陰璐璐,何 清*,李京龍,孟 露,付光祥,吳彩云,肖鴻丹,范旭雨晨

基于地基雷達(dá)探究和田市一次沙塵污染過(guò)程

陰璐璐1,2,何 清1,2*,李京龍2,3,孟 露2,3,付光祥1,2,吳彩云2,3,肖鴻丹2,范旭雨晨2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054；2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地/新疆維吾爾自治區(qū)沙漠氣象與沙塵暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830017)

2022年5月新疆和田市遭遇了近5a來(lái)最強(qiáng)的一次沙塵暴天氣侵襲,沙塵污染過(guò)程持續(xù)了一周.利用大氣氣溶膠激光雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)測(cè)站污染物濃度和近地面氣象觀測(cè)資料,分析了此次沙塵污染過(guò)程中顆粒物濃度變化、氣溶膠光學(xué)信息垂直分布特征,并使用全球再分析資料得出本次污染天氣的氣象匹配形態(tài),最后結(jié)合HYSPLIT后向軌跡模型解析過(guò)境期間氣團(tuán)的輸送及潛在來(lái)源.結(jié)果表明:沙塵污染期間,PM2.5和PM10變化趨勢(shì)較為一致且在垂直高度上存在非均一性,PM2.5/PM10均值為0.25,表明主要以粗顆粒物為主,風(fēng)速與溫度的增加、濕度的降低有利于促成污染天氣的發(fā)生;沙塵污染期間出現(xiàn)了明顯的氣溶膠層,在垂直方向上有顯著的波動(dòng)性變化,沙塵發(fā)生當(dāng)日消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和退偏振比達(dá)到了本次過(guò)程最大值,分別為3.5km-1、0.07km-1·sr-1和0.17;和田市在春季處于熱低壓場(chǎng)中,在西風(fēng)背景環(huán)境與塔里木盆地周邊地形阻擋下污染物難以稀釋與擴(kuò)散,沙塵氣團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間在此盤踞,是本次污染持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的原因;本次沙塵天氣過(guò)程污染物主要來(lái)自于新疆北部、新疆南部的塔克拉瑪干沙漠以及周邊的斯坦國(guó)家且污染源主要以內(nèi)源性沙塵氣溶膠的排放貢獻(xiàn)為主.

和田市；沙塵氣溶膠；垂直分布；光學(xué)信息

大氣氣溶膠影響著大氣輻射傳輸過(guò)程、云的形成、人體健康和出行安全[1].沙塵作為氣溶膠的重要來(lái)源之一,在大氣氣溶膠中有著舉足輕重的地位,它作為大氣氣溶膠的主要組成部分[2-4],不但可以影響天氣和氣候[5-7],而且對(duì)海洋生態(tài)及全球物質(zhì)循環(huán)也具有重要的作用[8-11],是當(dāng)前地球科學(xué)及環(huán)境變化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[12-14].我國(guó)沙塵天氣高發(fā)區(qū)主要位于民豐與和田地區(qū)的南疆盆地和民勤到吉蘭泰為中心的河西地帶,其中沙塵暴與浮塵天氣的頻發(fā)區(qū)位于我國(guó)的南疆地區(qū).目前,沙塵暴發(fā)生的頻率與發(fā)展的趨勢(shì)沒(méi)有一個(gè)全球模式,在多數(shù)情況下,自然過(guò)程決定了任何一年中它的發(fā)生頻率,并且人類活動(dòng)也決定著沙塵暴頻率的變異性[15].在全球干旱半干旱地區(qū)的相關(guān)研究領(lǐng)域中,沙塵暴作為一種特殊且影響顯著的災(zāi)害性天氣,至今仍然是國(guó)內(nèi)外學(xué)者所探究的重點(diǎn)[16-18].同時(shí),氣象背景條件是影響沙塵天氣發(fā)展變化的關(guān)鍵因素,有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)氣象條件直接作用大氣顆粒物的積累、傳輸和擴(kuò)散,其中風(fēng)作為起沙最重要的氣象要素,當(dāng)其超過(guò)10m/s時(shí)就會(huì)產(chǎn)生傳輸沉淀物運(yùn)動(dòng),使大氣中顆粒物濃度迅速上升[19],而污染天氣的出現(xiàn)也往往與弱氣壓場(chǎng)有關(guān)[20-21].塔克拉瑪干沙漠作為我國(guó)及東亞地區(qū)重要的沙塵源區(qū),對(duì)區(qū)域甚至全球的能量收支、生態(tài)系統(tǒng)及水循環(huán)過(guò)程都有非常重要的影響.和田市位于塔克拉瑪干沙漠南緣,其靠近沙漠獨(dú)特的地理位置與大氣環(huán)流特征決定了南疆的和田市成為北方沙塵天氣高發(fā)區(qū)之一[22-25].

