2021 年3 月廣西一次罕見浮塵天氣成因分析

王義耕，麥博儒，和凌紅，陳 丹，劉曉梅，姚勝芳

（1.廣西壯族自治區氣象臺，南寧 530022；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣州 510640；3.廣西壯族自治區生態環境監測中心，南寧 530028；4.廣西壯族自治區氣象科學研究所，南寧530022 ）

沙塵暴是發生在干旱、半干旱、沙漠及其鄰近地區強烈的沙塵天氣，主要分布在我國北方地區，西北地區最為突出，呈現出顯著的區域性特征。春季是我國沙塵暴出現頻率最高、范圍最大的季節，呈現出顯著的季節性特征［1-3］。中國學者針對沙塵暴的研究已有很多，也取得較大進展［4-7］，但對浮塵的研究相對較少。孟露等［8］分析塔里木盆地近30 a 浮塵天氣時間和空間變化特征、持續浮塵天氣的頻次分布，以及塔里木盆地獨特的持續浮塵滯空區域氣候特征；張迎新等［9］對2017 年京津冀地區出現的一次持續較長時間的浮塵天氣，從氣象條件方面分析其成因及維持機制；褚金花等［10］分析蘭州市春季一次連續浮塵天氣過程的大氣環流特征、發生機制及其造成的空氣污染狀況，指出蘭州地處黃河河谷盆地，極易出現逆溫和靜風現象，不利于大氣污染物在垂直和水平方向上的擴散，是造成浮塵天氣長時間維持的主要原因；馬井會等［11］初步研究一次上海連續浮塵過程的傳輸特征和形成的主要原因。

目前，浮塵天氣的主要研究工作是針對其形成原因及沙塵來源開展的，研究個例多數發生在北方，南方的研究個例相對較少。廣西地處華南，南臨北部灣，遠離沙源地，很少出現浮塵天氣，但2021 年3 月22—24 日，廣西境內自北向南、從內陸到沿海出現近30 a 最強的浮塵天氣過程，其中原因值得深入探討。中央氣象臺的沙塵暴數值預報模式（CUACE—Dust）預報此次浮塵南界僅僅到達湖南北部，漏報湖南中南部、貴州南部和廣西境內浮塵天氣，廣西這次浮塵天氣預報難度極大，因此有必要分析其形成原因、傳播過程及維持機制。本文從這次浮塵天氣發生的前期氣候背景和天氣形勢、中低層風場特征、浮塵區域輸送、環境觀測資料、氣象探測資料等多個方面，對此次過程進行系統全面分析，以期得到本地浮塵天氣發生規律、形成機理、預報思路和預報著眼點，為廣西浮塵天氣的預報預警和防控減排提供參考。

1 資料與方法

PM10質量濃度數據和空氣質量指數（AQI）數據來自中國環境監測總站全國城市空氣質量實時發布平臺（https:／ ／air.cnemc.cn:18007）；氣象數據來自國家氣象信息中心提供的地面臺站常規氣象觀測資料（風速、相對濕度、氣溫、降水量），溫度對數壓力圖來自中國氣象局CMA—Cast 信息系統下發的MICAPS資料；高空及地面天氣圖使用美國氣象環境預報中心和美國國家大氣研究中心（NCEP／NCAR）再分析資料（空間分辨率2.5°×2.5°，時間分辨率6 h，垂直17 層）。

HYSPLIT-4 模型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合研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型［12］。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式，已經被廣泛應用于多種污染物在各個地區的傳輸和擴散的研究中。模型所用數據是NCEP 的GDAS 資料，空間分辨率為1°×1°。

