湖北一次沙塵天氣過程氣象條件研究

趙碧云　湛甜　岳巖裕　何歡

關鍵詞：沙塵；傳輸指數；后向軌跡；氣象條件

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A

前言

沙塵暴是全球性的重大環境問題，嚴重影響空氣質量、水資源利用和區域可持續發展。中國北方是沙塵暴多發區，針對北方沙塵暴天氣過程的研究較多。例如田松妮等通過數值模擬、遙感技術和統計分析相結合的手段評估了沙塵對中國北方生態環境帶來的危害和風險。翟亮等對北京地區兩類典型沙塵過程進行對比，探討不同天氣背景下沙塵的動力清除機制。劉洋等采用氣溶膠雷達數據和聚類分析方法對西北地區一次典型沙塵過程中氣溶膠垂直分布和來源進行了分析。

湖北省離沙源地較遠，沙塵天氣次數較少，但一旦遇到合適的氣象條件，北方沙塵遠距離輸入湖北省時，也可能造成嚴重空氣污染。2021年3月14-18日，受蒙古氣旋和地面冷鋒影響，中國遭遇了近10年來最強沙塵暴天氣，此次過程持續時間長、范圍廣，14日夜間開始影響中國北方地區，16-17日沙塵傳輸至湖北省，整個過程持續至18日結束。湖北省有10個地市出現輕度以上污染，其中位于中北部的十堰、襄陽、隨州、荊門等市部分時次達嚴重污染。文章結合環境和氣象觀測資料，對此次沙塵天氣過程進行分析，為以后沙塵天氣影響評估和空氣質量預報提供一定的參考。

1資料與方法

文章所用氣象觀測資料來源于各地國家級氣象觀測站，氣象要素主要包括水平風、降水等；PM₁₀濃度數據來源于中國環境監測總站公布的各地環保國控監測站；用于氣團傳輸軌跡計算的大氣再分析數據為NOAA提供的GDAS（Global Data Assimilation System）1°×1°逐3小時資料。

氣團的傳輸軌跡中包含了大量對污染天氣有指示意義的信息，通過對傳輸路徑上污染物濃度進行積分，可以得到一個表征污染物傳輸強度的指標。基于HYSPLIT模型，以GDAS數據作為氣象場進行后向軌跡模擬，逐小時計算一次研究站點后向氣流軌跡，以此來反映氣團的傳輸軌跡，根據氣流軌跡路徑結合路徑上的觀測實況值計算出的傳輸指數，可較為合理的表征傳輸強度。

2結果與分析

2.1本次沙塵天氣過程特點概述

2021年3月16-17日湖北省發生了一次大范圍沙塵天氣，本次沙塵天氣具有以下兩個特點：（1）波及范圍廣。3月16日上午開始，沙塵經河南傳輸至湖北省襄陽和隨州，隨后陸續傳輸至十堰、荊門、荊州、宜昌、孝感、武漢、鄂州、黃岡等地，湖北省有10個地市不同程度遭遇沙塵天氣影響。（2）強度為近10年最強。此次過程北方部分地區達到強沙塵暴級別，為近10年來中國出現的最強沙塵天氣過程。北方多地PM₁₀峰值濃度超過5000μg／m³。沙塵傳輸至湖北省時，PM₁₀濃度仍很高，襄陽、十堰、荊門、隨州、荊州等中北部城市PM_2.5峰值濃度超過600μg／m³，尤其是襄陽16日11時濃度達到1096μg／m³。沙塵天氣持續時間長，襄陽、十堰、荊門、荊州、隨州等地PMio達輕度污染以上分別持續了39 h、42 h、34 h、33 h和24 h。

此次沙塵傳輸影響過程，主要影響地區位于湖北省中北部十堰、襄陽、隨州、荊門等，恩施、咸寧、黃石等地市未受到沙塵影響。如圖1所示襄陽在16日08-09時開始受到沙塵影響，PM₁₀濃度從138μg／m³（08時）迅速上升至1096μg／m³（11時），荊門、荊州分別在14時和17時受到影響，輸送時間3～5 h。宜昌由于降水影響，17日03時才受到沙塵影響。隨州16日12時PM₁₀濃度升至410μg／m³，孝感、武漢分別于16日17時、22時開始受影響，輸送時間5h左右；到達武漢后強度明顯減弱，經歷10 h后，于17日09時到達鄂州和黃岡，影響時間偏晚，且僅維持了5h。

