王俊杰,杜凌峰
(四川省遂寧市氣象局,四川 遂寧 629000)
沙塵暴是強風(fēng)把地面大量沙塵卷入空中、使空氣特別渾濁、水平能見度低于1 km的天氣現(xiàn)象,是大氣環(huán)流、近地面氣象條件及下墊面狀況等多種因素綜合作用的結(jié)果。沙塵暴多數(shù)發(fā)生于春季,且易發(fā)生于干旱、半干旱地區(qū)[1-3]。沙塵暴發(fā)生時對生態(tài)環(huán)境、人體健康等產(chǎn)生很大危害。
我國于20世紀(jì)70年代開始研究沙塵暴天氣,眾多學(xué)者從沙塵暴的時空分布、發(fā)生源地、移動路徑等方面做出了大量的研究[4-6]。劉景濤[7]等將影響中國北方的沙塵暴天氣劃分為冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型、干颮線與冷鋒混合型4種類型。2021年春季我國北方沙塵暴天氣多數(shù)為冷鋒型以及冷鋒與蒙古氣旋混合型。
呼和浩特地區(qū)為內(nèi)蒙古首府城市,環(huán)境的好壞已成為重要話題。筆者利用多源數(shù)據(jù)資料探究2021年3月27日—28日一次強沙塵暴天氣的特征,以期為提高呼和浩特沙塵暴天氣的認(rèn)知提供理論基礎(chǔ)。
空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于呼和浩特市環(huán)境監(jiān)測站,選取呼和浩特市8個國控監(jiān)測站的平均值,站點分布于整個市區(qū),數(shù)據(jù)完整,有很好的代表性。常規(guī)氣象資料數(shù)據(jù)來自中國氣象局高空及地面觀測數(shù)據(jù)。HYSPLIT后向軌跡模型所用的氣象資料來自 NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報中心)的GDAS全球同化產(chǎn)品。
HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型是美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源的功能,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在多地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中[8-10]。
2021年3月27日—28日呼和浩特大部地區(qū)均出現(xiàn)了強沙塵暴天氣,清水河縣為沙塵暴,其中呼和浩特市市區(qū)南部最小能見度降至323 m。結(jié)合呼和浩特市區(qū)AQI、PM10、PM2.5小時平均值與呼和浩特市最小能見度、平均相對濕度(RH)、近地面小時平均風(fēng)速(見圖1)可知,3月27日—28日呼和浩特市AQI呈現(xiàn)出良—嚴(yán)重污染—良的變化趨勢,27日21:00AQI迅速增大且22:00達(dá)到500(AQI檢測上限為500,當(dāng)所測值超過上限時顯示上限值),嚴(yán)重污染持續(xù)到28日09:00,AQI爆表狀態(tài)持續(xù)12 h。PM2.5、PM10均呈現(xiàn)單峰型變化趨勢,但出現(xiàn)峰值時間不一致。3月27日21:00,PM10、PM2.5開始明顯升高,PM2.5峰值出現(xiàn)在22:00,為1 062 μg·m-3,本時段PM10增長速率遠(yuǎn)大于PM2.5,且還在繼續(xù)增大,28日01:00出現(xiàn)峰值,為5 037 μg·m-3,隨后開始明顯下降。從平均風(fēng)速來看,27日15:00之后風(fēng)速開始增大,22:00達(dá)到最大值,為15.6 m·s-1,結(jié)合RH和最小能見度可知,20:00下降最為明顯,且21:00均降到最小值。28日凌晨開始,隨著近地面風(fēng)力減弱,大氣污染邊界層開始抬升,污染物擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好,使得污染物發(fā)生沉降,此次強沙塵暴污染逐漸趨于結(jié)束。此次強沙塵暴造成的污染,主要以粗粒子為主。
