劉 超,張碧輝*,花 叢,張恒德,吳東麗

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風(fēng)廓線雷達(dá)在北京地區(qū)一次強(qiáng)沙塵天氣分析中的應(yīng)用

劉 超1,張碧輝1*,花 叢1,張恒德1,吳東麗2

(1.國家氣象中心,北京 100081；2.中國氣象局氣象探測中心,北京 100081)

基于北京地區(qū)逐小時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)、大氣成分觀測數(shù)據(jù)以及地面常規(guī)觀測資料對2017年5月3~7日一次沙塵天氣過程進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:受蒙古氣旋影響,全國多地出現(xiàn)空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染,其中北京PM10濃度達(dá)到嚴(yán)重污染級別時(shí)間超過30h.通過對邊界層內(nèi)水平風(fēng)場、垂直速度以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等要素進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn)沙塵爆發(fā)前,邊界層內(nèi)出現(xiàn)平均風(fēng)速達(dá)到14.8m/s的西北急流核,該急流核的建立有利于將高層沙塵粒子向近地面?zhèn)鬏?而沙塵爆發(fā)階段邊界層通風(fēng)量較前期增加31.6%,中低層的通風(fēng)量逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,使近地面PM10濃度出現(xiàn)爆發(fā)性增長.此外,整個(gè)沙塵天氣過程中,以弱下沉運(yùn)動為主,垂直速度在1m/s以下,而沙塵天氣爆發(fā)前,邊界層內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈垂直下沉運(yùn)動,達(dá)到5.3m/s.同時(shí),大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)出現(xiàn)1.0×10-16的高值中心.二者均先于地面污染物濃度的變化,預(yù)報(bào)時(shí)間提前量為8~9h,可為今后沙塵預(yù)報(bào)提供一定參考.

沙塵；風(fēng)廓線；邊界層通風(fēng)量；垂直速度

沙塵天氣是一種由強(qiáng)風(fēng)將地面沙塵卷到空中,在特定的大尺度天氣背景下誘發(fā)的災(zāi)害性天氣[1].地面觀測站根據(jù)天氣現(xiàn)象和能見度將沙塵天氣劃分為沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵[2].盡管有相關(guān)研究表明[3],北京、呼和浩特等北方重點(diǎn)城市近些年來春季沙塵天氣日數(shù)和影響范圍呈現(xiàn)出下降趨勢,但沙塵作為一種對空氣質(zhì)量、大氣能見度及人體健康有明顯影響的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[4-6],依然受到廣泛關(guān)注.近年來,關(guān)于影響北京地區(qū)的沙塵天氣開展了大量的研究.徐文帥等[7]結(jié)合后向軌跡模型和激光雷達(dá)觀測資料發(fā)現(xiàn)2011年3月18~21日污染過程主要是由于沙塵在上游沙源地起沙后先直接輸送穿過北京,在弱高壓系統(tǒng)作用下,沙塵又回流至北京所致.鄧梅等[8]借助大氣氣溶膠激光雷達(dá)紅外探索系統(tǒng)對北京地區(qū)沙塵天氣進(jìn)行了研究,采用雙波長迭代反演法得到了沙塵天氣下氣溶膠光學(xué)厚度垂直分布特征.樊璠等[9]探討了2012年3月30~31日沙塵天氣過程中氣溶膠的時(shí)空分布及輸送特征.Liu等[10]研究發(fā)現(xiàn)2012年春季北京地區(qū)兩次沙塵天氣PM10中鉛同位素比值明顯高于非沙塵天氣,該比值與內(nèi)蒙古高原、張北高原沙塵源地的比值接近.Wei等[11]研究發(fā)現(xiàn)沙塵天氣下積聚模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度達(dá)到400cm-3,明顯低于霧霾天氣下的水平.Cao等[12]利用后向軌跡對2005~2010年影響北京地區(qū)的主要沙塵輸送路徑進(jìn)行分析,結(jié)果表明影響北京的沙塵輸送路徑來自內(nèi)蒙古地區(qū)和蒙古國.上述研究主要側(cè)重于沙塵天氣背景場、氣溶膠理化特征、沙塵輸送路徑等方面,而對于北京地區(qū)沙塵天氣下邊界層內(nèi)精細(xì)化風(fēng)場結(jié)構(gòu)和演變特征以及垂直動力條件等方面的研究卻鮮有報(bào)道.