大氣氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的觀測(cè)手段一般包括了現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)和基于遙感技術(shù)的觀測(cè).現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)是指利用無(wú)人機(jī)、飛機(jī)、塔臺(tái)以及探空氣球等設(shè)備主動(dòng)地獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于遙感技術(shù)的觀測(cè)主要包括了地基激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)以及星載激光雷達(dá)等.地基雷達(dá)是當(dāng)今科研界用來(lái)觀測(cè)大氣氣溶膠的有效手段之一,它具有分辨率高、體積小、可以連續(xù)且長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的優(yōu)勢(shì),被廣泛地用于探測(cè)AOD(氣溶膠光學(xué)厚度)、氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)以及大氣邊界層高度等領(lǐng)域中.目前,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者圍繞塔克拉瑪干沙漠沙塵氣溶膠的垂直分布[26-27]、時(shí)空分布特征[28]以及質(zhì)量濃度[29]的研究較多且成果豐碩,但是目前以沙漠為背景且基于地基雷達(dá)對(duì)沙塵污染過(guò)程中顆粒物垂直變化”點(diǎn)”的個(gè)例分析研究還相對(duì)較少.

根據(jù)地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),顯示2022年5月中旬,新疆維吾爾自治區(qū)南疆盆地與東疆的11個(gè)縣市遭遇了近5a以來(lái)最強(qiáng)沙塵暴天氣,據(jù)中國(guó)氣象局相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),本次沙塵天氣過(guò)程主要集中在喀什地區(qū)、和田地區(qū)以及哈密市,過(guò)程的綜合強(qiáng)度可達(dá)6.76,其中和田市能見(jiàn)度明顯低于500m,空氣污染指數(shù)嚴(yán)重超標(biāo),給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)與生活造成了嚴(yán)重的影響.和田市空氣質(zhì)量報(bào)告顯示2022年5月12～18日和田市均處于污染狀態(tài),這是近些年以來(lái)少見(jiàn)的一次典型沙塵污染天氣過(guò)程.鑒于此,本研究基于環(huán)境監(jiān)測(cè)站污染物濃度數(shù)據(jù),分析了和田市PM10、PM2.5濃度與近地面氣象要素之間的關(guān)系,并利用大氣氣溶膠激光雷達(dá)數(shù)據(jù)探究沙塵天氣過(guò)程沙塵氣溶膠垂直變化以及光學(xué)信息特征,最后結(jié)合全球再分析資料(ERA5)和HYSPLIT(混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模型)后向軌跡模型追蹤氣候變化背景下沙塵可能傳輸?shù)穆窂?并對(duì)沙塵源地進(jìn)行判斷,以期為大氣污染防治提供有效的參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

表1 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

本文所使用的設(shè)備為光博量子有限公司生產(chǎn)的大氣氣溶膠激光雷達(dá)(GBQL-01型),它是由激光器、控制單元板、光學(xué)單元、高速信號(hào)采集卡、工業(yè)主板和通信模塊等部分構(gòu)成.通過(guò)探測(cè)激光和大氣中各種分子與氣溶膠相互作用的后向散射信號(hào)來(lái)反演大氣特性.GBQL-01型氣溶膠激光雷達(dá)采用了高能量、高重頻的532nm波長(zhǎng)的線偏振激光,克服了傳統(tǒng)米散射激光雷達(dá)白天信噪比低的問(wèn)題,做到了晝夜高信噪比全天時(shí)工作.另外,它依賴其較高的脈沖頻率能實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間分辨率,并通過(guò)搭配3D掃描云臺(tái)實(shí)現(xiàn)大范圍空間掃描探測(cè),具體參數(shù)如表1所示.

