蔡振鋒,李丁,黃海虹

(1 臨沂市蘭山區(qū)自然資源局, 山東 臨沂 276000;2 中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116;3 山東智繪地信工程技術有限公司, 山東 濟南 250000 )

0 引 言

沙塵天氣是強風將干旱、半干旱地表大量塵沙揚起,使空氣變混濁、水平能見度降低的一種天氣現(xiàn)象,沙塵顆?？砷L時間在空氣中懸浮、傳輸甚至隨洋流進入全球大氣循環(huán)中[1,2]。我國沙塵主要來源于西北省份、內(nèi)蒙古和境外的蒙古等地,多發(fā)于春秋季節(jié)[3]。強沙塵天氣給人們的生產(chǎn)生活帶來極大的不便,并影響人們身體健康[4,5]。在沙塵源附近,沙塵可以被揚起到10 km 的高空層[6,7]。在無降水情況下,沙塵隨氣流向下游地區(qū)長距離傳輸,不同粒徑大小的沙塵隨重力沉降流失速率不同,再加上風向的變化,造成沿途的沙塵污染強度也有差異。監(jiān)測和統(tǒng)計沙塵傳輸過程對理解沙塵時空演變過程和防治工作具有重要意義。

衛(wèi)星和地基遙感觀測數(shù)據(jù)為沙塵分析提供了有效途徑。其中,靜止衛(wèi)星如Himawari-8 高達10 min 每次的觀測頻率為大范圍的沙塵傳輸過程提供了實時監(jiān)測數(shù)據(jù),然而受限于天氣條件和算法原理,覆蓋度難以保證[5,8]。地基采樣不受天氣條件限制,可以24 h 持續(xù)運行,PM2.5和PM10等顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)成為空氣質(zhì)量評定的重要依據(jù)。根據(jù)我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095-2012)要求,PM10和PM2.5的二級濃度限值分別為150μg·m?3和75μg·m?3。此外,PM10與PM2.5比例可以用于判定沙塵類型,如PM2.5與PM10的比值小于0.4,說明是沙塵影響,大于0.8 是人為源細顆粒物污染[9?11]?；赑M 具體成分分析結(jié)果表明沙塵消散后一定程度上會改善當?shù)卮髿馕廴舅絒12,13]。此外,主動式地基激光雷達可以更精細地探測沙塵過境節(jié)點、揚起高度以及混合程度,是較為理想的探測手段,然而激光雷達造價較為昂貴,目前國內(nèi)布網(wǎng)較少。

中國東部地區(qū)歷來易受沙塵氣溶膠影響,相關研究較多[14?16],主要包括以衛(wèi)星產(chǎn)品為基礎的大范圍演變特征研究和以重點城市地區(qū)如北京等為研究熱點的單個、多個城市的地基觀測數(shù)據(jù)對比分析。2021 年3月,連續(xù)兩次同源沙塵從蒙古一路南下,甚至到達江蘇、浙江等地,是近10 年來較為罕見的,具有顯著的代表性,能夠很好地進行污染程度、傳輸路徑和粒子組成等對比分析。

因此,本文首先利用再分析資料和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對這兩次沙塵的天氣形勢和時空分布進行概括。在此基礎上,選擇北京和徐州地區(qū)利用地基數(shù)據(jù)進行對比分析。北京市作為沙塵必經(jīng)城市,具有典型意義。徐州市地處蘇魯豫皖接壤地區(qū),是南北分界線的標志城市,該地區(qū)距離蒙古等沙塵源1000 km,是沙塵傳輸?shù)摹拔膊俊钡貛?雖不會出現(xiàn)北方地區(qū)遮天蔽日的沙塵暴天氣,但天空仍呈現(xiàn)肉眼可見的黃灰色。利用PM 站點數(shù)據(jù)和主被動地基遙感數(shù)據(jù)對兩地受沙塵影響的前中后不同時期的大氣特征進行綜合分析,為南北分界地區(qū)沙塵影響研究提供有效途徑。

