2021年寧夏兩次持續(xù)沙塵重污染天氣對(duì)比分析

雍 佳，王建英*，田林鋒，張肅詔，龔曉麗，顧馭程，嚴(yán)曉瑜

1. 中國(guó)氣象局，旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002

2. 寧夏氣象服務(wù)中心，寧夏 銀川 750002

3. 寧夏生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，寧夏 銀川 750002

4. 寧夏氣象臺(tái)，寧夏 銀川 750002

沙塵天氣是風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中，或被高空氣流帶到下游地區(qū)而導(dǎo)致空氣混濁、能見(jiàn)度下降的天氣現(xiàn)象. 沙塵天氣發(fā)生時(shí)，可吸入顆粒物(PM10)濃度會(huì)顯著上升[1-3]，我國(guó)北方的干旱、半干旱地區(qū)是沙塵天氣的易發(fā)區(qū)，尤其是西北地區(qū)為沙塵暴多發(fā)區(qū)[4]，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量[5]、人類生產(chǎn)活動(dòng)[6-7]、交通安全[8]產(chǎn)生較大影響，一直是學(xué)者們的關(guān)注重點(diǎn)[9].許多學(xué)者從大氣環(huán)流、數(shù)值模擬、時(shí)空演變特征等方面分析了沙塵天氣成因及其對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響.Gu等[10]分析了中國(guó)不同地區(qū)強(qiáng)沙塵暴形成前、發(fā)展期間及消散后的天氣條件和觸發(fā)機(jī)制；Bao等[11]研究了中國(guó)北方沙塵暴天氣的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)春季沙塵暴發(fā)率最高；李玲萍等[12]研究了河西走廊3次不同強(qiáng)度沙塵暴天氣的高低層水平螺旋度和垂直速度，表明低空風(fēng)速越大則沙塵暴越強(qiáng)，高(低)層正(負(fù))水平螺旋中心值越大，下游沙塵暴強(qiáng)度越強(qiáng)；李巖瑛等[13]利用500 hPa水平螺旋度探究了中國(guó)北方沙塵暴的強(qiáng)度和范圍，表明螺旋度負(fù)值中心與下游沙塵暴發(fā)生區(qū)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，螺旋度負(fù)值中心值越大，輻合上升運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)沙塵暴的強(qiáng)度就越強(qiáng). 也有學(xué)者在沙塵產(chǎn)生機(jī)制及傳輸路徑方面開展了研究，如Tan等[14]分析發(fā)現(xiàn)沙塵大顆粒物可以通過(guò)氣流輸送實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域傳遞；吳麗萍等[15]利用后向軌跡模式分析了淄博市沙塵天氣傳輸路徑，發(fā)現(xiàn)除受西北方向沙塵傳輸氣流影響外，局地盤旋的本地氣流也增加了污染物的累積.

寧夏回族自治區(qū)地處我國(guó)西北地區(qū)東部，西、北、東三面受騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠以及毛烏素沙漠包圍，氣候干旱少雨，是我國(guó)沙塵暴的多發(fā)區(qū)[16]，許多學(xué)者開展了寧夏沙塵污染天氣成因分析. 陳豫英等[17]對(duì)寧夏2013年兩次大風(fēng)強(qiáng)沙塵天氣過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)和高低空急流的耦合作用進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)高層高位渦和低層850 hPa低空急流在寧夏上空活動(dòng)與否，是導(dǎo)致寧夏出現(xiàn)不同強(qiáng)度風(fēng)沙天氣的重要?jiǎng)恿σ蛩兀粍Ⅸi兵等[18]對(duì)寧夏地區(qū)一次大風(fēng)沙塵天氣研究發(fā)現(xiàn)，新疆到蒙古國(guó)一帶是沙塵過(guò)程冷空氣的直接發(fā)源地，地面冷鋒是其主要影響系統(tǒng)；嚴(yán)曉瑜等[19]基于后向軌跡模式分析了銀川市四季PM10氣流軌跡特征，發(fā)現(xiàn)四季西北方向路徑對(duì)應(yīng)的PM10平均濃度均較高，是影響銀川市顆粒物濃度最重要的輸送路徑.