1.2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

和田市(圖1)位于塔克拉瑪干沙漠南緣,南部毗鄰青藏高原,是南疆地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化重要的交流陣地.據(jù)統(tǒng)計(jì),在極端氣候條件下其年平均降塵量約為1400t/km2,年沙塵暴天數(shù)為32.9d,揚(yáng)沙天數(shù)為53.ld,浮塵天數(shù)甚至可達(dá)202.4d,和田年內(nèi)沙塵天氣主要集中在春季和夏季,占全年沙塵天氣總數(shù)的70.23%,其中5月份浮塵和揚(yáng)沙天氣發(fā)生頻次最高,是我國(guó)北方地區(qū)遭受沙塵天氣危害最嚴(yán)重的城市之一[30],作為沙塵暴天氣的頻發(fā)地區(qū),探究該地沙塵氣溶膠的垂直分布與光學(xué)信息垂直結(jié)構(gòu)特征有著重要意義.雷達(dá)觀測(cè)場(chǎng)位于新疆和田市氣象局辦公樓樓頂(37.12°N,79.92°E),地面平整、視野開(kāi)闊,周圍無(wú)任何高大的障礙物,滿足實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的條件.

圖1 研究區(qū)概況

1.3 地基雷達(dá)的反演與原理

本研究利用了地基雷達(dá)信號(hào)反演的要素包括了消光系數(shù)、退偏振比和后向散射系數(shù).在進(jìn)行反演前需要確定回波信號(hào)具有較高的信噪比且信號(hào)可靠,隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲訂正、重疊因子訂正等預(yù)處理,基于米散射-偏振技術(shù),激光雷達(dá)信號(hào)的反演采用了當(dāng)今主流的Fernald算法,激光雷達(dá)反演方程式如下所示:

式中:()為雷達(dá)接受到的大氣后向散射回波功率;為雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù);為幾何因子;2為探測(cè)距離;m為大氣分子的后向散射系數(shù);m為大氣分子的消光系數(shù);a為氣溶膠消光系數(shù).

氣溶膠消光系數(shù)反映了不同的氣溶膠粒子在大氣中散射和吸收作用,是對(duì)某一波段太陽(yáng)輻射衰減的綜合描述,主要貢獻(xiàn)來(lái)自各種形式的降水、顆粒物和氣態(tài)污染物,而顆粒物的消光系數(shù)可以占到總消光系數(shù)的90%,通常比值越大說(shuō)明其能見(jiàn)度較低,污染也就越嚴(yán)重;后向散射系數(shù)是用來(lái)表征氣溶膠粒子后向散射強(qiáng)度的物理量,其數(shù)值越大則代表粒子的散射能力強(qiáng);而退偏振比值則反映的是大氣氣溶膠和云粒子的非球形特征,波動(dòng)范圍為0～1,即比值越接近0則代表其粒子形狀越規(guī)則;越接近1表示非球形程度很強(qiáng),而沙塵多數(shù)為不規(guī)則粒子,粗顆粒物占比較高,因此退偏振比值也較高.相關(guān)研究認(rèn)為沙塵氣溶膠退偏振比一般大于0.1,最大則可以達(dá)到0.4[31-33].因此,一般結(jié)合氣溶膠激光雷達(dá)的消光系數(shù)、退偏振比和后向散射系數(shù)等光學(xué)參數(shù)來(lái)判斷分析沙塵.

1.4 數(shù)據(jù)與模式

其他數(shù)據(jù)包括大氣顆粒物數(shù)據(jù),來(lái)自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái);近地面氣象資料來(lái)自于和田市氣象局常規(guī)氣象觀測(cè),包括風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、能見(jiàn)度、極大風(fēng)速、最大風(fēng)速數(shù)據(jù);地基雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)自于GBQL-01型大氣氣溶膠激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)觀測(cè);不同高度溫度、氣壓、風(fēng)場(chǎng)與位勢(shì)高度等數(shù)據(jù)來(lái)自于ERA5,即ECMWF(歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心)全球氣候的第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集;混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模式(HYSPLIT)所用氣象資料來(lái)自于美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)氣象再分析資料.

HYSPILT模型是由澳大利亞氣象局(BOM)和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)所共同研發(fā),用以計(jì)算和分析大氣污染物傳輸與擴(kuò)散軌跡[34-35].由于該模型能夠較好地模擬和預(yù)測(cè)出沙塵或其他類型污染物的輸送、擴(kuò)散以及沉降過(guò)程,對(duì)多種的氣象要素輸入場(chǎng)、物理過(guò)程的污染物排放源進(jìn)行很好地處理,現(xiàn)如今已被廣泛地應(yīng)用于大氣污染物的傳輸過(guò)程分析中[36-37].本文所使用的是HYSPLIT-4后向軌跡模式,采用了NCEP提供的全球資料同化系統(tǒng)數(shù)據(jù)(GDAS,1°×1°)提供的三維氣象要素場(chǎng)作為模式的輸入場(chǎng)進(jìn)行同步模擬.本文以和田市為擬受點(diǎn),時(shí)間為2022年5月12日22:00和2月18日22:00進(jìn)行氣團(tuán)的72h后向軌跡模擬,時(shí)間分辨率為6h,進(jìn)而判斷本次沙塵污染天氣中氣溶膠的來(lái)源與傳輸過(guò)程.