2.2沙塵天氣過程成因

此次沙塵暴天氣過程發生前，蒙古國及中國北方地區氣溫異常偏高、降水偏少，并且處于土壤逐漸解凍期，為沙塵天氣的發生提供了良好的沙源。3月15日08時500 hPa、700 hPa和850 hPa三層為一致的低壓中心，槽后有明顯冷平流，500 hPa槽后有40 m/s的大風區，700 hPa槽后有20～30 m/s的大風區。地面氣壓梯度非常強，高低中心氣壓差達到50 hPa以上（圖略）。蒙古氣旋快速發展并東移，大風卷揚起的沙塵隨上升氣流輸送到高空，并在高空和地面偏北大風引導下，影響了中國大范圍地區。15日沙塵隨鋒面影響中國西北地區中東部、內蒙古、華北、東北地區西部等地。16日沙塵經河南南陽盆地輸入湖北省，開始影響湖北北部襄陽市，并隨冷空氣進一步南下，逐漸影響湖北荊門、荊州等市；隨州市沙塵則從河南信陽輸入，并南下逐漸輸入到孝感、武漢、鄂州、黃岡。

2.3沙塵傳輸路徑軌跡

地形分布特征形成了湖北省境內大氣污染物輸送和遷移通道。丘陵以及平原為大氣污染物的積累提供了有利地形。根據湖北地形特征以及沙塵出現在各地的順序以及前文天氣形勢分析，此次沙塵輸送過程在湖北省內可劃分為兩個通道，如圖2所示，中部主通道經南陽盆地，進入襄陽，到達荊門、荊州，即位于鄂西山地和大洪山之間形成的通道；東部次要通道經過河南信陽進入隨州，傳輸到孝感、武漢、鄂州、黃岡，即位于桐柏山和大洪山形成的傳輸通道。沙塵通過這兩個輸送通道遷移，在湖北省形成嚴重污染。因本次冷空氣偏北大風有偏東分量，故湖北中部一線的輸入強度最大，污染最重。另外也因偏東分量存在，沙塵從南陽盆地輸入進鄂西山地的十堰地區，污染較重；而鄂東地區相對較輕。

以此次污染最為嚴重的襄陽（32.0°N、112.08°E）作為HYSPLIT模型后向軌跡模擬受點，模擬高度500 m，后向模擬時長48 h，在15日08時至19日07時期間逐小時模擬。選取襄陽污染最重的第一天白天（即16日08-20時）軌跡，如圖2所示，各條軌跡路徑比較一致，氣團來源清晰，主要是從蒙古國經內蒙古、華北、河南到達湖北省，從蒙古國到湖北省傳輸高度均較低，華北平原以南1000 m以下，內蒙古以北地區2000～3000 m，屬地面冷空氣大風傳輸。可見后向軌跡能很好的反應本次沙塵的傳輸情況。

2.4降水和風對沙塵的影響

16日，位于湖北上游的河南等地PM₁₀濃度仍然較高，湖北省僅西南部和中部地區有明顯降水，降水對沙塵的抑制作用需要考慮到其量級和發生時間；中東部地區16日白天平均風速4 m/s以上，沙塵輸入明顯。降水對PM₁₀濃度的影響主要體現在削峰清除作用，荊門和荊州表現最為顯著，如圖3所示，16日隨著沙塵持續輸入，荊門荊州PM₁₀逐漸達到峰值后，上游襄陽還維持較高濃度且偏北風仍然持續，但是此時降水的削峰清除作用使PM₁₀濃度出現下降，雨強0.2～2.5

