利用星載和地基激光雷達分析2019年5月東亞沙塵天氣過程

黃悅 陳斌 董莉 張芝娟

1 蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730000

2 太原理工大學環境科學與工程學院，太原 030000

1 引言

氣溶膠是影響地球輻射收支平衡的主要因子之一，氣溶膠通過吸收和散射作用直接改變地表輻射平衡（Twomey, 1977），即“陽傘效應”；另外，氣溶膠也可以作為云凝結核參與云微物理過程，間接影響天氣過程，稱為“間接效應”（Albrecht,1989）。IPCC第五次評估報告指出，氣溶膠部分抵消了混合溫室氣體的輻射強迫，是氣候變化中最不確定的部分（張華和黃建平, 2014）。沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分，其主要成分為礦物氣溶膠（車慧正等, 2005），與顆粒物濃度及空氣質量密切相關（王式功等, 2011; 石廣玉等,2018）。蘇婧（2010）定量計算研究中國西北地區沙塵氣溶膠輻射強迫作用，發現在地表沙塵氣溶膠的輻射強迫出現很大的負值。張丁玲等（2012）的研究表明，沙塵氣溶膠對青藏高原上空的云輻射強迫產生影響。

自1993年甘肅金昌發生特強沙塵暴后，國內關于沙塵天氣的研究逐漸增多（錢正安等, 2002）。錢正安等（1997）對比分析了中國、美國和蘇丹的強沙塵天氣特征，得到中國西北強沙塵天氣的爆發是水汽條件差，以及地面冷鋒共同作用的結果。西伯利亞上空干冷極地大陸性氣團是否造成東西向風經過沙源區是導致中國春季沙塵暴是否多發的主要原因（柳中明等, 2004），影響中國北方特強沙塵暴的環流系統主要包括純強干冷峰型、蒙古氣旋與干冷鋒混合型、蒙古冷高壓南部倒槽型和干颮線與冷鋒混合型四種（劉景濤等, 2004）。除天氣系統的影響之外，沙塵暴活動的頻發與人類活動也密切相關（王濤等, 2001）。全球變暖的影響下，土地不合理利用導致沙塵天氣頻發（葉篤正等, 2000; 錢正安等, 2004, 2006）。19世紀中期到20世紀初，中蒙地區的沙塵暴活動呈現波動變化的特征，并且中蒙中、東及西區三區系的變化完全不同，除此之外，沙塵粒子還具有重要的氣候和環境效應（石廣玉和趙思雄, 2003）。

隨著激光雷達技術的日漸成熟，利用激光雷達（包括地基和星載激光雷達）對沙塵氣溶膠的研究也逐漸增多。利用星載激光雷達資料，可以反演得到大氣中云和氣溶膠的信息（Liu et al., 2008, 2014;Chen et al., 2010, 2014; Zhou et al., 2013; Huang et al., 2010, 2015）。有研究表明，大氣中氣溶膠的光學參數以及顆粒物濃度是邊界層高度的函數（Nicolás et al., 2019）。此外，在水平尺度上，星載激光雷達還能夠較好地反應沙塵氣溶膠傳輸過程；在垂直方向上，能夠反應沙塵氣溶膠的輻射特性隨高度變化的特征（陳勇航等, 2008, 2009）。如中國西北沙塵氣溶膠在青藏高原的抬升作用下，借助西風急流傳輸至太平洋區域（Huang et al., 2008），夏季傳輸至中國東部的沙塵氣溶膠中，13.4%通過高空跨越至北美地區（王文彩, 2013），從而對全球天氣和氣候產生影響。而利用日本葵花靜止氣象衛星發現，對于這種高海拔、遠距離的沙塵傳輸，植樹造林對空氣質量改善的效果不大（Guo et al.,2019）。另外，基于星載激光雷達數據，結合氣象要素和后向軌跡模型，可以有效判別大氣中的氣溶膠類型（陳曉磊和金蓮姬, 2018）?；谛l星數據和土地利用數據，第一次計算得到沙塵氣溶膠中的人為排放占25%，沙塵氣溶膠的排放受氣候變化影響，同時又會影響氣候變化（Ginoux et al., 2001,2012）。