目前，多數(shù)學(xué)者從天氣影響系統(tǒng)及傳輸路徑等方面對(duì)寧夏沙塵及其造成的污染天氣進(jìn)行了分析和總結(jié)，但缺乏綜合性分析研究. 為探究氣象條件變化對(duì)寧夏沙塵重污染天氣過(guò)程影響特征，該研究選取2021年1月11-14日和2021年3月14-19日寧夏回族自治區(qū)兩次持續(xù)沙塵重污染天氣過(guò)程為研究對(duì)象，基于常規(guī)氣象觀測(cè)資料、NCEP再分析資料及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，結(jié)合后向軌跡模擬及物理量場(chǎng)診斷方法，對(duì)比分析了兩次過(guò)程首要污染物濃度演變特征、天氣系統(tǒng)配置、物理量場(chǎng)特征及輸送路徑，揭示了其重污染天氣形成和維持機(jī)制，以期為提高寧夏沙塵重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警水平提供技術(shù)支撐和參考依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究所用氣象資料包括：①NCEP/NCAR提供的FNL再分析資料，分辨率為1°×1°，觀測(cè)時(shí)次為每日00:00、06:00、12:00和18:00 (UTC，世界時(shí))，包括風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)、地面氣壓場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)；②后向軌跡模式使用NCEP提供的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù)，分辨率為1°×1°；③逐小時(shí)常規(guī)氣象觀測(cè)資料來(lái)源于氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái).

所用環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)包括2021年1-3月逐小時(shí)和逐日PM10濃度、AQI及首要污染物資料，來(lái)源于寧夏回族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，空氣質(zhì)量級(jí)別及污染物濃度限值參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012).

1.2 研究方法

診斷此次沙塵重污染天氣過(guò)程應(yīng)用的物理量為水平螺旋度和垂直速度，其中，水平螺旋度是表征大氣邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特征物理量，低層負(fù)值螺旋度越大，表明近地面層風(fēng)速越大，西風(fēng)越強(qiáng)，越容易起沙，且輻合上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，沙塵暴發(fā)生的可能性越大，強(qiáng)度越強(qiáng)[20]；垂直速度用來(lái)分析首要污染物的擴(kuò)散及沉降，其風(fēng)速和風(fēng)向變化對(duì)大氣污染物擴(kuò)散及沉降影響較大，對(duì)重污染過(guò)程污染程度和持續(xù)時(shí)間也起到了關(guān)鍵作用[21-22].

利用后向軌跡模式分析污染物來(lái)源及輸送路徑，后向軌跡模式是一種具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過(guò)程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)散、沉降的綜合模式系統(tǒng)[23-24]，其中歐氏距離聚類算法能夠?qū)鈭F(tuán)移動(dòng)速度及輸送軌跡相似的污染氣團(tuán)聚為一類，得到污染物來(lái)源和傳輸路徑[3]. 在該研究中，兩次重污染天氣后向軌跡聚類分析計(jì)算時(shí)間為24 h，軌跡計(jì)算起始高度選取能夠較為準(zhǔn)確地反映邊界層平均流層特征的相對(duì)地面高度500 m[25]，并取PM10濃度日均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值限值(150 μg/m3)作為判斷污染軌跡的標(biāo)準(zhǔn).

