北京兩次重污染沙塵天氣成因及動力傳輸特征的對比研究

王 華，軒春怡，吳 方，金晨曦，李梓銘，李 靖，郭金蘭

（1.北京市氣象服務中心，北京100089；2.北京市氣候中心，北京100089；3.京津冀環境氣象預報預警中心，北京100081；4.北京市氣象臺，北京100089）

沙塵天氣一直是對我國影響較大的災害性天氣。沙塵天氣發生時，空氣質量急劇惡化、能見度降低，會給源地及下游地區的生態環境和人類生活造成巨大損失[1-6]。據有關研究[7-9]指出，沙塵暴的形成有3個基本條件：一是大風，二是地面上的沙塵物質，三是不穩定的空氣狀態。因此我國的沙塵暴主要集中于兩大區域[10-15]，一是位于西北地區塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區；另一個是內蒙古地區，從巴丹吉林沙漠東部向東延伸至騰格里沙漠、毛烏素沙漠。

北京地處我國沙塵暴高發區的下風方向，經常受到沙塵天氣的侵襲，不僅造成大氣環境質量惡化，給人體健康和交通運輸等帶來嚴重影響，而且會引起社會的極大關注，因此北京的沙塵天氣一直是國內外科學家研究的重點[16-18]。尹曉惠等[19]研究表明，進入北京的冷空氣和沙塵主要有偏西、西北和偏北3條移動路徑，蒙古氣旋冷鋒是北京產生沙塵天氣的最主要天氣系統，影響北京的沙塵質點主要來源于我國內蒙古以及中蒙邊境地區。張鈦仁、張志剛等[20-24]也分析得到上述3條北京的沙塵傳輸路徑，并指出北京沙塵發生次數與沙塵源區春季大氣降水量有比較顯著的負相關關系。而徐文帥等[25-26]研究表明北京除了受上述3條直接輸送的沙塵路徑影響外，沙塵回流也是一類對空氣質量影響較大的沙塵天氣，這類污染過程主要是由于沙塵在上游沙源地起沙后先直接輸送，穿過北京，然后停留在渤海灣和朝鮮半島區域，在渤海弱高壓系統作用下，沙塵又回流至北京所致，屬于二次影響。安林昌等[27-29]也曾研究過沙塵偏北路徑輸送北京并移至下游后，由南風造成沙塵向北回流再次傳輸至北京的個例。

北京的沙塵天氣除了上述3條常見的傳輸路徑和沙塵回流的二次影響外，是否存在別的傳輸路徑？影響沙塵傳輸路徑的因素都有哪些？為了今后更好地開展沙塵天氣的預報預警，這些問題值得進一步研究。本文利用后向軌跡模式、氣象和空氣污染監測數據等，結合天氣、空氣質量和地理等條件，對比研究北京兩次重污染沙塵天氣的成因、傳輸特征及主要的影響因素，為沙塵天氣預報開拓新的思路。

1 資料與方法

1.1 數據資料來源

文中氣象觀測資料使用國家氣象信息中心發布的2018年3月27—28日和5月27—28日的高空、地面氣象觀測以及地面自動站逐小時風向風速數據。氣象格點資料使用歐洲中期天氣預報中心提供的水平分辨率為0.125°×0.125°、時間分辨率為6 h、垂直方向為36層的ERA-Interim再分析資料。同時使用北京、天津、河北、內蒙古、遼寧等省、市環保局或環境保護廳發布的共542個空氣質量監測站的空氣污染監測數據，分析可吸入顆粒物（PM10）污染物濃度的時空變化。

1.2 HYSPLIT模式

HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）即歐拉—拉格朗日混合單粒子軌道模型，是質點軌跡、擴散及沉降綜合的模式系統，可用于計算和分析大氣污染物輸送和擴散軌跡。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式。采用NOAA在線提供的HYSPLIT后向軌跡模型和美國國家環境預報中心（NCEP）與美國國家大氣研究中心（NCAR）的全球再分析資料，其水平分辨率為1°×1°，選擇北京觀象臺為參考點，參考高度為200、800、1500 m，以此來分析影響北京的沙塵輸送特征。