2 結果與分析

2.1 浮塵天氣過程實況

受較強冷空氣影響，2021 年3 月22—24 日，廣西出現一次罕見的大范圍長時間浮塵天氣過程，這次浮塵天氣過程具有范圍廣、時間長、濃度高、影響大等特點。廣西14 個地級市中10 個地級市出現了浮塵污染天氣，以PM10為首要污染物的區域大氣污染過程明顯，另外4 個地級市PM10濃度也較高。在廣西境內，與850 hPa、925 hPa 的風場風向（都吹東北風）一致，浮塵整體呈自東北向西南移動趨勢，在浮塵傳播主路徑上的城市都出現了浮塵污染。此次過程從3 月22 日到24 日，達3 d 之久，其中柳州、河池、來賓和百色連續3 d，南寧連續2 d，桂林、貴港、崇左、防城港和欽州各1 d，累計出現19 城次的污染天。污染最重的河池22 日AQI 達142，PM10日平均濃度達233 μg·m-3，PM10小時濃度峰值出現在桂林22 日中午12 時達296 μg·m-3，達到中度污染。廣西境內出現近30a 最強浮塵天氣過程，造成空氣質量惡化、能見度下降，對交通出行、農業生產和人體健康造成不利影響，引起社會各界廣泛關注。在這次罕見的大范圍長時間浮塵天氣過程中，浮塵在廣西境內整體呈自東北向西南、從內陸到沿海移動趨勢，由于桂東地區不在浮塵傳播主要路徑上，賀州、梧州、玉林和北海4 個城市浮塵影響稍小，沒有出現浮塵污染天氣。

2.2 氣候背景和天氣形勢

2.2.1 前期氣候背景分析

從3 月前半月北方地區氣溫距平實況圖和北方地區降水距平百分率圖看，這次揚沙過程沙源地（見第4 節傳輸過程的后向軌跡分析）內蒙古阿拉善高原和甘肅河西走廊等地與常年同期相比氣溫偏高4～6 ℃以上，降水普遍偏少80% 以上，大部分地區降水少于10 mm，甚至無降水，地表基本無積雪覆蓋。在阿拉善高原和河西走廊地區分布著大片的沙漠、荒漠、沙地和戈壁，沙源充足，加上前期干燥少雨，氣溫明顯偏高，降水顯著偏少，春季植被較少，地表逐漸解凍，干土層厚，土壤表層干燥疏松，沙粒裸露在地表，易于起沙。富含沙塵源的下墊面為沙塵天氣的出現提供很好的物質條件。前期低層偏暖，不穩定的大氣層結，為沙塵天氣的出現提供良好的局地熱力條件。3 月19—20 日，受較強的蒙古冷高壓東移南下的影響，我國西北大部地區出現5～6 級持續大風，陣風達到7～8 級，為這次沙塵天氣的發生提供非常好的動力條件。

甘肅河西走廊呈西北-東南向，長度大約1 100 km，當冷空氣經過時，由于河西走廊地形的狹管效應，使風力明顯加大。強風是沙塵發生的動力條件，也是沙塵能夠長距離輸送的動力保證。在河西走廊形成風沙，途經阿拉善高原的巴丹吉林和騰格里沙漠，卷起更多的沙塵，在東移南壓過程中，在賀蘭山北面山前受阻堆積，冷鋒受山脈阻擋作用，坡度變陡，當冷空氣堆積到一定厚度，一部分冷空氣翻越賀蘭山向銀川盆地俯沖，由于冷空氣迅速下沉，鋒面坡度急劇減小，大量空氣下滑勢能轉變為動能，地面風速增大。地形俯沖作用造成下滑效應，加之冷鋒前高溫，促使在銀川盆地形成強烈輻合上升運動，氣壓和溫度的梯度進一步加大，促使揚沙天氣進一步加強。

2.2.2 天氣形勢分析

從3 月18 日20 時中國地區500 hPa 環流形勢（圖1a）來看，高空槽位于新疆東部，且溫度槽稍落后于高度槽，該槽將東移發展，我國華北和東北地區為高壓脊控制，高原南支槽多波動活動，西太平洋副熱帶高壓主體位于南海上。從3 月18 日20 時中國地區地面氣壓場（圖1b）來看，冷高壓中心位于新疆北部，冷高壓強度大（1 050 hPa），冷鋒前低壓中心位于青海北部，中心值為1 000 hPa，高低中心氣壓差到達50 hPa 以上，等壓線密集，地面氣壓梯度大。高低壓中心之間等壓線密集區正是位于高空槽前的沙源地阿拉善高原沙漠及河西走廊戈壁地區，強大的氣壓梯度導致沙源地產生強烈的上升運動，槽前上升氣流將地面的沙塵卷至高空，并隨高空風向下游傳輸，加大了沙塵的影響范圍。

