任 超，程周杰，李榮忠

(1.北京航空氣象研究所，北京 100085；2.青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司，青島 266101)

引 言

沙塵天氣是一種強(qiáng)風(fēng)將地面沙塵吹(卷)起，使空氣混濁、能見度下降的一種自然氣象過程，地面吹起的大量氣溶膠會向大氣中輸送，作為凝結(jié)核影響云的生成、發(fā)展和降水過程，影響地-氣系統(tǒng)輻射平衡，對區(qū)域乃至全球氣候產(chǎn)生影響[1-4]。雖然總體來看，近50年來中國沙塵源區(qū)的沙塵強(qiáng)度呈明顯減小趨勢[5-6]，但是沙塵天氣，甚至持續(xù)性沙塵天氣依舊存在[7]。

前人利用地面常規(guī)氣象觀測站、衛(wèi)星和模式再分析資料對沙塵傳輸過程進(jìn)行了豐富的研究[8-11]，但其時(shí)空分辨率較低，對于沙塵前后，尤其是風(fēng)場變化的觀測不夠詳實(shí)。隨著風(fēng)廓線雷達(dá)逐漸進(jìn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用，時(shí)空分辨率更高的風(fēng)場觀測再次助力了沙塵研究[12-15]，但風(fēng)廓線雷達(dá)易受地物雜波、天氣背景場干擾，其探測能力具有明顯的季節(jié)和日變化特征，且存在在0.5km以下觀測精度不高的局限性[16-17]。相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR)作為一種新型的遙感監(jiān)測設(shè)備，是利用大氣中氣溶膠粒子對激光的多普勒頻移效應(yīng)來測量大氣風(fēng)場[18-19]。對于城市復(fù)雜下墊面條件下邊界層不同高度的風(fēng)場觀測，測風(fēng)激光雷達(dá)相較于風(fēng)廓線雷達(dá)，與全球定位系統(tǒng)(globe positioning system,GPS)探空儀測風(fēng)結(jié)果具有更好的一致性[20]，且擁有更低的探測盲區(qū)、更高的時(shí)空分辨率和更便于移動的優(yōu)勢。另外，基于觀測原理，測風(fēng)激光雷達(dá)還可以同時(shí)獲得邊界層內(nèi)更精細(xì)的沙塵氣溶膠光學(xué)特性[21]，從而獲取沙塵起沙、沉降及傳輸過程中不同高度的水平及垂直方向風(fēng)場信息，為沙塵分析提供有力數(shù)據(jù)支撐。

內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟地處中緯度西風(fēng)氣流帶內(nèi)，屬于半干旱大陸性氣候，降水稀少，植被稀疏，是潛在的沙源地，配合一定的氣象條件，容易產(chǎn)生沙塵天氣，且在偏北大風(fēng)的影響下，沙塵極易向南傳輸至華北地區(qū)，對京津冀地區(qū)產(chǎn)生重要影響。本文中利用一臺相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)，結(jié)合地面觀測站、衛(wèi)星和再分析等資料，對內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市2019-10-27～2019-10-28的一次沙塵過程進(jìn)行了分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 測風(fēng)激光雷達(dá)

本文中觀測使用的是青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司的WindMast PBL型邊界層風(fēng)廓線測風(fēng)激光雷達(dá)(以下簡稱“雷達(dá)”)，其布設(shè)于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟毛登牧場(44°8′31.70″N,116°18′41.70″E)，如圖1所示。激光波束俯仰角度為71.38°，起測高度為28m，徑向距離分辨率為15m，高度分辨率為14m(徑向距離分辨率15m×sin 71.38°)，最大徑向探測距離為3000m。

Fig.1 Field photo of LiDAR equipment

Table 1 Performance specifications of coherent Doppler wind LiDAR (WindMast PBL)

本文中所用雷達(dá)數(shù)據(jù)為10min平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括水平風(fēng)速、水平風(fēng)向、垂直速度和消光系數(shù)等。表1中為相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。

1.2 地面監(jiān)測站

本文中選用內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市2019-10-27～2019-10-28(年月日時(shí)間均為北京時(shí)間)地面觀測站(站號：54102，43°57′0.36″N,116°7′11.64″E)逐小時(shí)整點(diǎn)時(shí)刻的瞬時(shí)溫度、地面氣壓、相對濕度、瞬時(shí)風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)向、1h降水量和能見度數(shù)據(jù)，以及空氣質(zhì)量監(jiān)測站(43°55′46.99″N,116°6′14.08″E)的每小時(shí)顆粒物(particulate matter，PM)粒徑不大于2.5μm(PM2.5)和10μm(PM10)的質(zhì)量濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index,AQI)。