2 重污染沙塵天氣實況

2018年春季北京出現了兩次重污染沙塵過程，AQI超過500，分別在3月28日和5月28日。從空氣污染監測數據和天氣類型來看（表1），3月28日為浮塵天氣，造成的空氣污染最為嚴重，北京重度污染持續了14 h，PM10小時峰值濃度達到1989μg/m3，AQI“爆表”維持了13 h；5月28日先為浮塵，后轉為揚沙天氣，重度污染持續了7 h，PM10小時峰值濃度為818μg/m3，AQI超過500的重污染持續了4 h。

表1 2018年3月28日和5月28日北京沙塵天氣實況

3 沙塵傳輸特征的顯著差異

通過對比分析2018年3月28日和5月28日北京沙塵污染最嚴重時刻觀象臺36 h的后向軌跡（圖1）發現，兩次沙塵過程的總體趨勢雖然都是從西北方向往北京輸送，但是沙塵粒子的移動路徑和運移高度有顯著差異。

圖1a可以看出，3月28日200、800 m高度的沙塵粒子來自蒙古國南部或中蒙邊境一帶，27日白天以東移為主，27日前半夜向東南方向移動，并且高度有所抬升，到了28日02時前后移動方向發生轉折，改向西南方向移動，28日08時前后以偏東路徑進入北京。1500 m高度的沙塵粒子在27日白天到前半夜的傳輸方向為西北—東南，28日02時以后傳輸方向發生轉折，改向西南方向移動，最后以東北路徑先于200、800 m高度的沙塵粒子影響北京。從近地面200 m沙塵粒子的運移趨勢來看，27日白天在近地面，27日前半夜抬升到700 m左右，然后逐漸降低輸入北京，說明沙塵天氣來自于沙源地近地面層沙塵粒子的遠距離輸送，運移高度比較低。從圖1b可以看出，5月28日影響北京的3個高度的沙塵粒子都是從蒙古國自西北向東南移動，最后以西北路徑進入北京。近地面200 m高度的沙塵粒子27日白天在1500 m左右，27日20時前后抬升到1500～2000 m，27日夜間下降輸入到北京，沙塵粒子的運移高度比較高。

4 重污染沙塵天氣成因及其與地形的關系

4.1 冷空氣與沙塵氣團受地形影響形成的偏東風繞流

沙塵天氣的發生發展和冷空氣的活動是密不可分的。從2018年3月27—28日海平面氣壓和沙塵天氣的變化發現，受深厚的蒙古氣旋影響，26日夜間到27日白天蒙古國出現了大范圍的沙塵暴天氣，形成初始的沙塵源，27日14時我國內蒙古中東部也出現了大范圍的揚沙天氣（圖2a）。受其影響，27日20時內蒙古到河北北部的PM10濃度明顯升高，超過420μg/m3，而北京此時受靜穩形勢的影響，是首要污染物為PM2.5的霾重度污染（圖3a）。

圖1 3月28日11時BT（a）、5月28日05時BT（b）200、800、1500 m高度北京觀象臺（39.8°N，116.47°E）HYSPLIT模式36 h后向軌跡

圖2 3月27日14時BT（a）、3月28日08時BT（b）時海平面氣壓（黑線，單位：hPa）、地面沙塵區（S為浮塵，為揚沙，→S為沙塵暴）與海拔高度（彩色陰影，單位：m）