依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[38]中的《沙塵暴天氣等級(jí)》,結(jié)合沙塵天氣地面能見(jiàn)度水平來(lái)劃分天氣狀況,分別為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴.當(dāng)處于無(wú)風(fēng)或平均風(fēng)速小于3m/s的天氣條件下,能見(jiàn)度低于10km被定義為浮塵;本地或近地面沙塵被風(fēng)吹起使得空氣混濁,能見(jiàn)度在1～10km被定義為揚(yáng)沙;大風(fēng)將地面沙塵吹起,能見(jiàn)度低于1km定義為沙塵暴;最大風(fēng)速大于或等于20m/s,能見(jiàn)度低于500m被定義為強(qiáng)沙塵暴;當(dāng)最大風(fēng)速大于或等于25m/s且能見(jiàn)度小于50m時(shí)則被定義為特強(qiáng)沙塵暴.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過(guò)程顆粒物濃度變化及地面氣象要素分析

圖2為本次觀測(cè)期間顆粒物濃度與近地面氣象要素的時(shí)間變化.和田市在本次污染期間PM10與PM2.5變化趨勢(shì)較為一致且在垂直高度上存在很強(qiáng)的非均一性.污染期間顆粒物質(zhì)量濃度均高于GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[39]日平均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(PM10和PM2.5日平均濃度閾值分別為150和75μg/m3).5月12日2:00～6:00,風(fēng)速?gòu)?.4m/s迅速增加到10.5m/s,顆粒物濃度也呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的上升趨勢(shì),PM2.5從73μg/m3增至118μg/m3,PM10從205μg/m3增至661μg/m3,PM2.5/PM10的比值由0.3降至0.18,能見(jiàn)度明顯下降,從10039m降至1520m,開(kāi)始由晴天變?yōu)檫B續(xù)的揚(yáng)沙天氣;16:00至次日14:00,沙塵暴天氣發(fā)生,期間風(fēng)速與濕度迅速增加,分別為15.6m/s和54%,而溫度持續(xù)降低,PM2.5與PM10陡升并出現(xiàn)了此次污染過(guò)程的最大值,分別為1174和4708μg/m3,且PM2.5/PM10的比值為0.24,呈現(xiàn)波動(dòng)遞減趨勢(shì),能見(jiàn)度達(dá)到此次沙塵污染天氣的最低值,僅為373m;伴隨著風(fēng)速的降低,沙塵暴天氣結(jié)束,又開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)4d的揚(yáng)沙天氣,能見(jiàn)度持續(xù)在10km內(nèi),PM10和PM2.5濃度較之前有所回落,但空氣污染程度依舊嚴(yán)重超標(biāo);5月17日7:00至次日12:00,風(fēng)速明顯降低,最低達(dá)0.9m/s,夜間溫度較低但此時(shí)伴有降水天氣濕度較高,最高值為63%,天氣開(kāi)始由揚(yáng)沙轉(zhuǎn)變?yōu)楦m;隨后天氣變化較為劇烈,揚(yáng)沙與浮塵天氣相間出現(xiàn),直至5月18日1:00,能見(jiàn)度高達(dá)12687m,天氣狀況變好,一次持續(xù)的沙塵污染天氣結(jié)束.污染期間PM2.5/PM10的比值整體處于0～0.49之間,均值為0.25,表明粗顆粒物在本次污染期間占據(jù)主導(dǎo)地位.由此看來(lái),PM10和PM2.5濃度的變化與沙塵天氣過(guò)程發(fā)展具有較好的時(shí)間一致性,風(fēng)速與濕度的增大、溫度的降低有利于促成沙塵污染天氣的發(fā)生,這與先前所研究的結(jié)果一致[40-41].而在之后的天氣發(fā)展過(guò)程中,雖然有風(fēng)速高值出現(xiàn),但顆粒物的污染濃度卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這主要是因?yàn)轱L(fēng)速增加會(huì)促進(jìn)污染物的消散[42].