地面觀測站和環(huán)保監(jiān)測站是距離雷達(dá)最近的地面觀測站點(diǎn)，均位于雷達(dá)西南方的錫林浩特市區(qū)，分別與雷達(dá)相距24.4km和27.5km,如圖2所示。考慮到同處于草原中，周圍地勢均為平整，氣象觀測站和市環(huán)保監(jiān)測站所觀測到的數(shù)據(jù)資料，可以近似表示測風(fēng)激光雷達(dá)觀測點(diǎn)處的地面氣象要素和空氣顆粒物濃度狀況。同時(shí)需要注意的是，城市下墊面和測風(fēng)激光雷達(dá)所處的草地下墊面仍有不同，在分析過程中要根據(jù)具體情況來處理。

Fig.2 Position of ground observation station relative to LiDAR

1.3 衛(wèi)星

MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)是搭載在Terra和Aqua兩顆極軌衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀。388nm通道，1°×1°分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)可反映沙塵分布情況，分析沙塵的移動路徑。

1.4 再分析數(shù)據(jù)

利用ERA5-Land-hourly 0.1°×0.1°分辨率的2m氣溫?cái)?shù)據(jù)用來分析沙塵天氣前期及沙塵天氣期間下墊面的溫度情況，選取2019-10-26～2019-10-29每日14:00的2m氣溫?cái)?shù)據(jù)，將后一日與前一日氣溫值做差，獲得兩日14:00的2m氣溫變化情況。

1.5 HYSPLIT模型

混合單粒子拉格朗日積分軌道(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory，HYSPLIT)模型是由美國國家海洋和大氣管理局的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局在過去20年間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散研究中。

2 沙塵天氣過程概況

2.1 天氣形勢

2019-10-27～2019-10-29，一股強(qiáng)冷空氣自西向東影響我國。受高空冷渦、蒙古氣旋的共同影響，內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟出現(xiàn)降水過程并伴有大風(fēng)和沙塵。27日20:00，500hPa天氣圖(見圖3a)上，貝加爾湖以北低壓中心與冷中心基本重合，槽線向南延伸至內(nèi)蒙古中部。850hPa天氣圖(見圖3b)上，位于貝加爾湖和大興安嶺之間的低渦后部，其等高線與等溫線近乎垂直，等溫線密集，冷平流旺盛，低渦從貝加爾湖地區(qū)向南甩下冷空氣，逐漸影響東南方向下游地區(qū)；溫壓場配合良好，有利于低渦發(fā)展，觀測點(diǎn)位于低渦底前部，暖濕氣流較強(qiáng)，動力抬升條件較好，為28日凌晨降水創(chuàng)造了有利條件。圖中,五角星為雷達(dá)位置。

Fig.3 Weather situation at 2019-10-27T20:00a—500hPa b—850hPa c—the ground

27日08:00(圖略)和20:00地面天氣圖(見圖3c)表明，貝加爾湖以南蒙古氣旋發(fā)展，氣旋后部等壓線密集，對應(yīng)有冷鋒。冷鋒恰好在下午至傍晚一天當(dāng)中氣溫較高時(shí)段過境沙源地，熱力疊加動力條件，有利于垂直上升運(yùn)動發(fā)展，沙塵揚(yáng)起，此時(shí)段鋒面過境利于起沙，在內(nèi)蒙古中部形成大范圍沙塵天氣。在西北風(fēng)的引導(dǎo)下，沙塵自西北向東南移動。本次沙塵起源自蒙古國中西部及內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，先后經(jīng)過內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、陜西北部、山西大部，隨后影響到華北平原。沙塵過境使局地PM10質(zhì)量濃度短時(shí)快速上升，10月28日00:00起，沙塵開始影響錫林郭勒盟。高空冷渦與鋒區(qū)是激發(fā)這次沙塵暴的重要動力機(jī)制，蒙古氣旋是造成這次沙塵暴的主要影響天氣系統(tǒng)。

2.2 沙塵形勢

圖4是2019-10地表沙塵質(zhì)量濃度水平分布，南疆塔克拉瑪干沙漠區(qū)域?yàn)槊黠@的沙塵源區(qū)，沙塵質(zhì)量濃度基本在600μg/m3以上，隨著西風(fēng)的輸運(yùn)作用，沙塵向東部的內(nèi)蒙古及甘肅地區(qū)擴(kuò)張，在適宜的沙塵輸運(yùn)條件下，會結(jié)合蒙古國源區(qū)南下的沙塵繼續(xù)向東向南輸運(yùn)，影響我國大部分地區(qū)。