眾所周知，山地能夠阻礙氣團和鋒面的移動以致改變其方向。圖2的地形高度圖顯示我國內蒙古、京津冀及東北一帶的地形地勢比較復雜，既有內蒙古高原，又有陰山、燕山、太行山、大興安嶺、長白山等山脈，還有東北平原、華北平原。3月27日夜間蒙古氣旋東移，冷空氣主體位置偏北，從內蒙古東部錫林格勒盟的西部平坦地帶進入。由于錫林格勒盟的南部是陰山山脈向東延伸的余脈，東部為大興安嶺西麓，地勢相對較高，冷空氣攜帶的沙塵氣團隨西北風移至錫林格勒盟的東南部時，受地形阻擋氣流發生抬升，運移高度上升到700 m左右。到28日02時沙塵氣團進入到赤峰、通遼和遼寧省的平原地區（圖3b紅色圓圈處），由于下游受到長白山的阻擋，冷空氣在這一低洼地帶發生堆積，從而在地面形成了東高西低的氣壓分布（圖2b）。在氣壓梯度力的驅動下，冷空氣及沙塵的移動路徑在此發生轉折，從西北轉為偏東路徑，27日后半夜到28日白天攜帶沙塵粒子自東向西影響北京的平原地區（圖3c～3f），因此沙塵粒子是從700 m左右高度降低輸送至北京地面。

同時，27日夜間我國內蒙古中部位于高壓底部，海平面氣壓梯度和地面風力很小，蒙古國南部的沙塵氣團以緩慢擴散的形式向東南方向移動，河北北部的沙塵范圍逐漸擴大，28日00—04時部分站點PM10濃度超過1000μg/m3（圖3c藍色圓圈），而北京受到北部1500 m以上高海拔山脈的阻擋，平原地區未受到沙塵影響。05—06時冷空氣攜帶沙塵氣團繞過了北部高山，從北京東北部地勢較低的密云區進入到中心城區（圖3d），因此1500 m高度的沙塵粒子移動方向發生轉折。北京的密云、順義、中心城區、大興自東北向南地面沙塵濃度依次開始迅速增長，超過2000μg/m3（圖4紅色箭頭示意），而西部的門頭溝、海淀PM10濃度無明顯變化。

圖3 3月27日20時BT（a）、3月28日02時BT（b）、3月28日04時BT（c）、3月28日06時BT（d）、3月28日08時BT（e）、3月28日10時BT（f）地面風場（單位：m/s）與PM10濃度（彩色圓點，單位：μg/m3）

圖4 北京市內沙塵傳輸路徑示意圖

28日06—08時從赤峰、通遼、遼寧一帶的冷空氣攜帶沙塵粒子移動方向轉折后，經河北東部移至北京城區（圖3d~3e），08—11時北京西部的海淀、門頭溝等地受東風輸送影響，PM10濃度迅速增長，超過1500μg/m3（圖4中粉色箭頭）。這樣在東北風和東風兩支沙塵氣流的共同輸送下，北京各區縣的AQI均爆表。28日白天北京近地面一直受偏東風的影響，沙塵氣團受到西部太行山脈的阻擋，在山前一帶形成堆積（圖3f），造成AQI＞500的重污染持續到18時。

4.2 冷空氣與沙塵氣團直接翻山造成的西北路徑傳輸

從圖5發現，2018年5月27日上午受低壓冷鋒的影響，蒙古國南部出現了沙塵暴天氣，下午沙塵氣團從內蒙古高原東移南下，翻越陰山山脈的東側，沙塵粒子的高度受山脈抬升影響超過1500 m，于18—20時移至河北的西北部山區，PM10濃度超過600μg/m3（圖6a）。27日夜間蒙古國的冷空氣明顯加強，位于京津冀的低壓及其后部的冷鋒也進一步發展增強。前半夜北京周邊的地面風力較小，河北西北部的沙塵氣團以緩慢擴散的形式影響北京的西北山區，后半夜冷鋒過境，隨著南下冷空氣的增強，北京的地面風力逐漸加大，全市自西北向東南先后出現浮塵和揚沙天氣。