2 結(jié)果與討論

2.1 兩次重污染天氣污染特征

2021年1月11-14日寧夏出現(xiàn)了2021年首次大范圍強(qiáng)沙塵(簡(jiǎn)稱“0113”過(guò)程)，是2002年以來(lái)出現(xiàn)時(shí)間最早的一次沙塵天氣，造成了嚴(yán)重空氣污染.依據(jù)PM10小時(shí)濃度數(shù)據(jù)和HJ 633-2012五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(350 μg/m3)對(duì)重污染天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì). 由圖1(a)可見(jiàn)，“0113”過(guò)程主要出現(xiàn)在寧夏北部四市(石嘴山市、銀川市、吳忠市及中衛(wèi)市)，重度及以上污染平均持續(xù)時(shí)間35.0 h，PM10濃度峰值區(qū)集中在13日03:00-15:00，其中，石嘴山市PM10濃度最大值達(dá)2 601 μg/m3，銀川市達(dá)1 980 μg/m3，分別是HJ 633-2012五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的7.4倍和5.7倍. 2021年3月14-19日寧夏再次出現(xiàn)近10年來(lái)最強(qiáng)的大范圍沙塵天氣(簡(jiǎn)稱“0315”過(guò)程)，部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴，造成了嚴(yán)重空氣污染. 由圖1(b)可見(jiàn)，“0315”過(guò)程沙塵污染波及寧夏全區(qū)，重度及以上污染平均持續(xù)時(shí)間105.2 h，PM10濃度峰值區(qū)集中在15日10:00-16日02:00，其中，中衛(wèi)市PM10濃度最大值達(dá)8 560 μg/m3，石嘴山市達(dá)6 188 μg/m3，分別是HJ 633-2012五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的24.5倍和17.7倍. 統(tǒng)計(jì)也發(fā)現(xiàn)，兩次過(guò)程均為近10年來(lái)范圍廣、強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的沙塵重污染天氣過(guò)程，“0315”過(guò)程較“0113”過(guò)程的重污染范圍更廣、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、污染更嚴(yán)重.

圖1 2021年寧夏兩次沙塵重污染天氣PM10濃度逐小時(shí)變化特征Fig.1 Hourly variation characteristics of PM10 concentration during two severe sand and dust pollution weather events in Ningxia in 2021

2.2 兩次重污染天氣背景及影響系統(tǒng)

“0113”過(guò)程主要是一次強(qiáng)度一般的冷鋒過(guò)境造成的沙塵重污染天氣，寧夏處在500 hPa高空脊前強(qiáng)西北氣流中，多股冷空氣沿強(qiáng)西北氣流東移南下，加之地面冷鋒過(guò)境使寧夏出現(xiàn)了多次大風(fēng)天氣. 由圖2可見(jiàn)：1月10日08:00-11日14:00，蒙古國(guó)西部的地面冷高壓向青藏高原南側(cè)分裂并加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)1 055 hPa，其中，11日01:00-06:00受分股擴(kuò)散冷空氣和高空動(dòng)量下傳影響，寧夏大部地區(qū)出現(xiàn)偏北大風(fēng)，風(fēng)速為9.0～18.0 m/s (6～8級(jí))，大風(fēng)將本地及周邊鄰近地區(qū)的沙塵粒子卷起，寧夏有5個(gè)城市的PM10濃度超過(guò)350 μg/m3，達(dá)重度及以上污染；11日07:00-19:00，青藏高壓快速東移，隨上升氣流進(jìn)入高空的沙塵在西北風(fēng)的作用下輸送至寧夏并快速沉降；11日20:00-12日15:00，我國(guó)新疆北部出現(xiàn)大風(fēng)沙塵天氣，500 hPa高空強(qiáng)西北氣流將沙塵粒子輸送至寧夏上空，受地面冷鋒過(guò)境影響，寧夏大部地區(qū)風(fēng)速為6～8級(jí)，大風(fēng)引起的本地?fù)P塵與上游輸送的沙塵疊加，導(dǎo)致寧夏北部4個(gè)城市的空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)差，其中石嘴山市PM10濃度達(dá)730 μg/m3；12日08:00-14:00，位于蒙古國(guó)東南部及我國(guó)東北地區(qū)的熱低壓不斷加強(qiáng)發(fā)展；12日20:00-13日17:00，蒙古國(guó)北部地面熱低壓向南移至蒙古國(guó)西南部并與青藏高壓之間形成更強(qiáng)的氣壓梯度帶，在巴丹吉林沙漠一帶產(chǎn)生強(qiáng)變壓風(fēng)，大風(fēng)將沙塵再次卷起并隨高空強(qiáng)西北氣流迅速輸送至寧夏上空，導(dǎo)致寧夏北部4個(gè)城市PM10濃度出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，其中石嘴山市達(dá)2 601 μg/m3；13日17:00-14日02:00，青藏高壓向西南方向移動(dòng)，巴丹吉林沙漠一帶的氣壓梯度減小，寧夏及上游地面風(fēng)速也隨之減小，PM10濃度明顯降低；14日02:00-15:00，新一輪冷空氣沿500 hPa高空脊前強(qiáng)西北氣流下滑，沙塵再次被挾卷吹起，北部4個(gè)城市PM10濃度再次升高，達(dá)到了重度污染；14日15:00之后，寧夏大部地區(qū)風(fēng)速減小，沙塵污染天氣趨于結(jié)束.

