蘭州市一次持續重污染過程的氣象條件分析

葉燕華,張 寧*,王基鑫,甘澤文,田祎楠

蘭州市一次持續重污染過程的氣象條件分析

葉燕華1,張 寧1*,王基鑫2,甘澤文1,田祎楠1

(1.蘭州市氣象局,甘肅 蘭州 730020；2.蘭州中心氣象臺,甘肅 蘭州 730020)

利用常規氣象觀測資料、PM10濃度資料及ERA-5再分析資料,對2021年3月14～21日蘭州地區一次持續性重污染過程進行分析,結果表明:此次蘭州重污染過程主要污染物為PM10,主要來源是輸入性沙塵,上游甘肅河西西部、內蒙古西部及蒙古中部在13日傍晚到夜間、14～15日及19日清晨有3個起沙過程;連續3次沙塵輸入以及本地沉降緩慢是重污染過程持續時間長的主要原因.沙塵的輸送路徑主要是河套-寧夏-蘭州及阿拉善-寧夏南部-蘭州;輸送高度主要在1.5～3km.上游白銀、中衛的地面風速增大可以預報蘭州市沙塵天氣的減弱,下沉對流能的突變可以預報蘭州市PM10濃度的增加,混合層厚度大值中心的位置和移動方向可以指示沙塵輸送的方向.

重污染過程；持續性沙塵天氣；沙塵輸送；混合層厚度；穩定度指數

蘭州市是西北地區重要的城市之一,是工業基地和綜合交通樞紐、絲綢之路經濟帶的核心節點城市,作為甘肅省的省會城市,蘭州市的大氣環境問題歷來受到重視.隨著近年來,城市建設的高速發展以及藍天工程的逐步推進,生態環境服務的需求逐漸增長,預報質量要求逐漸提高.蘭州市較重的空氣污染主要出現在11月～次年4月,春季的沙塵天氣對空氣污染有重要影響[1-2].蘭州市距沙塵天氣易發區相對較近,其西北方向的巴丹吉林沙漠、北方的騰格里沙漠、東北方向的烏蘭布和沙漠、庫布比沙漠及毛烏素沙地等均可能成為沙塵粒子的來源[3-5],沙塵輸送路徑及在本地的堆積過程是日常沙塵天氣預報中的難點.

目前,針對我國沙塵天氣氣候規律的統計研究較為廣泛[6-8],這些研究為預報員準確預報沙塵天氣提供了有利的背景知識.同時,對典型沙塵暴天氣過程的天氣學和動力學以及物理量特征分析方面的研究有很多[9-14],為預報員認識和預報沙塵天氣積累了寶貴的經驗.在實際業務預報實踐中,預報員通過分析氣候背景特征,前期降水情況,地表熱力狀況以及短期內天氣的影響系統,結合沙塵數值預報產品和個人預報經驗能夠較為準確地預報沙源區出現的沙塵天氣[14-15].而對遠離沙源區的由遠距離輸送引起的沙塵天氣,預報難度很大,預報準確率較低[16-17].雖然業務沙塵模式提供了沙塵濃度的預報結果[18],但由于高原地形以及數值模式本身的局限性,對蘭州地區沙塵天氣預報的指導作用有限.近年來有關沙塵粒子及沙塵氣溶膠的輸送特性研究也有很多[19-22],沙塵在輸送過程中被抬升到自由對流層,沙塵粒子主要靠對流層低層的大風長距離地輸送,輸送到內蒙古、甘肅地區時沙塵主要分布在2.5～3km高度.這些研究對北方沙塵天氣的沙塵粒子輸送特征有了較清楚的描述,但主要關注點為大范圍的、定性的研究;對于蘭州市的沙塵天氣預報而言,上述研究缺乏足夠的定量指標.

2021年3月14～21日,蘭州市出現了持續7d的沙塵天氣,有38h達到沙塵暴,空氣污染等級達重度污染,此次沙塵天氣過程持續時間之長、沙塵濃度之大是近年所罕見的.預報員對沙塵天氣的起止時間預報較實況偏差較大,對冷空氣和降水天氣對空氣污染物沉降的影響預計過于樂觀.為了更好地認識蘭州春季持續性沙塵天氣,更準確地制作空氣污染氣象條件預報,有必要對本次過程作進一步分析研究.本文采用常規氣象觀測資料、蘭州市逐小時污染物濃度資料及ERA-5逐6h再分析資料,尋找預報蘭州沙塵的關鍵區;利用預報員容易獲得的一些物理量,分析可用的、定量化指標,以期對今后蘭州市的沙塵天氣預報和空氣污染氣象條件預報有所助益.