風(fēng)廓線雷達(dá)主要利用大氣湍流對電磁波的散射作用,通過接收返回信號的頻移對大氣風(fēng)場、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等物理量進(jìn)行探測,對大氣三維風(fēng)場具有較強(qiáng)的探測能力[13-14].由于其具備較高時(shí)空分辨率,在暴雨、短時(shí)強(qiáng)降水等降水預(yù)報(bào)中得到廣泛的應(yīng)用.古紅萍等[15]利用北京及周圍3個(gè)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料對2005年北京8月3日一次強(qiáng)降水天氣研究發(fā)現(xiàn),有高空槽和弱冷空氣共同配合產(chǎn)生的低渦切變線是影響此次暴雨過程的主要中尺度系統(tǒng).方翀等[16]結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測資料對2012年7月21日北京極端強(qiáng)降水天氣進(jìn)行了分析,結(jié)果表明中低層風(fēng)向風(fēng)速的轉(zhuǎn)變,可用于判斷水汽輸送的情況.董保舉等[17]針對云南大理2008年6月1~2日一次暴雨過程,對垂直速度和信噪比分布特征進(jìn)行了討論.上述研究表明,風(fēng)廓線雷達(dá)資料在降水天氣中發(fā)揮著重要的作用.

2017年5月4~5日,北京出現(xiàn)近年來較為嚴(yán)重的一次沙塵天氣過程,本研究利用北京風(fēng)廓線雷達(dá)連續(xù)觀測資料,探討此次沙塵天氣過程中邊界層內(nèi)風(fēng)場和通風(fēng)量變化特征,并分析垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等要素的變化趨勢,歸納提煉具有預(yù)報(bào)指示意義的物理量特征值,以期加深對沙塵天氣邊界層內(nèi)氣象要素垂直分布和動力條件的認(rèn)識,豐富沙塵天氣預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn).

1 數(shù)據(jù)與方法

表1 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要參數(shù)設(shè)置

地面常規(guī)觀測數(shù)據(jù)來源于北京南郊觀象臺的每日8次(3h/次)MICAPS數(shù)據(jù).北京12個(gè)國控站點(diǎn)的污染物濃度數(shù)據(jù)來源于全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(http://113.108.142.147:20035/ emcpublish/),時(shí)間分辨率為1h.

2 沙塵過程概述

2017年5月3~7日,我國北方大部地區(qū)出現(xiàn)一次沙塵天氣過程.此次沙塵天氣過程呈現(xiàn)出影響范圍廣、強(qiáng)度大的特點(diǎn),影響面積達(dá)到235km2,局部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴.受沙塵天氣影響,多地空氣質(zhì)量出現(xiàn)“爆表”,其中內(nèi)蒙古局地PM10峰值濃度超過2000μg/m3.

由圖1可知,本次沙塵天氣過程影響北京的時(shí)段為4日04:00~5日11:00,PM10嚴(yán)重污染級別持續(xù)時(shí)間超過30h,平均能見度僅為3.2km.3日12:00~4日03:00,北京PM2.5和PM10濃度維持在較低水平,能見度超過20km.4日04:00起,受沙塵天氣影響,北京PM10濃度迅速增長,其中04:00~ 07:00PM10濃度增長速率達(dá)到169.3μg/(m3·h).4日12:00~16:00,PM10濃度略有下降,自17:00起, PM10濃度再一次增長,且長時(shí)間維持在900μg/m3以上.5日12:00起,受地面冷鋒過境清除作用影響,大氣能見度逐漸轉(zhuǎn)好,PM10濃度下降至77μg/m3.此外,沙塵主要影響時(shí)段的PM2.5/PM10比值僅為0.41,該比值較前期下降28.1%,由此可見沙塵天氣中大氣氣溶膠以大粒徑的PM10為主.