1 數(shù)據(jù)和方法

數(shù)據(jù)根據(jù)來源可分為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、模式再分析資料和地基觀測數(shù)據(jù)(表1)。日本氣象廳發(fā)射的靜止衛(wèi)星Himawari/AHI 提供Level-3 逐小時氣溶膠光學厚度(AOD)產(chǎn)品(http://www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html),該產(chǎn)品經(jīng)過了相應的驗證,其精度可滿足大范圍內(nèi)氣溶膠濃度的變化情況分析[17]。中尺度天氣預報中心再分析資料提供了較為準確的多尺度地球表面氣候ERA5 數(shù)據(jù)集[18],本研究下載了覆蓋研究區(qū)0.25?分辨率的逐小時天氣位勢高度、溫度、濕度和風速等數(shù)據(jù)(https://cds.climate.copernicus.eu/)。

HYSPLIT 后向軌跡模式廣泛應用于國內(nèi)外氣流溯源分析中[19?21],本研究對徐州市兩次沙塵主峰運動軌跡進行模擬,以觀測站點(34.22?N,117.14?E)為起點,模擬500、1000、1500 m 高度層上氣團48 h 的后向軌跡,效果圖可以從后向軌跡模擬在線網(wǎng)站(https://www.arl.noaa.gov/hysplit/getrun-hysplit/)上獲得。PM2.5和PM10數(shù)據(jù)由全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺(http://106.37.208.233:20035/)提供,其中北京市區(qū)共6 個站點,徐州5 個站點。對不同城市的各站點數(shù)據(jù)進行繪制,從而展示總體一致性和局部波動性。

位于徐州市區(qū)中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)環(huán)境與測繪學院樓頂(34.217?N,117.142?E)的大氣遙感觀測站提供了主被動遙感數(shù)據(jù): 1)基于CE318 的被動式觀測數(shù)據(jù), 其原理是利用太陽光譜經(jīng)過大氣層到達地面儀器時損失的能量比例反演整層大氣中AOD 和SSA 等氣溶膠關鍵光學參數(shù),本研究使用了波長在340、380、440、500、675、870 nm 的6 個波段的有效數(shù)據(jù)。為了便于對比, 也在AERONET 氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)站(https://aeronet.gsfc.nasa.gov)下載了對應的北京站點數(shù)據(jù)。2)基于MPL5000-Lidar 的主動式觀測數(shù)據(jù),利用發(fā)射器向天空發(fā)射532 nm 波長激光,通過接收器接收來自不同高度層氣溶膠粒子和云的反射信號獲取氣溶膠粒子類型、退偏比和消光系數(shù)等垂直廓線信息。其中退偏比表征氣溶膠粒子的不規(guī)則程度,退偏比越大,則粒子越不規(guī)則,可以用于區(qū)分顆粒物類型。通常情況下,人為源氣溶膠退偏比在0.1 以下,沙塵氣溶膠可達0.2 以上,劇烈沙塵暴時甚至能達到0.4[22]。整層大氣垂直方向上的消光系數(shù)(單位: km?1)分布是邊界層劃定的重要參數(shù),與距離的積分和AOD 等同,在沙塵傳輸情況下,近地面消光系數(shù)高值區(qū)(通常在0.2～0.3)將顯著上揚。為消除背景噪聲的影響,只有當同偏振和正交偏振信噪比(SNR)均大于5 時的激光雷達數(shù)據(jù)才用于制圖分析。上述兩種儀器是國內(nèi)外最常用的主被動地基遙感設備,其產(chǎn)品通常用于衛(wèi)星先驗數(shù)據(jù)集生產(chǎn)和產(chǎn)品精度驗證[23?25]。由于數(shù)據(jù)源多樣且尺度不同,首先將數(shù)據(jù)統(tǒng)一為北京時間,然后按照時間序列進行制圖。

2 天氣形勢與沙塵時空分布

2.1 天氣形勢

蒙古氣旋一年四季皆可生成,將大量沙塵帶到華中和華東平原[26]。2021 年入春以來,我國沙塵暴日數(shù)和強度為近9 年之最,其中3 月15–17 日和3 月28–29 日兩次大規(guī)模沙塵均源自蒙古國(中央氣象臺4 月18日新聞發(fā)布)。

