蘭州市一次持續(xù)重污染過(guò)程的氣象條件分析

葉燕華,張 寧*,王基鑫,甘澤文,田祎楠

蘭州市一次持續(xù)重污染過(guò)程的氣象條件分析

葉燕華1,張 寧1*,王基鑫2,甘澤文1,田祎楠1

(1.蘭州市氣象局,甘肅 蘭州 730020；2.蘭州中心氣象臺(tái),甘肅 蘭州 730020)

利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、PM10濃度資料及ERA-5再分析資料,對(duì)2021年3月14～21日蘭州地區(qū)一次持續(xù)性重污染過(guò)程進(jìn)行分析,結(jié)果表明:此次蘭州重污染過(guò)程主要污染物為PM10,主要來(lái)源是輸入性沙塵,上游甘肅河西西部、內(nèi)蒙古西部及蒙古中部在13日傍晚到夜間、14～15日及19日清晨有3個(gè)起沙過(guò)程;連續(xù)3次沙塵輸入以及本地沉降緩慢是重污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的主要原因.沙塵的輸送路徑主要是河套-寧夏-蘭州及阿拉善-寧夏南部-蘭州;輸送高度主要在1.5～3km.上游白銀、中衛(wèi)的地面風(fēng)速增大可以預(yù)報(bào)蘭州市沙塵天氣的減弱,下沉對(duì)流能的突變可以預(yù)報(bào)蘭州市PM10濃度的增加,混合層厚度大值中心的位置和移動(dòng)方向可以指示沙塵輸送的方向.

重污染過(guò)程；持續(xù)性沙塵天氣；沙塵輸送；混合層厚度；穩(wěn)定度指數(shù)

蘭州市是西北地區(qū)重要的城市之一,是工業(yè)基地和綜合交通樞紐、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心節(jié)點(diǎn)城市,作為甘肅省的省會(huì)城市,蘭州市的大氣環(huán)境問題歷來(lái)受到重視.隨著近年來(lái),城市建設(shè)的高速發(fā)展以及藍(lán)天工程的逐步推進(jìn),生態(tài)環(huán)境服務(wù)的需求逐漸增長(zhǎng),預(yù)報(bào)質(zhì)量要求逐漸提高.蘭州市較重的空氣污染主要出現(xiàn)在11月～次年4月,春季的沙塵天氣對(duì)空氣污染有重要影響[1-2].蘭州市距沙塵天氣易發(fā)區(qū)相對(duì)較近,其西北方向的巴丹吉林沙漠、北方的騰格里沙漠、東北方向的烏蘭布和沙漠、庫(kù)布比沙漠及毛烏素沙地等均可能成為沙塵粒子的來(lái)源[3-5],沙塵輸送路徑及在本地的堆積過(guò)程是日常沙塵天氣預(yù)報(bào)中的難點(diǎn).

目前,針對(duì)我國(guó)沙塵天氣氣候規(guī)律的統(tǒng)計(jì)研究較為廣泛[6-8],這些研究為預(yù)報(bào)員準(zhǔn)確預(yù)報(bào)沙塵天氣提供了有利的背景知識(shí).同時(shí),對(duì)典型沙塵暴天氣過(guò)程的天氣學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及物理量特征分析方面的研究有很多[9-14],為預(yù)報(bào)員認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)沙塵天氣積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn).在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)實(shí)踐中,預(yù)報(bào)員通過(guò)分析氣候背景特征,前期降水情況,地表熱力狀況以及短期內(nèi)天氣的影響系統(tǒng),結(jié)合沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和個(gè)人預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)沙源區(qū)出現(xiàn)的沙塵天氣[14-15].而對(duì)遠(yuǎn)離沙源區(qū)的由遠(yuǎn)距離輸送引起的沙塵天氣,預(yù)報(bào)難度很大,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低[16-17].雖然業(yè)務(wù)沙塵模式提供了沙塵濃度的預(yù)報(bào)結(jié)果[18],但由于高原地形以及數(shù)值模式本身的局限性,對(duì)蘭州地區(qū)沙塵天氣預(yù)報(bào)的指導(dǎo)作用有限.近年來(lái)有關(guān)沙塵粒子及沙塵氣溶膠的輸送特性研究也有很多[19-22],沙塵在輸送過(guò)程中被抬升到自由對(duì)流層,沙塵粒子主要靠對(duì)流層低層的大風(fēng)長(zhǎng)距離地輸送,輸送到內(nèi)蒙古、甘肅地區(qū)時(shí)沙塵主要分布在2.5～3km高度.這些研究對(duì)北方沙塵天氣的沙塵粒子輸送特征有了較清楚的描述,但主要關(guān)注點(diǎn)為大范圍的、定性的研究;對(duì)于蘭州市的沙塵天氣預(yù)報(bào)而言,上述研究缺乏足夠的定量指標(biāo).