除星載激光雷達外，利用地基激光雷達資料對于氣溶膠的研究也有很多。Shimizu et al.（2004）等利用地基激光雷達在中國和日本的連續觀測資料，發現北京地區的沙塵氣溶膠多高達4 km，并且部分傳輸至日本福岡站點。東亞地區的自然沙塵氣溶膠來源靠近城市和工業區，也是世界上人為氣溶膠濃度最高的地區（Sugimoto et al., 2014）。祝存兄（2015）利用中國氣象局南京綜合觀測基地的微脈沖激光雷達反演得到的消光系數和退偏比數據，監測到南京地區一次沙塵天氣的爆發和消散動態。鄧梅（2015）對北京地區沙塵天氣下的退偏比等氣溶膠光學參數進行分析，得到沙塵天氣下，北京地區的氣溶膠Angstrom指數平均值較小。高興艾（2018）利用SACOL站點的雙偏振激光雷達數據對氣溶膠的退偏比等光學參數進行分析，發現沙塵天氣期間吸收性氣溶膠質量濃度顯著增加，峰值出現在08:00和20:00左右（協調世界時，下同）。沙塵氣溶膠在地中海西南部的傳輸過程中，氣溶膠的散射特性以及PM10濃度變化，受撒哈拉沙漠的沙塵氣溶膠傳輸影響，在暖季，地中海地區氣溶膠濃度較大（Nishizawa et al., 2017）。除固定的地基雷達外，柴文軒等（2019）利用車載激光雷達對京津冀地區的沙塵氣溶膠進行走航觀測，實現對沙塵天氣過程中各顆粒物的實時觀測。范仕東（2018）利用船載激光雷達（搭載有一臺雙波長彈性散射偏振激光雷達）對上海至武漢長江流域上的大氣顆粒物的分布進行研究，為多層次理解氣溶膠污染提供了幫助。

現有的對于沙塵氣溶膠的研究，多集中于單一的星載或地基激光雷達對沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠的光學性質進行分析，本文同時利用了星載和地基激光雷達數據進行綜合分析。首先，利用星載激光雷達CALIOP數據，分析了此次沙塵天氣過程中氣溶膠光學性質的垂直分布特征，以及沙塵氣溶膠的時空分布和三維結構特征；并結合亞洲沙塵和氣溶膠激光雷達觀測網AD-NET的數據對傳輸至日韓等太平洋地區的沙塵進行分析和定量表述，同時比較和分析了星載激光雷達CALIOP和地基激光雷達的表觀散射比；另外，利用歐洲中心提供的氣象要素數據分析了沙塵天氣成因，利用國家環保局提供的空氣質量數據分析了此次沙塵天氣過程對空氣質量的影響。

2 數據和方法

2.1 數據

2.1.1 衛星數據

1998年，美國宇航局與法國國家空間研究中心合作開始實施“云—氣溶膠激光雷達和紅外探測者衛星觀測”（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，簡稱CALIPSO）計劃，CALIPSO衛星搭載的正交偏振云—氣溶膠偏振雷達CALIOP是世界上首個應用型的星載云和氣溶膠激光雷達，具有三個接收通道（1064 nm波長、532 nm波長垂直及平行通道）。CALIOP采用Nd:YAG激光器，能夠同時發射532 nm波長和1064 nm波長的激光脈沖，其脈沖能量均約為110 mJ，重復頻率為20.16 Hz（Winker et al., 2004, 2007）。

本文使用的是CALIOP Level 1提供的532 nm波長總衰減后向散射系數、532 nm波長平行通道的衰減后向散射系數和1064 nm波長衰減后向散射系數，Level 2的垂直特征層分布產品和5 km分辨率的氣溶膠廓線產品。其中Level 1數據在海平面至8 km的高度上，水平分辨率均為333 m，532 nm波長和1064 nm波長數據的垂直分辨率分別為30 m和60 m。

2.1.2 空氣質量數據

2013年起，國家環保部在實施《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）后，在其官方網站公布了90余城市的包括PM2.5、PM10在內的空氣質量數據。