利用ERA5 再分析資料,圖1(c)展示了第一次沙塵的形成與消退過程。3 月15 日在蒙古東部和內(nèi)蒙古交界處(118?E～122?E,49?N～51?N)上空出現(xiàn)一個高空冷氣旋,同時在近地面氣旋的西部(100?E～105?E,48?N～50?N)伴隨一個高壓系統(tǒng)。西部反氣旋和東部氣旋的共同作用以及地表的輻合上升作用使得源地的沙塵粒子伴隨著上升氣流進入高空,并在冷空氣的作用下迅速東移南下,影響到下游中國東北方的大部分城市,高空風速大于20 m·s?1。3 月16 日隨著高空槽途經(jīng)江蘇省東移入海,北方氣流影響逐漸減弱,徐州地區(qū)近地面層風速減小到不足5 m·s?1,污染物不易擴散,造成了污染物的累積,此后風速緩慢增大,污染因素逐漸由沙塵主導過渡到本地污染物粒子主導。相比于第一次沙塵過境,3 月28 日蒙古南部高空生成新一輪氣旋,將沙塵粒子從北部上空南移至徐州地區(qū)圖1(d)。從3 月29 日起,該地區(qū)受到西南氣流的影響,造成沙塵粒子向北回流形成污染物的二次擴散,造成了持續(xù)性污染。此外,西南氣流屬于暖濕氣流,因此與偏冷的西北氣流相遇可能會造成部分地區(qū)出現(xiàn)多云和降雨現(xiàn)象?；谠俜治鲑Y料的分析與后向軌跡分析圖1(a)、(b)一致,相互佐證。

2.2 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)

靜止衛(wèi)星可以實現(xiàn)大范圍、高時間頻率的監(jiān)測。圖2 展現(xiàn)了兩次沙塵事件下中國東部逐小時Himawari-8/AHI AOD 分布情況。3 月6 日上午09:00,徐州等地已被高值氣溶膠覆蓋,山東大部分地區(qū)受影響較小。隨后在西北風向作用下,氣溶膠受到氣旋(空洞邊緣)驅(qū)動向著東南方向移動,逐漸影響到河北、安徽和山東等地。下午13:00 到16:00,大量沙塵途徑江蘇中部東移入海,在近海面蔓延形成了“條帶”現(xiàn)象。3月28 日中國東部受第二次沙塵影響,沙塵途經(jīng)遼寧、河北、北京,并經(jīng)過渤海向南方下游城市侵襲,影響到包括徐州在內(nèi)的部分江蘇省城市。衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)雖然有效地佐證了本文的天氣形勢分析,然而受云和算法限制條件影響,空間分布連續(xù)性較差,還需要利用地基觀測進一步分析研究。

圖2 2021 年3 月16 日(a)和28 日(b)AHI 500 nm AOD 小時變化趨勢Fig.2 Hourly variation of AHI AOD at 500 nm on March 16(a)and March 28(b),2021