圖2 “0113”過(guò)程地面高低壓中心移動(dòng)路徑、1月13日08:00海平面氣壓場(chǎng)和極大風(fēng)速逐小時(shí)變化特征Fig.2 The moving path of the center of high and low pressure on the ground during the severe dust pollution weather process of ‘0113’, the sea level pressure field at 08:00 on January 13th and the hourly variation characteristics of maximum wind speed

“0315”過(guò)程為一次強(qiáng)的典型鋒面過(guò)境及蒙古氣旋造成的持續(xù)沙塵重污染天氣. 由圖3(a)～(b)可見(jiàn)：3月14日14:00-20:00，強(qiáng)冷空氣在蒙古國(guó)西部持續(xù)堆積，地面冷高壓中心強(qiáng)度達(dá)1 040 hPa，蒙古國(guó)東部蒙古氣旋強(qiáng)烈發(fā)展，中心強(qiáng)度低于950 hPa且穩(wěn)定少動(dòng)，鋒面位于我國(guó)東北至新疆北部地區(qū)一線，鋒后氣壓梯度大，變壓風(fēng)較強(qiáng)，我國(guó)西北地區(qū)開始出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣；15日02:00，地面冷鋒東移南壓，鋒面位于我國(guó)內(nèi)蒙古東北部至河套地區(qū)一線，寧夏處于蒙古冷高壓底部較強(qiáng)偏北氣流中，受上游沙塵輸送影響，石嘴山市空氣質(zhì)量迅速變差，PM10濃度從333 μg/m3升至789 μg/m3；15日08:00，蒙古氣旋向東南方向移動(dòng)至我國(guó)東北地區(qū)，地面冷高壓主體也隨之向偏東方向移動(dòng)至我國(guó)華北地區(qū)，受地面冷鋒尾部過(guò)境影響，寧夏大部分地區(qū)出現(xiàn)了6級(jí)以上偏北大風(fēng)〔見(jiàn)圖3(c)〕，同時(shí)青藏高原熱低壓也迅速發(fā)展，蒙古強(qiáng)冷高壓受強(qiáng)盛蒙古氣旋和青藏高原熱低壓夾擊穩(wěn)定少動(dòng)，其西南、東和東南側(cè)與兩個(gè)熱低壓之間形成明顯氣壓梯度帶，氣壓梯度引起的西北、偏東和偏北大風(fēng)將多個(gè)方向沙塵卷起并向?qū)幭纳峡蛰斔停箍諝赓|(zhì)量迅速轉(zhuǎn)差，中衛(wèi)市PM10濃度從1 218 μg/m3迅速升至8 560 μg/m3，石嘴山市從889 μg/m3迅速升至6 188 μg/m3；到16日14:00-18日20:00，青藏高原熱低壓隨蒙古冷高壓東移，寧夏轉(zhuǎn)受低壓倒槽控制且處在地面冷高壓后部較強(qiáng)的偏東風(fēng)中，大風(fēng)將緊鄰寧夏東部毛烏素沙漠的沙塵再次卷起，通過(guò)近地層偏東風(fēng)向?qū)幭纳峡栈亓鬏斔停⒆钃鯇幭纳峡掌〉纳硥m向東南方向移出，使重污染天氣持續(xù)；19日06:00-09:00，受東移南下弱冷空氣和近地層偏南暖濕氣流影響，寧夏大部地區(qū)出現(xiàn)了大風(fēng)并伴有弱降水(0.1～1.9 mm)天氣，雨滴的拖曳作用使飄浮在高空中的沙塵粒子向近地層沉降，但由于降水量級(jí)小，濕清除作用不明顯，反而導(dǎo)致近地層污染又加重，中衛(wèi)市PM10濃度從1 882 μg/m3快速升至3 238 μg/m3；19日20:00之后，受東移南下弱冷空氣影響，寧夏上空沙塵粒子向東南方向移出，地面受弱冷高壓控制，顆粒物沉降加快，PM10濃度迅速降低，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好.