2021年3月14～21日,蘭州市出現(xiàn)了持續(xù)7d的沙塵天氣,有38h達(dá)到沙塵暴,空氣污染等級(jí)達(dá)重度污染,此次沙塵天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、沙塵濃度之大是近年所罕見的.預(yù)報(bào)員對(duì)沙塵天氣的起止時(shí)間預(yù)報(bào)較實(shí)況偏差較大,對(duì)冷空氣和降水天氣對(duì)空氣污染物沉降的影響預(yù)計(jì)過(guò)于樂觀.為了更好地認(rèn)識(shí)蘭州春季持續(xù)性沙塵天氣,更準(zhǔn)確地制作空氣污染氣象條件預(yù)報(bào),有必要對(duì)本次過(guò)程作進(jìn)一步分析研究.本文采用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、蘭州市逐小時(shí)污染物濃度資料及ERA-5逐6h再分析資料,尋找預(yù)報(bào)蘭州沙塵的關(guān)鍵區(qū);利用預(yù)報(bào)員容易獲得的一些物理量,分析可用的、定量化指標(biāo),以期對(duì)今后蘭州市的沙塵天氣預(yù)報(bào)和空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)有所助益.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)“天擎”,為2021年3月13～22日常規(guī)地面和探空觀測(cè)資料,以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF) ERA-5逐6h 1°′1°地表感熱通量、高空溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)分析資料.同期污染物濃度觀測(cè)資料來(lái)自蘭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,其數(shù)據(jù)為主城區(qū)5個(gè)國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)濃度平均值.常規(guī)地面氣象和污染物濃度觀測(cè)資料時(shí)間分辨率為1h,氣象探空觀測(cè)資料時(shí)間分辨率為12h;為便于分析,本文中所用時(shí)間均為北京時(shí)(BTC).

1.2 數(shù)據(jù)處理與方法

由于目前常規(guī)地面觀測(cè)中天氣現(xiàn)象的觀測(cè)判識(shí)為自動(dòng)判識(shí),本次過(guò)程中許多地面天氣現(xiàn)象為霾,不便于進(jìn)行統(tǒng)一分析;因此,本文對(duì)本次沙塵的天氣現(xiàn)象統(tǒng)一使用能見度與環(huán)境監(jiān)測(cè)站的PM10值相結(jié)合的判識(shí)方法,能見度低于10km同時(shí)PM10濃度大于150μg/m3的站點(diǎn)被判定為有浮塵.

本文對(duì)冷空氣活動(dòng)的分析方法為天氣學(xué)形勢(shì)分析方法,對(duì)文中物理量通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)來(lái)分析其與污染物濃度及地面能見度的關(guān)系.

2 結(jié)果與分析

2.1 觀測(cè)實(shí)況及大尺度天氣背景

2.1.1 蘭州市污染物濃度與能見度變化 3月14日凌晨2:00,蘭州市污染濃度迅速上升,同時(shí)地面最低能見度從14.0km驟減為3.9km;凌晨04:00～06:00 PM10濃度達(dá)到峰值,同時(shí)蘭州城區(qū)最小能見度為2.5～2.6km,此后PM10濃度緩慢降低,能見度逐漸轉(zhuǎn)好,14日08:00～20:00為5～6km.14日21:00～15日23:00,PM10濃度基本為中度污染,蘭州能見度7～9km,維持弱浮塵天氣.16日00:00開始,上游沙塵抵達(dá)本地,PM10濃度從238μg/m3驟升至1651μg/m3并在16日04:00達(dá)到峰值3950μg/m3.能見度由7.5km降至0.77km,達(dá)到沙塵暴,最小能見度出現(xiàn)在16日10:00,為537m.蘭州PM10濃度直到17日11:00一直維持3000μg/m3以上,17日13:00～19:00,PM10濃度明顯減小,在1500μg/m3左右,但能見度仍不足2km,浮塵天氣持續(xù).17日20:00～19日凌晨05:00,空氣質(zhì)量維持重污染,19日清晨06:00起,蘭州出現(xiàn)降水,PM10濃度迅速減小,但中午降水趨于結(jié)束時(shí)PM10濃度又開始升高,直至20日凌晨PM10濃度才開始緩慢下降,但蘭州能見度仍不足10km,浮塵天氣持續(xù)至21日01:00;同時(shí)空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為輕度污染.