3 地基觀測結(jié)果

3.1 上下游城市地區(qū)對比

由上文分析可知,兩次沙塵過境均影響到中國東部大部分城市,基于北京和徐州兩地共有的氣溶膠觀測網(wǎng)站點和國控PM 地基站點觀測資料按時間序列進行對比分析,結(jié)果如圖3(a)-(j)所示。圖3(a)、(b)表明兩地氣溶膠濃度變化趨勢相似,背景AOD 在0.3 左右,隨沙塵傳輸可以達到1.5 以上,且AOD 趨勢與圖3(e)、(f)中的PM10趨勢高度吻合。而兩地的SSA 差異較大[圖3(c)、(d)],北京地區(qū)背景SSA 平均值為0.91,遠小于徐州地區(qū)均值0.99,表明北京地區(qū)以吸收性氣溶膠為主,徐州地區(qū)由散射型氣溶膠主導。在無沙塵時,徐州地區(qū)各波段(440、675、870 nm)SSA 較為接近且趨勢相似,而北京地區(qū)各波段SSA 變化幅度較大。這表明徐州地區(qū)背景氣溶膠類型較為單一,主要受本地排放影響;而北京地區(qū)受地形、周圍工業(yè)城市傳輸和本地交通排放的復合影響,氣溶膠類型變化較快。此外,在沙塵過境時段的幾次觀測中,北京各波段SSA 趨于較大值,表明此時沙塵主導本地氣溶膠,環(huán)境中較多的大顆粒物使得氣溶膠光學吸收與散射比發(fā)生顯著變化;而徐州地區(qū)氣溶膠從背景氣溶膠過渡到沙塵混合氣溶膠的過程中,主導顆粒物的光學吸收與散射比變化較為一致,這表明在徐州地區(qū)SSA 難以單獨用于沙塵性氣溶膠的識別研究。

圖3 徐州與北京地區(qū)多參數(shù)時間序列對比圖。(a)徐州地區(qū)AOD;(b)北京地區(qū)AOD;(c)徐州地區(qū)SSA;(d)北京地區(qū)SSA;(e)徐州地區(qū)PM10;(f)北京地區(qū)PM10;(g)徐州地區(qū)PM2.5;(h)北京地區(qū)PM2.5;(i)徐州地區(qū)PM2.5 與PM10 比值;(j)北京地區(qū)PM2.5 與PM10 比值;(k)沙塵傳輸路徑上雁棲湖(北京)、焦作和徐州地區(qū)的SSAFig.3 Time-series comparison of multi parameters between Xuzhou and Beijing. AOD in Xuzhou(a)and in Beijing(b);SSA in Xuzhou(c)and in Beijing(d);PM10 in Xuzhou(e)and in Beijing(f);PM2.5 in Xuzhou(g)and in Beijing(h);ratio of PM2.5 and PM10 in Xuzhou(i)and in Beijing(j);SSA in Yanqihu(Beijing),Jiaozuo and Xuzhou on the dust transport path(k)

從圖3(e)、(f)中PM10數(shù)值變化(不同顏色代表不同站點,下同)可以發(fā)現(xiàn): 兩次沙塵的峰值到達徐州的時間均比北京晚20 h 左右,且第一次沙塵過境時北京PM10最高值超過2500μg·m?3(徐州約為1500μg·m?3);第二次沙塵時北京最高值約2000μg·m?3(徐州約為1000μg·m?3),表明沙塵在南下過程中不斷地發(fā)生沉降,大顆粒物難以持續(xù)傳輸。在其他時段,兩個城市PM10濃度均低于100μg·m?3,而兩個城市的PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢較為接近,數(shù)值在50～80μg·m?3左右[圖3(g)、(h)],表明兩地背景氣溶膠均以細顆粒物為主。在沙塵過境時,兩地PM2.5顯著升高至平時的3 倍(PM10變化幅度可達20 倍)。相比于徐州地區(qū),北京地區(qū)的背景PM2.5在多個站點波動幅度較大,表明北京地區(qū)氣溶膠變化較為復雜,具有一定的空間差異性,與圖3(c)、(d)中SSA 的情況相互佐證。黃色條帶覆蓋時間為兩次沙塵過境的時段,可以顯著看到兩地PM2.5與PM10的比值從高于0.8 迅速降到0.2 左右,之后2～3 天時間內(nèi)隨著沙塵氣溶膠緩慢沉降,比值回升到0.8,表明隨著沙塵沉降完成,以人為源細顆粒氣溶膠為主的本地氣溶膠類型占主導地位,整個過程持續(xù)5 天左右,與其他研究結(jié)果一致[27]。

此外,圖3(k)展示了北京雁棲湖、焦作和徐州地區(qū)(沙塵傳輸路徑上按緯度從高到低排列的3 個有數(shù)據(jù)的SONET 站點)440 nm 波段SSA 的數(shù)據(jù)分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn),中國東部三個不同緯度地區(qū)在沙塵氣溶膠主導時,SSA 與沙塵源路徑遠近有關,北京<焦作<徐州。然而受限于數(shù)據(jù)量,仍需更多的分析。