本文采用了O3、NO2、PM2.5、PM10、SO2、AQI、CO等七個指標的空氣質量數據。

2.1.3 中國地面氣象站逐小時觀測資料

中國國家級地面站小時觀測數據包括包括氣溫、氣壓、相對濕度、水汽壓、風、降水量等要素，所有數據均經過質量控制。

本文使用的是國家氣象信息中心提供的小時天氣現象觀測數據。

2.1.4 ERA-Interim數據

基于2006年發布的集成預報系統IFS（Integrated Forecasting System），發展了生成ERA-Interim數據的資料同化系統。ERA-Interim數據提供了1979年至2019年8月31日的全球大氣數據，數據分為再分析數據和預測數據，其中前者時間間隔為6小時，后者為3小時。

本文采用的數據為海平面、850 hPa和500 hPa高度的全球再分析大氣數據，數據空間分辨率為0.25°×0.25°。

2.1.5 AD-Net數據

激光雷達網（AD-Net）是世界氣象組織WMO（World Meteorological Organization）全球大氣觀測計劃（Global Atmosphere Watch Implementation Plan，簡稱GAWIP）的亞洲觀測部分（Sugimoto et al., 2008）。其主要目的是實現對亞洲沙塵氣溶膠和其他類型氣溶膠的連續觀測，用于研究氣溶膠對東亞環境的影響。觀測網的激光雷達主要采用Nd：YAG激光器，其脈沖能量為20 mJ，重復頻率為10 Hz。

本文采用了AD-NET提供的532 nm波長和1064 nm波長后向散射系數數據和氣溶膠消光數據，用于分析地基站點沙塵氣溶膠的垂直分布特征以及與星載激光雷達數據的對比驗證。

2.2 HYSPLIT軌跡模型

HYSPLIT模型是由美國國家大氣海洋管理局開發的用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型。模型主要通過輸入氣象要素場以獲取污染物在全球的輸送和擴散方式。

本文使用HYSPLIT輸入的初始場為美國國家環境預報中心的全球資料同化系統的小時氣象要素數據。

3 結果與分析

3.1 CALIOP激光雷達數據分析

CALIOP Level 1B數據中提供了532 nm波長總衰減后向散射系數β532total、532 nm波長垂直衰減后向散射系數β532⊥、1064 nm波長衰減后向散射系數β1064，β532total、β532⊥、β1064的單位均為km-1sr-1，通過公式：

可以計算得到532 nm波長平行通道的衰減后向散射系數β532//以及表征氣溶膠粒子光學特性的體積退偏比和色比。上述式中，VDR（532 Volume Depolarization Ratio）表示532 nm波長退偏比，CR（Color Ratio）表示色比，一般來說，將衰減后向散射系數位于0.0008～0.0045 km-1sr-1的顆粒判斷為氣溶膠（Omar et al., 2009; Mielonen et al.,2009）；體積退偏比用于表征粒子的非球形程度，體積退偏比較大的粒子通常認為是沙塵、海鹽氣溶膠以及冰云，因此，通常將位于內陸地區，存在的高度較低且退偏比較大的氣溶膠判斷為沙塵；色比則用于表示粒子大小，其值越大，粒子越大

對CALIOP數據進行水平方向3 km、垂直方向1 km的平滑處理以減小星載激光雷達的信號噪聲。通過處理后的532 nm波長衰減后向散射系數、體積退偏比和色比，可以對此次沙塵天氣中氣溶膠的光學特性以及垂直分布進行分析。如圖1，給出了2019年5月10日、5月12～16日532 nm波長總衰減后向散射系數、體積退偏比和色比的分布圖。5月10日，在新疆哈密、甘肅敦煌和青海省中部地區，有明顯的高濃度沙塵氣溶膠粒子存在，主要存在于地表至6 km的較低高度上，衰減后向散射系數平均值為0.0024 km-1sr-1，體積退偏比平均值為0.22，色比平均值為1.30；12日，沙塵氣溶膠進一步向東傳輸，在內蒙古西部和甘肅省北部地區，探測到少量沙塵氣溶膠，在傳輸過程中，退偏比和色比值分別減小31.59%和2.35%。13日至16日為第二次東向傳輸過程，13日，在新疆、甘肅北部和青海東部地區地面到7 km的高度上探測到更深厚的沙塵氣溶膠粒子，532 nm波長衰減后向散射系數、體積退偏比和色比平均值分別為0.0023 km-1sr-1、0.25、1.31；14日，內蒙古中部探測到的沙塵氣溶膠粒子的體積退偏比減少5.65%，色比減小5.58%；15日，在地面至4 km高度的東北地區探測到的沙塵氣溶膠粒子的退偏比和色比值與13日相比分別增加了20.18%和5.51%；16日在日本中部地區，顯示出較高濃度的沙塵氣溶膠粒子，退偏比在0.1～0.3之間，平均值為0.14；色比在0.6～2.0之間，平均值為1.29?？梢钥吹?，這些沙塵氣溶膠粒子有明顯的向東傳輸。