從圖1可以看出,蘭州市區(qū)PM2.5與PM10濃度變化十分一致,只是濃度值比PM10小很多.從PM2.5與PM10濃度比值來(lái)看,13日白天到夜間,PM2.5與PM10濃度比接近1:2;隨著上游沙塵進(jìn)入蘭州,PM2.5占比迅速減小,14～15日基本在0.3左右;16日凌晨沙塵再次來(lái)襲,PM2.5占比繼續(xù)下降至不足0.2;PM2.5與PM10濃度比的變化正好與濃度值變化相反.據(jù)此,本文把此次蘭州沙塵天氣過(guò)程劃分為3個(gè)階段:14日2:00至15日23:00(S1階段);16日0:00～19日11:00(S2階段);19日12:00～21日1:00(S3階段).其中在17日午后地面風(fēng)速增大,加速沙塵擴(kuò)散;19日清晨至中午有降水,但仍未能徹底清除浮塵.

2.1.2 天氣影響系統(tǒng) 在重污染過(guò)程中,有多次冷空氣活動(dòng)過(guò)程,本文將其分為三個(gè)階段(S1～S3).

S1階段的主要影響系統(tǒng)為短波槽系統(tǒng),13日20:00張掖以東為暖脊,酒泉到張掖風(fēng)速與等溫線交角較大(圖2a); 700hPa酒泉西北風(fēng)均在16m/s以上,張掖東部到武威等溫線密集,短波槽位于內(nèi)蒙西部到武威一線(圖2b);此系統(tǒng)斜壓性較強(qiáng),東移南壓速度快,到14日08:00已基本移出甘肅省.地面天氣系統(tǒng)主要是內(nèi)蒙西部到甘肅中部的熱低壓,13日傍晚到夜間甘肅河西及青海北部地面增壓,導(dǎo)致河西中東部鋒生,地面風(fēng)速增大(圖2c).

圖1 蘭州市區(qū)2021年3月13～21日逐小時(shí)平均PM2.5和PM10濃度演變

圖2 2021年3月13、14、19日環(huán)流形勢(shì)

陰影區(qū)為主要冷平流區(qū)域

S2階段:14～15日500hPa西伯利亞高空槽加深發(fā)展東移,引導(dǎo)冷空氣南下,500hPa冷渦中心516dagpm,貝加爾湖南部的冷中心低于-36℃(圖2d);同時(shí)巴爾喀什湖以西又有低槽發(fā)展,冷空氣補(bǔ)充東移南下,造成蒙古南部到河西北部鋒區(qū)維持(圖2e).16～17日上午,河西中部以東主要為偏西氣流,青海有波動(dòng)?xùn)|移, 17日下午河西有弱冷空氣東移.到19日清晨,高原槽東移,同時(shí)新疆東部有冷槽,冷空氣前鋒與暖濕氣流在內(nèi)蒙西部到甘肅中部一帶交匯,造成降水.從地面天氣系統(tǒng)演變來(lái)看,14日午后地面冷鋒南壓迅速,從14日夜間至15日,冷鋒東北段東移,但西段受高原阻擋,在河西西部維持時(shí)間較長(zhǎng).地面冷高壓和熱低壓均在14日傍晚到夜間發(fā)展到最強(qiáng),冷高壓中心為1045hPa,低壓中心980hPa,兩者相距20個(gè)經(jīng)距,約1500km(圖2f),在冷高壓前部,氣壓梯度達(dá)6.7Pa/km.地面冷高壓于15日白天開始減弱,到20:00,冷高壓中心為1030hPa,最大氣壓梯度3.6Pa/km.在地面系統(tǒng)最強(qiáng)時(shí)段,最大風(fēng)區(qū)域主要在蒙古,甘肅省沙塵以外來(lái)輸入性為主.

S3階段:新疆東部冷槽東移,槽前冷平流較強(qiáng),700hPa河西及內(nèi)蒙西部西北風(fēng)較大,有冷平流;地面冷鋒位于陜西西北部至隴東、祁連山東部,鋒后內(nèi)蒙西部到甘肅河西氣壓梯度較大,內(nèi)蒙西部及甘肅民勤附近出現(xiàn)揚(yáng)沙或沙塵暴(圖2g～i).

2.1.3 大氣熱力狀況演變 大風(fēng)沙塵暴天氣發(fā)生的原因除與前期氣候條件、大型冷暖空氣強(qiáng)度及環(huán)流形勢(shì)有關(guān)外,主要還與近地層空氣熱力穩(wěn)定性及其日變化有關(guān).有研究表明近地層感熱對(duì)沙漠地區(qū)沙塵暴的產(chǎn)生和加強(qiáng)起著重要作用[19],感熱加熱邊界層大氣,增加大氣的不穩(wěn)定性,并影響鋒生的強(qiáng)度及鋒生環(huán)流.所以,分別分析河西西部(38.2°～43°N、92.4°～100°E)、內(nèi)蒙西部(37.3°～43°N、100°～110°E)及蒙古國(guó)中部(43°～50°N、98°～110°E)的高空溫度平流以及地表感熱通量變化(圖3),分析上游大氣熱力狀況的變化,進(jìn)而分析近地層主要的物質(zhì)交換時(shí)間和地點(diǎn).