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文所用氣象觀測數據來自氣象大數據云平臺“天擎”,為2021年3月13～22日常規地面和探空觀測資料,以及歐洲中期天氣預報中心(ECMWF) ERA-5逐6h 1°′1°地表感熱通量、高空溫度場和風場分析資料.同期污染物濃度觀測資料來自蘭州市環境監測站,其數據為主城區5個國家環境空氣質量自動監測站觀測濃度平均值.常規地面氣象和污染物濃度觀測資料時間分辨率為1h,氣象探空觀測資料時間分辨率為12h;為便于分析,本文中所用時間均為北京時(BTC).

1.2 數據處理與方法

由于目前常規地面觀測中天氣現象的觀測判識為自動判識,本次過程中許多地面天氣現象為霾,不便于進行統一分析;因此,本文對本次沙塵的天氣現象統一使用能見度與環境監測站的PM10值相結合的判識方法,能見度低于10km同時PM10濃度大于150μg/m3的站點被判定為有浮塵.

本文對冷空氣活動的分析方法為天氣學形勢分析方法,對文中物理量通過計算相關系數來分析其與污染物濃度及地面能見度的關系.

2 結果與分析

2.1 觀測實況及大尺度天氣背景

2.1.1 蘭州市污染物濃度與能見度變化 3月14日凌晨2:00,蘭州市污染濃度迅速上升,同時地面最低能見度從14.0km驟減為3.9km;凌晨04:00～06:00 PM10濃度達到峰值,同時蘭州城區最小能見度為2.5～2.6km,此后PM10濃度緩慢降低,能見度逐漸轉好,14日08:00～20:00為5～6km.14日21:00～15日23:00,PM10濃度基本為中度污染,蘭州能見度7～9km,維持弱浮塵天氣.16日00:00開始,上游沙塵抵達本地,PM10濃度從238μg/m3驟升至1651μg/m3并在16日04:00達到峰值3950μg/m3.能見度由7.5km降至0.77km,達到沙塵暴,最小能見度出現在16日10:00,為537m.蘭州PM10濃度直到17日11:00一直維持3000μg/m3以上,17日13:00～19:00,PM10濃度明顯減小,在1500μg/m3左右,但能見度仍不足2km,浮塵天氣持續.17日20:00～19日凌晨05:00,空氣質量維持重污染,19日清晨06:00起,蘭州出現降水,PM10濃度迅速減小,但中午降水趨于結束時PM10濃度又開始升高,直至20日凌晨PM10濃度才開始緩慢下降,但蘭州能見度仍不足10km,浮塵天氣持續至21日01:00;同時空氣質量轉為輕度污染.

從圖1可以看出,蘭州市區PM2.5與PM10濃度變化十分一致,只是濃度值比PM10小很多.從PM2.5與PM10濃度比值來看,13日白天到夜間,PM2.5與PM10濃度比接近1:2;隨著上游沙塵進入蘭州,PM2.5占比迅速減小,14～15日基本在0.3左右;16日凌晨沙塵再次來襲,PM2.5占比繼續下降至不足0.2;PM2.5與PM10濃度比的變化正好與濃度值變化相反.據此,本文把此次蘭州沙塵天氣過程劃分為3個階段:14日2:00至15日23:00(S1階段);16日0:00～19日11:00(S2階段);19日12:00～21日1:00(S3階段).其中在17日午后地面風速增大,加速沙塵擴散;19日清晨至中午有降水,但仍未能徹底清除浮塵.

2.1.2 天氣影響系統 在重污染過程中,有多次冷空氣活動過程,本文將其分為三個階段(S1～S3).

S1階段的主要影響系統為短波槽系統,13日20:00張掖以東為暖脊,酒泉到張掖風速與等溫線交角較大(圖2a); 700hPa酒泉西北風均在16m/s以上,張掖東部到武威等溫線密集,短波槽位于內蒙西部到武威一線(圖2b);此系統斜壓性較強,東移南壓速度快,到14日08:00已基本移出甘肅省.地面天氣系統主要是內蒙西部到甘肅中部的熱低壓,13日傍晚到夜間甘肅河西及青海北部地面增壓,導致河西中東部鋒生,地面風速增大(圖2c).