圖1 北京污染物濃度和能見度實(shí)況

3 天氣形勢分析

在500hPa高度場上,1日20:00(圖略)里海偏東方向形成閉合高壓,隨著高壓脊逐漸東移北抬,新西伯利亞至新疆一帶的高空槽逐漸加深,引導(dǎo)槽后冷空氣東移,自西向東影響新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等地.3日20:00(圖2),位于蒙古氣旋底部的內(nèi)蒙古中部地面等壓線較為密集,較大的氣壓梯度力,使得內(nèi)蒙古中部地區(qū)地面風(fēng)速達(dá)到16m/s,局地風(fēng)速出現(xiàn)超過20m/s,華北上游地區(qū)出現(xiàn)大范圍沙塵天氣.4日02:00(圖3),蒙古氣旋繼續(xù)東移加強(qiáng),中心氣壓降低到990hPa.此時(shí)位于蒙古氣旋底部的華北地區(qū)高空經(jīng)向度較大,大氣斜壓性明顯加強(qiáng),有利于引導(dǎo)高空氣流南下,將上游地區(qū)的沙塵粒子向下游傳輸(圖略).5日11:00(圖略),伴隨著地面冷鋒南下,影響北京地區(qū)的沙塵天氣過程結(jié)束.

圖2 5月3日20:00海平面氣壓場(hPa)

圖3 5月4日02:00海平面氣壓場(hPa)

4 風(fēng)廓線雷達(dá)資料應(yīng)用分析

4.1 水平風(fēng)場

由風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場時(shí)序圖可以看出(圖4),3日14:00~4日0:00,邊界層內(nèi)盛行西南風(fēng), PM10濃度較低.結(jié)合風(fēng)向廓線來看(圖5),4日01:00~03:00,1800m以下均以西南風(fēng)控制為主,隨著時(shí)間的推移,高空西北氣流的影響高度逐漸降低并向近地面滲透.4日04:00,邊界層內(nèi)整層盛行西北氣流且明顯接地,而此時(shí)正好對應(yīng)北京PM10濃度開始增長.4日05:00~07:00,在630m~1590m高度區(qū)間出現(xiàn)西北急流核,平均風(fēng)速達(dá)到14.8m/s,最大風(fēng)速(16.1m/s)出現(xiàn)在1350m.根據(jù)楊德寶等[18]和朱曉煒等[19]的研究結(jié)果,急流的存在是動量下傳產(chǎn)生沙塵的必要條件,并伴有明顯的層結(jié)不穩(wěn)定(垂直運(yùn)動分析詳見4.3節(jié)).該西北急流核的建立有利于將高層沙塵粒子向近地面?zhèn)鬏?使得近地面PM10濃度出現(xiàn)快速增長.此外,4日12:00~16:00,在近地面風(fēng)速減小和重力自由沉降共同作用下,PM10濃度略有降低,并于16:00下降至804μg/m3.18:00起,北京地區(qū)位于高空槽后并盛行西南風(fēng),風(fēng)向隨高度增加而順時(shí)針旋轉(zhuǎn),根據(jù)熱成風(fēng)原理有明顯的暖平流,中低層大氣的不穩(wěn)定程度增大,配合低層西南風(fēng)風(fēng)速加大,有利于將近地面沙塵粒子再一次揚(yáng)起,導(dǎo)致PM10濃度再一次增長至900μg/m3以上.

圖4 水平風(fēng)場時(shí)間-高度剖面

另外,有研究表明[20]在出現(xiàn)大范圍沙塵天氣前,若高空有明顯風(fēng)速帶建立并伴隨較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變,則有利于高空動量下傳,近地面風(fēng)速加強(qiáng),不利于大氣穩(wěn)定度的維持.從垂直風(fēng)切變的分布特征來看(圖6),3日14:00~4日0:00,邊界層內(nèi)垂直風(fēng)切變較弱,強(qiáng)度在0.01s-1左右,大氣層結(jié)較為穩(wěn)定.4日0:00起,2700m以下垂直風(fēng)切強(qiáng)度有所增加,大部分在0.02s-1以上,并分別在400m和1200m附近達(dá)到0.068s-1和0.075s-1.根據(jù)國際民航組織第五次航空會議上制定的垂直風(fēng)切變值所對應(yīng)的強(qiáng)度[21],二者垂直風(fēng)切變值已達(dá)到中度級別強(qiáng)度.結(jié)合水平風(fēng)場特征來看,邊界層中低層垂直風(fēng)切變的加強(qiáng),使大氣穩(wěn)定度得到一定的破壞,有利于沙塵天氣長時(shí)間維持.