mm/h持續9h，導致PM₁₀下降166～230μg／m³。降水停止后，荊門和荊州的PM₁₀濃度回升至520μg／m³左右。

沙塵隨著風向下游擴散，但相對于風速的增大，PM₁₀濃度的增長有一定的滯后性，如圖3所示，各地均表現為風速先增大一段時間后，PM₁₀濃度才開始上升。風對PM₁₀濃度的影響主要體現在輸入和清除兩方面，中部輸送通道的襄陽-荊門-荊州表現最為顯著。在風向都是偏北風的情況下，三地16日的達峰時間分別為：11、17、19時，因為荊州在達峰期間出現弱降水，使得荊門荊州達峰時間較接近，但三地總體呈現和地理位置一致的滯后，17日PM₁₀濃度開始下降時的清除作用也同樣表現出和地理位置一致的滯后。處于東部輸送通道的隨州一孝感一武漢也有類似表現。另外，宜昌不在中部主輸送通道上，風速整體偏小，污染開始發生時間偏晚，持續時間，強度偏弱；武漢位于東部次要輸送通道偏南地區，發生時間偏晚，持續時間短，強度偏弱；十堰在17日風速偏低，風對沙塵的清除作用減弱，其污染結束時間最晚。

2.5傳輸指數

將此次過程的后向軌跡以及實況PM₁₀濃度值帶入式（1）計算，可得出逐小時的傳輸指數。為了使計算得出的傳輸指數具有預報指示意義，同時對比各時段軌跡計算出的傳輸指數效果，將t1-t2分別取后向12～18 h、18～24 h、24～30 h、30～36 h、36～42 h、42～48 h的6種軌跡時段，即每6h一段。計算得出的各時段傳輸指數T如圖4所示，與PM₁₀實況相關系數分別為0.94、0.92、0.94、0.79、0.49、0.42，總體來說：構建的傳輸指數基本合理，越到臨近時段越能夠反應出輸送對受點的PM₁₀濃度變化的重要影響，距離開始時間越近，一致性越好；時間越長一致性越差，36～42 h、42～48 h兩個時段下降非常明顯，這可能與距離受點時間較長距離較遠有關，大氣長時間長距離傳輸，傳輸指數未考慮稀釋、擴散、沉降清除等效應。另一方面是后向時間較長時，氣團軌跡已經到達蒙古國，而PM₁₀實況數據僅有國內數據，在插值為網格數據計算時導致境外格點誤差太大，傳輸指數計算失真。如中國更南方地區48 h的軌跡路徑可能都在國內，預報指示效果將更好。所以在選擇后向軌跡時段計算傳輸指數時，要綜合考慮預報的提前量和軌跡途經地實況數據的可獲取性。

本次沙塵過程，源地較遠，蒙古國PM₁₀實況數據無法獲取，并且中國內蒙古地區監測站點較少，插值后數據準確性較低，為了能讓傳輸指數為預報提供明確的指示意義，襄陽選擇24～30 h時段可兼顧預報提前量和準確性，該時段內后向軌跡路徑大致在華北地區，環境監測站點多，計算出的傳輸指數準確可靠。在實際預報時，可將數值模式氣象預報場輸入HYSPLIT模型計算預測的氣團軌跡路徑，本次過程即能提前24 h較準確預報沙塵的輸入情況。

3結論

本次湖北省沙塵天氣受上游輸入影響，源地位于蒙古國，蒙古氣旋發展東移，在高空和地面偏北大風引導下，影響湖北省。本次過程在湖北省內可劃分為兩個輸送通道：中部主通道是襄陽-荊門-荊州一線，東部次要通道是隨州-孝感-武漢一線。此次冷空氣偏北大風有偏東分量，故湖北省中部地區輸入強度最大，污染最重。降水對沙塵的影響主要體現在削峰清除作用；風對沙塵的影響主要體現在輸入和清除兩方面，并且沙塵隨著風向下游擴散，相對于風速的增大，PM₁₀濃度的增長有一定的滯后性。建立的傳輸指數在本次沙塵過程中表現出較好預報指示意義，在以后的傳輸型污染預報中，可先進行天氣形勢診斷分析選擇最佳時段，再應用此方法獲得客觀參考依據。