圖1 500 hPa 高度場（黑實線）和溫度場（紅虛線）（a）、地面氣壓場（b）

根據位勢傾向方程［13］

（等式左邊是位勢傾向的三維拉普拉斯項，等式右邊第一項是地轉風的絕對渦度平流項，等式右邊第二項是溫度平流隨高度的變化項）

槽后冷平流使槽加深發展、引導冷空氣快速南下，槽前正渦度平流使鋒前熱低壓發展。地面冷鋒前后氣壓梯度、變壓梯度和溫度梯度都很大，日間地表升溫快，造成中低空干絕熱不穩定層結，強冷平流、強氣壓梯度以及高空急流造成的動量下傳等共同作用，使得該地區出現西北大風，平均風力普遍達到5～6 級，陣風7～8 級，大風將地面沙塵吹起揚向空中，迅速加大空氣中沙塵含量，由于大氣的不穩定，沙塵快速卷至高空，并隨著高低空上下一致的西北氣流向東向南輸送。而近地面層形成的局地干絕熱不穩定，同時有利于造成強的湍流感熱通量，這對沙漠地區局地性沙塵暴的產生和加強起著重要作用［14］。

2.3 浮塵傳輸過程分析

廣西地處華南，遠離沙源地，自然生態環境良好，境內植被茂盛、草原綜合植被蓋度為82.8%，森林茂密，森林覆蓋率達62.5%，居全國第3 位，因此，極少由本地形成如此嚴重的大范圍高濃度PM10空氣污染。為了分析本次沙塵的來源，利用美國國家海洋及大氣管理局（NOAA）的HYSPLIT 模型做河池市觀測點后向軌跡分析，沙塵氣團的經緯度選定污染最重的河池觀測點（108.28°E，25.20°N），沙塵氣團的時間選定廣西境內浮塵濃度大幅上升的北京時間3 月22 日08 時，沙塵氣團后向軌跡的起始點分別設為海拔1 500 m、1 000 m 和500 m，對應于采樣點大氣高層、中層和低層，分別從3 個高度進行質點后向72 h 軌跡追蹤。到達河池72 h 后向軌跡模型顯示，距地面1 500 m、1 000 m 和500 m 的污染氣團高起低落來自內蒙古西部的阿拉善高原和甘肅西北部的河西走廊。周自江等［15］利用1954—2000 年中國大陸681 個站的觀測資料，分析近47 a 我國沙塵暴的時空分布特征，發現塔里木盆地及其周圍地區、阿拉善高原及相鄰的河西走廊東北部是我國沙塵暴的兩大高頻中心。此次過程沙塵源地正是來自我國沙塵暴高發中心的阿拉善高原及相鄰的河西走廊。

3 月22 日08 時河池市的72 h 后向軌跡中，前24 h，因高空風力大（風速達到30 m·s-1），裹著沙塵的空氣沿途逗留時間短，傳輸快，向東南長驅直入，直撲陜甘寧地區、華北南部，造成甘肅、寧夏、陜西、山西、河北大部分地區出現揚沙天氣；中間36 h，沙塵氣團進一步向南傳輸，但速度逐漸減慢，影響華中地區，河南、湖北、湖南出現大面積的揚沙或浮塵天氣；后12 h，隨著中低層上下一致的挾卷沙塵的東北氣流向西南地區南部和華南地區西部繼續擴散，貴州南部和廣西北部地區出現浮塵天氣。浮塵隨著強冷空氣先自西向東、后自北向南先后影響到我國西北地區、華北南部、華中地區和華南西部，導致廣西出現近30 a 最強的浮塵天氣，浮塵天氣在廣西境內整體呈自北向南、從內陸到沿海移動趨勢。在浮塵自北向南高空傳輸過程中，由于傳輸距離長，在重力沉降作用下，PM10濃度逐漸下降，強度逐漸減弱。