圖1 呼和浩特市PM2.5、PM10、AQI
沙塵爆發(fā)前,2021年3月27日08:00高空圖上顯示,貝加爾湖東側(cè)有明顯的高空槽,槽后為偏北風(fēng),風(fēng)速最大可達(dá)28 m·s-1,配合有明顯的冷溫槽,有冷空氣的配合,且冷溫槽落后于高空槽,使低槽進(jìn)一步發(fā)展加強;地面氣壓場為明顯的東低西高,冷高壓中心強度為1 027.5 hPa,低壓中心強度為995 hPa,在高低壓之間有明顯的冷鋒位于貝加爾湖—蒙古中部—內(nèi)蒙古西部,鋒面附近氣壓梯度力較大。3月27日20:00低槽發(fā)展至蒙古東部—內(nèi)蒙古中部,溫度槽仍落后于高空槽,呼和浩特市位于高空槽前偏西氣流中(圖2a);700 hPa低渦已經(jīng)移至內(nèi)蒙古東部,河套地區(qū)處于低槽控制區(qū),槽后西北氣流較強,最大風(fēng)速達(dá)28 m·s-1,并且有明顯的冷溫槽與低槽配合,風(fēng)向與等溫線存在明顯的夾角,700 hPa呼和浩特市由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北偏西風(fēng)控制(圖2b)。
隨著高空槽攜帶冷空氣逐漸東移加深,冷高壓逐漸發(fā)展,3月27日20:00冷鋒位于內(nèi)蒙古河套地區(qū)(圖2c),鋒后冷空氣攜帶大量沙塵,呼和浩特地區(qū)自北向南逐漸出現(xiàn)沙塵暴天氣。28日08:00的500 hPa高空圖上,高空槽移至內(nèi)蒙古東部,呼和浩特市轉(zhuǎn)為西北氣流控制;地面圖上,呼和浩特市位于高壓底前部,隨著高壓東移,28日11:00呼和浩特市等壓線變得稀疏(圖2d),風(fēng)力減弱,重污染天氣好轉(zhuǎn)。
圖2 2021年3月27日20:00(a)500 hPa、700 hPa(b)高空圖,3月27日20:00(c)、3月28日11:00(d)地面圖
通過HYSPLIT對此次沙塵污染過程進(jìn)行軌跡分析,選取空間分辨率為1°×1°,時間分辨率為6 h的GDAS數(shù)據(jù),以呼和浩特市(40.82°N,111.68°E)為參考點,選取高度100 m、500 m、1 000 m共三個高度,分別計算后向48 h的氣團(tuán)逐6 h軌跡,追蹤到達(dá)呼和浩特的氣團(tuán)過去48 h的軌跡,用于分析不同高度的污染物來源。2021年3月28日08:00后向軌跡可知(見圖3),三個高度路徑一致,27日白天冷空氣團(tuán)高度明顯下降,此次冷氣團(tuán)來自貝加爾湖以西地區(qū)經(jīng)偏北氣流途經(jīng)蒙古進(jìn)入呼和浩特市,傳輸路徑為偏北路徑,而沙塵污染源來自蒙古國。
圖3 2021年3月28日08:00后向軌跡分析(橫坐標(biāo)為UTC時間)
由圖3可知,HYSPLIT模擬結(jié)果與圖1中污染物變化結(jié)果相一致,可見此次區(qū)域性沙塵污染,呼和浩特地區(qū)受冷鋒影響,邊界層迅速下降使得高空沙塵氣溶膠發(fā)生沉降到達(dá)近地面。最初沙塵源來自蒙古國。
2021年3月27日—28日呼和浩特大部地區(qū)均出現(xiàn)了強沙塵暴天氣,清水河縣為沙塵暴,其中呼和浩特市市區(qū)南部最小能見度降至323 m。呼和浩特市AQI呈現(xiàn)出良—嚴(yán)重污染—良的變化趨勢,AQI爆表狀態(tài)持續(xù)12 h。PM2.5、PM10均呈現(xiàn)單峰型變化趨勢, PM2.5峰值出現(xiàn)在22:00,為1 062 μg·m-3,PM10于28日01:00出現(xiàn)峰值,為5 037 μg·m-3。此次強沙塵暴造成的污染,主要以粗粒子為主。
此次沙塵暴主要受地面冷鋒以及高空槽共同影響。鋒后冷空氣攜帶大量沙塵,在冷鋒過境的同時污染邊界層下降,造成沙塵沉降,使得呼和浩特地區(qū)發(fā)生強沙塵暴天氣。
通過后向軌跡分析可知,2021年3月27日白天冷空氣團(tuán)高度明顯下降,此次冷氣團(tuán)來自貝加爾湖以西地區(qū)經(jīng)偏北氣流途經(jīng)蒙古進(jìn)入呼和浩特市,傳輸路徑為偏北路徑,而沙塵污染源來自蒙古國。