3.2 基于下游城市的地基觀測

沙塵氣溶膠在傳輸過程中隨重力作用不斷與本地近地面層氣溶膠混合,越大的顆粒物沉降越早。在本地背景氣溶膠已知的情況下, 可以通過不同地區(qū)的地基觀測來推測沙塵中各種粒徑顆粒物的性質(zhì)。然而由圖2 可知北京地區(qū)背景氣溶膠性質(zhì)較為復雜, 且由于地基遙感觀測條件限制,在沙塵發(fā)生時, 北京地區(qū)CE318 未獲得有效反演數(shù)據(jù),無法具體判斷沙塵顆粒物的影響。因此重點關注下游城市徐州地區(qū)沙塵過境的前中后三個時期本地氣溶膠受氣象因素和沙塵的影響模式。

圖4 展示了3 月26–31 日第二次沙塵過境時徐州地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)、退偏比、AOD、SSA、PM10和PM2.5數(shù)據(jù)隨時間序列的演變過程(相比于第一次沙塵過境,第二次沙塵發(fā)生回流現(xiàn)象,更為復雜)。從圖4(e)、(f)可知,3 月29 日以前,徐州市區(qū)各監(jiān)測站點PM10均低于100μg·m?3,維持穩(wěn)定低值;而PM2.5平均值高于75μg·m?3,各站點實測數(shù)值呈現(xiàn)晝夜周期性變化且具有一定差異,這表明徐州地區(qū)大氣污染以本地排放細顆粒物為主,且隨排放源不同具有小尺度區(qū)域差異。結(jié)合圖4(c)、(d)可知,徐州污染仍以散射性細顆粒物為主(AOD 小于0.5,SSA 為0.99),是典型的本地背景污染。3 月29 日00:00,徐州地區(qū)沙塵過境,PM 濃度上升;06:00 左右,PM10達到最高值1000μg·m?3,AOD 數(shù)值最高為1.2(第一次PM10為1500μg·m?3、AOD為1.8),沙塵強度低于第一次。經(jīng)過一天時間的消退后,在30 日凌晨PM10和PM2.5又進入新一輪小幅度增長期,分別增長到500μg·m?3和100μg·m?3。本次過程中,Lidar 在沙塵過境和回流時均觀測到清晰的分層現(xiàn)象,沙塵過境層高在2～4 km,主峰時退偏比大于0.3,而回流時高空氣溶膠退偏比在0.1～0.25 之間,表明回流的沙塵顆粒物經(jīng)過進一步沉降,已經(jīng)損失了更多的大顆粒物,導致退偏比降低。同時,從30 日氣溶膠地面層可以發(fā)現(xiàn),沙塵在地面層已經(jīng)發(fā)生沉降(顏色變化,退偏比數(shù)值降低),但是由于回流影響,地面層又混入新的沙塵,造成二次污染。之后在本地基本沉降完成,本地污染物逐步占主導地位。

沙塵過境時, 地基CE318 獲取到AOD 連續(xù)觀測數(shù)據(jù)變化趨勢與PM2.5和PM10下降趨勢一致, 表明AOD 與PM 具有緊密聯(lián)系。同時,基于CE318 反演的SSA 參數(shù)表征氣溶膠吸收和散射能力,非沙塵天氣時,各波段SSA 較為相近,且在0.99 左右,表明本地污染以散射性氣溶膠粒子為主;在沙塵天氣時,在440 nm 波段,SSA 下降幅度較675 nm 和870 nm 波段更大,這表明本次沙塵中某些粒子成分(如含鐵、碳元素粒子)對440 nm 波長光譜具有吸收性。