圖1 2019年5月10日（第一行）、5月12日至16日（第二至六行），星載激光雷達CALIOP的532 nm波長總衰減后向散射系數（左列）、體積退偏比（中間列）和色比（右列）的垂直剖面圖。黑色實線代表地表高度，圖中矩形框圈出的區域：新疆哈密（第一行）；敦煌和青海中部（第二行）；內蒙古西部和甘肅省北部（第三行）；新疆、青海東部和甘肅北部（第四行）；內蒙古中部（第五行）；太平洋地區（第六行）Fig. 1 Vertical distributions of the 532 nm total attenuation backscatter coefficient (left column), volume depolarization ratio (middle column), and color ratio (right column) from CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) on May 10th (first line) and May 12th to 16th in 2019(second line to sixth line). Black line shows the surface elevation, and the areas in the black rectangles: Hami, Xinjiang Province (top line); Dunhuang and the central Qinghai Province (second line); western Inner Mongolia and northern Gansu Province (third line); Xinjiang Province, northern Gansu Province and eastern Qinghai Province (fourth line); central Inner Mongolia (fifth line); the Pacific Ocean (bottom line)

在10～12日有第一次小范圍東向傳輸，在內蒙古中部和甘肅省地區探測到沙塵氣溶膠，沙塵氣溶膠在傳輸過程中體積減??；13～16日的東向傳輸過程中，14日，在內蒙古中部探測到沙塵氣溶膠，15日，沙塵氣溶膠在經過沙源蒙古中部戈壁后，在東北地區探測到的沙塵氣溶膠粒子變大，與14日相比，色比值增加5.51%。16日，在太平洋地區的日本中部，探測到明顯沙塵氣溶膠。

圖2給出了圖1對應地區的垂直剖面。5月10日，在新疆北部區域2～6 km的高度上以純沙塵氣溶膠為主，在青海省中部地表至6 km的高度上存在顯著沙塵氣溶膠，同時均伴隨有少量的污染沙塵氣溶膠；而12日，蒙古西側、甘肅省北部至青海中東部地區，探測到大范圍純沙塵氣溶膠，其高度仍然分布在地表至6 km范圍內；在13日至16日，氣溶膠進一步向東傳輸。在13日，內蒙古呼倫貝爾地區自地表至6 km有顯著沙塵氣溶膠存在，同時，在內蒙古錫林郭勒至山西區域，地表至4 km高度有明顯沙塵氣溶膠存在，其高度較低；14日，探測到的沙塵氣溶膠顯著減少，在吉林延邊區域低層探測到多種類型氣溶膠的混合物，在高層，則以純沙塵氣溶膠為主，低層則以污染沙塵氣溶膠為主；15日，甘肅北部酒泉至青海東部地區，地表至8 km高度上均存在大量純沙塵氣溶膠，同時在東北吉林地區近地面也探測到顯著沙塵氣溶膠；16日，在西風急流的帶動下，日本北海道西側海洋，日本海至岡山區域2～6 km的高度上有顯著沙塵氣溶膠，而在地表至2 km的高度，主要以清潔海洋型氣溶膠為主，清潔大陸型和其他類型的混合物次之。與圖2得到的結論一致。