圖1 蘭州市區2021年3月13～21日逐小時平均PM2.5和PM10濃度演變

圖2 2021年3月13、14、19日環流形勢

陰影區為主要冷平流區域

S2階段:14～15日500hPa西伯利亞高空槽加深發展東移,引導冷空氣南下,500hPa冷渦中心516dagpm,貝加爾湖南部的冷中心低于-36℃(圖2d);同時巴爾喀什湖以西又有低槽發展,冷空氣補充東移南下,造成蒙古南部到河西北部鋒區維持(圖2e).16～17日上午,河西中部以東主要為偏西氣流,青海有波動東移, 17日下午河西有弱冷空氣東移.到19日清晨,高原槽東移,同時新疆東部有冷槽,冷空氣前鋒與暖濕氣流在內蒙西部到甘肅中部一帶交匯,造成降水.從地面天氣系統演變來看,14日午后地面冷鋒南壓迅速,從14日夜間至15日,冷鋒東北段東移,但西段受高原阻擋,在河西西部維持時間較長.地面冷高壓和熱低壓均在14日傍晚到夜間發展到最強,冷高壓中心為1045hPa,低壓中心980hPa,兩者相距20個經距,約1500km(圖2f),在冷高壓前部,氣壓梯度達6.7Pa/km.地面冷高壓于15日白天開始減弱,到20:00,冷高壓中心為1030hPa,最大氣壓梯度3.6Pa/km.在地面系統最強時段,最大風區域主要在蒙古,甘肅省沙塵以外來輸入性為主.

S3階段:新疆東部冷槽東移,槽前冷平流較強,700hPa河西及內蒙西部西北風較大,有冷平流;地面冷鋒位于陜西西北部至隴東、祁連山東部,鋒后內蒙西部到甘肅河西氣壓梯度較大,內蒙西部及甘肅民勤附近出現揚沙或沙塵暴(圖2g～i).

2.1.3 大氣熱力狀況演變 大風沙塵暴天氣發生的原因除與前期氣候條件、大型冷暖空氣強度及環流形勢有關外,主要還與近地層空氣熱力穩定性及其日變化有關.有研究表明近地層感熱對沙漠地區沙塵暴的產生和加強起著重要作用[19],感熱加熱邊界層大氣,增加大氣的不穩定性,并影響鋒生的強度及鋒生環流.所以,分別分析河西西部(38.2°～43°N、92.4°～100°E)、內蒙西部(37.3°～43°N、100°～110°E)及蒙古國中部(43°～50°N、98°～110°E)的高空溫度平流以及地表感熱通量變化(圖3),分析上游大氣熱力狀況的變化,進而分析近地層主要的物質交換時間和地點.

圖3 2021年3月13～22日河西西部、內蒙西部及蒙古國中部平均溫度平流和感熱通量變化

S1階段,13日下午內蒙西部及河西西部的感熱通量明顯大于蒙古中部,同時河西西部500～ 700hPa都有冷平流,說明此時大氣最不穩定區域主要位于河西西部,與之對應的沙塵天氣區域主要在河西地區.S2階段,14日午后,蒙古地區的感熱通量明顯增加,為三個地區之冠,高空冷平流也最強;15日午后河西及內蒙西部感熱通量明顯增加,超過了蒙古中部,但高空冷平流是河西西部最強,總體不穩定能量比14日午后蒙古地區差.S3階段, 19日午后,感熱通量明顯增加主要在河西西部,其次為內蒙西部,與之對應時段的較強冷平流是在內蒙西部,所以內蒙西部和民勤是主要的起沙地區.

2.2 沙塵輸送特征

從前文的分析可知,本次天氣過程以S2階段的沙塵輸送為主,在3月14～16日沙塵天氣出現時間(圖4)可以看出,蘭州此次沙塵天氣過程的輸送路徑主要是東北-西南走向.因此,對沙塵的上游輸送條件重點分析河西東部、內蒙古阿拉善地區及寧夏沿黃河地區.那么,氣象要素的演變是否能夠揭示沙塵粒子的輸送過程？下面就對本地及上游的一些氣象要素進行深入分析.

2.2.1 能見度與地面風速 從蘭州及東北方向上游幾個站的能見度演變可以看出(圖5),這幾個站均有兩次能見度驟降過程,在13日夜間、15日白天到夜間以及19日清晨.13日夜間中衛出現沙塵時間比景泰、皋蘭早4h ,比白銀早5h,比蘭州早6h,靖遠沒有出現浮塵.15日沙塵最早到達中衛,其后依次為景泰、靖遠、皋蘭、白銀、蘭州;中衛出現沙塵時間比景泰早1h,9h后靖遠、10h后皋蘭、11h后白銀出現沙塵,蘭州市一直維持浮塵天氣,能見度驟降、出現沙塵暴時間比中衛晚15h.17日中午和18日夜間,景泰和靖遠有明顯的沙塵減弱時段,對應的地面風速靖遠17日9:00是0.7m/s,17日10:00～13:00增加到2.1～3.6m/s;18日下午由0.6m/s增加到2.0～5.1m/s;景泰17日的地面風速變化與最小能見度變化對應不明顯;18日夜間地面風速變化與最小能見度變化對應有1～2h的提前量.