2.2 氣溶膠光學(xué)信息垂直分布特征

圖3 沙塵過(guò)境期間大氣氣溶膠消光系數(shù)、退偏振比和后向散射系數(shù)變化

地基激光雷達(dá)對(duì)于地面以上以及云層以下氣溶膠垂直探測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì),能夠很好地分析沙塵與天氣污染過(guò)程[43-44].圖3為地基激光雷達(dá)反演得到的2022年5月12～18日沙塵過(guò)境前后氣溶膠消光系數(shù)、退偏振比和后向散射系數(shù)的垂直分布變化情況.由圖3可知,沙塵污染期間出現(xiàn)了明顯的氣溶膠層,并且在垂直方向上有顯著的波動(dòng)性變化.5月12日為沙塵事件始發(fā)當(dāng)日,局部高空和近地面PM10與PM2.5質(zhì)量的濃度均有所上升,使得消光系數(shù)、退偏振比與后向散射系數(shù)的變化都非常明顯,在強(qiáng)大上升氣流與風(fēng)的剪切作用下卷起地面沙塵從而引起了氣溶膠的觀測(cè)值發(fā)生變化.自5月12日起,近地面消光系數(shù)明顯升高并持續(xù)至5月16日,此期間消光系數(shù)越大反映出沙塵氣溶膠含量越高,污染開(kāi)始持續(xù)增強(qiáng),這與圖2中顆粒物濃度在5月12～16日呈現(xiàn)高值所得出的結(jié)果一致.在5:00之前大氣邊界層比較稀薄,但在2.5～6km的高空出現(xiàn)了明顯的氣溶膠層,消光系數(shù)在0.5～0.9km-1之間,且退偏振比大于0.1,判斷該時(shí)間段的高空為形狀不規(guī)則的沙塵氣溶膠因風(fēng)速迅速增大被吹揚(yáng)至高空,5:00開(kāi)始近地面消光系數(shù)高達(dá)1km-1左右,后向散射系數(shù)和退偏振比同時(shí)也呈現(xiàn)增大趨勢(shì).在3km左右的高空至地面,由于氣流的下沉效應(yīng)并伴隨著風(fēng)速的降低,邊界層上大量的高空沙塵開(kāi)始逐漸向下混合并延展至地表沉降.結(jié)合圖2可知此時(shí)大氣中粗顆粒物所占比例明顯大于細(xì)顆粒物,和田市在此期間近地層污染十分嚴(yán)重.整個(gè)沙塵影響期間,除個(gè)別區(qū)域高度為監(jiān)測(cè)盲區(qū)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測(cè)之外,退偏振比的整體在0.13左右,這表明在6km高度以下沙粒子分布比較均勻.在5月16日10:00前后,消光系數(shù)、退偏振比和后向散射系數(shù)隨著高度增加開(kāi)始降低,沙塵逐漸消散,濃度開(kāi)始有所減弱,直至18日1:00沙塵污染過(guò)程結(jié)束,消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和退偏振比也呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢(shì).

圖4為2022年5月12日02:00、5月12日15:00、5月15日02:00和5月18日03:00四個(gè)典型時(shí)刻的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和退偏振比的廓線圖,分別代表著本次沙塵污染過(guò)程前、污染中、污染積累和污染消散時(shí)段內(nèi)氣溶膠光學(xué)信息垂直分布情況.從圖上可以直觀地看出在5月12日02:00,沙塵氣溶膠主要分布在5km以下的高空范圍內(nèi),此時(shí)為沙塵污染的前期,污染程度較低,消光系數(shù)在1km-1左右,后向散射系數(shù)最高到0.02km-1·sr-1,退偏振比大于0.1;12日15:00為沙塵天氣污染嚴(yán)重時(shí)刻,沙塵氣溶膠主要集中分布在1.3km高空以下,消光系數(shù)、后向散射系數(shù)與退偏振比均呈現(xiàn)出大幅上漲趨勢(shì)并達(dá)到本次沙塵污染天氣過(guò)程的最大值,此時(shí)分別為3.5km-1、0.07km-1·sr-1和0.17,5月15日02:00至18日03:00,沙塵天氣污染過(guò)程有所緩和,消光系數(shù)與后向散射系數(shù)也明顯降低,沙塵氣溶膠所處的高度也在逐漸下降.