圖3 2021年3月13～22日河西西部、內(nèi)蒙西部及蒙古國(guó)中部平均溫度平流和感熱通量變化

S1階段,13日下午內(nèi)蒙西部及河西西部的感熱通量明顯大于蒙古中部,同時(shí)河西西部500～ 700hPa都有冷平流,說(shuō)明此時(shí)大氣最不穩(wěn)定區(qū)域主要位于河西西部,與之對(duì)應(yīng)的沙塵天氣區(qū)域主要在河西地區(qū).S2階段,14日午后,蒙古地區(qū)的感熱通量明顯增加,為三個(gè)地區(qū)之冠,高空冷平流也最強(qiáng);15日午后河西及內(nèi)蒙西部感熱通量明顯增加,超過(guò)了蒙古中部,但高空冷平流是河西西部最強(qiáng),總體不穩(wěn)定能量比14日午后蒙古地區(qū)差.S3階段, 19日午后,感熱通量明顯增加主要在河西西部,其次為內(nèi)蒙西部,與之對(duì)應(yīng)時(shí)段的較強(qiáng)冷平流是在內(nèi)蒙西部,所以內(nèi)蒙西部和民勤是主要的起沙地區(qū).

2.2 沙塵輸送特征

從前文的分析可知,本次天氣過(guò)程以S2階段的沙塵輸送為主,在3月14～16日沙塵天氣出現(xiàn)時(shí)間(圖4)可以看出,蘭州此次沙塵天氣過(guò)程的輸送路徑主要是東北-西南走向.因此,對(duì)沙塵的上游輸送條件重點(diǎn)分析河西東部、內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)及寧夏沿黃河地區(qū).那么,氣象要素的演變是否能夠揭示沙塵粒子的輸送過(guò)程？下面就對(duì)本地及上游的一些氣象要素進(jìn)行深入分析.

2.2.1 能見度與地面風(fēng)速 從蘭州及東北方向上游幾個(gè)站的能見度演變可以看出(圖5),這幾個(gè)站均有兩次能見度驟降過(guò)程,在13日夜間、15日白天到夜間以及19日清晨.13日夜間中衛(wèi)出現(xiàn)沙塵時(shí)間比景泰、皋蘭早4h ,比白銀早5h,比蘭州早6h,靖遠(yuǎn)沒有出現(xiàn)浮塵.15日沙塵最早到達(dá)中衛(wèi),其后依次為景泰、靖遠(yuǎn)、皋蘭、白銀、蘭州;中衛(wèi)出現(xiàn)沙塵時(shí)間比景泰早1h,9h后靖遠(yuǎn)、10h后皋蘭、11h后白銀出現(xiàn)沙塵,蘭州市一直維持浮塵天氣,能見度驟降、出現(xiàn)沙塵暴時(shí)間比中衛(wèi)晚15h.17日中午和18日夜間,景泰和靖遠(yuǎn)有明顯的沙塵減弱時(shí)段,對(duì)應(yīng)的地面風(fēng)速靖遠(yuǎn)17日9:00是0.7m/s,17日10:00～13:00增加到2.1～3.6m/s;18日下午由0.6m/s增加到2.0～5.1m/s;景泰17日的地面風(fēng)速變化與最小能見度變化對(duì)應(yīng)不明顯;18日夜間地面風(fēng)速變化與最小能見度變化對(duì)應(yīng)有1～2h的提前量.

圖4 2021年3月14～16日地面沙塵天氣出現(xiàn)時(shí)間

圖5 2021年3月13～21日地面最低能見度對(duì)比

從表1中還可以看出,白銀和景泰的地面風(fēng)速對(duì)其本地能見度有一定的預(yù)報(bào)意義.另外,中衛(wèi)和景泰的地面風(fēng)速與蘭州下一小時(shí)能見度的相關(guān)系數(shù)分別為0.478和0.386,即中衛(wèi)和景泰的地面風(fēng)速增大可以預(yù)報(bào)蘭州市沙塵天氣的減弱.

表1 地面風(fēng)速與最小能見度相關(guān)系數(shù)

2.2.2 輸送路徑上的混合層分析 混合層是在地面行星邊界層中形成的中性層結(jié),在沙塵暴發(fā)生時(shí),往往伴隨深厚的等熵混合層[23].通過(guò)研究混合層厚度變化及其平流過(guò)程,可以追蹤沙塵天氣的輸送路徑和定位沉降地[16].本文根據(jù)Anthes等[24]定義的混合層計(jì)算方法,求取近似等熵的等熵混合層厚度,即從地面向上計(jì)算到500hPa,且取第一個(gè)?υ/?z<1.5K/km的厚度層.