圖4 2021年3月14～16日地面沙塵天氣出現時間

圖5 2021年3月13～21日地面最低能見度對比

從表1中還可以看出,白銀和景泰的地面風速對其本地能見度有一定的預報意義.另外,中衛和景泰的地面風速與蘭州下一小時能見度的相關系數分別為0.478和0.386,即中衛和景泰的地面風速增大可以預報蘭州市沙塵天氣的減弱.

表1 地面風速與最小能見度相關系數

2.2.2 輸送路徑上的混合層分析 混合層是在地面行星邊界層中形成的中性層結,在沙塵暴發生時,往往伴隨深厚的等熵混合層[23].通過研究混合層厚度變化及其平流過程,可以追蹤沙塵天氣的輸送路徑和定位沉降地[16].本文根據Anthes等[24]定義的混合層計算方法,求取近似等熵的等熵混合層厚度,即從地面向上計算到500hPa,且取第一個?υ/?z<1.5K/km的厚度層.

從圖6中可以看出,15日上午在內蒙西部及河套地區有混合層厚度大值中心,這兩個大值中心在15日白天主要向南移動,受到地形和高空風的影響,河套的中心南壓迅速;由于張掖中層有偏南風,內蒙西部的中心移動緩慢,且受祁連山的阻擋而有所增厚.值得注意的是15日甘肅中東部的700hPa均維持較強的偏南風(14m/s),與之相對應,蘭州附近混合層高度也大約在700hPa,這可能是蘭州沙塵暴出現時間比寧夏南部晚15h的原因之一.到15日夜間,蘭州混合層高度接近2km,對應高度上的風向轉為偏西,且風速減小至6m/s,沙塵開始沉降,本地迅速出現沙塵暴.

圖6 2021年3月15日混合層厚度演變和700hPa風場

箭頭所指為厚度中心移動方向,陰影為地面能見度

圖7 混合層厚度演變(站點-時間剖面)

通過混合層厚度大值中心及其演變分析可以看出,此次沙塵天氣輸送高度主要在地表以上1.5～3km,這與鄭有飛等[20]、王寧等[22]的研究結果較為一致.

為了進一步研究本地的沙塵輸送路徑,對沿河套-寧夏-蘭州(東路)、內蒙西部阿拉善地區-民勤-蘭州(中路)及河西走廊(西路)一帶的混合層厚度時空演變作對比分析(圖7).可以看出,S1階段輸送過程主要在沿河套-寧夏及阿拉善地區-民勤一線,即東路和中路;S2階段的輸送過程主要在東路,中路和西路的混合層厚度中心與本地不相連;S3階段的輸送過程主要在西路和中路.

2.3 沙塵持續成因分析

此次沙塵天氣過程的持續時間很長,即使有17日午后、19日清晨兩次冷空氣過程,蘭州市仍維持重污染.17日無降水,地面風速增大對沙塵粒子濃度減小有一定作用.19日清晨有降水,降水區主要在河西東部以東,但降水時間較短,總降水量不大.19日清晨在內蒙西部有揚沙和沙塵暴,導致蘭州市降水過后能見度迅速減小,沙塵天氣維持.

由于混合層高度越低,越不利于污染物在垂直方向的擴散,所以混合層厚度在沙源區與沉降區對沙塵天氣的指示意義不同.但在本次過程中,本地的混合層厚度與本地最小能見度的總體相關系數為-0.715;說明本地混合層厚度用于沙塵天氣的預報需根據天氣過程的不同階段而判斷.在S1階段,本地的混合層厚度較小,15日8:00～20:00混合層厚度有所增大,說明垂直擴散能力增強,本地PM10濃度下降.S2階段前期為沙塵輸入期,此時本地混合層厚度大;17日混合層厚度明顯減小,所以雖然水平擴散能力增大,但垂直擴散能力變差,對沙塵粒子的清除作用有限;18日20:00至19日混合層厚度增大,本地垂直擴散能力增強但同時又有沙塵輸入,與降水作用疊加,19日上午PM10濃度急速下降至中度污染等級.S3階段,19日夜間混合層厚度迅速減小,本地擴散能力較差,至21日混合層厚度開始增大,PM10濃度下降至輕度污染,本地浮塵天氣結束.