圖4 激光雷達(dá)反演得到污染期間內(nèi)四個(gè)典型時(shí)刻消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和退偏振比廓線圖

2.3 沙塵污染天氣氣象背景分析

強(qiáng)大的風(fēng)力、充足的沙源以及不穩(wěn)定的大氣層結(jié)是導(dǎo)致沙塵天氣發(fā)生的原因[45-47],而蒙古氣旋與冷鋒是造成本次和田市沙塵天氣發(fā)生的主要影響系統(tǒng).此外,天氣形勢(shì)發(fā)展決定著沙塵顆粒物濃度的變化,這對(duì)深入剖析沙塵污染天氣過(guò)程起著重要的指示作用.為研究本次沙塵過(guò)境期間影響沙塵起沙的天氣狀況,分別對(duì)和田市2022年5月12日08:00(污染前)、12日20:00 (污染中)、15日(污染累積)以及18日(污染消散)的天氣形勢(shì)做出了分析,如圖5～7所示.

結(jié)合500hPa位勢(shì)高度和溫度場(chǎng)圖(圖5)與500hPa風(fēng)場(chǎng)圖(圖6)分析可知,新疆位于北半球,因此受西風(fēng)環(huán)流影響較大[48],并且新疆北部地區(qū)夏季也主要受到蒙古西伯利亞高壓的控制.沙塵天氣發(fā)生前(圖5a),在里海以北、貝加爾湖以西存在豎槽,高層為偏西風(fēng)且和田地區(qū)風(fēng)力較為微弱,使得沙塵發(fā)生前日浮塵天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),和田市屬于槽前,溫度槽落后于高度槽并配合有冷平流,這在未來(lái)有利于高度槽發(fā)展;在沙塵發(fā)生當(dāng)日?qǐng)D5(b),可見(jiàn)低壓槽位于蒙古國(guó)地區(qū)及中國(guó)東北地區(qū)附近并不斷地向東移動(dòng),而盆地東側(cè)出現(xiàn)了明顯的冷平流,加之高空西風(fēng)急流加強(qiáng)且風(fēng)力強(qiáng)勁,盆地內(nèi)上升氣流明顯,這使得和田在5月12日開(kāi)始發(fā)生了強(qiáng)沙塵天氣;隨后到沙塵天氣發(fā)展的后期圖5(c)和圖5(d),塔里木盆地內(nèi)氣流較之前而言有所穩(wěn)定,風(fēng)力明顯下降.

圖5 研究區(qū)沙塵過(guò)境前后500hPa位勢(shì)高度(單位:gpm;等值線)和溫度(單位:℃;顏色)的空間分布

圖6 研究區(qū)沙塵過(guò)境前后500hPa風(fēng)場(chǎng)圖

圖中箭頭表示水平風(fēng)場(chǎng),顏色表示垂直風(fēng)場(chǎng),其中紅色代表下沉氣流且藍(lán)色表示上升氣流

為了更加直觀了解到沙塵污染過(guò)程和田市低空天氣形勢(shì)狀況,結(jié)合圖7中850hPa風(fēng)場(chǎng)示意圖可知,5月12日塔里木盆地南端上升氣流明顯且在當(dāng)日達(dá)到了最強(qiáng),強(qiáng)烈的西風(fēng)受到了天山山脈阻擋與青藏高原北坡的大地形的影響,使其轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風(fēng)并通過(guò)了天山東部缺口,伴隨東灌大風(fēng)氣流襲來(lái),冷氣團(tuán)中又包裹了大量的本地沙塵在偏北風(fēng)與偏西風(fēng)的作用下于羅布泊附近匯合并向塔里木盆地西南側(cè)輸送,使得局地溫度有所降低,盆地東西側(cè)溫差加大,而盆地內(nèi)部地形閉塞,阻擋環(huán)流,在上升氣流的作用下促進(jìn)起沙,當(dāng)天發(fā)生沙塵暴天氣,能見(jiàn)度迅速降低至373m,5月15日以后風(fēng)力有所下降,天氣形勢(shì)逐漸穩(wěn)定,污染濃度水平也逐漸有所回落,并于5月18日結(jié)束.這次沙塵污染天氣過(guò)程中,和田市在春季處于熱低壓場(chǎng)中[49],并在西風(fēng)背景環(huán)境與塔里木盆地周邊地形阻擋的影響下,使得污染物難以稀釋與擴(kuò)散,沙塵氣團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間在此地盤踞,繼而沙塵污染天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng).