圖5 風(fēng)向廓線

圖6 垂直風(fēng)切變時(shí)間-高度剖面圖(s-1)

4.2 通風(fēng)量

通風(fēng)量(VI)是指一定高度層內(nèi)累計(jì)風(fēng)速的大小,可以用來表征風(fēng)場對污染物的輸送能力,本文通過對該物理量的計(jì)算,研究風(fēng)場對沙塵粒子輸送的動態(tài)時(shí)空分布特征以及向近地面?zhèn)鬏斏硥m粒子的動力條件等方面,其計(jì)算公式如式[22-23](1):

式中:為該時(shí)刻風(fēng)廓線數(shù)據(jù)中垂直高度從低至高的第個(gè)數(shù)據(jù);h為第個(gè)數(shù)據(jù)所對應(yīng)的垂直高度,0為0m;V為第個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)的風(fēng)速大小.

為了解通風(fēng)量對沙塵天氣的影響,參考劉超等[24]研究成果,計(jì)算2000m以下的通風(fēng)量大小.根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)資料,2000m以下共計(jì)16層,故max=16.

表2為此次沙塵過程不同階段2000m以下的邊界層通風(fēng)量.在沙塵影響前,平均通風(fēng)量為16023.4m2/s,整層風(fēng)速較小,空氣質(zhì)量整體以優(yōu)良為主,但在沙塵爆發(fā)階段受西北急流建立的影響,邊界層內(nèi)整體風(fēng)速加大,通風(fēng)量較前期增加31.6%,達(dá)到21095.2m2/s,PM10濃度在此階段也出現(xiàn)迅速增長.而在沙塵維持階段,通風(fēng)量顯著下降,強(qiáng)度低于沙塵影響前,且僅有沙塵爆發(fā)階段的70.8%,由此可見較小的通風(fēng)量有助于沙塵天氣的維持和沙塵粒子的緩慢沉降.在沙塵結(jié)束階段,受地面冷鋒影響,邊界層內(nèi)風(fēng)速再一次加大,通風(fēng)量達(dá)到33439.6m2/s,對污染物清除起到重要的作用.

表2 不同沙塵階段2000m以下邊界層通風(fēng)量

圖7 沙塵爆發(fā)階段不同高度區(qū)間西北風(fēng)通風(fēng)量比例及平均影響高度

此外,結(jié)合4日凌晨沙塵爆發(fā)階段中低層西北急流的分布特征,對不同時(shí)段各高度區(qū)間風(fēng)向在270°~360°區(qū)間的通風(fēng)量比例分布以及平均影響高度進(jìn)行了計(jì)算(圖7).結(jié)果表明,4日0:00起,西北風(fēng)風(fēng)向的平均影響高度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢,并于06:00降低至1230m,反映出高空風(fēng)逐漸向近地面向下滲透的趨勢,有利于將高空的沙塵粒子不斷向中低空(2430m以下)輸送,與此同時(shí)由于中低空風(fēng)速的不斷加大,導(dǎo)致邊界層內(nèi)中低層通風(fēng)量的所占比例逐漸增加,4日06:00低層(150~1230m)和中層(1350~2430m)的通風(fēng)量比例分別為56.5%和43.5%,而高層通風(fēng)量則明顯降低,此時(shí)對應(yīng)PM10濃度出現(xiàn)爆發(fā)性增長.由此可以看出隨著時(shí)間的推移,沙塵爆發(fā)階段西北急流軸影響高度逐漸接近地面,且中低層的通風(fēng)量占據(jù)主導(dǎo)地位.