前人的研究表明中低層基本處于中性或弱不穩定層結時[1,23,25]不利于沉降過程,所以本文主要研究本地的穩定度指標及不穩定能量指標.簡便起見,本文采用MICAPS系統計算的干暖蓋指數(s)和600hPa起始下沉對流能.干暖蓋指數(s)表示為逆溫層頂的飽和濕球位溫最大值與地面至500hPa氣層的濕球位溫平均值的差值.s越大表示干暖蓋愈強,儲存的大氣不穩定能量越大.600hPa起始下沉對流能(DCape600)為對流云體中(從600hPa起始計算)下沉氣流到達地面時可能具有的最大動能,即環境負浮力對氣塊做功所產生的動能. 從本地兩種指標演變來看(圖8),干暖蓋指數對于本次沙塵過程的變化有一定指示意義,大于-20℃時沙塵濃度開始迅速減小,其與本地最小能見度的相關系數可達0.621;下沉對流能的突變可以預報蘭州市PM10濃度的增加,能夠提前12h左右.

圖8 2021年3月13～21日蘭州市本地物理量變化

本文從環流形勢、沙源地熱力狀況、混合層高度的變化及本地穩定度等方面對于此次蘭州市重污染過程的氣象條件進行了分析,但主要集中在沙塵輸送方面,對沙塵粒子的沉降過程還有待進一步研究.用混合層高度來表征沙塵輸送高度還比較片面,需用其他觀測方式予以佐證;另外,沙塵輸送路徑僅限于本次過程,這些均有待于今后作進一步的驗證.

3 結論

3.1 此次蘭州市重污染過程主要有3個階段:14日凌晨～15日夜間;16日凌晨～19日上午;19日中午～21日;首要污染物為PM10.這三個階段的沙源地和起沙機制有所不同.

3.2 通過本次重污染過程的沙塵主要有兩條傳輸路徑:河套-寧夏-蘭州及阿拉善-寧夏南部-蘭州;沙塵的輸送高度主要在1.5～3km.

3.3 上游中衛和景泰的地面風速、蘭州本地的下沉對流能和干暖蓋指數等因子均可以用于對蘭州市的沙塵天氣發生及PM10沉降的預報.

3.4 連續三次沙塵輸入過程以及本地沙塵沉降過程緩慢是導致重污染過程持續時間較長的主要原因.

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Analysis of meteorological conditions of a continuous heavy pollution process affecting Lanzhou.

YE Yan-hua1, ZHANG Ning1*, WANG Ji-xin2, GAN Ze-wen1, TIAN Yi-nan1

(1.Lanzhou Meteorological Bureau, Lanzhou 730020, China；2.Lanzhou Central Meteorological Observatory, Lanzhou 730020, China)., 2023,43(12)：6281～6289

Based on the analysis of a persistent heavy pollution process in Lanzhou from March 14 to 21 in 2021, several conclusions were drawn that the main pollutant was PM10, and the main source was imported dust, there were three sand-releasing processes in the west of Hexi, the west of Inner Mongolia and the middle of Mongolia. The main reasons for the long and heavy pollution process was that the dust continuous input and slowly settled. The main transport routes were Hetao-Ningxia-Lanzhou and Alxa-Southern Ningxia-Lanzhou. The height of dust transport was mainly 1.5～3km. The location and moving direction of the upper surface wind speed, the great value of mixed layer thickness and the local dry and warm index could help to predict dust weather in Lanzhou.

heavy pollution process；persistent dust weather；dust transport；mixed layer thickness；stability Index

X513

A

1000-6923(2023)12-6281-09

葉燕華,張 寧,王基鑫,等.蘭州市一次持續重污染過程的氣象條件分析 [J]. 中國環境科學, 2023,43(12):6281-6289.

Ye Y H, Zhang N, Wang J X, et al. Analysis of meteorological conditions of a continuous heavy pollution process affecting Lanzhou [J]. China Envirenmental Science, 2023,43(12):6281-6289.

2023-04-26

甘肅省青年科技基金資助項目(22JR5RA1061)

* 責任作者, 高級工程師, 395998248@qq.com

感謝蘭州市環境監測站提供空氣污染物濃度監測數據,歐洲中期天氣預報中心提供的ERA5再分析數據.

葉燕華(1972-),女,福建南安人,高級工程師,主要從事短期天氣預報工作和大氣環境研究.發表論文7篇.65376963@qq.com.