沁沙地的觀測結(jié)果表明熱力起沙通量變化與感熱通量在日變化和月變化上均有很好的一致性。研究區(qū)感熱通量日變化呈現(xiàn)顯著的單峰分布，最大值出現(xiàn)在北京時間16：00，最小值出現(xiàn)在22：00[33]。熱力浮塵出現(xiàn)的峰值顯著滯后于感熱通量的峰值，究其原因，感熱通量到達峰值時熱力起沙也處于較強過程，大氣對流運動強烈，沙塵氣溶膠仍以上升運動為主；夜間感熱通量降低至最小值后，大氣對流運動減弱，沙塵粒子以沉降運動為主，通過一段時間的沉降，積累至近地面，形成浮塵天氣。研究區(qū)近地層PM10日變化與感熱通量日變化具有較好的一致性[35]，可在一定程度上佐證上述分析結(jié)果。大氣邊界層結(jié)構(gòu)對于熱力和動力浮塵天氣的形成及維持具有重要影響。與晴天相比，研究區(qū)浮塵天氣夜間低空急流較弱，夜間大氣邊界層平均風速較小，大氣濕度卻更大（浮塵日為6.4 g/kg，晴日為4.7 g/kg），邊界層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[32，36]。對比動力浮塵天氣，熱力浮塵天氣出現(xiàn)的時間更加集中，同時，白天發(fā)生頻率更低，表明其形成條件比動力浮塵天氣更加復雜。

圖5 熱力和動力浮塵天氣出現(xiàn)頻率的日變化

2.4 熱力浮塵持續(xù)時長

圖6 為熱力和動力浮塵天氣持續(xù)時長的累積百分比。熱力浮塵天氣持續(xù)時長均小于1 440.0 min，即持續(xù)時長均＜1.0 d。熱力浮塵天氣最長持續(xù)時長為1 120.0 min，最短僅為175.0 min，平均為598.5 min；持續(xù)時長≤720.0 min 的占73.3%左右，持續(xù)時長≤1 000.0 min 的占93.3%。動力浮塵天氣持續(xù)時長可達13 523.0 min，接近10 d，為熱力浮塵天氣持續(xù)時長的10 倍多；最小為60.0 min，平均為1 522.9 min，為熱力浮塵天氣的2.5 倍左右，動力浮塵天氣持續(xù)時長≤720.0 min 的僅占43.1%左右，持續(xù)時長≤1 440.0 min 的占67.0%，持續(xù)時長≤2 880.0 min 的占86.9%，即研究區(qū)絕大部分動力浮塵天氣維持時長≤2.0 d。上述結(jié)果表明研究區(qū)動力浮塵天氣發(fā)生、維持的條件比熱力浮塵天氣更具有優(yōu)勢。

圖6 熱力和動力浮塵天氣持續(xù)時長累積百分比

3 討論

前期關(guān)于熱力浮塵天氣的研究工作開展較少，人們對其認識尚淺。如熱力浮塵天氣在不同沙漠區(qū)域的發(fā)生特征，包括時空演變規(guī)律等尚不清楚，表明熱力浮塵天氣的研究尚處于起步階段，未引起相關(guān)學者的廣泛關(guān)注；熱力浮塵天氣的具體發(fā)生過程與機制尚不完全清楚，雖然前期研究表明熱力起沙過程是大氣中沙塵氣溶膠的重要貢獻者[16，31]，然而熱力起沙的強度（持續(xù)時長、沙塵氣溶膠輸送量）與浮塵天氣形成之間的關(guān)系仍然是未知數(shù)；另外，熱力起沙向大氣中輸送的沙塵氣溶膠存在沉降和輸送過程，如塔克拉瑪干沙漠出現(xiàn)低空急流發(fā)生頻率在71.0%～95.0%[37-38]，低空急流有助于沙塵氣溶膠的傳輸與擴散，抑制熱力浮塵天氣的發(fā)生，什么樣的氣象條件才能使大量沙塵氣溶膠滯留在大氣中，進而形成浮塵天氣等科學問題均需深入研究；由于缺乏前期研究基礎(chǔ)的支撐，熱力浮塵天氣的判定條件仍不像動力浮塵天氣那樣清晰，如何科學、合理地制定一套熱力浮塵天氣的判定標準仍然是較大的挑戰(zhàn)。另外，如何根據(jù)現(xiàn)有觀測資料與觀測手段開展熱力浮塵天氣的預報預警工作，進而服務社會生產(chǎn)與生活也是學者們需要關(guān)注的問題。

4 結(jié)論

利用氣象站常規(guī)地面觀測資料，配合PM10濃度觀測資料，統(tǒng)計分析了熱力浮塵天氣發(fā)生過程地面氣象要素的變化特點、月和日變化及持續(xù)時長等特征，并與動力浮塵天氣進行了初步比較，結(jié)果表明：

（1）熱力浮塵天氣發(fā)生時，地面氣象要素存在明顯的轉(zhuǎn)折點，而動力浮塵天氣的地面氣象要素延續(xù)了沙塵暴或揚沙天氣的特點；由于風速維持在較低水平，熱力浮塵天氣發(fā)生前PM10濃度基本上維持在≤500.0 μg/m3的水平，顯著低于動力浮塵天氣；熱力浮塵天氣過程中，氣溫呈現(xiàn)顯著的上升趨勢；氣壓呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。

（2）月變化方面，熱力浮塵天氣僅出現(xiàn)在5—9月，最大值出現(xiàn)在6 月，占47.1%；其次為7 和8 月，分別占比23.5%和17.6%。日變化方面，92.9%的熱力浮塵天氣發(fā)生在夜間（20：00—08：00）。最大值出現(xiàn)在03：00—04：00，占21.4%。

（3）熱力浮塵天氣持續(xù)時長均＜1.0 d，最長持續(xù)時長為1 120.0 min，最短僅為175.0 min，平均為598.5 min；73.3%的熱力浮塵天氣持續(xù)時長≤720.0 min，93.3%的持續(xù)時長≤1 000.0 min。