Fig.4 Horizontal distribution of surface dust mass concentration in 2019-10

圖5是2019-10-27～2019-10-28 MODIS衛(wèi)星388nm波段，1°×1°水平分辨率日平均AOD分布情況。AOD可用來描述氣溶膠對光的衰減作用,藍(lán)色實(shí)心點(diǎn)是雷達(dá)所在位置。由圖5可以看出:27日95°E以西的新疆東部戈壁區(qū)AOD達(dá)到2，沙塵較為嚴(yán)重，內(nèi)蒙古西部及其以北的部分蒙古地區(qū)AOD多在0.8以上，內(nèi)蒙古中部以及雷達(dá)布放站點(diǎn)東北的錫林郭勒盟地區(qū)AOD再次達(dá)到2；28日，新疆東部沙塵已移動至內(nèi)蒙古西部，AOD依舊維持在2，沙塵強(qiáng)度依然較強(qiáng)，內(nèi)蒙古中部AOD基本在0.5以下，沙塵已明顯減弱，影響錫林郭勒盟的沙塵過程已基本結(jié)束。

Fig.5 Horizontal distribution of MODIS AOD from 2019-10-27 to 2019-10-28a—2019-10-27 b—2019-10-28

圖6展示了2019-10-26～2019-10-29每日14:00 ERA5-Land-hourly 2m的氣溫差ΔT。26日與27日的結(jié)果表明，沙塵源地新疆東部、內(nèi)蒙古西部乃至整個(gè)沙塵能影響到的內(nèi)蒙古地區(qū)，氣溫差均為正值，內(nèi)蒙古中部比西部的氣溫差更大，錫林郭勒盟西部地區(qū)升溫達(dá)4℃～6℃，蒙古國中部的沙塵已向南傳輸至我國，沙塵過后氣溫有所下降，氣溫差為負(fù)值；27日與28日的結(jié)果表明，西部沙塵源地大范圍地區(qū)及蒙古國西部升溫明顯，蒙古國部分地區(qū)氣溫差達(dá)10℃以上，沙塵影響結(jié)束以及雨雪天氣影響的內(nèi)蒙古中部地區(qū)降溫明顯，大范圍的沙塵氣溶膠影響太陽短波輻射，錫林郭勒盟西部地區(qū)降溫達(dá)10℃以上；28日與29日的結(jié)果表明，西部沙塵源地氣溫差整體不大，沒有明顯的氣溫波動，沙塵結(jié)束后的晴好天氣使得內(nèi)蒙古中部地區(qū)升溫明顯。

Fig.6 2m temperature difference from 2019-10-26 to 2019-10-29 at 14:00a—26th and 27th b—27th and 28th c—28th and 29th

沙塵的傳輸高度一般在海拔2km～4km，能分辨到的沙塵最高高度為5km左右，在沙塵沉降區(qū)分辨到的沙塵主要分布在1km以下[22]。圖7為利用HYSPLIT模式計(jì)算的2019-10-28T02:00,200m,500m和1000m的前24h的后向氣流軌跡結(jié)果。氣流源地均在蒙古國境內(nèi)，3個(gè)高度的氣流傳輸路徑相差較大，1000m高度的氣流從庫蘇古爾湖以西向東南方向移動，氣流高度在2000m以上，隨東移南下過程，高度逐漸降低；500m和200m高度氣流源地位于庫蘇古爾湖以南200km和400km的區(qū)域，二者向東南輸運(yùn)過程中高度偏低，500m和1000m兩股氣流路徑基本一致。沙塵到來前后，200m氣流方向偏西南，1000m氣流方向偏西北，從低空到高空，風(fēng)向呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，低空有弱的暖平流。圖中標(biāo)注的時(shí)間為世界時(shí)間。

Fig.7 24h backward flow trajectory at 2019-10-28T02:00

圖8是沙塵來臨前后，雷達(dá)觀測到的800m高度以下的3個(gè)時(shí)刻的風(fēng)向廓線(見圖8a)和風(fēng)速(見圖8b)。其中28日02:00為沙塵影響時(shí)間，雷達(dá)探測高度較低;27日16:00沙塵來臨前，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)速主要范圍為15m/s～20m/s；28日02:00沙塵影響時(shí)，風(fēng)向略向北偏轉(zhuǎn)，風(fēng)速增大至20m/s以上；28日16:00沙塵過程結(jié)束后，風(fēng)向已轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速降至10m/s以下。