2.4 浮塵天氣長時間維持原因

3 月22—24 日，浮塵天氣過程在廣西境內滯留長達3 d 之久，歷史罕見。浮塵天氣能夠長時間的維持與本地的氣象要素密切相關，以這次污染最重的河池市為代表站來分析。圖2 是3 月22 日20 時河池站探空曲線圖，圖中狀態曲線位于層結曲線左邊，對流有效位能為負值，整層大氣穩定，對湍流運動起抑制作用，減弱大氣擴散稀解釋能力，有利于污染物累積，上游輸送的沙塵一旦進入該區域，不易擴散出去。800 hPa 以下溫度露點差較大，表明對流層的中下層空氣干燥。統計地面氣象觀測站的數據，出現浮塵污染的城市地面日平均相對濕度在45.8%～72.5%之間，絕大多數在70.0%以下，相對濕度小不利于浮塵顆粒物重力沉降到地面，長時間滯留在空氣中，形成浮塵污染天氣。從圖中可以看出850 hPa 和700 hPa 之間有深厚逆溫層，當高空出現逆溫層時，會阻礙空氣對流活動，進而使逆溫層像頂蓋一樣抑制污染物的湍流輸送［16］。各地上空逆溫層的高度在850 hPa 附近，逆溫層阻擋低層空氣的上升運動，不利于上下層空氣交換，抑制湍流混合，污染物垂直擴散能力降低，造成沙塵污染物聚集在850 hPa 以下，從而使浮塵天氣得以持續。

圖2 3 月22 日20 時河池站探空曲線

3 月22 日，上游地區浮塵向廣西境內輸送時段，廣西境內大部有3～4 級東北風，陣風可達5～6級，地面風速較大，較大的風速有利于上游地區沙塵源源不斷地向廣西境內輸送，形成浮塵天氣。23 日，冷空氣主體出海，進入北部灣，陸地上地面風速變小，經統計，23—24 日出現浮塵污染天氣的城市地面日平均風速大小在1.0～2.5 m·s-1之間，絕大多數在1.4 m·s-1以下，處于微風狀態。地面風速大小決定大氣擴散能力，地面風速越小，大氣水平擴散能力越弱，較小的風速，不利于沙塵顆粒物擴散，長時間滯留在原地，形成浮塵污染天氣。被降水濕去除或濕沉降對氣體和顆粒物都是最有效的大氣凈化機制［17］。降水有利于沙塵顆粒物的洗涮和濕清除，但這三天，出現浮塵污染天氣的城市降水量都是0 mm，無降水不利于浮塵稀釋、沉降和清除。

這次由西北地區高空輸送來的沙塵，在廣西境內形成大范圍長時間的浮塵污染天氣與由廣西本地污染源排放在氣象條件很差的情況下形成的污染天最大的不同，就是本地污染源排放產生的污染天氣，污染物主要集中在925 hPa 高度（大氣邊界層）以下，而這次高空輸送來的沙塵，到達850 hPa 高度，伸展高度高，近地面空氣中沙塵重力沉降到地面后，高層空氣中的沙塵又源源不斷地沉降補充到近地面空氣中，也是這次浮塵污染天氣長時間維持的重要原因。

3 結論

利用氣象探測資料、環境觀測資料和高空地面天氣圖，分析2021 年3 月22—24 日廣西境內近30 a來強度最強、范圍最廣的一次浮塵天氣過程的氣候背景、天氣形勢、傳輸過程和形成原因，得到以下幾點結論:

（1）受蒙古高壓、地面冷鋒和冷空氣大風的共同影響，此次浮塵天氣在廣西境內整體呈自北向南、從內陸到沿海移動趨勢，對廣西東部地區影響相對較小。

（2）HYSPLIT-4 后向軌跡模擬結果表明，此次浮塵天氣源于內蒙古西部阿拉善高原和甘肅北部河西走廊的沙塵遠距離輸送，沙塵粒子東移南壓，途經陜甘寧地區、華北南部、華中地區，向華南西部輸送，造成廣西境內大范圍長時間一次浮塵天氣過程。

（3）阿拉善高原和河西走廊地區富含沙塵源的下墊面為浮塵天氣的出現提供很好的物質條件；前期低層偏暖，不穩定的大氣層結，為浮塵天氣的出現提供良好的局地熱力條件；受較強的蒙古冷高壓東移南下影響，我國西北大部地區出現較強大風，為這次浮塵天氣的發生提供較好的動力條件。

（4）在連續浮塵天氣期間，廣西各地邊界層整層大氣穩定、大氣垂直湍流運動弱、溫度露點差較大、空氣干燥、地面風速較小、沒有降水，不利于沙塵粒子擴散、稀釋、沉降和清除，是浮塵天氣長時間維持的主要原因。