圖2 2019年5月（a）10日、（b-f）12日至16日，CALIOP雷達氣溶膠類型的垂直剖面（圖例中圖例中1=未確定，2=清潔海洋型，3=沙塵，4=污染大陸型/煙塵，5=清潔大陸型，6=污染沙塵，7=抬升煙塵，8=海洋性沙塵，黑色實線代表地表高度）Fig. 2 Vertical distribution of aerosol type from CALIOP on (a) May 10th and (b-f) May 12th to 16th in 2019 (1=not determined, 2=clean marine,3=dust, 4=polluted continental/smoke, 5=clean continental, 6=polluted dust, 7=elevated smoke, 8=dusty marine, black lines shows the surface elevation)

3.2 地基激光雷達數據分析與對比

AD-NET地基激光雷達數據垂直分辨率為6 m，時間分辨率為15 min，探測高度為地面至18 km。主要數據包括1064 nm波長和532 nm波長處的衰減后向散射系數和532 nm波長的體積退偏比，衍生數據還包括球形粒子以及沙塵氣溶膠的消光系數。

為比較AD-NET數據和CALIOP數據對于特征層識別的準確性，通過篩選，在沙塵天氣前后，得到一條距離AD-NET地基激光雷達站點僅33 km的一條軌跡（圖3），過境時間為5月10日04:17（協調世界時，下同），該地基激光雷達站點為日本長崎站點。同時，選取了距離長崎站點較近的韓國濟州島站點，站點距離為358 km，以比較兩個站點沙塵氣溶膠對總的氣溶膠貢獻的差異。

CALIOP數據在白天信噪比較低，因此對CALIOP觀測得到的532 nm波長衰減后向散射系數進行水平方向10點平滑，即3 km平均，和垂直方向上1 km的平滑處理。由于地基激光雷達數據本身為15 min的平均值，因此，僅對其在水平方向上三點平滑，即45 min平均，垂直方向上做1 km平滑處理。

為消除星載和地基激光雷達之間不同的大氣分子透射效應帶來的差異，利用Kim et al.（2008）提出的表觀散射比Rapp（Apparent scattering ratio）進行比較，公式表示為

式中，β(z)為高度z上大氣的后向散射系數，zref為瑞利散射高度，即Rapp(zref)＝1，αaer為氣溶膠和云粒子的消光系數。Rapp只與大氣氣溶膠和云粒子有關，可以消除星載和地基激光雷達之間不同的大氣分子透射效應帶來的差異。

圖3 CALIPSO衛星經過日本地基雷達站點長崎的軌跡（五角星標記為長崎站點，實心圓標記為匹配到的最近的韓國站點）Fig. 3 Tracks of CALIPSO satellite passing over the Nagasaki groundbased lidar stations in Japan (the star represents the Nagasaki station,and the filled circle shows the nearest station in Korea to Nagasaki)

氣溶膠和云層約束的時空變異性使CALIOP產品的驗證與地面站儀器的直接比較變得非常復雜。通過公式（3）計算得到只與氣溶膠和云粒子有關的表觀散射比Rapp，以在比較兩種數據時，消除星載和地基激光雷達之間不同的大氣分子透射效應帶來的差異。

圖4顯示了CALIPSO衛星與長崎站點地基激光雷達的532 nm波長退偏比值以及表觀散射比的對比。2019年5月10日，CALIPSO在地面的軌跡距離長崎站點最近距離為33 km。CALIOP數據和地基激光雷達的衰減后向散射數據廓線均在6 km高度上均探測到云的存在，如圖4a、b，同時CALIOP探測到的云頂高度更高，AD-NET地基激光雷達探測到的云底高度更低。圖4c中的衰減后向散射系數廓線同樣顯示出這一信息。地基激光雷達在衛星過境前8～9 km的高度上，探測到氣溶膠粒子或薄云，在計算得到的表觀散射比數據中，可以在8～9 km高度看到數據峰值。