圖3 “0315”沙塵重污染天氣過(guò)程地面冷暖鋒及高低壓中心移動(dòng)路徑、3月15日08:00海平面氣壓場(chǎng)和極大風(fēng)速逐小時(shí)變化特征Fig.3 The moving path of the surface cold and warm front, the high and low pressure center during the ‘0315’severe dust pollution weather, the sea level pressure field at 08:00 on March 15th and the hourly variation characteristics of maximum wind speed

2.3 污染物來(lái)源及傳輸路徑

為對(duì)比分析外源輸入對(duì)兩次重污染過(guò)程的影響特征，利用后向軌跡聚類分析了沙塵來(lái)源及傳輸軌跡，根據(jù)氣流軌跡長(zhǎng)短能夠判斷氣團(tuán)移動(dòng)速度，長(zhǎng)軌跡對(duì)應(yīng)移動(dòng)快的氣團(tuán)，短軌跡為移動(dòng)緩慢的氣團(tuán)[26-27].由于石嘴山市地處寧夏最北部，受賀蘭山阻擋形成風(fēng)口，且距離沙源地最近，大風(fēng)沙塵天氣最先出現(xiàn)在該地區(qū)[28]，而“0113”過(guò)程石嘴山市污染最嚴(yán)重，“0315”過(guò)程石嘴山市最先出現(xiàn)重污染天氣，污染強(qiáng)度僅次于中衛(wèi)市，因此該研究選取石嘴山市氣象站(39.03°N、106.35°E)作為模擬受點(diǎn)開展模擬分析. 由圖4(a)可見(jiàn)：“0113”過(guò)程中第1、4、5和6類軌跡均來(lái)自西北方向，占總軌跡數(shù)的75.1%，其中，第1類軌跡主要來(lái)自境外輸入，沙塵自蒙古國(guó)巴彥烏拉-戈壁阿爾泰省-我國(guó)內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠輸送至寧夏；第4、5和6類軌跡均為境內(nèi)輸入，沙塵沿新疆古爾班通古特沙漠-中央戈壁-內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠-騰格里沙漠北部進(jìn)入寧夏，此類氣團(tuán)移動(dòng)速度較快，且移動(dòng)過(guò)程中攜帶的沙塵顆粒物不斷沉降. 第2、3類軌跡為偏西路徑，占總軌跡數(shù)的25%，沙塵分別沿新疆庫(kù)木塔格沙漠-內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠(第3類)、青海省柴達(dá)木盆地沙漠-內(nèi)蒙古騰格里沙漠(第2類)輸送到寧夏. 此次過(guò)程中6條軌跡傳輸高度均較低，均在1～2 km之間. 由圖4(b)可見(jiàn):“0315”過(guò)程中第1、5和6類軌跡來(lái)自西北方向，占總軌跡數(shù)的41.6 %，其中，第6類軌跡為境外輸入，沙塵自蒙古國(guó)戈壁阿爾泰省-我國(guó)內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠到達(dá)寧夏；第1和5類軌跡來(lái)自境內(nèi)輸入，沙塵沿新疆庫(kù)木塔格沙漠-內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠-騰格里沙漠北部到達(dá)寧夏.第2、4類軌跡均為境外蒙古國(guó)輸送，占總軌跡數(shù)的25%，其中，第2類軌跡來(lái)自蒙古國(guó)中戈壁省，沙塵沿偏北路徑經(jīng)庫(kù)布齊沙漠和我國(guó)內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠輸送至寧夏；第4類軌跡來(lái)自蒙古國(guó)東戈壁省，沙塵傳輸過(guò)程中途經(jīng)庫(kù)布齊沙漠、我國(guó)內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠和毛烏素沙漠，由偏北轉(zhuǎn)為偏東方向到達(dá)寧夏.第3類軌跡來(lái)自境內(nèi)近距離偏東方向的毛烏素沙漠，在6條軌跡中占比(33.3%)最大，第3、4類軌跡為顯著的沙塵回流輸送軌跡. 此次過(guò)程中6條軌跡傳輸高度均較高，均超過(guò)2.5 km.