從圖6中可以看出,15日上午在內(nèi)蒙西部及河套地區(qū)有混合層厚度大值中心,這兩個(gè)大值中心在15日白天主要向南移動(dòng),受到地形和高空風(fēng)的影響,河套的中心南壓迅速;由于張掖中層有偏南風(fēng),內(nèi)蒙西部的中心移動(dòng)緩慢,且受祁連山的阻擋而有所增厚.值得注意的是15日甘肅中東部的700hPa均維持較強(qiáng)的偏南風(fēng)(14m/s),與之相對(duì)應(yīng),蘭州附近混合層高度也大約在700hPa,這可能是蘭州沙塵暴出現(xiàn)時(shí)間比寧夏南部晚15h的原因之一.到15日夜間,蘭州混合層高度接近2km,對(duì)應(yīng)高度上的風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西,且風(fēng)速減小至6m/s,沙塵開始沉降,本地迅速出現(xiàn)沙塵暴.

圖6 2021年3月15日混合層厚度演變和700hPa風(fēng)場(chǎng)

箭頭所指為厚度中心移動(dòng)方向,陰影為地面能見度

圖7 混合層厚度演變(站點(diǎn)-時(shí)間剖面)

通過(guò)混合層厚度大值中心及其演變分析可以看出,此次沙塵天氣輸送高度主要在地表以上1.5～3km,這與鄭有飛等[20]、王寧等[22]的研究結(jié)果較為一致.

為了進(jìn)一步研究本地的沙塵輸送路徑,對(duì)沿河套-寧夏-蘭州(東路)、內(nèi)蒙西部阿拉善地區(qū)-民勤-蘭州(中路)及河西走廊(西路)一帶的混合層厚度時(shí)空演變作對(duì)比分析(圖7).可以看出,S1階段輸送過(guò)程主要在沿河套-寧夏及阿拉善地區(qū)-民勤一線,即東路和中路;S2階段的輸送過(guò)程主要在東路,中路和西路的混合層厚度中心與本地不相連;S3階段的輸送過(guò)程主要在西路和中路.

2.3 沙塵持續(xù)成因分析

此次沙塵天氣過(guò)程的持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),即使有17日午后、19日清晨?jī)纱卫淇諝膺^(guò)程,蘭州市仍維持重污染.17日無(wú)降水,地面風(fēng)速增大對(duì)沙塵粒子濃度減小有一定作用.19日清晨有降水,降水區(qū)主要在河西東部以東,但降水時(shí)間較短,總降水量不大.19日清晨在內(nèi)蒙西部有揚(yáng)沙和沙塵暴,導(dǎo)致蘭州市降水過(guò)后能見度迅速減小,沙塵天氣維持.

由于混合層高度越低,越不利于污染物在垂直方向的擴(kuò)散,所以混合層厚度在沙源區(qū)與沉降區(qū)對(duì)沙塵天氣的指示意義不同.但在本次過(guò)程中,本地的混合層厚度與本地最小能見度的總體相關(guān)系數(shù)為-0.715;說(shuō)明本地混合層厚度用于沙塵天氣的預(yù)報(bào)需根據(jù)天氣過(guò)程的不同階段而判斷.在S1階段,本地的混合層厚度較小,15日8:00～20:00混合層厚度有所增大,說(shuō)明垂直擴(kuò)散能力增強(qiáng),本地PM10濃度下降.S2階段前期為沙塵輸入期,此時(shí)本地混合層厚度大;17日混合層厚度明顯減小,所以雖然水平擴(kuò)散能力增大,但垂直擴(kuò)散能力變差,對(duì)沙塵粒子的清除作用有限;18日20:00至19日混合層厚度增大,本地垂直擴(kuò)散能力增強(qiáng)但同時(shí)又有沙塵輸入,與降水作用疊加,19日上午PM10濃度急速下降至中度污染等級(jí).S3階段,19日夜間混合層厚度迅速減小,本地?cái)U(kuò)散能力較差,至21日混合層厚度開始增大,PM10濃度下降至輕度污染,本地浮塵天氣結(jié)束.