圖7 研究區(qū)沙塵過(guò)境前后850hPa風(fēng)場(chǎng)圖

圖中箭頭表示水平風(fēng)場(chǎng),顏色表示垂直風(fēng)場(chǎng),其中紅色代表下沉氣流且藍(lán)色表示上升氣流

2.4 沙塵污染傳輸路徑分析

為了解本次沙塵污染過(guò)程中顆粒物的來(lái)源以及傳輸路徑,本文采用HYSPLIT后向軌跡模型進(jìn)行72h后向軌跡氣流的模擬,以和田市(37.12°N, 79.92°E)為擬受點(diǎn),分別計(jì)算2022年5月12日(污染期間)與5月18日(污染結(jié)束)22:00 100m、1000m、2000m不同高度氣團(tuán)中72h的后向軌跡,如圖8所示.從圖8a中的模擬結(jié)果可以看出,沙塵污染天氣發(fā)生前天氣處于靜穩(wěn)狀態(tài),從5月12日開(kāi)始沙塵開(kāi)始從地面迅速被揚(yáng)至2000m的高空,表示沙塵天氣開(kāi)始.由圖8a可見(jiàn),100m、1000m以及2000m高度的氣團(tuán)傳輸軌跡基本一致,本次天氣過(guò)境期間源自北疆的氣團(tuán)隨著西風(fēng)急流與偏東風(fēng)在天山缺口處相遇并一同經(jīng)過(guò)吐哈盆地,近地面的沙塵被吹散至高空,在此期間攜帶了大量的污染物并伴隨著氣流的抬升運(yùn)動(dòng)被輸送至塔里木盆地的西南地區(qū),使得和田地區(qū)于5月12日開(kāi)始發(fā)生沙塵天氣.根據(jù)圖8b可知, 1000m高度的氣團(tuán)來(lái)源于阿富汗東北部,途徑了塔吉克斯坦;100m高度的氣團(tuán)來(lái)源于準(zhǔn)噶爾盆地,移動(dòng)速度較慢,隨偏東風(fēng)一同從天山缺口處涌入塔里木盆地,攜帶了大量來(lái)自于古爾班通古特沙漠與塔克拉瑪干沙漠的沙粒在和田發(fā)生沉降;而2000m高度的氣團(tuán)來(lái)源于土庫(kù)曼斯坦的東部,移動(dòng)速度較快,途徑烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦與吉爾吉斯斯坦,最終從新疆的西部經(jīng)過(guò)喀什地區(qū)抵達(dá)盆地內(nèi)部,三種不同高度的氣團(tuán)在5月18日呈現(xiàn)出了明顯下降的趨勢(shì).HYSPLIT后向軌跡中不同高度氣團(tuán)的傳輸路徑也與天氣形勢(shì)所得結(jié)果基本吻合.此次天氣污染過(guò)程中,污染物主要來(lái)自于新疆北部、新疆南部的塔克拉瑪干沙漠以及周邊的斯坦國(guó)家,這些地區(qū)工農(nóng)業(yè)活動(dòng)較多,所排放出的污染物與沙塵氣溶膠是這次天氣污染過(guò)程的主要貢獻(xiàn)源[50],這也說(shuō)明本次天氣污染過(guò)程不僅是污染物的遠(yuǎn)距離輸送,也包含了大量的內(nèi)源性沙塵氣溶膠的排放貢獻(xiàn).還可以發(fā)現(xiàn),模擬后的后向軌跡圖中不同高度氣團(tuán)的傳輸路徑也與天氣形勢(shì)所得結(jié)果基本吻合.

圖8 2022年5月12日22:00與5月18日22:00和田72h后向軌跡圖

3 結(jié)論

3.1 和田市在本次沙塵過(guò)境天氣期間PM10和PM2.5的變化趨勢(shì)較為一致且在垂直高度上存在非均一性,PM2.5/PM10均值為0.25,表明主要以粗顆粒物為主.污染物濃度的變化與沙塵天氣發(fā)展過(guò)程發(fā)展具有較好的時(shí)間一致性,風(fēng)速與濕度的增加、溫度的降低有利于促成污染天氣的發(fā)生.

3.2 沙塵污染期間出現(xiàn)了明顯的氣溶膠層,并且在垂直方向上有顯著的波動(dòng)性變化,5月12日消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和退偏振比達(dá)到了此次沙塵污染天氣中的最大值,分別為3.5km-1、0.07km-1·sr-1和0.17,在5月18日濃度開(kāi)始降低,沙塵氣溶膠逐漸消散,沙塵污染天氣結(jié)束.

