安陽市沙塵天氣成因及特征性探究

周英濤

（安陽市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，河南 安陽 455000）

0 引言

沙塵天氣是由強(qiáng)風(fēng)將地面沙塵攜卷到空中，對農(nóng)業(yè)、人類生產(chǎn)生活和生態(tài)系統(tǒng)均造成一定危害，并嚴(yán)重影響著環(huán)境空氣質(zhì)量[1]。激光雷達(dá)也被廣泛地應(yīng)用到沙塵天氣分析，并發(fā)現(xiàn)存在沙塵與地面污染混合的現(xiàn)象，沙塵層主要分布高度在1000m～2000m 區(qū)域，氣溶膠最大退偏比為0.34[2]；激光雷達(dá)的探測可以精確反映出不同天氣形勢下沙塵氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)和時空變化特征，對遠(yuǎn)距離輸送的高空粗粒子沉降有較好的監(jiān)測能力[3]；目前，已有的研究多集中于單一設(shè)備對沙塵過程的個例分析，對沙塵天氣傳輸沉降造成的環(huán)境空氣污染分析研究相對較少。

該文以安陽市2021 年1 月10—14 日出現(xiàn)的一次沙塵天氣為例，結(jié)合激光雷達(dá)，分析在沙塵天氣過程中的大氣消光系數(shù)、退偏比、邊界層等的變化，探討了沙塵沉降對近地面顆粒物污染物濃度變化的影響，為沙塵天氣的預(yù)報預(yù)警和環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報等工作提供參考。

1 研究方法

1.1 儀器及方法

該研究所使用的微脈沖偏振激光雷達(dá)（Micro Pulse Lidar，MPL）為北京怡孚和融科技有限公司生產(chǎn)的EV－LIDA R型雷達(dá)，根據(jù)后向散射原理探測到激光回波信號，可有效的區(qū)分球形顆粒（小水滴、霧滴）與非球形顆粒物（飄塵、沙塵、冰晶）。激光器為二極管泵浦 Nd：YAG，工作波長532nm，單脈沖輸出能量13uJ，脈沖重復(fù)頻率2.5kHz，脈沖寬度12ns，接收望遠(yuǎn)鏡為同軸式，口徑160mm，探測器為單光子計數(shù)探測器，數(shù)據(jù)采集為光子計數(shù)器，探測距離最大30km，空間分辨率15 m。根據(jù)激光雷達(dá)方程使用后向散射算法，在過程中反演出空氣中氣溶膠顆粒物得到它的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)，利用后向散射信號強(qiáng)度在垂直和平行向的分量計算得出氣溶膠顆粒物的退偏比[4]。

1.2 后向軌跡模式（HYSPLIT）

HYSPLIT（HybridSingle Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由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)的混合型單粒子歐拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）擴(kuò)散模式（Stein et al，2016），用于追蹤氣流攜帶的粒子或移動方向，利用HYS-PLIT 模式分析沙塵天氣的源地和傳輸路徑。

1.3 數(shù)據(jù)來源

該次沙塵過程分析所應(yīng)用的污染物資料及相關(guān)氣象資料主要來源于中國氣象局、河南省安陽市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心、安陽市氣象局，空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)來源是監(jiān)測中心管理的環(huán)境空氣質(zhì)量國控點自動監(jiān)測數(shù)據(jù)及真氣網(wǎng)中空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)（圖1）；氣象資料主要來源于中國氣象局相關(guān)的空氣數(shù)據(jù)、安陽市氣象局下發(fā)的MICAPS同期高空和地面的實況觀測相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

圖1 2021 年1 月12 日0 時中國北方主要城市PM10 分布圖

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量和天氣形勢變化情況

2021 年1 月10 日開始，來自西北方向的沙塵前鋒到達(dá)安陽市上空，受到沙塵傳輸影響直至14 日，安陽市PM2.5與PM10整體濃度呈升高趨勢。10 日凌晨時段至12 日上午時段空氣站PM2.5濃度在35 μg/m3～60 μg/m3，12 日中午時段開始PM2.5濃度開始逐步升高，于14 日11 時達(dá)到峰值159ug/m3，PM2.5AQI 分指數(shù)為209，隨后濃度逐步呈下降趨勢（圖2）。10 日凌晨至11 日上午時段空氣站PM10濃度維持在150ug/m3以下，11 日11 時后濃度出現(xiàn)一次小幅升高，隨后濃度下降，12 日凌晨時段開始PM10濃度迅速升高，于下午14 時達(dá)到峰值334ug/m3，隨后濃度呈下降趨勢，13 日凌晨時段開始PM10濃度再次迅速升高，峰值達(dá)到454ug/m3，PM10AQI 分指數(shù)為343，空氣質(zhì)量達(dá)到六級嚴(yán)重污染。粗顆粒高值濃度持續(xù)至14日下午時段開始逐步呈下降趨勢。結(jié)合天氣形勢和空氣質(zhì)量變化可知，這次沙塵天氣導(dǎo)致的環(huán)境空氣質(zhì)量惡化過程在安陽地區(qū)可以分為3 個階段：第一個階段是11 日08:00—11日22:00，此時安陽地區(qū)顆粒污染物主要以高空浮塵向近地沉降影響為主；第二個階段是12 日02:00 時—12 日22:00，此時風(fēng)力加大，粗顆粒物污染以外來傳輸影響為主；第三個階段是13 日01:00—14 日23:00，該時段高空沙塵強(qiáng)度加重，粗顆粒物占比再次升高，對近地影響加強(qiáng)。