圖4 2021年寧夏兩次沙塵重污染天氣后向軌跡聚類分析Fig.4 Cluster analysis of backward trajectory during two severe sand and dust pollution weather events in Ningxia in 2021

2.4 兩次重污染天氣物理量場(chǎng)特征

2.4.1 水平螺旋度特征

螺旋度是用來(lái)描述大氣運(yùn)動(dòng)在其旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱程度的物理量參數(shù)[29]. 由圖5(a)～(c)可見(jiàn)：1月12日20:00蒙古國(guó)西南部以及我國(guó)新疆北部、內(nèi)蒙古和甘肅西部均為負(fù)值水平螺旋度中心，寧夏北部和南部同樣出現(xiàn)了負(fù)的水平螺旋度中心，中心值均為-2 000 m2/s2，其周圍地區(qū)螺旋度值低于-500 m2/s2，說(shuō)明西北方向的蒙古國(guó)西南部戈壁、古爾班通古特沙漠和我國(guó)新疆庫(kù)木塔格沙漠上空為強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)，沙塵粒子不斷被大風(fēng)吹起向高空輸送，并隨強(qiáng)西北氣流傳輸至下游地區(qū)，加之寧夏銀川市、中衛(wèi)市和固原市也開始起沙，外源輸送與本地沙塵疊加使得寧夏沙塵濃度顯著增大；13日08:00蒙古國(guó)西南部及我國(guó)新疆東北部再次出現(xiàn)負(fù)值水平螺旋度中心，蒙古國(guó)西部戈壁和古爾班通古特沙漠的沙塵再次向高空持續(xù)輸送，而蒙古國(guó)南部-我國(guó)內(nèi)蒙古-甘肅一帶及寧夏本地上空的水平螺旋度轉(zhuǎn)為正值(500～1 000 m2/s2)，輻散下沉運(yùn)動(dòng)使沙塵沉降，此時(shí)寧夏沙塵濃度持續(xù)升高；到13日20:00，蒙古國(guó)以及我國(guó)內(nèi)蒙古、甘肅一帶基本轉(zhuǎn)為大范圍正值水平螺旋度(500～1 500 m2/s2)，大量沙塵粒子向下游釋放，且靠近寧夏西北方向的騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠形成了強(qiáng)的正負(fù)螺旋度中心對(duì)，強(qiáng)烈的垂直交換運(yùn)動(dòng)使得寧夏北部地區(qū)上空出現(xiàn)短時(shí)PM10濃度升高，但長(zhǎng)時(shí)間下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致沙塵污染趨于減弱. 由圖5(d)～(f)可見(jiàn)：3月14日20:00蒙古國(guó)西南部以及我國(guó)內(nèi)蒙古和甘肅西部出現(xiàn)了負(fù)螺旋度中心(-3 500 m2/s2)，強(qiáng)度強(qiáng)且范圍大，寧夏周邊及上游大范圍區(qū)域水平螺旋度均為高負(fù)值(-3 000～-1 000 m2/s2)，此時(shí)蒙古國(guó)戈壁、我國(guó)新疆庫(kù)木塔格沙漠及內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠的沙塵被迅速抬升至高空并向下游地區(qū)輸送. 15日08:00，蒙古國(guó)南部和我國(guó)甘肅地區(qū)負(fù)值水平螺旋度減至-1 500～-500 m2/s2，蒙古國(guó)西北部和南部以及我國(guó)內(nèi)蒙古北部及寧夏中北部轉(zhuǎn)為正值水平螺旋度(≤500 m2/s2)，上升運(yùn)動(dòng)將北方和西北方向的沙塵挾卷至高空，下沉運(yùn)動(dòng)又將其釋放至下游地區(qū)，沙塵挾卷與暴發(fā)交替進(jìn)行使其長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空中，加之寧夏本地沙塵不斷沉降導(dǎo)致沙塵暴天氣強(qiáng)度升級(jí)；同時(shí)中衛(wèi)市風(fēng)口處的負(fù)值水平螺旋度中心達(dá)-2 500 m2/s2，造成沙塵濃度升至8 000 μg/m3以上，寧夏其他地區(qū)也同樣出現(xiàn)沙塵爆發(fā)式增長(zhǎng). 直至15日20:00，蒙古國(guó)以及我國(guó)內(nèi)蒙古、甘肅及其周圍地區(qū)水平螺旋度大范圍轉(zhuǎn)為正值，尤其是寧夏銀川市和中衛(wèi)市的正值水平螺旋度中心超過(guò)2 000 m2/s2，強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)使得沙塵顆粒物迅速沉降至地面，此時(shí)寧夏PM10濃度雖有所降低但仍為重度污染.

