基于Grimm180粒子儀對塔克拉瑪干沙漠沙塵暴的定量觀測

明 虎，王敏仲，劉新春，楊慧娟

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000；3.中國民用航空西北地區空中交通管理局，陜西 西安 710082）

沙塵暴是干旱和半干旱地區常見的一種自然災害天氣，是大氣運動和自然地理環境的綜合產物[1]。沙塵暴的影響范圍不僅是發生地，而是更大的區域甚至擴展到整個地球[2]。沙塵暴發生時，會使能見度下降，從而破壞交通和工業生產[3]。沙塵粒子懸浮在大氣中，不但會造成大氣質量下降影響人類的生活習慣和身體健康，還會影響太陽輻射平衡和云的生成[4-5]。因此，分析沙塵暴的特征和定量監測沙塵暴對防災減災、生態環境保護具有重要的科學和經濟意義。

早在20世紀20年代國外就開始對沙塵暴成因、結構以及如何有效地監測和預報進行了研究[6]。Idso等[7]對沙塵暴的氣候特征和平均風速等多方面進行了研究。Jauregui[8]對墨西哥城沙塵暴的時空分布也進行了系統研究，指出了沙塵暴在墨西哥的3月出現頻率最大。Giannadaki等[9]、Ginoux等[10]先后分析了影響沙塵暴的要素，并將這些要素參數化進而建立了沙塵暴的模型。中國20世紀70年代開始對沙塵暴進行研究[11]，董慶生[12]在90年代系統分析了中國典型沙區中沙塵的物理特征，并得到了沙塵的粒子分布特點。游來光[13]等根據飛機觀測的一次沙塵暴資料，分析得到了沙塵暴天氣下大氣中沙塵粒子空間分布特點及其微結構。雖然近幾十年對沙塵暴的建模和預報有了一定的發展，但是由于受沙塵暴監測手段的限制，對沙塵暴定量監測和預報的效果都不是很好[14-15]。

衛星遙感和激光雷達是監測沙塵暴最主要的技術手段[16-17]。衛星遙感可以監測到沙塵暴的起源、空間分布和移動路徑，但不能準確地獲得沙塵暴的精細垂直結構特征、沙塵粒子濃度和沙塵質量濃度等定量特征[18]。激光雷達雖然可以得到沙塵天氣過程中沙塵的空間分布結構和光學特征等信息，但由于發射功率較小，在強沙塵暴期間激光不能穿透整個沙塵暴剖面，無法進行準確探測[19]。

塔克拉瑪干沙漠是中國最大的沙漠，也是沙塵暴頻發的地區，劉新春[20]、王敏仲[21-22]等利用80 m鐵塔資料、風廓線雷達等探測設備對該地區的沙塵暴進行了探測研究，并取得了一定成果，但沙塵暴的定量監測仍然是一個科研問題。為了準確得到塔克拉瑪干沙漠沙塵暴期間粒子譜和沙塵質量濃度的實時定量變化特征，本文利用Grimm180粒子儀在2018年5月對發生在塔克拉瑪干沙漠的沙塵暴進行了實時觀測,并利用Grimm180粒子儀觀測的數據，分析PM10、PM2.5的時間變化特征以及沙塵粒子譜和沙塵質量濃度譜的分布特征。這些特征可為以后定量研究沙塵暴提供一定的依據。

1 觀測地點和設備

1.1 觀測地點

塔克拉瑪干沙漠位于北半球中緯度歐亞大陸腹地，坐落于中國新疆塔里木盆地中央，是亞洲最大的流動沙漠，面積達33.76萬km2，占我國沙地總面積的1/2；北臨天山山脈、南鄰昆侖山、西鄰帕米爾高原；地理坐標為39°00'N，83°40'E（圖1a），海拔高度在1 100 m以上。塔克拉瑪干沙漠植被很少，常年干旱少雨，在春季和初夏經常發生沙塵暴，對當地和附近地區的生活和環境造成了嚴重的影響；沙塵粒子向中、東部移動，到青藏高原后，會影響我國的氣候變化。因此，實時定量監測該地區的沙塵暴對我國的防災減災和生態保護具有重要意義。本研究的試驗地點位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區（圖1b），該地區常年干旱少雨，沙塵暴頻繁，植被稀疏，具有很好的塔克拉瑪干沙漠地貌代表性。

圖1 試驗位置

1.2 觀測設備和數據

本文主要采用的設備是德國GRIMM公司生產的Grimm180型粒子儀。該儀器有31個通道，利用激光散射原理可以精確地測量沙塵質量濃度和沙塵數濃度。Grimm180粒子儀的數據輸出周期是1 min。實時輸出的數據包括：沙塵質量濃度（PM10、PM2.5），每分鐘1 L體積內的沙塵粒子直徑＞0.25 μm的總個數和31個通道的粒子數（表1）。

表1 Grimm180粒子儀31個粒子通道

將Grimm180粒子儀安裝在距地面高度1.5 m處，在5月20日15：40—16：30和5月24日14：50—17：30兩次沙塵暴過程進行了連續觀測。本文利用Grimm180探測的數據對沙塵粒子和沙塵質量濃度的變化特征進行分析。

2 結果分析

2.1 天氣背景概括

塔克拉瑪干沙漠沙塵暴的天氣背景基本相同。從5月18日（圖2a）和23日（圖2c）08時500 hPa高度場風場圖中可以得到，在西西伯利亞地區出現了低槽，其后部有較強的冷空氣。隨著時間的推移，槽線延西—東移動，并進一步發展加強，到20日（圖2b）和24日（圖2d）08時，在500 hPa的高度場可以看到槽線進入了塔中地區，高空主導風向也逐漸由西北轉向西南，由于受到槽線東移的影響，地面風速增大，塔克拉瑪干沙漠出現了沙塵暴。

圖2 沙塵暴過程500 hPa風場和高度

為了進一步分析沙塵暴期間的大氣結構特征，利用距離塔中最近的民豐探空站（代碼51839，距離塔中約200 km，位于塔克拉瑪干沙漠的南緣）2018年5月20和24日的探空資料得到T-logP圖和風矢位溫（V-3θ）圖[23]。

由圖3a可知，在5月20日20時，700 hPa以下大氣較干，不穩定能量稍強，700~400 hPa水汽接近飽和，地面氣溫為20℃。從圖3b的V-3θ也可以看出，在700 hPa以下大氣較干，不穩定能量明顯，700~400 hPa水汽接近飽和；200 hPa高空風速達40 m/s，強的高空急流對地面的水汽和沙塵有很強的抽吸作用，促進對流上升。所以，5月20日沙塵暴的形成原因是動力抬升為主，熱力不穩定為輔。5月24日08時，熱力不穩定層高達500 hPa，500 hPa以下很干，地面氣溫高達25℃，水汽層在500~300 hPa，高空風速＜20 m/s（圖3c，3d）。所以，24日的沙塵暴主要形成原因是熱力不穩定為主，動力抬升為輔。

圖3 民豐探空資料

根據地面風速（圖4）和能見度的不同，塔中氣象站人工觀測記錄為：5月20日16：15—16：30和24日17：20—19：00為浮塵（風速＜6 m/s，能見度＞1 km），20日16：08—16：15、24日14：40—16：05和17：00—17：20為揚沙（6 m/s＜風速＜8 m/s，能見度＞1 km），20日15：40—16：08和24日16：05—17：00為沙塵暴（風速＞8 m/s，能見度＜1 km）。

圖4 人工觀測地面風速

2.2 PM10和PM2.5

PM10和PM2.5分別為粒子直徑＜10 μm和＜2.5 μm的沙塵質量濃度。圖5是Grimm180粒子儀觀測的PM10和PM2.5質量濃度隨時間的變化特征。結合地面風速（圖4）可知：整體上，PM10的濃度值在不同階段變化比較明顯，并且數值分布在2 000~6 000 μg·m-3，而PM2.5的濃度值隨時間變化不大，一般＜1 500 μg·m-3。在浮塵和揚沙期間（風速＜8 m/s），PM10的濃度值一般＜3 000 μg·m-3，由于沙塵粒子主要由小直徑粒子組成，PM2.5/PM10＞25%。在沙塵暴期間（風速＞8 m/s），PM10的濃度值一般＞4 000 μg·m-3，PM2.5/PM10＜15%。

圖5 PM10和PM2.5隨時間變化

2.3 沙塵粒子分布特征

2.3.1 沙塵粒子總數特征

利用Grimm180實時觀測的沙塵粒子總數繪制出圖6。結合圖4和圖5可以得到，沙塵粒子總數和PM10隨時間變化的趨勢是一致的。在浮塵和揚沙期（風速＜8 m/s），每分鐘1 L體積內的沙塵粒子總數一般在4×105左右；在沙塵暴期，當風速＞8 m/s時，每分鐘1 L體積內的沙塵粒子總數＞5×105，最大可以超過10×105。

圖6 沙塵粒子總數的時間變化特征

2.3.2 沙塵粒子譜

沙塵粒子譜是指沙塵粒子個數隨粒子直徑的分布。利用Grimm180粒子儀31個通道測量的沙塵粒子個數，通過式（1）計算得到表2中30個粒子直徑區間的個數。

式中，Ni表示第i個粒子區間的粒子個數，ni表示Grimm180第i個通道測量的粒子個數。

選取5月20日16：25浮塵期、5月24日15：20揚沙期和5月24日16：30沙塵暴期，通過公式（1）計算得到沙塵粒子譜（圖7，30個粒子區間粒子分布）。由圖7可知，在浮塵、揚沙和沙塵暴期間，沙塵粒子譜的分布形狀變化不大。當粒子直徑為0.35 μm左右時，粒子數濃度達到最大值，在浮塵和揚沙期，每分鐘1 L的體積內粒子數為5×104，在沙塵暴期，每分鐘1 L體積內粒子數＞10×104；當粒子直徑＞0.35 μm時，粒子數濃度隨直徑增大的曲線近似符合M-P分布。

為了更好地分析不同階段沙塵譜的區別，設定粒子直徑D≤1 μm為小粒子區、粒子直徑1 μm＜D≤10 μm為中粒子區、粒子直徑D＞10 μm為大粒子區。表3為不同階段的沙塵譜（圖7）在不同區間的粒子數和占比。從浮塵—揚沙—沙塵暴，小粒子區的占比越來越小，中粒子區和大粒子區的粒子數越來越多并且占比越來越大，這是由于不同階段地面風速不同（V浮塵＜V揚沙＜V沙塵暴）導致的。

表3 浮塵期、揚沙和沙塵暴不同粒子直徑范圍粒子數和占比

圖7 沙塵粒子譜

2.4 沙塵質量濃度譜

沙塵質量濃度譜指沙塵質量濃度隨不同直徑的分布。由于沙塵粒子的直徑非常小，沙塵粒子可以近似為球形，所以單個直徑為Di的沙塵粒子的質量（mi0）可以表示為：

式中，ρ為沙塵粒子密度，根據王敏仲等人[21-22]對塔克拉瑪干沙漠的研究ρ=2.65×103kg·m-3。利用沙塵粒子譜N（Di）和單粒子質量mi0得到沙塵質量濃度譜M（Di）為：

選取5月20日16：25浮塵期、5月24日15：20揚沙期和5月24日16：30沙塵暴期的沙塵粒子譜，利用公式（3）計算得到相應時刻的沙塵質量濃度譜（圖8）。

圖8 沙塵質量濃度譜

由圖8可知，在浮塵、揚沙和沙塵暴期間，沙塵質量濃度的分布形狀基本相同。當沙塵粒子直徑為25～32 μm時，沙塵質量濃度達到最大值。浮塵階段每分鐘最大沙塵質量濃度＜15 μg·L-1，揚沙階段每分鐘最大沙塵質量濃度在20 μg·L-1左右，沙塵暴階段每分鐘最大沙塵質量濃度＞25 μg·L-1。當粒子直徑＞1.6 μm時，沙塵暴階段的沙塵質量濃度大于揚沙階段，并且揚沙階段大于浮塵階段，因此沙塵暴期間，大直徑的沙塵粒子所占比重更大。

3 結論

通過分析Grimm180粒子儀在塔中氣象站2018年5月20和24日沙塵暴過程中實時觀測的數據，得到了以下結論：

（1）在沙塵暴過程中，PM2.5的質量濃度值隨時間變化不大，一般＜1 500 μg·m-3；而PM10在不同階段的變化比較明顯，數值在2 000~6 000 μg·m-3。

（2）在浮塵和揚沙階段，由于沙塵粒子比較小，PM2.5/PM10＞25%；在沙塵暴階段，PM2.5/PM10＜15%。

（3）在浮塵和揚沙期，每分鐘1 L體積內的沙塵粒子總數一般在4×105左右；在沙塵暴期，每分鐘1 L體積內的沙塵粒子總數＞5×105，最大可超過10×105。

（4）在浮塵、揚沙和沙塵暴期間，沙塵粒子譜的分布形狀變化不大。當粒子直徑為0.35 μm左右時，粒子數濃度達到最大值；當粒子直徑＞0.35 μm時，粒子數濃度隨直徑的增大近似符合M-P分布。

（5）在浮塵、揚沙和沙塵暴期間，沙塵質量濃度的分布形狀基本相同。粒子直徑在25～32 μm時，沙塵質量濃度的值最大。

根據霍文[24]利用80 m鐵塔資料對10次塔克拉瑪干沙漠沙塵暴的沙塵粒子譜研究得到，沙塵暴期間近地面的沙塵譜分布和沙塵數濃度變化不大。本文得到的沙塵暴期間PM2.5、PM10、沙塵粒子譜和沙塵質量濃度對塔克拉瑪干沙漠沙塵暴具有一定的普遍性，可為以后定量研究該地區的沙塵暴提供事實依據。但由于Grimm180粒子儀只能探測到粒子直徑＜32 μm的分布特征，而實際的粒子譜范圍要更大，所以本文的結論更適合小直徑粒子的特征。