3.3 西風(fēng)受到天山山脈阻擋與青藏高原大地形的影響轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風(fēng),在盆地缺口處與東灌氣流匯合,向西輸送過(guò)程中攜帶了大量的本地沙塵匯聚到了盆地西南部,和田市在春季處于熱低壓場(chǎng)中,并在西風(fēng)背景環(huán)境與盆地周邊地形阻擋的影響下致使污染物難以稀釋與擴(kuò)散,沙塵氣團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間在此地盤踞,是本次沙塵污染持續(xù)較長(zhǎng)的原因.

3.4 后向軌跡模擬結(jié)果表明,本次沙塵污染天氣過(guò)程污染物主要來(lái)自于新疆北部、新疆南部的塔克拉瑪干沙漠以及周邊的斯坦國(guó)家,這些地區(qū)工農(nóng)業(yè)活動(dòng)較多,所排放出的污染物與沙塵氣溶膠是這次天氣污染過(guò)程的主要貢獻(xiàn)源,表明本次天氣污染過(guò)程不僅是污染物的遠(yuǎn)距離輸送,也包含了大量的內(nèi)源性沙塵氣溶膠的排放貢獻(xiàn).

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Ground-based ridar-based investigation of a sand and dust pollution process in Hotan City.

YIN Lu-lu1,2, HE Qing1,2*, LI Jing-long2,3, MENG Lu2,3, FU Guang-xiang1,2, WU Cai-yun2,3, XIAO Hong-dan2, FAN Xu-yu-chen2

(1.College of Geographic Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054,China；2.Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration/National Observation and Research Station of Desert Meteorology, Taklimakan Desert of Xinjiang/Taklimakan Desert Meteorology Field Experiment Station of China Meteorological Administration/Xinjiang Key Laboratory of Desert Meteorology and Sandstorm, Urumqi 830002, China；3.College of Geography and Remote Sensing Sciences, Xinjiang University, Urumqi 800017, China)., 2023,43(12)：6290～6300

In May 2022, Hotan City,Xinjiang suffered the strongest sandstorm in nearly five years, and the sand and dust pollution process lasted for a week. In this paper, the changes of particulate matter concentration and the vertical distribution characteristics of aerosol optical information in the process of sand and dust pollution were analyzed by using atmospheric aerosol lidar, pollutant concentration of environmental monitoring station and near-ground meteorological observation data, and the meteorological matching pattern of this polluted weather was obtained by using global reanalysis data, and finally the transport and potential sources of air mass during transit were analyzed by combining HYSPLIT backward trajectory model. The results showed that during the period of sand and dust pollution, the trend of PM2.5and PM10was consistent and there was heterogeneity in vertical height, and the average PM2.5/PM10was 0.25, indicating that coarse particulate matter was the main thing, and the increase of wind speed, temperature and humidity were conducive to the occurrence of polluted weather. During the dust pollution, there was an obvious aerosol layer, and there were significant fluctuations in the vertical direction, and the extinction coefficient, backscatter coefficient and depolarization ratio reached the maximum values of the process, which were 3.5km-1, 0.07km-1·sr-1and 0.17, respectively. In the spring, Hotan City is in a hot and low-pressure field, and it is difficult to dilute and diffuse pollutants under the background environment of the westerly wind and the surrounding terrain of the Tarim Basin, and the sand and dust air masses have been entrenched here for a long time, which is the reason for the long duration of this pollution. The pollutants in this sand and dust weather process mainly came from the Taklamakan Desert in northern Xinjiang, southern Xinjiang and the surrounding countries of stan, and the pollution sources were mainly the emission contribution of endogenous sand and dust aerosols.

Hotan City；dust aerosols；vertical distribution；optical information

X513

A

1000-6923(2023)12-6290-11

陰璐璐,何 清,李京龍,等.基于地基雷達(dá)探究和田市一次沙塵污染過(guò)程 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(12):6290-6300.

Yin L L, He Q, Li J L, et al. Ground-based ridar-based investigation of a sand and dust pollution process in Hotan City [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6290-6300.

2023-04-14

第三次新疆綜合科學(xué)考察項(xiàng)目(2021xjkk030501)

* 責(zé)任作者, 研究員, qinghe@idm.cn

陰璐璐(1996-),女,新疆吐魯番人,新疆師范大學(xué)碩士研究生,主要從事干旱區(qū)環(huán)境演變與災(zāi)害防治研究.1498240373@qq.com.

感謝中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所提供的雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),以及氣象局相關(guān)工作人員對(duì)于儀器的悉心維護(hù).感謝歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的全球氣候的第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集.同時(shí)也感謝美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的同期全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù).