2020年10月21—22日濟南一次沙塵天氣過程分析

徐 媛

32282部隊，山東濟南 250000

沙塵天氣是我國北方地區(qū)發(fā)生概率很高的一類災(zāi)害性天氣[1]。沙塵天氣的出現(xiàn)不僅會加劇土地荒漠化、影響空氣質(zhì)量，還會導(dǎo)致能見度急劇下降，影響交通運輸安全[2-3]。因此，沙塵天氣成為氣象學(xué)者們研究的重要課題。

近年來，我國許多學(xué)者對大風(fēng)沙塵天氣的成因、機理展開了諸多研究，得出了許多研究成果。例如：馬素艷等學(xué)者[4]分析了2011年5月11日內(nèi)蒙古地區(qū)一次強沙塵暴天氣過程，認(rèn)為此次強沙塵暴天氣是由冷渦、強鋒區(qū)、蒙古氣旋、冷鋒等天氣系統(tǒng)共同造成的。

閔月等[5]分析了2015年4月27日北疆沿天山一帶的沙塵暴天氣過程，認(rèn)為烏拉爾山低槽分裂短波槽與中緯度鋒區(qū)上中亞低槽匯合東移是沙塵暴發(fā)生的影響系統(tǒng)，地面冷鋒過境是沙塵暴出現(xiàn)的直接原因，水平風(fēng)速增大和局地上升運動的共同作用加大了空氣的擾動和流動，促進(jìn)了沙塵暴的產(chǎn)生。

姬菲菲等[6]從天氣學(xué)成因、動力機制等方面對2013年寧夏春季的一次大風(fēng)、沙塵天氣過程展開分析，發(fā)現(xiàn)該大風(fēng)沙塵天氣是受高壓脊前西北氣流影響，地面冷鋒和冷高壓移動過境所致的，而中高層的強冷平流也是影響此次大風(fēng)沙塵暴的重要因素之一。

寶樂爾[7]通過對阿拉善盟2019年春季一次風(fēng)沙天氣過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，此次天氣過程主要是700 hPa大氣斜壓性作用、500 hPa冷平流觸發(fā)作用、高空動量下傳作用、鋒生作用、變壓梯度等各方面因素共同造成的。

呂娜等[8]對河套地區(qū)一次強沙塵暴天氣進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，前低層輻合、高層輻散的垂直環(huán)流建立，上升與下沉垂直速度提高，且低層垂直速度中心值≥-28×10-3hPa/s，為大風(fēng)、沙塵天氣的發(fā)生提供了動力條件。

楊興華等[9]通過分析塔克拉瑪干沙漠腹地一次沙塵暴天氣過程大氣邊界層特征量發(fā)現(xiàn)沙塵暴過境前后大氣層結(jié)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，邊界層風(fēng)、溫、濕廓線均打破了原有分布規(guī)律，影響了大氣邊界層結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。

靳明宇等[10]通過對甘肅省金昌市2018年11月下旬出現(xiàn)的一次大風(fēng)沙塵天氣過程進(jìn)行分析得出結(jié)論：此次大風(fēng)沙塵是源于西西伯利亞的冷空氣東移南下造成的；金昌市前期干暖的氣候為沙塵天氣帶來了有利的環(huán)境因素和物質(zhì)因素；地面冷鋒前強烈抬升和鋒后強烈下沉作用明顯，促進(jìn)了此次大風(fēng)沙塵天氣的發(fā)生發(fā)展。

濟南市隸屬山東省，地處山東省中西部地區(qū)，地理坐標(biāo)處于116°11′～117°44′E，36°01′～37°32′N之間，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。濟南市沙塵天氣發(fā)生概率不高，但是受冷空氣影響，北風(fēng)風(fēng)力較大，有利于沙塵的傳輸，有的年份也會出現(xiàn)沙塵天氣，給人們生活、空氣質(zhì)量等方面均造成不良影響。

基于此，利用氣象探測資料對2020年10月21—22日濟南一次沙塵天氣過程進(jìn)行分析，旨在掌握沙塵天氣的天氣形勢和發(fā)生發(fā)展規(guī)律，這對進(jìn)一步提升濟南沙塵天氣的預(yù)報預(yù)警服務(wù)水平具有極大意義。

1 天氣概況

在濟南沙塵天氣發(fā)生之前，蒙古國中南部于10月20日暴發(fā)沙塵天氣，隨著大氣環(huán)流的發(fā)展，沙塵氣溶膠持續(xù)南下，影響我國北方大部分地區(qū)，21—22日，它們開始對山東省濟南市造成影響，促使當(dāng)?shù)匕l(fā)生沙塵天氣過程。通過對此次沙塵天氣期間顆粒物濃度變化情況進(jìn)行分析可知（圖1），21日13:00，濟南市沙塵天氣開始出現(xiàn)，PM10小時濃度值為320 μg/m3；22日19:00，濟南市PM10小時濃度值大幅下降，濃度值為143 μg/m3，此次沙塵天氣過程基本停止。PM10和PM2.5小時濃度變化趨勢相吻合。

圖1 2020年10月21—22日濟南沙塵天氣過程中PM10、PM2.5小時濃度變化特征

2 天氣形勢分析

通過對濟南市沙塵天氣過程中的天氣形勢資料進(jìn)行分析可知，2020年10月21日，濟南市500 hPa高空槽前西南氣流轉(zhuǎn)變成槽底偏西氣流，中低空700 hPa和850 hPa干槽過境，因為槽后強大下沉氣流的作用，21日上午地面冷鋒過境，這個時候近面北風(fēng)越來越大，隨著系統(tǒng)發(fā)展，源于蒙古國南部一帶的沙塵不斷朝著東部和南部發(fā)展，途經(jīng)區(qū)域PM10濃度值大幅升高。22日白天，受冷空氣的影響，沙塵持續(xù)傳輸沉降，促使?jié)鲜蠵M10濃度依然處于高水平狀態(tài)，隨著冷空氣主體不斷推進(jìn)，22日夜間濟南沙塵天氣過程基本停止。

3 后向軌跡模擬分析

結(jié)合HYSPLIT后向軌跡模型對此次沙塵天氣過程中不同氣團的發(fā)生發(fā)展規(guī)律進(jìn)行定性分析（圖2）。分析過程氣象資料源于GDAS數(shù)據(jù)庫。研究區(qū)域選擇濟南市開發(fā)區(qū)測站，高度選取3 000 m、1 500 m、500 m。具體模擬21日19:00的氣團后向軌跡，追蹤過去48 h的軌跡變化。通過模擬得出結(jié)論，不同高度氣團傳輸路徑基本相吻合，均沿西北路徑向濟南傳輸。其中，距離地面3 000 m的氣溶膠后向軌跡表明氣源于蒙古國4 000 m高度以上；蒙古國3 000 m高度的氣溶膠沿西北方向在傳輸期間垂直剖線在21日00:00顯著降低，濟南市此時高度為500 m。后向軌跡模擬不同高度的氣團傳輸路徑和實況天氣形勢大體上一致。

4 激光雷達(dá)退偏比垂直分布

通過激光雷達(dá)能夠了解到顆粒物的退偏振比和消光系數(shù)的光學(xué)特性。通過對濟南市此次天氣期間退偏振比和消光系數(shù)的時空分布特征進(jìn)行分析可知（圖3），2020年10月21日03:00～06:00，本地區(qū)高空退偏比顯著增加，沙塵由高空進(jìn)入山東濟南地區(qū)，有一顯著的沙塵帶處于500～3 500 m之間；而近地面消光系數(shù)值和退偏比都很低，這意味著本時間段沙塵主要屬于高空傳輸，沉降并不顯著。21日06:00～12:00，近地面1 000 m以下，消光系數(shù)急劇升高。100 m高度位置，退偏比較低，最大消光系數(shù)為0.94 km-1，PM10與PM2.5濃度大幅提升，這是因為冷空氣前鋒，南北風(fēng)轉(zhuǎn)向期間呈靜穩(wěn)特點，擴散條件差，沙塵天氣過程大氣污染物濃度攀升。