Fig.8 LiDAR wind direction and speed profile

圖9為2019-10-27～2019-10-28每小時(shí)地面站監(jiān)測結(jié)果。

2019-10-27T00:00～10:00，沙塵影響前，顆粒物質(zhì)量濃度處于較低水平，均處于50μg/m3以下。溫度逐漸上升，相對濕度隨之降低，氣壓有所減小，地面風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)速有所增大，10:00瞬時(shí)風(fēng)速增大至6m/s。能見度條件良好，維持在30km。

2019-10-27T10:00～2019-10-28T02:00，沙塵開始影響并逐漸增強(qiáng)，PM2.5質(zhì)量濃度基本維持不變，PM10質(zhì)量濃度顯著上升，從27日10:00的11μg/m3升高至268μg/m3。此時(shí)段隨著太陽輻射增強(qiáng)，溫度不斷上升，在27日16:00達(dá)最高值11.8℃，相對濕度隨之繼續(xù)降低；之后太陽輻射逐漸減小，地面溫度降低，同時(shí)西南風(fēng)逐漸增強(qiáng)，相對濕度有所上升，受蒙古氣旋影響，地面氣壓持續(xù)降低，最低達(dá)到了888.7hPa。地面風(fēng)向仍為西南風(fēng)，地面風(fēng)速先減小后增強(qiáng)，風(fēng)速最大達(dá)到11m/s，較強(qiáng)風(fēng)速有利于沙塵輸送。能見度逐漸減小，但其變化滯后于PM10質(zhì)量濃度變化。

Fig.9 Hourly surface monitoring results from 2019-10-27 to 2019-10-28

2019-10-28T02:00～06:00，PM10質(zhì)量濃度從268μg/m3迅速減小為22μg/m3，之后PM10質(zhì)量濃度仍維持在30μg/m3以下，沙塵影響基本結(jié)束。此時(shí)段隨著干冷空氣影響，溫度平穩(wěn)下降，28日16:00溫度較前一日同時(shí)刻最高溫度降低了12℃。2019-10-28T03:00～06:00冷空氣影響前期，相對濕度較高，維持在80%以上，觀測點(diǎn)處于冷鋒鋒后，有小的鋒面降水天氣，濕沉降作用對地面PM10質(zhì)量濃度下降有一定的正貢獻(xiàn)；之后隨著干冷空氣持續(xù)影響，相對濕度逐漸減小。受冷高壓影響，地面氣壓逐漸上升，最高達(dá)到900.9hPa。2019-10-28T02:00～18:00，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)和西北風(fēng)為主，風(fēng)速多在6m/s以上，18:00～23:00風(fēng)向逐漸逆轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速也有所減小。此時(shí)段能見度隨著PM10質(zhì)量濃度降低而升高，地面能見度變化和PM10質(zhì)量濃度變化之間，表現(xiàn)出較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 雷達(dá)反演結(jié)果應(yīng)用

相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)可以用來反演氣溶膠光學(xué)特性[23-25]，ZHANG等人[26]發(fā)現(xiàn)，地面PM10質(zhì)量濃度與200m高度消光系數(shù)隨時(shí)間變化存在較好的一致性，本文中采取同樣高度消光系數(shù)與地面PM10質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。圖10為2019-10-27～2019-10-28PM10質(zhì)量濃度與200m高度氣溶膠消光系數(shù)。兩者變化關(guān)系較為吻合，但是在2019-10-27T00:00～2019-10-28T02:00階段，消光系數(shù)變化明顯滯后于地面PM10質(zhì)量濃度變化，這是因?yàn)殄a林郭勒盟離沙源地較近，沙塵吹起后，近地面首先受到影響，之后在氣流混合作用下，低空大氣也逐漸受到沙塵影響，消光系數(shù)陡升，在28日02:00時(shí),地面PM10質(zhì)量濃度達(dá)最大值268μg/m3，消光系數(shù)超過30km-1，達(dá)到最大值。從28日02:00開始，地面PM10質(zhì)量濃度和消光系數(shù)均開始迅速下降，28日06:00,沙塵過程基本結(jié)束。

Fig.10 Time sequence diagram of PM10 mass concentration and aerosol extinction coefficient at 200m height from 2019-10-27 to 2019-10-28