2.4.2 垂直速度特征

研究[30]表明，垂直速度和風(fēng)速變化對(duì)大氣污染物擴(kuò)散及沉降影響較大，對(duì)重污染過(guò)程污染程度和持續(xù)時(shí)間也起到了關(guān)鍵作用. 為了分析兩次重污染過(guò)程沙塵粒子的發(fā)展趨勢(shì)，將“0113”過(guò)程從西北方向自新疆烏魯木齊(43°N、88°E)至陜西榆林(37°N、108°E)做垂直速度剖面. 由圖6可見(jiàn)：1月13日08:00，41°N以北、700 hPa以下為一致的正速度，700 hPa以上為負(fù)速度，其中42.5°N附近正速度延伸至300 hPa以上，下沉速度中心值達(dá)1.8 Pa/s，該區(qū)域基本以下沉氣流為主，表明41°N以北區(qū)域近地層西北大風(fēng)將沙塵粒子向?qū)幭妮斔筒⒉粩喑两担粚幭纳嫌蔚貐^(qū)38.5°N～39.7°N之間為整層弱上升氣流，此時(shí)來(lái)自偏西方向騰格里沙漠將沙塵向高空輸送；38.5°N附近低層表現(xiàn)為弱上升運(yùn)動(dòng)，中高層為下沉運(yùn)動(dòng)，38.5°N以南為整層下沉運(yùn)動(dòng)，這為沙塵持續(xù)沉降提供了條件，說(shuō)明西北方向多股冷空氣不斷將沙塵向?qū)幭纳峡蛰斔筒⒖焖俪两抵恋孛嬖斐纱舜沃匚廴镜陌l(fā)生.

