2010年杭州地區一次持續浮塵天氣成因分析

徐柳韻 孟永軍 黃春濤 陸耀輝 章瑩菁

(1.余杭區氣象局,浙江余杭311100;2.桐廬縣氣象局,浙江桐廬311500)

0 引 言

2010年3月20日前后一股較強冷空氣自北而南襲擊了大半個中國,并伴隨嚴重的沙塵暴、揚沙和浮塵現象,這次沙塵暴、揚沙及浮塵現象強度之強,范圍之廣,實屬罕見。這股冷空氣在21日經過杭州地區時,出現了浮塵天氣現象。浮塵,在中國氣象局的《地面觀測規范》中[1],定義為：“塵土、細沙均勻地浮游在空中,使水平能見度小于10.0 km。多為遠處塵沙經上層氣流傳播而來,或為沙塵暴、揚沙出現后尚未下沉的細粒浮游空中而成”。我國北方春季強冷空氣活動頻繁,地面干燥,土質疏松,沙源充足,與之相伴的大風極易將地面沙塵卷起形成沙塵暴。因而我國北方是亞洲一個沙塵暴多發區,主要在春季發生。我國學者針對沙塵暴機制的研究己有很多,取得了很大的進展[2-7],總結出強風、沙源、大氣層結不穩定是沙塵暴發生的3個基本條件。楊曉玲等[8]、肖賢俊等[9]、王文等[10]、王勁松[11]等對部分沙塵暴個例進行分析,總結出了一定的預報思路和要點。但對南方地區浮塵天氣的研究較少。本文利用National Centers for Environmental Prediction及環境監測站大氣成分監測資料,針對2010年3月21—22日杭州地區浮塵天氣過程的成因進行分析,以期為今后浮塵天氣的預報提供一定的參考。

1 過程實況分析

1.1 天氣實況

2010年3月21—22日杭州地區出現浮塵天氣,定時觀測水平能見度均在8 km以下,其中21日08時杭州水平能見度只有2 km。遠處的景物均呈土黃色,天空中無云,目視太陽呈蒼白色,垂直能見度也很差。到22日20時觀測時,影響能見度的天氣現象變化不大。22日夜里起出現降雨,浮塵天氣結束。杭州各測站能見度變化見表1。

1.2 空氣質量實況

本文以桐廬站(杭州地區中部)資料進行分析。圖1是3月18—25日桐廬縣環境監測站空氣質量自動監測數據,清晰地反映了這次浮塵天氣的空氣污染情況。

圖1 3月18—25日桐廬縣環境監測站空氣質量自動監測數據

表1 杭州地區各觀測站3月20—23日能見度 km

3月20日以前反映空氣質量中PM10的空氣污染指數 API值在100以下,空氣質量等級為良。21—22日 PM10的 API分別達到413～412,達到重度污染(API≥300為重度污染)程度。23日起明顯下降,但 PM10仍較高,這是22日下午到夜里污染仍較重的貢獻值。而反映汽車尾氣及煤化石燃氣等SO2,NO2有害氣體的API值變化平穩,基本維持在50以下,質量等級為優。

2 浮塵天氣氣候概況

分析桐廬站1959—2009年的資料,以觀測出現一次浮塵天氣現象為一個浮塵日,在51 a中共出現177個浮塵日,見圖2、表2。

圖2 桐廬縣1959—2009年各月浮塵日數分布

表2、圖2可以清楚的反映出各月浮塵日數的變化情況,其中3—4月是浮塵天氣發生的主要時期,占到全年浮塵發生的52.6%,而6—10月為全年浮塵發生的低頻時期,僅占到全年浮塵日數的6.8%。楊東貞等指出,3,4和5月北方沙塵暴發生次數偏高,尤其以4月份沙塵暴發生次數為全年最高。5月以后沙塵暴發生次數急劇下降,9月和10月為最低[12]。杭州地區(桐廬代表站)的浮塵發生的季節變化和北方沙塵暴發生的季節變化基本相同,而對沙塵暴較多較成熟的研究分析也為本文浮塵天氣的客觀成因分析提供一定的參考借鑒作用。

表2 桐廬站各月出現浮塵日數所占比例 %

3 成因分析

3.1 大氣環流分析

從地面圖(圖略)上可以看到,3月18—20日在蒙古氣旋帶來的冷空氣自西向東開始影響我國北方地區,引發了一次大范圍的強沙塵暴過程。到20日下午起冷空氣影響至長江中下游地區,杭州地區即出現浮塵天氣,浮塵天氣到22日夜里結束。

對應的高空圖上反映了這次冷空氣的移動特征。以700 hPa為例(圖3),3月20日08時,高空槽已移至我國東北地區,等溫線和等高線幾乎成90°角,表明冷平流和斜壓性很強,系統發展強烈。但由于槽前以偏西氣流為主,因此地面基本無雨區配合,為干冷空氣過程。杭州地區仍在西南氣流的控制下,回溫較明顯,至20時高空槽過境冷空氣影響杭州地區,并繼續東移南壓,上游地區大風、沙塵天氣所產生的沙塵粒子隨西北氣流向下游輸送,并開始影響到地面;21—22日在高壓脊控制下,天氣穩定,浮塵天氣維持。3月23日另一股冷空氣配合高空槽,在杭州地區出現明顯降水,浮塵天氣結束。