圖2 2021 年1 月10 日—14 日安陽市顆粒物濃度變化趨勢圖

2.2 氣溶膠激光雷達(dá)的探測分析

通過對氣溶膠激光雷達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，該次沙塵天氣造成的空氣質(zhì)量惡化主要與高空顆粒物的沉降密切相關(guān)，其中消光系數(shù)（圖3）表明1 月10 日—12 日凌晨時段近地消光值較低，城市PM2.5濃度相對較低，12 日上午時段高空2.5km 左右出現(xiàn)沙塵氣團(tuán)，對近地影響較小。13 日9 時左右高空沙塵氣團(tuán)逐漸向近地沉降，空氣站PM2.5濃度呈逐步升高趨勢于14 日中午時段影響達(dá)到最大，下午時段氣團(tuán)向上擴(kuò)散，擴(kuò)散高度在800m 左右，本地影響減輕。消光系數(shù)表示氣溶膠粒子通過散射和吸收作用，對某一波段輻射單位面積、單位長度的衰減程度，通常，消光系數(shù)越小，表明細(xì)顆粒越少，反之細(xì)顆粒越多。

圖3 2021 年1 月10 日至14 日激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)、退偏圖

圖5 氣流后向軌跡運(yùn)行圖

由于沙塵氣溶膠具有較高的退偏比，為粗顆粒。而一般氣溶膠、云中的水滴等近乎球形，退偏比較低，因此易于在退偏比圖上將沙塵氣溶膠與其他大氣污染物區(qū)分開，通過退偏比數(shù)據(jù)顯示1 月10 日—11 日凌晨時段高空1km 內(nèi)存在輕微浮塵（圖2），對近地影響相對較小，11 日8 時左右高空2km 內(nèi)出現(xiàn)沙塵源并快速沉降，空氣站PM10濃度出現(xiàn)第一次峰值，16 時—12 日0 時沙塵影響對近地減弱，12 日2 時左右高空沙塵濃度加強(qiáng)，對近地影響加重，空氣站PM10濃度迅速升高達(dá)到第二次峰值，沙塵于12 日20 時左右向上擴(kuò)散，對近地影響減輕。13 日凌晨時段出現(xiàn)第三次沙塵入境并向近地沉降，空氣站PM10濃度再次升高達(dá)到第三次峰值，中午時段開始沙塵逐漸向上擴(kuò)散，對近地影響逐漸減弱，空氣站PM10占比降低。

由激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)和退偏比廓線分析發(fā)現(xiàn)：該次沙塵天氣的外來輸入性明顯，大量沙塵受氣流以及重力雙沉降到近地層是造成該次環(huán)境大氣污染事件的主要原因。1 月10 日—14 日安陽市本地邊界層高度整體維持在1km 左右，受高空沙塵影響帶來的冷空氣變化影響，邊界層高度出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，沙塵傳輸下沉邊界層下壓至800m 左右，整體擴(kuò)散條件受冷空氣過境影響較好。沙塵天氣一般都帶來冷空氣影響，對近地面細(xì)顆粒存在清潔作用[5]。

2.3 沙塵源地及輸送條件

為深入分析該次沙塵天氣的源地和傳輸路徑，利用HYSPLIT 圖對氣流軌跡進(jìn)行繁衍，1 月10 日—14 日（圖4），通過后向軌跡表明沙塵傳輸源地主要為西北方位，結(jié)合其他分析資料表明為蒙古西部。通過遠(yuǎn)距離輸送使氣流在移動過程中攜帶了大量沙塵顆粒污染物，同時受下沉運(yùn)動輸送到近地對本地空氣質(zhì)量產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響，造成PM10成為首要污染物。11 日—12 日氣流表明呈下沉，說明存在氣流沉降影響。同時沙塵也受重力沉降影響。

圖4 2021 年1 月10 日—14 日邊界層高度變化

3 結(jié)論

1）2021 年1 月10 日—14 日的環(huán)境空氣質(zhì)量惡化可分為3 個過程，過程1：11日08:00～22:00，安陽顆粒污染主要以高空浮塵向近地沉降影響為主；過程2：12 日02:00～22:00，冷空氣攜帶粗顆粒物污染沉降影響為主；過程3：13 日01:00—14 日23:00，高空沙塵強(qiáng)度加重，粗顆粒物占比再次升高，對近地面影響加強(qiáng)。

2）激光雷達(dá)數(shù)據(jù)表明，這次沙塵過程主要以外來傳輸沉降為主，退偏比較好的說明了高空沙塵的沉降變化，應(yīng)用退偏比數(shù)據(jù)來判斷 PM10濃度變化的原因。沙塵天氣同時帶來冷空氣會使邊界層維持較高的高度[6]。

3）后向軌跡圖數(shù)據(jù)表明該次沙塵傳輸過程安陽市主要受西北方位（蒙古旋氣流）2km 內(nèi)下沉或平緩氣流影響，沙塵從高空輸入，同時受到氣流下沉與重力沉降的影響，近地面PM10濃度快速升高，成為首要污染物，并達(dá)到重度污染。