前人的研究表明中低層基本處于中性或弱不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)[1,23,25]不利于沉降過(guò)程,所以本文主要研究本地的穩(wěn)定度指標(biāo)及不穩(wěn)定能量指標(biāo).簡(jiǎn)便起見,本文采用MICAPS系統(tǒng)計(jì)算的干暖蓋指數(shù)(s)和600hPa起始下沉對(duì)流能.干暖蓋指數(shù)(s)表示為逆溫層頂?shù)娘柡蜐袂蛭粶刈畲笾蹬c地面至500hPa氣層的濕球位溫平均值的差值.s越大表示干暖蓋愈強(qiáng),儲(chǔ)存的大氣不穩(wěn)定能量越大.600hPa起始下沉對(duì)流能(DCape600)為對(duì)流云體中(從600hPa起始計(jì)算)下沉氣流到達(dá)地面時(shí)可能具有的最大動(dòng)能,即環(huán)境負(fù)浮力對(duì)氣塊做功所產(chǎn)生的動(dòng)能. 從本地兩種指標(biāo)演變來(lái)看(圖8),干暖蓋指數(shù)對(duì)于本次沙塵過(guò)程的變化有一定指示意義,大于-20℃時(shí)沙塵濃度開始迅速減小,其與本地最小能見度的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.621;下沉對(duì)流能的突變可以預(yù)報(bào)蘭州市PM10濃度的增加,能夠提前12h左右.

圖8 2021年3月13～21日蘭州市本地物理量變化

本文從環(huán)流形勢(shì)、沙源地?zé)崃顩r、混合層高度的變化及本地穩(wěn)定度等方面對(duì)于此次蘭州市重污染過(guò)程的氣象條件進(jìn)行了分析,但主要集中在沙塵輸送方面,對(duì)沙塵粒子的沉降過(guò)程還有待進(jìn)一步研究.用混合層高度來(lái)表征沙塵輸送高度還比較片面,需用其他觀測(cè)方式予以佐證;另外,沙塵輸送路徑僅限于本次過(guò)程,這些均有待于今后作進(jìn)一步的驗(yàn)證.

3 結(jié)論

3.1 此次蘭州市重污染過(guò)程主要有3個(gè)階段:14日凌晨～15日夜間;16日凌晨～19日上午;19日中午～21日;首要污染物為PM10.這三個(gè)階段的沙源地和起沙機(jī)制有所不同.

3.2 通過(guò)本次重污染過(guò)程的沙塵主要有兩條傳輸路徑:河套-寧夏-蘭州及阿拉善-寧夏南部-蘭州;沙塵的輸送高度主要在1.5～3km.

3.3 上游中衛(wèi)和景泰的地面風(fēng)速、蘭州本地的下沉對(duì)流能和干暖蓋指數(shù)等因子均可以用于對(duì)蘭州市的沙塵天氣發(fā)生及PM10沉降的預(yù)報(bào).

3.4 連續(xù)三次沙塵輸入過(guò)程以及本地沙塵沉降過(guò)程緩慢是導(dǎo)致重污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的主要原因.

[1] 王式功,楊德保,尚可政,等.城市空氣污染預(yù)報(bào)研究[M]. 蘭州:蘭州大學(xué)出版社, 2002:178-184.

Wang S G, Yang D B, Shang K Z, et al. Study on urban air pollution forecast [M]. Lanzhou: Lanzhou University Press, 2002:178-184.

[2] 馬敏勁,譚子淵,陳 玥,等.近15a蘭州市空氣質(zhì)量變化特征及沙塵天氣影響[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019,55(1):33-41.

Ma M J, Tan Z Y, Chen Y, et al. Characteristics of air quality and impact of sand and dust weather in the recent 15years in Lanzhou City. [J]. Journal of Lanzhou University Science, 2019,55(1):33-41.

[3] 張 曄,王海兵,左合君,等.中國(guó)西北春季沙塵高發(fā)區(qū)及沙塵源解析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2019,39(10):4065-4073.

Zhang Y, Wang H B, Zuo H J, et al. Identify high frequent dust areas and their sources in spring in the Northwest of China [J]. China Environmental Science, 2019,39(10):4065-4073.

[4] 楊燕萍,王莉娜,楊麗麗,等.蘭州市沙塵天氣污染特征及潛在源區(qū)[J]. 中國(guó)沙漠, 2020,40(3):60-66.

Yang Y P, Wang L N, Yang L L, et al. Air pollution characteristics and potential sources in Lanzhou during dust weather [J]. J Desert Res, 2020,40(3):60-66.

[5] 郭春曄,王 穎,劉 灝,等.甘肅省區(qū)域顆粒物時(shí)空分布特征及傳輸路徑 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(9):3990-4000.

Guo C Y, Wang Y, Liu H, et al. Spatial and temporal distribution characteristics and transport path analysis of regional particulate matter over Gansu Province [J]. China Environmental Science, 2021, 41(9):3990-4000.

[6] 邱新法,曾 燕,繆啟龍.我國(guó)沙塵暴的時(shí)空分布規(guī)律及其源地和移動(dòng)路徑[J]. 地理學(xué)報(bào), 2001,56(3):316-322.

Qiu X F, Zeng Y, Miao Q L. Temporal-spatial distribution as well as tracks and source areas of sand-dust storms in China [J]. ACTA Geographic SINICA, 2001,56(3):316-322.