進一步聯(lián)合ERA5 氣象數(shù)據(jù)進行分析, 結(jié)果如圖4 (g)-(i) 所示。沙塵過境前, PM2.5與PM10比值在0.4～0.6 之間,背景AOD 在0.5 以上;沙塵過境時,PM 比值急劇下降至0.1,之后緩慢回升至0.2 左右,并在29–31 日后續(xù)沙塵回流作用下濃度和比值基本保持不變。

圖4 第二次沙塵過境時徐州地區(qū)多參數(shù)時間序列圖。(a)消光系數(shù)垂直分布;(b)退偏比垂直分布;(c)AOD;(d)SSA;(e)PM10;(f)PM2.5;(g)相對濕度、PM2.5 與PM10 比值變化趨勢;(h)地表溫度、PM2.5 和PM10 變化趨勢;(i)多波段AOD、PM2.5 和PM10 變化趨勢Fig.4 Time-series variation for multi parameters in Xuzhou during the second dust period. (a)Vertical distribution of extinction coefficient;(b)vertical distribution of depolarization ratio;(c)AOD;(d)SSA;(e)PM10;(f)PM2.5;(g)the change trend of relative humidity and the ratio of PM2.5 and PM10;(h)surface temperature,PM2.5 and PM10;(i)AOD at different spectrums and the change trend of PM2.5 and PM10

此外,通過溫濕度分析表明,沙塵過境前相對濕度穩(wěn)定在80%左右,南下冷空氣作用下,相對濕度在沙塵過境前后有20%～40%的顯著降幅,之后在西南暖空氣氣流作用下回升至60%(兩次沙塵過程變化趨勢一致)。而溫度變化趨勢仍然具有晝夜規(guī)律性,主要受太陽光照影響。

4 結(jié) 論

2021 年春季連續(xù)兩次沙塵事件屬同源沙塵, 均來源于蒙古國中南部, 呈現(xiàn)典型的“本地污染-沙塵輸入-沙塵沉降-本地污染”的特征。衛(wèi)星遙感表明中國東部部分地區(qū)AOD 突破2.0,然而受限于云和觀測條件,時空連續(xù)性較差,需要地基數(shù)據(jù)作為補充。

本地地基觀測數(shù)據(jù)表明上下游兩個城市背景氣溶膠性質(zhì)存在較大不同,徐州地區(qū)氣溶膠以散射性顆粒物為主,沙塵來臨時混合氣溶膠吸收性變強,SSA 數(shù)值相應降低;而北京地區(qū)復雜的SSA 變化趨勢表明該地區(qū)氣溶膠中顆粒物成分復雜多變,有無沙塵時氣溶膠SSA 變化特征不顯著。下游城市徐州的觀測資料表明3 月份徐州本地背景氣溶膠以散射性顆粒物為主,沙塵過境時PM10可達到沙塵來臨前的20 倍,PM2.5也同比上升,表明氣溶膠粒徑譜區(qū)間范圍較大。由于沙塵顆粒物對太陽光譜具有吸收性,全波段SSA 相應下降,然而在440 nm 波段的SSA 下降幅度高于675 nm 和870 nm 波段,這表明本次沙塵中的部分顆粒物成分對440 nm 光譜吸收性較強,可能是蒙古沙塵源含有鐵、碳顆粒物成分,還需要對具體成分進一步分析。

此外,借助Lidar 主動式觀測資料,可以反映沙塵的垂直分布信息。到達徐州的兩次沙塵均在2～4 km高空層,退偏比大于0.25;沙塵從高空發(fā)生沉降落入近地面層,與本地背景氣溶膠顆粒物發(fā)生混合,使得近地面氣溶膠退偏比數(shù)值急劇升高。然而隨著沙塵離開徐州地區(qū),地面氣溶膠退偏比在24 h 左右就可以恢復到小于0.1 的常態(tài)中,表明近地面沙塵顆粒物消散較快,不會長時間懸浮在近地面大氣中造成持續(xù)性污染。

致謝: 本實驗的數(shù)據(jù)主要來自AERONET,SONET 以及中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院能源與環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)中心,感謝數(shù)據(jù)生產(chǎn)和儀器維護團隊人員。