基于激光雷達的西北沙塵過程分析

楊麗麗，王莉娜，閉建榮，王 靜，李曉云

(1. 蘭州大學 大氣科學學院，半干旱氣候變化教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730020；3.無錫中科光電技術有限公司，江蘇 無錫 214135)

1 引言

沙塵天氣發生時不僅影響環境空氣質量，還對氣候、人體健康及其他生物都有不同程度的影響。馬珊等[1]發現區域沙塵對冰川區的鈣離子、硫酸根離子影響非常顯著。很多學者發現沙塵天氣引起的顆粒物濃度增加，導致發生肺癌及心血管系統疾病的增加[2，3]祁建華等[4]研究發現沙塵天氣影響微生物群落結構和活性。目前沙塵天氣的監測比較單一，大多基于地面觀測站，空間分辨率較低，尤其無法探測沙塵的垂直發展情況。顆粒物激光雷達作為主動遙感監測設備，由于其高時空分辨率備受關注，可實現較大范圍內氣溶膠粒徑、形狀、濃度的探測，對沙塵天氣的強度及垂直發展高度提供了基礎數據。宋明昊等[5]通過顆粒物激光雷達研究成都冬季一次沙塵天氣過程中的消光系數及退偏振比，張晉茹等[6]基于顆粒物激光雷達對北京一次沙塵天氣進行分析，發現顆粒物激光雷達不僅能有效監測沙塵過程還能預報顆粒物濃度的發展變化。

本文結合顆粒物激光雷達和空氣質量自動監測站監測數據對2020年3月12～13日發生在我國西北地區的一次沙塵天氣過程進行研究。

2 數據及激光雷達介紹

2.1 數據來源

本文PM10監測數據來源于全國城市空氣質量實時發布平臺(http://106.37.208.233:20035/)，其數據來源于國控站點。

2.2 激光雷達介紹

本文所用激光雷達均為雙波長三通道顆粒物激光雷達，即發射355 nm和532 nm波長的激光脈沖，接收355 nm平行、532 nm平行、532垂直的三路光，將接收信號轉換為消光系數和退偏振比，進而對大氣中顆粒物進行研究。雷達型號為AGHJ-I-LIDAR，空間分辨率達到7.5 m，時間分辨率5 min。具體激光雷達經緯度信息如表1所示。

表1 激光雷達站點經緯度

3 結果與分析

3.1 空氣質量分析

2020年3月11～13日，甘肅省大部分地區受到沙塵輸入影響。11日15時嘉峪關市AQI首先升高，空氣質量轉差為中度污染，短暫回落后于12日2時空氣質量再次轉差為嚴重污染，AQI達到峰值328，隨后迅速下降，至4時恢復良。由于受沙塵擴散影響，武威市11日夜間至12日AQI波動較大，峰值達151。12日6～23時，伴隨沙塵南下傳輸，甘肅中部及以南地區也受到此次沙塵影響。13日，全省處于升溫回暖形勢，且風速較小，污染物擴散條件持續轉差，河西多數地市AQI保持在100左右，至夜間武威AQI上升趨勢較為明顯。

由主要城市PM10濃度時序圖(圖1)可以看出，3月11日午后，河西地區首先受到沙塵影響，玉門沙塵濃度明顯高于其他下游城市，PM10濃度于11日16時和11日20時分別達到957 μg/m3和981 μg/m3，嘉峪關12日02時PM10濃度達到397 μg/m3，金昌12日08時PM10濃度達到434 μg/m3，武威11日22時至12日06時，PM10濃度持續大于230 μg/m3，武威PM10濃度峰值顯著低于上游城市。3月12日，沙塵持續向南傳輸，甘肅省中部的白銀等地也受到此次沙塵影響，白銀PM10濃度12日19時達到354 μg/m3。12日夜間，沙塵由不同傳輸路徑同時入侵武威、蘭州、臨夏等地區，PM10濃度幾乎同時出現峰值。13日午后至夜間23時，各城市PM10濃度均持續走高，PM10濃度介于100～250 μg/m3之間。

3.2 激光雷達分析

由圖2各雷達消光系數和退偏振比圖可以看出，各城市出現了一次強沙塵傳輸過程。11日06時玉門顆粒物激光雷達首先監測到近地面起沙，沙塵過程中攜帶部分細顆粒物，消光系數增高，此后，隨著沙塵強度不斷增大，退偏振比持續升高，粒子不規則度增大。12日02時沙塵逐漸擴散至2 km高空，環境容量增大，近地面沙塵強度有所減弱。13日00時左右高空出現沙塵團并逐漸向近地面沉降，導致玉門空氣質量再次轉差。從玉門激光雷達圖發現，玉門沙塵大部分時段主要分布于1 km高度內。