[7] 王存忠,牛生杰,王蘭寧.50年來(lái)中國(guó)沙塵暴的多時(shí)間尺度變化特征[J]. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2009,32(4):507-512.

Wang C Z, Niu S J, Wang L N. Multi-timescale variation of sand-dust storm in China during 1958～2007 [J]. Trans Atmos Sci, 2009,32(4): 507-512.

[8] 馮鑫媛,王式功,程一帆,等.中國(guó)北方中西部沙塵暴氣候特征[J]. 中國(guó)沙漠, 2010,30(2):394-399.

Feng X Y, Wang S G, Cheng Y F, et al. Climatic characteristics of dust storms in the middle and west of Northern China [J]. J Desert Res, 2010,30(2):394-399.

[9] 趙慶云,張 武,呂 萍,等.河西走廊“2010.04.24”特強(qiáng)沙塵暴特征分析[J]. 高原氣象, 2012,31(3):688-696.

Zhao Q Y, Zhang W, Lü P, et al. Characteristics analysis of severe dust event occurred in Hexi corridor on April 24,2010 [J]. Plateau Meteorol, 2012,31(3):688-696.

[10] 王伏村,許東蓓,王寶鑒,等,河西走廊一次特強(qiáng)沙塵暴的熱力動(dòng)力特征分析[J]. 氣象, 2012,38(8):950-959.

Wang F C, Xu D B, Wang B J, et al. Diagnostic analysis of thermal and dynamical characteristics of a heavy dust storm in Hexi corridor [J]. Meteorol Mon, 2012,38(8):950-959.

[11] 錢 莉,姚玉璧,楊 鑫,等.河西走廊盛夏一次沙塵暴天氣過(guò)程成因[J]. 中國(guó)沙漠, 2016,36(2):458-466.

Qian L, Yao Y B, Yang X, et al. Analysis of sandstorm weather process in the Hexi corridor in summer [J]. J Desert Res, 2016,36(2):458-466.

[12] 李巖瑛,張愛萍,李紅英,等.河西走廊邊界層高度與風(fēng)沙強(qiáng)度的關(guān)系[J]. 中國(guó)沙漠, 2019,39(5):11-20.

Li Y Y, Zhang A P, Li H Y, et al. The Relationship between the height of the Hexi corridor boundary layer and the strength of wind-blown sand [J]. J Desert Res, 2019,39(5):11-20.

[13] 楊曉軍,張 強(qiáng),葉培龍,等.中國(guó)北方2021年3月中旬持續(xù)性沙塵天氣的特征及其成因[J]. 中國(guó)沙漠, 2021,41(3):245-255.

Yang X J, Zhang Q, Ye P L, et al. Characteristics and causes of persistent dust 2021 in Northern China in mid-March [J]. J Desert Res, 2021,41(3):245-255.

[14] 段伯隆,劉新偉,郭潤(rùn)霞,等.“3·15”北方強(qiáng)沙塵暴天氣成因分析 [J]. 干旱氣象, 2021,39(4):541-553.

Duan B L, Liu X W, Guo R X, et al. Cause analysis on severe dust storm in Northern China on 15 March 2021 [J]. Journal of Arid Meteorology, 2021,39(4):541-553.

[15] 段海霞,李耀輝,蒲朝霞,等.高空急流對(duì)一次強(qiáng)沙塵暴過(guò)程沙塵傳輸?shù)挠绊慬J]. 中國(guó)沙漠, 2013,33(5):1461-1472.

Duan H X, Li Y H, Pu Z X, et al. The influence of high level jet on dust transportation in a sandstorm process [J]. J Desert Res, 2013,33(5):1461-1472.

[16] 張亞妮,張碧輝,宗志平,等.影響北京的一例沙塵天氣過(guò)程的起沙沉降及輸送路徑分析[J]. 氣象, 2013,39(7):911-922.

Zhang Y N, Zhang B H, Zong Z P, et al. Analysis on sand entrainment and deposition and transportation pathways of one sand-dust process in Beijing [J]. Meteor Mon, 2013,39(7):911-922.

[17] 安林昌,張恒德,桂海林,等.2015年春季華北黃淮等地一次沙塵天氣過(guò)程分析[J]. 氣象, 2018,44(1):180-188.

An L C, Zhang H D, Gui H L, et al. Analysis of a sand and dust weather process affecting North China and Huanghuai in spring 2015 [J]. Meteor Mon, 2018.44(1):180-188.

[18] 段海霞,趙建華,李耀輝,等.近年來(lái)GRAPES_SDM沙塵暴模式預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)評(píng)估[J]. 中國(guó)沙漠, 2013,33(1):214-222.