圖4 2019年5月10日（a）CALIOP雷達和（b）日本長崎地基激光雷達數據的532 nm衰減后向散射系數的垂直分布，及CALIOP雷達和日本長崎地基激光雷達數據的（c）衰減后向散射系數和（d）表觀散射比的比較。（a）中的豎實線表示CALIPSO衛星軌跡距離長崎站點最近的位置，（b）中的豎實線表示CALIPSO衛星過境時間，（c、d）中黑色和紅色實線分別表示地基和星載激光雷達數據Fig. 4 The vertical distribution of the attenuated backscatter coefficient from (a) the CALIOP and (b) the ground-based lidar at Nagasaki station, the comparison of the 532 nm (c) attenuated backscatter coefficient and (d) the apparent scattering ratio between CALIOP and the ground-based lidar at Nagasaki station on May 14, 2019. The solid black line in (a) shows the nearest position against the Nagasaki station. The solid line in (b) shows the closest time to the CALIPSO transit time. The black and red solid lines in (c) and (d) represent AD-NET (Asian Dust and aerosol lidar observation NETwork) and CALIOP, respectively

總之，CALIOP和地基激光雷達在探測到特征層，如氣溶膠、云時，會顯示出較為一致的結果，同時，兩種數據在比較只與氣溶膠粒子和云有關的表觀散射比時，都很好的探測到了特征層，地基激光雷達探測到的特征層底部高度更低，星載激光雷達探測到的特征層頂部高度更高。

圖5為2019年5月13日至5月19日在濟州島站點和日本長崎站點的氣溶膠光學參數時間變化序列，包括532 nm波長衰減后向散射系數、1064 nm波長衰減后向散射系數、體積退偏比、沙塵消光系數和球形粒子消光系數。左列表示日本長崎站點，右列為行濟州島站點，兩個站點相距358 km，站點海拔高度接近。圖5左列也可以明顯看出，5月15日和5月16日，在日本長崎站點，探測到較大的衰減后向散射系數和體積退偏比，而其二級產品沙塵和球形粒子消光系數，也顯示出較大值，即探測到了沙塵氣溶膠的存在。濟州島站點除5月16日為部分數據缺測外，可以看到，5月13日和15日期間，濟州島站點532 nm波長和1064 nm波長衰減后向散射系數較大，并且高度也較高，位于5～9 km。16日之后，大值區域的高度逐漸降低。圖5c2也顯示，在13日和14日濟州島站點的6～9 km高度，532 nm波長體積退偏比較大，對應球形粒子的消光系數也較大，同時反演得到的圖5d2中的沙塵消光系數，在13日3～5 km高度，也明顯高于前后日期的消光系數。

圖5 2019年5月13～19日地基激光雷達站點長崎（左列）和濟州島（右列）的（a1、a2）532 nm波長衰減后向散射系數、（b1、b2）1064 nm波長衰減后向散射系數、（c1、c2）532 nm波長體積退偏比、（d1、d2）沙塵粒子消光系數和（e1、e2）球形粒子消光系數的垂直分布。日本長崎站點海拔高度為0.206 km，韓國濟州島站點海拔高度為0.035 kmFig. 5 Vertical distributions of (a1, a2) the attenuated backscatter coefficient at 532 nm, (b1, b2) the attenuation coefficient at 1064 nm, (c1, c2) the volume depolarization ratio at 532 nm, (d1, d2) the dust extinction coefficient, and (e1, e2) the sphere extinction coefficient at the Nagasaki station in Japan (left column) and Jeju station in Korea (right column). The altitudes of Nagasaki station and Jeju station are 0.206 km and 0.035 km, respectively

圖6的5月15日的由風向風速計算得到的96 h氣團的后向軌跡顯示，在5～6 km的高度，影響日本長崎站點和韓國濟州島站點的氣團主要經過新疆、甘肅以及內蒙古等沙塵源地，與圖5中得到的，這兩個站點在5 km及以上的高度上均探測到沙塵氣溶膠的存在相一致。而影響這兩個站點1 km一下的氣團主要源于其周邊的太平洋海域，同時圖5e1、e2顯示，在0～1 km球形粒子消光系數較大，即在長崎和濟州島站點較低層為海洋性氣溶膠。

圖6 2019年5月15日1～6 km長崎（右側的星標）和2019年5月15日1～6 km濟州島（左側星標）站點氣團的后向軌跡分布Fig. 6 Distribution of the air mass’sback trajectories from 1 km to 6 km at the Nagasaki (the left star) and Jeju (the right star) stations on May 15, 2019