圖3 3月20日08時700 hPa高空圖

3.2 物理量診斷分析

3.2.1 風場和垂直速度特征分析

大范圍的沙塵暴天氣一般與200 hPa高空的西風急流相伴出現[13]。高空急流的動量下傳對低層風速的加大作用也是不容忽視的一個重要因素[14],而高空急流的存在是動量下傳產生沙塵暴的必要條件。本文以120°E,30°N的格點資料分析高空風場的分布情況,圖4為該點單站高空風場的時間剖面圖。

從圖4中發現該點站上空200 hPa附近一直維持一個高空西風急流,極大風速出現在20日08時,達72 m/s。低層已從偏南風向偏西風順轉,14時前后已轉為西北風,這表明冷空氣已從低層逐漸侵入,杭州地區天氣出現變化,云量明顯增多,下了零星小雨,垂直能見度和水平能見度己開始明顯變差,觀測員根據相對濕度判別標準,將這天的低能見度天氣記錄為霾(∞)。

當日20時高空的西風急流加強且開始下傳,在500 hPa附近還出現了34 m/s的急流,同時高空的風速垂直切變也開始下傳,20時該點上空除了200～300 hPa仍然維持強風速垂直切變(42 m/s),在500～850 hPa也出現了24 m/s的風速垂直切變;當天,1000 hPa,925 hPa和850 hPa繼續維持西北風,700 hPa風向也從20日14時西南風轉為西北風,說明高空淺槽過境,風速明顯增強,冷空氣繼續東移侵入且開始明顯南壓。

從20日20時的垂直速度圖5中也可發現,我國華北等地存在著一支下沉氣流,這和上面風速的垂直分布情況是相同的。隨著動量的下傳,近地925 hPa和1000 hPa的風速達到12 m/s,上游隨西北氣流輸送來的大量沙礫也隨之下傳至近地面,杭州地區開始出現歷史罕見的浮塵天氣。

圖4 120°E,30°N處風場的時間剖面圖

圖5 20日20時垂直速度分布圖(單位：Pa/s)

從圖4中分析發現,21—22日近地層風速變化明顯,從減小再增大,而且風向也快速轉變,從偏北-東北-東南,地面圖上表征為一個較穩定小高壓的底后部。這表明浮塵天氣出現后,風向的快速轉變,較濕的偏東氣流阻滯,使得沙塵難以擴散。同時從22日08時的垂直速度圖6中也可發現,杭州地區近地層存在著弱的上升氣流,湍流作用使得沙塵粒子不易沉降,浮塵天氣維持。至23日另一股冷空氣配合地面明顯降雨,浮塵天氣結束。

圖6 22日08時垂直速度分布圖(單位：Pa/s)

3.2.2 干冷空氣分析

楊曉玲等[8]分析指出,強冷空氣的卷入為沙塵暴的發展提供了動力條件;林良根等[15]分析表明,強沙塵暴過程中有明顯的干空氣侵入。此次沙塵暴過程,干冷空氣同樣起著非常重要的作用。從700 hPa風場和溫度分布來看(圖略),3月20日08時,華北地區有一明顯的冷渦存在,杭州地區處于冷渦底部,有弱的冷平流。同時從700 hPa比濕圖(圖7)上發現,內蒙至華北、東北有一明顯的干區,向長江中下游延伸。因此干冷空氣的影響,也是導致長江中下游地區浮塵天氣爆發的重要因素。

4 結 語

4.1 “3·21”浮塵天氣發生時,空氣為重度污染,吸入顆粒物的濃度達到罕見的高值區,說明空氣污染主要來自沙塵,3月21—22日出現浮塵天氣時杭州地區定時觀測水平能見度均在8 km以下。

圖7 20日700 hPa比濕圖(單位：kg/kg)

4.2 杭州地區3—4月是浮塵天氣發生的主要時期,這和北方沙塵暴發生的季節變化相同,對浮塵天氣的成因分析可以提供一定的分析研究參考。

4.3 “3·21”浮塵天氣源自北方蒙古的沙塵暴,并隨著強干冷空氣自西向東、后自北向南先后影響到我國西北、華北、東北至華東北部地區、長江中下游等地區,3月20日白天當700 hPa高空槽過境、干冷空氣侵入且配合下沉運動時,上游地區大量沙礫被輸送并下傳至近地面,杭州地區“浮塵”天氣爆發。

4.4 診斷分析表明,“浮塵”天氣爆發后,在高壓系統控制下,近地面風向的迅速變化,較濕的偏東氣流阻滯及弱的湍流作用,使得沙塵粒子難以擴散、不易沉降,21—22日浮塵天氣維持。3月23日另一股冷空氣配合高空槽,在杭州地區出現明顯降水,浮塵天氣結束。

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