Duan H X, Zhao J H, Li Y H, et al. A verification on the prediction efficiency of GRAPES-SDM dust-storm model used in recent years [J]. J Desert Res, 2013,33(1):214-222.

[19] 孫繼明,肖穩(wěn)安,牛生杰,等.沙漠地區(qū)沙塵天氣近地層湍流輸送特征分析[J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào), 2002,25(4):489-495.

Sun J M, Xiao W A, Niu S J, et al. Turbulent transfer features of the surface layer over desert area in a dust and sand weather [J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology, 2002,25(4):489-495.

[20] 鄭有飛,劉 貞,劉建軍,等.中國(guó)北部一次沙塵過(guò)程中沙塵氣溶膠的時(shí)空分布及輸送特性[J]. 中國(guó)沙漠, 2013,33(5):1440－1452.

Zheng Y F, Liu Z, Liu J J, et al. The spatio-temporal distribution and transport behavior of a dust event in North-China [J]. J Desert Res, 2013,33(5):1440-1452.

[21] 賈 瑞,劉玉芝,吳楚樵,等.2007～2017年中國(guó)沙塵氣溶膠的三維分布特征及輸送過(guò)程[J]. 中國(guó)沙漠, 2019,39(6):108-117.

Jia R, Liu Y Z, Wu C Q, et al. Three-dimensional distribution and transport of dust aerosols in China from 2007 to 2017 [J]. J Desert Res, 2019,39(6):108-117.

[22] 王 寧,陳 健,張緣園,等.2021年中國(guó)北方首次沙塵天氣的多源遙感分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2022,42(5):2002-2014.

Wang N, Chen J, Zhang Y Y, et al. Multi-source remote sensing analysis of the first sand and dust weather in Northern China in 2021 [J]. China Environmental Science, 2022,42(5):2002-2014.

[23] 孫鳴婧,李 霞,趙克明,等.基于探空數(shù)據(jù)的新疆大氣擴(kuò)散條件時(shí)空分布特征分析[J]. 干旱區(qū)地理, 2022,45(1):113-121.

Sun M J, Li X, Zhao K M, et al. Spatial and temporal characteristics of atmospheric diffusion conditions in Xinjiang based on radiosonde data [J]. Arid Land Geography, 2022,45(1):113-121.

[24] Anthes R A, Warner T T . Development of hydrodynamics models for air pollution and other mesometeorological studies [J]. Mon Wea Rev, 1978,106(8):1045-1078.

[25] 馬井會(huì),張國(guó)璉,耿福海,等.上海地區(qū)一次典型連續(xù)浮塵天氣過(guò)程分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(4):584-593.

Ma J H, Zhang G L, Geng F H, et al. Analysis of a typical dust event in Shanghai [J]. China Environmental Science, 2013,33(4):584-593.

Analysis of meteorological conditions of a continuous heavy pollution process affecting Lanzhou.

YE Yan-hua1, ZHANG Ning1*, WANG Ji-xin2, GAN Ze-wen1, TIAN Yi-nan1

(1.Lanzhou Meteorological Bureau, Lanzhou 730020, China；2.Lanzhou Central Meteorological Observatory, Lanzhou 730020, China)., 2023,43(12)：6281～6289

Based on the analysis of a persistent heavy pollution process in Lanzhou from March 14 to 21 in 2021, several conclusions were drawn that the main pollutant was PM10, and the main source was imported dust, there were three sand-releasing processes in the west of Hexi, the west of Inner Mongolia and the middle of Mongolia. The main reasons for the long and heavy pollution process was that the dust continuous input and slowly settled. The main transport routes were Hetao-Ningxia-Lanzhou and Alxa-Southern Ningxia-Lanzhou. The height of dust transport was mainly 1.5～3km. The location and moving direction of the upper surface wind speed, the great value of mixed layer thickness and the local dry and warm index could help to predict dust weather in Lanzhou.

heavy pollution process；persistent dust weather；dust transport；mixed layer thickness；stability Index

X513

A

1000-6923(2023)12-6281-09

葉燕華,張 寧,王基鑫,等.蘭州市一次持續(xù)重污染過(guò)程的氣象條件分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(12):6281-6289.

Ye Y H, Zhang N, Wang J X, et al. Analysis of meteorological conditions of a continuous heavy pollution process affecting Lanzhou [J]. China Envirenmental Science, 2023,43(12):6281-6289.

2023-04-26

甘肅省青年科技基金資助項(xiàng)目(22JR5RA1061)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, 395998248@qq.com

感謝蘭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供空氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA5再分析數(shù)據(jù).

葉燕華(1972-),女,福建南安人,高級(jí)工程師,主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作和大氣環(huán)境研究.發(fā)表論文7篇.65376963@qq.com.