圖11是2019-10-27～2019-10-28雷達(dá)反演獲得的氣溶膠消光系數(shù)、垂直氣流速度、垂直風(fēng)切變和風(fēng)羽。沙塵來臨前，高空明顯風(fēng)速帶的建立以及較強(qiáng)垂直風(fēng)切變的存在，有利于高空動量下傳和大氣不穩(wěn)定度的維持。從垂直風(fēng)切變的分布特征來看，2019-10-27T00:00～09:00，400m以下低空的垂直風(fēng)切變很強(qiáng)，在0.5s-1左右，此高度以上為明顯的偏西風(fēng)，以下為明顯的偏西南風(fēng)，大氣不穩(wěn)定，隨著風(fēng)向穩(wěn)定為西南風(fēng)，2019-10-27T12:00～16:00垂直風(fēng)切變較弱，在80.2s-1以下，大氣層結(jié)較穩(wěn)定；2019-10-27T16:00～2019-10-28T00:00，400m以下垂直風(fēng)切變再次增強(qiáng)至0.5s-1左右，此時(shí)段也伴隨著高空風(fēng)速不斷增大和動量下傳。28日03:00～15:00沙塵影響時(shí)段，400m以下下沉氣流旺盛，氣溶膠消光系數(shù)驟增數(shù)十倍，沙塵垂直風(fēng)切變呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，2019-10-28T10:00～15:00基本維持在0.1s-1左右，大氣逐漸穩(wěn)定，沙塵過程隨之減弱，繼而結(jié)束。

Fig.11 Aerosol extinction coefficient, vertical velocity, vertical wind shear and wind plume by wind lidar from 2019-10-27 to 2019-10-28

結(jié)合地面站和雷達(dá)觀測結(jié)果，二者的要素隨時(shí)間變化的特征并不完全匹配，2019-10-28T02:00，地面觀測結(jié)果顯示PM10質(zhì)量濃度已達(dá)到高峰，而雷達(dá)的氣溶膠消光系數(shù)則是從2019-10-28T03:00開始迅速增大，且持續(xù)到15:00左右。原因包括觀測站點(diǎn)之間存在大于2km的距離，另外，雷達(dá)所處位置的地理環(huán)境為草原牧場，下墊面多為草本植物和沙塵顆粒，在受到大氣不穩(wěn)定條件影響下，從地表向高空極易形成持續(xù)性污染；地面觀測站位于錫林浩特市區(qū)，地面觀測結(jié)果直接受到高空污染物沉降的影響，從地表向上抬升的污染物較草原牧場明顯偏少。

3 結(jié) 論

2019-10-27～2019-10-28，受高空冷渦、蒙古氣旋的共同影響，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟出現(xiàn)降水過程并伴有大風(fēng)和沙塵。冷鋒恰好在下午至傍晚一天當(dāng)中氣溫較高時(shí)段過境沙源地，熱力疊加動力條件，有利于垂直上升運(yùn)動發(fā)展，沙塵揚(yáng)起，此時(shí)段鋒面過境利于起沙，在內(nèi)蒙古中部形成大范圍沙塵天氣。

MODIS反演的AOD顯示,2019-10主要沙塵源區(qū)為南疆塔克拉瑪干沙漠，日平均AOD也可大致表現(xiàn)出沙塵傳輸過程，不過需要結(jié)合HYSPLIT模式的后向氣流軌跡和雷達(dá)風(fēng)廓線才可以更好地確定沙塵源地及移動路徑。

地面觀測的PM10質(zhì)量濃度和雷達(dá)反演的200m高度氣溶膠消光系數(shù)隨時(shí)間變化一致性良好，雷達(dá)反演的氣溶膠消光系數(shù)可反應(yīng)邊界層大氣中氣溶膠的變化情況。沙塵來臨前，高空明顯風(fēng)速帶的建立以及較強(qiáng)垂直風(fēng)切變的存在，有利于高空動量下傳和大氣不穩(wěn)定度的維持。沙塵來臨前，此特征非常明顯，并且伴隨著風(fēng)速減弱和下沉氣流增強(qiáng)，沙塵過程中存在明顯的風(fēng)向轉(zhuǎn)向。

城市下墊面和草地下墊面對于沙塵的響應(yīng)狀況存在明顯區(qū)別。城市下墊面沙塵持續(xù)時(shí)間更短，垂直風(fēng)切變使得草地下墊面更易揚(yáng)起沙塵，造成持續(xù)性污染。