為定量描述此次沙塵天氣對太平洋地區的影響，利用地基激光雷達數據中的沙塵氣溶膠消光系數和總的氣溶膠消光系數，計算沙塵氣溶膠占總氣溶膠的比例。如圖7，在5月13～17日，從整體趨勢來看，日本長崎站點和韓國濟州島站點沙塵氣溶膠所占比重的變化具有相同的趨勢，而5月17日對應為此次沙塵天氣過程基本結束的日期。對比兩個站點，從整體趨勢和日平均比值來看，長崎站點沙塵氣溶膠所占比重更大，其均值為42.16%，韓國濟州島站點為39.25%。受此次沙塵天氣過程影響，在5月16日、17日，長崎站點沙塵比重顯著增大。

圖7 2019年5月地基激光雷達站點長崎（矩形虛線）和濟州島（三角形實線）探測到的沙塵占總氣溶膠的比值，虛線代表對應站點的日平均占比Fig. 7 Percentages of dust detected by the ground-based lidar at the Nagasaki (square dotted line) and Jeju (triangle solid line) stations. The dashed lines show the daily mean dust percentages respectively at these two stations

3.3 沙塵天氣對空氣質量的影響

此次沙塵天氣爆發原因，主要是受地面冷鋒和蒙古氣旋的共同影響。沙塵源區主要是蒙古國南部和南疆盆地。此次沙塵天氣對中國西北、華北和東北等地的空氣質量影響很大，顆粒物濃度，尤其是PM10濃度顯著增加。5月9日，在新疆庫爾勒地區的PM10濃度達到420 μg m-3，10日，蘭州市氣象臺發布霜凍藍色預警；11日，內蒙古中部、寧夏、甘肅省東北部、山西北部、河北省西北部等地均出現了7～8級陣風，局地9～10級，并且新疆北部、甘肅中東部和內蒙古中西部降溫均超過6°C，最高降溫16°C。

從PM10的濃度分布（圖8）也可以看出，5月10日，PM10濃度在甘肅省大部分地區以及新疆吐魯番、哈密等地區濃度達到400 μg m-3以上；11日，PM10濃度顯著增長，在甘肅省臨夏市突破1000，達到1148 μg m-3，全國PM10大值出現在甘肅省、青海省和寧夏，且均超過600 μg m-3；12日，PM10濃度最大值仍然在甘肅省臨夏市，為673 μg m-3；次大值出現在青海省海東市和西寧市，分別為611 μg m-3和579 μg m-3；13日，PM10濃度在全國范圍內有所下降，最大值仍在甘肅省境內。酒泉市最大值332 μg m-3；14日，西北地區PM10濃度又開始增加，最大值出現在甘肅省武威市，1596 μg m-3，是此次沙塵天氣過程中出現的最大值；另外，甘肅省白銀市達到1375 μg m-3；甘肅省金昌市達到1366 μg m-3；甘肅省張掖市1181μg m-3，均超過1000。15日，PM10濃度在全國范圍內再一次下降，最大值依舊位于甘肅省境內。甘肅省金昌市PM10濃度最大，為461 μg m-3。

圖8 2019年5月（a-f）10～15日PM10濃度的分布Fig. 8 Spatial distribution of PM2.5 concentration from (a-f) 10 May to 15 May, 2019

PM10濃度與PM2.5濃度的比值C(PM10)/C(PM2.5)可以用于表示顆粒物中粗粒子所占比例。由圖9可知，5月10日，C(PM10)/C(PM2.5)比值在甘肅省酒泉市達到最大值9.5，新疆塔城、克拉瑪依和甘肅嘉峪關的濃度達到6.5以上；11日和12日，C(PM10)/C(PM2.5)最大值均出現在新疆塔城；13日，甘肅省酒泉市C(PM10)/C(PM2.5)比值最大，達到6.14；14日，新疆博州比值最大，為7.89；15日，大值逐漸東移，在內蒙古呼倫貝爾獲得最大值7.45。5月10日至15日，大氣中粗粒子占比較高，即大氣污染物主要是沙塵氣溶膠。

圖9 2019年5月（a-f）10～15日PM10濃度與PM2.5濃度的比值C(PM10)/ C(PM2.5)的分布Fig. 9 Spatial distribution of the ratio between the PM10 concentration and the PM2.5 concentration,C(PM10)/ C(PM2.5) from (a-f) 10 May to 15 May,2019