從地面的空氣質量變化來看（圖6），27日前半夜北京西北部山區延慶PM10的濃度首先開始上升，28日02時達到峰值931μg/m3，下游的昌平03時達到峰值。此后，地面風力逐漸增大，自西北向東南北京城區和南部的沙塵濃度依次開始迅速增長，海淀和中心城區的PM10濃度在04—06時達到峰值，超過1000μg/m3，東南部的大興、通州一帶于06—09時達到峰值。08時地面風力達到4級，城區的沙塵重度污染持續到10時前后，中午空氣質量徹底好轉。地面的沙塵傳輸路徑如圖4藍色箭頭示意，為典型的西北路徑。

圖5 5月27日11時BT（a）、5月28日08時BT（b）海平面氣壓場（黑線，單位：hPa）、地面沙塵區（S為浮塵，為揚沙，為沙塵暴）與海拔高度（彩色陰影，單位：m）

圖6 5月27日20時BT（a）、5月28日02時BT（b）、5月28日04時BT（c）、5月28日08時BT（d）地面風場（單位：m/s）與PM10濃度（彩色圓點，單位：μg/m3）

5 高低空天氣系統的作用及其對沙塵傳輸的影響

5.1 高空冷空氣與引導氣流的作用

地面冷空氣和沙塵氣團的活動不僅與地形等下墊面有關系，而且其強度、范圍、移動方向是高低空天氣系統共同作用的結果。分析500 hPa的環流形勢發現（圖7），3月28日過程歐亞大陸中高緯地區環流的經向度較小，高空槽位于鄂霍次克海西部，溫度槽落后于高度槽，位于貝加爾湖東部到我國東北一帶，引導低層位于西伯利亞的冷空氣主體向我國東北移動。我國內蒙古中西部到京津冀一帶高空為偏西氣流，風速不超過20 m/s，其上有短波槽活動，高空冷空氣較弱。

5月28日500 hPa高空的環流經向度大，歐亞大陸中高緯地區為阻塞形勢，我國東北地區處于阻塞高壓前部深厚的切斷低渦中，并對應有-20℃的冷渦，內蒙古中部到北京一帶處于冷渦后部的偏北氣流中，河北西北部到北京的高空風速較大，達到25 m/s，不僅造成高空冷空氣向南爆發，也引導中蒙一帶低層冷空氣南下，自北向南影響我國內蒙古中部和京津冀地區（圖4）。

圖7 3月28日08時BT（a）、5月28日08時BT（b）500 hPa高度場（黑線，單位：dagpm）、溫度場（紅線，單位：℃）和風場（單位：m/s）

5.2 低層冷空氣強度與風場的變化

分析低層天氣形勢發現，兩次沙塵過程影響北京前我國東北地區均為低渦形勢，北京及其上游內蒙古中部、河北西北部的風向風速差別不大，但是低渦的移動方向、溫度場分布、溫度平流與風場的變化有顯著差異。

圖8 3月27日20時BT（a）、3月28日08時BT（b）、5月27日20時BT（c）、5月28日08時BT（d）850 hPa高度場（黑線，單位：dagpm）、溫度場（紅線，單位：℃）、風場（單位：m/s）和冷平流（陰影，單位：10-5℃/s）分布

3月27日20時850 hPa北京以北110°～120°E處于東北低渦后部的偏北風控制（圖8a），45°N一帶有南北向的強溫度鋒區和-70×10-5℃/s的強冷平流中心，由于溫度鋒區和冷中心位置偏北，河北北部和北京一帶的冷平流很弱，北京為西南偏西風。27日夜間在500 hPa高空偏西氣流的引導下，850 hPa東北低渦向東偏北方向移動，其后部的冷空氣主體東移并向南擴散，溫度槽和冷平流中心減弱東移至東北地區，北京處于東北方向冷、西南暖的溫度梯度區內，3月28日08時（圖8b）轉為6 m/s東北風，冷平流增強為-20×10-5℃/s。