圖3 此次天氣期間退偏振比和消光系數(shù)的時空分布特征

由于冷空氣不斷發(fā)展，從10月21日12:00開始，近地面到高空2 000 m位置消光系數(shù)不斷降低，退偏比急劇升高，氣溶膠非球形特點越來越強，顆粒物主要屬于粗粒子污染。至10月22日21:00，沙塵氣溶膠聚集2 500 m以下區(qū)域。10月22日21:00開始，大氣退偏比不斷變小，大氣中粗離子占比也隨之下降，此次沙塵天氣過程基本停止。

5 PM2.5化學(xué)組分變化特征

5.1 碳質(zhì)組分污染特征分析

在此次沙塵天氣過程中，ρ（EC）的平均值為1.89 μg/m3，占ρ（PM2.5）的4.8%，ρ（OC）的平均值為4.71 μg/m3，占ρ（PM2.5）的12.1%。ρ（EC）小于ρ（OC），這意味著濟南PM2.5中碳質(zhì)氣溶膠EC化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，其主要為OC，OC較活潑，它的成分中不但包括污染源直排的POC，而且包括SOC。

通過分析此次天氣過程中OC與EC散點圖、相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，此次天氣過程中OC與EC具備很高的相關(guān)性（R2=0.53，P＜0.01），這意味著它們的污染源一致。由大氣中OC/EC 比值分析碳質(zhì)組分的排放和轉(zhuǎn)化特點可知，在沙塵天氣過程中，濟南市OC/EC為2.5，意味著沙塵天氣發(fā)生過程存在一些SOC，這主要是沙塵天氣過境時造成的低溫低濕環(huán)境造成的。

5.2 水溶性離子污染特征分析

通過分析此次濟南沙塵天氣過程中PM2.5中水溶性的離子特點發(fā)現(xiàn)，在本次沙塵天氣發(fā)生之前（21日00:00～12:00），本地區(qū)PM2.5中水溶性離子主要包括SO42-、NH4+以及NO3-，其平均質(zhì)量濃度值分別為6.75、13.38、32.67 μg/m3，這說明許多氣態(tài)污染物的二次化學(xué)轉(zhuǎn)化的作用較大；隨著沙塵天氣的出現(xiàn)（21日13:00～14:00），這3種水溶性離子顯著降低，但是Ca2+、Mg2+急劇增加，這意味著沙塵天氣過程一次污染源的作用較大。

6 結(jié)論

（1）此次出現(xiàn)在濟南的沙塵天氣是由蒙古國中南部沙塵氣溶膠持續(xù)南下造成的。濟南市沙塵天氣出現(xiàn)時的PM10小時濃度值為320 μg/m3，隨著PM10小時濃度值大幅下降，此次沙塵天氣也隨之結(jié)束。

（2）此次沙塵天氣發(fā)生的主要影響系統(tǒng)是冷鋒，地面冷鋒過境，源于蒙古國南部一帶的沙塵不斷朝著東部以及南部發(fā)展，途經(jīng)區(qū)域PM10濃度值大幅升高。由后向軌跡模式進(jìn)行分析獲悉，此次沙塵天氣期間傳輸通道以西北路為主，并且后向軌跡模擬不同高度的氣團傳輸路徑和實況天氣形勢大體上一致。

（3）在此次沙塵天氣發(fā)生之前，濟南高空退偏比顯著增加，有一顯著的沙塵帶處于500～3 500 m之間；而近地面消光系數(shù)值和退偏比都很低；沙塵發(fā)生時，近地面到高空2 000 m位置消光系數(shù)不斷降低，退偏比急劇升高，氣溶膠非球形特點越來越強，顆粒物主要屬于粗粒子污染。

（4）在本次沙塵天氣發(fā)生之前，2次化學(xué)轉(zhuǎn)化的作用較大；沙塵天氣出現(xiàn)期間一次污染源的作用較大。