3.4 天氣形勢分析

從海平面氣壓場來看（圖10），在5月10～12日，中國北部盛行西風，污染物主要在西風作用下向東傳輸。11日，內蒙古中部地區有一地面風場輻合線，在輻合線南側的甘肅北部、內蒙古西部地區，出現沙塵暴天氣。12～13日，中國北部地區地面風速逐漸降低，在蒙古地區出現低壓。14日，低壓中心南下，并且東移，中國北部在西北氣流的影響下，再一次爆發沙塵天氣，此次沙塵源地是新疆、寧夏地區。15日，低壓中心移動到東北地區，地面較大風速與之配合，使得來自內蒙的沙塵南下，在東北爆發沙塵暴天氣。

圖10 2019年5月（a-f）10～15日12:00的海平面氣壓場（填色）、風場（矢量箭頭）分布以及中國氣象局觀測到的沙塵天氣（白色三叉標記）Fig. 10 Distribution of surface pressure field (shaded) and wind field (arrows) at 1200 UTC from (a-f) 10 May to 15 May, 2019, and the sandstorm weather (the white tri-left marker) observed by the Chinese Meteorology Agency (CMA)

圖10中的沙塵天氣顯示，5月10～12日，第一次沙塵東移過程顯著，從新疆地區經北部路線傳輸至內蒙古中部和東部地區。5月13～15日，第二次沙塵爆發，此次傳輸路徑偏南，影響中國甘肅、陜西等地。

從12:00 750 hPa位勢高度場和風場來看（圖11），10日，在新疆北部、甘肅等地區風速達到30 m s-1，有利于將沙塵氣溶膠從沙塵源地傳輸至下游地區；11日，沙塵氣溶膠傳輸到達內蒙古、東北區域；12日至13日，在750 hPa位勢高度場上，中國北方大部分地區盛行西風，使得沙塵氣溶膠進一步向東傳輸，影響太平洋地區，同時在13日，在新疆、甘肅和內蒙交界處，出現一個小的低壓中心；14日開始，低壓中心加深東移，在內蒙古北部形成一更深厚的低壓中心，從新疆西部向甘肅省北部、內蒙古中部逐漸東移，直至15日轉移至黑龍江省西部，在整個過程中，主導冷空氣逐步南下，使得甘肅省北部、內蒙古西部爆發沙塵暴天氣。

圖11 2019年5月（a-f）10～15日12:00的750 hPa位勢高度場（填色）和風場（箭頭）分布Fig. 11 Distribution of air pressure field (shaded) and wind field (arrows) at 750 hPa at 1200 UTC from (a-f) 10 May to 15 May, 2019

4 結論

通過CALIOP星載激光雷達觀測到，在2019年5月10～16日，有兩次沙塵天氣過程。第一次為10～12日的小范圍東向傳輸過程，從新疆地區傳輸至內蒙古中部地區，沙塵氣溶膠在傳輸過程中退偏比和色比值分別減小31.59%和2.35%；13日至16日為第二次東向傳輸過程，從新疆地區、內蒙古中部，至東北吉林地區，最后到達日本中部，退偏比和色比平均值分別達到0.31和1.39。

星載激光雷達和AD-NET地基激光雷達數據的對比顯示，兩種數據在特征層識別方面具有一致性。通過亞洲沙塵觀測網AD-NET地基激光雷達探測到的數據，證明沙塵氣溶膠存在于日本和韓國的多個站點。通過日本長崎站點和韓國濟州島站點地基激光雷達數據，計算得到沙塵氣溶膠消光系數對總氣溶膠消光系數的貢獻分別為42.16%和39.25%。

此次沙塵天氣過程對我國北方空氣質量，特別是PM10和PM2.5，產生很大的影響。特別是對甘肅省地區，臨夏市在5月11日，PM10和PM2.5濃度分別超過國家一級濃度標準的11倍和4倍；之后內蒙古西部的小槽的加深以及南壓，使得西北冷空氣穩定南下，14日不穩定層結加深導致沙塵天氣再一次爆發，甘肅境內最大PM10濃度和PM2.5濃度分別達到國家一級標準的32倍和9倍。