5月27日20時低層850 hPa（圖8c）東北低渦后部有4℃的冷渦配合，冷渦南部為南北向的溫度鋒區，其上有-20×10-5℃/s的冷平流，從內蒙古中部沿偏北氣流向京津冀移動，北京為14 m/s西南偏西風。27日夜間冷空氣加強南下，850 hPa的東北低渦隨高空切斷低渦向西南方向移動，其后部的冷氣團和溫度鋒區明顯南壓，到28日08時（圖8d）河北西北部到北京處于強溫度鋒區和中心強度低于-30×10-5℃/s的冷平流中，北京轉為18 m/s的西北風。可見5月28日直接影響北京的低層冷空氣和風力都明顯強于3月28日。

5.3 冷空氣的垂直結構與地形對沙塵傳輸的影響

沙塵的傳輸路徑、運移高度和持續時間等與高低空冷空氣的強度、走向以及地形直接相關。以北京市中心經度116.4°E作溫度平流和風場以及地形高度的經向垂直剖面（圖9），發現兩次過程的前半夜河北和北京的中高空均為偏西氣流，冷平流較弱，02時低層都有冷平流從河北的北部山區沿偏北風進入北京的山區，但是均未抵達城區近地面，而5月28日的高空風速較強，冷空氣的垂直結構變化很大。

圖9 3月28日02時BT（a）、08時BT（b），5月28日02時BT（c）、08時BT（d）的冷平流（藍色陰影，單位：10-5℃/s）、風場（單位：m/s）與地形高度（黑色陰影，單位：m）沿116.4°E經向垂直剖面

3月28日沙塵影響北京時，高空是偏西氣流，從河北北部到北京500~700 hPa的風速和冷平流很弱，1500 m左右高海拔山區的風速和冷平流均較小，而北京的淺山區到平原地區（41°N以南）850 hPa以下的東北風較大（10～12 m/s），冷平流相對較強。表明河北北部整層冷空氣勢力較弱，無法直接翻越北京北部的高海拔山區，只能到達下游地勢較低的區域，然后在邊界層以偏東風的形式攜帶沙塵氣團繞流進入北京，因此傳輸路徑發生轉折，沙塵粒子的運移高度較低。

5月27日后半夜河北北部整層轉為西北風，中低層的冷平流顯著增強。北京城區850 hPa以下西北風明顯增大，28日08時近地面風速達到6 m/s，低層受強冷平流控制，中心強度超過-40×10-5℃/s，但是中高層風向變化不大，未受到冷平流影響。表明后半夜河北北部低層的冷空氣增強增厚，在高空西北氣流的引導下，直接翻過高海拔山脈進入到北京的平原地區，因此北京自西北向東南出現大范圍的沙塵天氣，近地面沙塵粒子的運移高度也較高，從1500～2000 m的高度下降移入，與北部山脈的海拔高度一致。

6 結論

通過對2018年3月28日和5月28日北京重污染沙塵天氣的形成機制、傳輸特征以及影響因素等對比分析，得出以下結論：

（1）兩次過程的沙塵初始源地均為蒙古國，但是3月28日沙塵天氣由蒙古氣旋引發，傳輸出現折向，以東北和偏東兩條路徑輸送入京，污染嚴重且持續時間長。5月28日受低渦和發展的低壓冷鋒影響，為典型的西北路徑傳輸，沙塵擴散速度快。

（2）高空的引導氣流與低層冷空氣的強度以及地形是導致兩次重污染沙塵天氣的傳輸路徑、運移高度和持續時間存在顯著差異的關鍵影響因素，是3月28日沙塵傳輸路徑出現折向的主要原因。

（3）當高空為偏西氣流，低層冷平流較弱時，受山脈的阻擋作用，沙塵氣團東移至地勢較低的區域后，在氣壓梯度力的驅動下傳輸方向發生轉折，以偏東路徑繞流進入北京，沙塵粒子的運移高度較低；高空的偏北氣流和低層冷平流較強，沙塵氣團可直接翻越高海拔山脈以西北路徑南下侵襲北京，沙塵粒子的運移高度相對較高。