圖1 2020年3月11～13日城市PM10濃度時序

圖2 激光雷達消光系數(左)、退偏振比(右)反演圖，玉門(a)(b)，嘉峪關(c)(d)，武威(e)(f)，金昌(g)(h)

隨較強西北風影響，沙塵向東南方向傳輸，11日13時左右嘉峪關顆粒物激光雷達監測到高空1 km以下有沙塵入侵，且消光系數和退偏振比逐漸增大，對應16時PM10濃度陡增至160 μg/m3，空氣質量迅速轉差；12日00時沙塵團逐漸向高空擴散，近地面消光系數很小，對應沙塵強度減弱，PM10濃度不斷降低。13日00時再次監測到地面消光系數和退偏振比逐漸增大，說明粒子不規則度增大，高空沙塵沉降并逐漸影響地面，空氣站PM10濃度再次升高。

受上游沙塵輸送影響，金昌粗顆粒物濃度于11日06時逐漸升高，但整體污染較輕。12日12時前后消光系數增大非常明顯，但退偏振比相比嘉峪關明顯較小，說明沙塵傳輸至金昌時，氣溶膠以顆粒物和冰云混合為主。13日00時高空弱沙塵逐漸沉降至地面，導致空氣質量逐漸轉差。

武威顆粒物激光雷達顯示11日12時有沙塵侵入，退偏振比增大。11日21時，消光系數和退偏振比稍有增高，PM10達202 μg/m3，AQI達到126，至17時左右，消光系數明顯增大，退偏振比稍有增大，但不太明顯，同樣說明，武威高空存在冰云，且與沙塵混合，結合實際天氣狀況，此時出現降雪天氣，隨著降雪持續，有利于粗顆粒物濕沉降，空氣質量逐漸好轉。13日04時左右再次監測到高空有弱沙塵團不斷沉降，最終影響地面。

從以上顆粒物激光雷達圖還可以看出，部分時段，地面消光系數和退偏振比較小，但高空消光系數和退偏振比較大，隨著高空沙塵團的沉降，未來幾小時后當地環境空氣質量再次轉差，說明顆粒物激光雷達對于沙塵天氣預報預警具有一定的指示意義。

河西地區沙塵繼續向下風向城市輸送，而冷空氣在甘肅省中部地區堆積，形成大風天氣，上游傳輸和本地起沙引起的疊加效果，使中部及周邊城市出現沙塵天氣，白銀、定西、臨夏、平涼顆粒物激光雷達均監測到不同強度的沙塵入侵，截至14日00時，沙塵天氣影響仍在持續。

3.3 后向軌跡分析

根據顆粒物雷達監測的此次沙塵團主勢力高度基本在1500 m以下，因此選取200 m、500 m和1000 m三個高度的氣團軌跡來輔助分析此次沙塵傳輸過程的路徑(圖3)。

圖3 不同城市24小時后向軌跡

分別選取嘉峪關12日02時和武威12日04時的24小時后向軌跡，如圖3所示，可以看出，嘉峪關市各高度氣團均主要受到其西部方向氣團傳輸影響，1000 m氣團傳輸距離較遠，由羅布泊以西地區傳輸而來，而200 m和500 m氣團3月11日18時至12日13時為貼地傳輸，13時以后開始升高。武威市各高度氣團傳輸方向基本一致，500 m和1000 m高度氣團由玉門、酒泉等地傳輸而來，而200 m高度氣團傳輸距離較近，自高臺縣以東地區傳輸；各高度氣團均由800～1800 m高度氣團不斷沉降，12日12時起200 m、500 m、1000 m氣團先后抬升，傳輸至對應高度。

4 結論

為了深入了解沙塵天氣傳輸過程，及沙塵中顆粒物特征，尤其是沙塵傳輸過程中垂直發展高度的變化，本文以2020年3月11～13日沙塵過程為例，通過顆粒物激光雷達及PM10濃度，結合后向軌跡綜合分析了此次沙塵過程。結果表明，此次沙塵于11日主要影響河西地區，12日夜間起沿西北路徑傳輸至中部及南部各地市，玉門和嘉峪關受此次沙塵影響最大。沙塵輸入前，甘肅省大部分地市升溫回暖，氣候干燥容易起沙。沙塵輸入后污染物不易擴散，顆粒物濃度持續較高。沙塵傳輸過程中，上游地區沙塵主要集中于1 km高度以內，部分時段發展至2～3 km高度，隨著沙塵向下游傳輸時，沙塵不斷向空中擴散，影響高度隨之升高，部分時段達到3～4 km。另外，地面空氣質量轉好時，還需注意高空沙塵團的沉降，對于沙塵天氣預報預警具有一定的指示意義。