4.3 垂直速度

由圖8垂直速度時(shí)序圖可以看出,在沙塵天氣影響前,邊界層內(nèi)以弱下沉運(yùn)動為主,垂直速度小于1m/s,符合穩(wěn)定天氣系統(tǒng)控制下大氣垂直運(yùn)動速度的相關(guān)研究結(jié)果[25].自3日18:00起,邊界層內(nèi)垂直下沉運(yùn)動逐漸加強(qiáng),在990~1230m高度區(qū)間出現(xiàn)垂直下沉運(yùn)動中心,最大垂直速度達(dá)到5.3m/s(圖9),8h后PM10濃度出現(xiàn)爆發(fā)性增長.由此可以看出,沙塵天氣爆發(fā)前邊界層強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動先于地面污染物濃度的變化,具有一定的預(yù)報(bào)時(shí)間提前量,該結(jié)論與張亞妮等[26]對2012年春季一次影響北京地區(qū)沙塵天氣中850hPa垂直運(yùn)動分析結(jié)果大體一致.在沙塵影響階段,邊界層內(nèi)垂直運(yùn)動變化較小,以弱下沉運(yùn)動為主,速度大多在1.5m/s以下.5日08:00起,受地面冷鋒影響在900m以上再一次出現(xiàn)劇烈下沉運(yùn)動,但此次下沉運(yùn)動強(qiáng)度明顯偏弱,最大垂直速度僅為2.2m/s,且垂直速度中心高度較高,與沙塵爆發(fā)前的分布形態(tài)有較明顯區(qū)別.

圖8 垂直速度時(shí)間-高度剖面圖(m/s,正值表示下沉運(yùn)動)

圖9 垂直速度廓線

4.4 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖10 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)時(shí)間-高度剖面圖

圖11 激光雷達(dá)退偏振比時(shí)間-高度剖面

5 結(jié)論

5.1 沙塵爆發(fā)前,邊界層內(nèi)西北急流核的建立有利于將高層沙塵粒子向近地面?zhèn)鬏?使得近地面PM10濃度出現(xiàn)爆發(fā)性增長,該急流核平均風(fēng)速達(dá)到14.8m/s,最大風(fēng)速達(dá)到16.1m/s.

5.2 沙塵爆發(fā)階段,邊界層通風(fēng)量達(dá)到21095.2m2/s較爆發(fā)前增加31.6%,并且西北急流平均影響高度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢,反映出高空風(fēng)逐漸向近地面向下滲透的趨勢,有利于將高空的沙塵粒子不斷向中低空輸送.

5.3 從動力條件來看,沙塵天氣爆發(fā)前邊界層內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈下沉運(yùn)動,最大垂直速度達(dá)到5.3m/s,有利于高空沙塵粒子向近地面?zhèn)鬏?而8h后PM10濃度才出現(xiàn)爆發(fā)性增長,具有一定的預(yù)報(bào)時(shí)間提前量.

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Application of wind profiler radar in a strong sand dust weather analysis in Beijing.

LIU Chao1, ZHANG Bi-hui1*, HUA Cong1, ZHANG Heng-de1, WU Dong-li2

(1.National Meteorological Centre, Beijing 100081, China；2.Meteological Observation Centre of China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)., 2018,38(5)：1663~1669

A sand dust period occurred from May 3 to 7 2017 was studied based on wind profiles radar data hourly, atmospheric composition data, and ground surface observation data of Beijing. As the results showed that air quality reached heavy polluted level in many places, in which the concentration of PM10reached heavy polluted level in Beijing had lasted about more than 30 hours in this sand dust period. The horizontal wind, vertical velocity and the atmospheric refraction index structure constant in boundary layer were analyzed. The main results were given as follow: wind speed of the northwest wind jet core average reached 14.8m/s in the boundary layer, and the establishment of jet core could help dust particles to transfer from upper-level to the ground. It was revealed that the ventilation index in sand dust explosion period increased 31.6% than before, and ventilation index of the middle and low layers played an important role gradually, which leaded concentration of PM10to increase explosively. In addition, the weak descending motion was the main motion, and the vertical velocity was below 1m/s in this sand dust period, while the vertical velocity could reach 5.3m/s before sand dust explosion period. Meanwhile, atmospheric refraction index structure constant reached the maximum value(1.0′10-16). Moreover, vertical velocity and atmospheric refraction index structure constant both were earlier than variation of pollutant concentration, and which had a forecast of about 8 to 9 hours in advance, which could play a reference role in forecasting sand dust in the future.

sand dust；wind profiler；ventilation index；vertical velocity

X51

A

1000-6923(2018)05-1663-07

2017-10-17

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0203301);國家基金委重點(diǎn)研究項(xiàng)目(91644223)

* 責(zé)任作者, 高級工程師, bihui_zhang@qq.com

劉 超(1989-),男,北京人,工程師,碩士,主要從事大氣邊界層內(nèi)污染物形成機(jī)制方面研究.