圖6 寧夏2021年1月13日08:00大氣垂直速度斜剖面Fig.6 The atmospheric vertical velocity gradient profile at 08:00 on January 13rd in Ningxia in 2021

將“0315”過(guò)程分別從西北方向自新疆哈密西南部(42°N、92°E)至內(nèi)蒙古鄂托克旗(38°N、108°E)以及東南方向自內(nèi)蒙古鄂爾多斯(41°N、108°E)至甘肅蘭州西北部(37°N、104°E)做垂直速度剖面. 從圖7可見(jiàn)：西北方向上整層大氣以上升氣流為主，下沉氣流相對(duì)較弱，多為低層輻合高層輻散，強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)將沙塵持續(xù)向高空輸送使得沙塵粒子難以沉降，并隨西北氣流不斷向?qū)幭纳峡諅鬏敚黄珫|方向上高層為一致的下沉運(yùn)動(dòng)，中低層上升和下沉氣流不斷交替使沙塵懸浮在空中不易沉降，寧夏上空PM10濃度始終維持高濃度，該過(guò)程高空西北氣流和偏東方向沙塵回流將沙塵粒子持續(xù)向?qū)幭妮斔颓议L(zhǎng)時(shí)間懸浮在上空，導(dǎo)致“0315”過(guò)程較“0113”過(guò)程污染強(qiáng)度更強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng).

圖7 寧夏2021年3月15日08:00大氣垂直速度斜剖面Fig.7 The atmospheric vertical velocity gradient profile at 08:00 on March 15th in Ningxia in 2021

3 結(jié)論

a) “0113”過(guò)程主要影響寧夏北部四市，“0315”過(guò)程影響整個(gè)寧夏，兩次過(guò)程重度及以上污染平均持續(xù)時(shí)間分別為35.0和105.2 h，沙塵污染暴發(fā)階段平均PM10濃度分別為1 735和5 265 μg/m3.

b) “0113”過(guò)程為一次強(qiáng)度一般的鋒面過(guò)境引起的沙塵重污染天氣過(guò)程，穩(wěn)定少動(dòng)的青藏高壓與其北側(cè)蒙古熱低壓之間形成顯著的氣壓梯度帶，高空脊前強(qiáng)西北氣流引起的動(dòng)量下傳使寧夏及上游地區(qū)近地面頻繁出現(xiàn)西北大風(fēng)，并將上游沙塵輸送至寧夏且與本地?fù)P塵疊加造成重污染；“0315”過(guò)程為一次較強(qiáng)的典型鋒面過(guò)境及蒙古氣旋造成的持續(xù)沙塵重污染過(guò)程，蒙古冷高壓受強(qiáng)盛蒙古氣旋和青藏高原熱低壓夾擊穩(wěn)定少動(dòng)，其西南、東南及東部與兩個(gè)熱低壓形成氣壓梯度帶，加之受地面冷鋒過(guò)境影響，寧夏及周邊地區(qū)出現(xiàn)了西北、偏東和偏北大風(fēng)，將沙塵從多方向向?qū)幭纳峡蛰斔筒⑴c本地?fù)P塵疊加，造成“0315”過(guò)程較“0113”過(guò)程污染更重.

c) 兩次重污染天氣過(guò)程中沙塵均為境外和境內(nèi)同時(shí)輸送，其中，“0113”過(guò)程為西北和偏西路徑，傳輸距離長(zhǎng)且高度較低；“0315”過(guò)程為西北、偏北和偏東路徑，傳輸距離短且高度較高.

d) “0113”過(guò)程中蒙古國(guó)西南部以及我國(guó)新疆-內(nèi)蒙古-甘肅一帶和寧夏本地出現(xiàn)的負(fù)值水平螺旋度中心達(dá)-2 000 m2/s2，強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)和西風(fēng)氣流將沙塵持續(xù)向?qū)幭纳峡蛰斔筒⑴c本地沙塵疊加，多股強(qiáng)下沉氣流又將沙塵迅速沉降至地面，下沉速度達(dá)2.1 Pa/s，該過(guò)程很快趨于結(jié)束. “0315”過(guò)程中蒙古國(guó)西部和南部以及我國(guó)新疆-甘肅一帶負(fù)值水平螺旋度中心達(dá)-3 500 m2/s2，強(qiáng)度強(qiáng)且范圍大，且上升和下沉運(yùn)動(dòng)交替進(jìn)行使沙塵長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空中，導(dǎo)致此次沙塵暴天氣強(qiáng)度更強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng).