呼和浩特市一次強沙塵暴特征分析

王俊杰，杜凌峰

(四川省遂寧市氣象局，四川 遂寧 629000)

沙塵暴是強風把地面大量沙塵卷入空中、使空氣特別渾濁、水平能見度低于1 km的天氣現象，是大氣環流、近地面氣象條件及下墊面狀況等多種因素綜合作用的結果。沙塵暴多數發生于春季，且易發生于干旱、半干旱地區[1-3]。沙塵暴發生時對生態環境、人體健康等產生很大危害。

我國于20世紀70年代開始研究沙塵暴天氣，眾多學者從沙塵暴的時空分布、發生源地、移動路徑等方面做出了大量的研究[4-6]。劉景濤[7]等將影響中國北方的沙塵暴天氣劃分為冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型、干颮線與冷鋒混合型4種類型。2021年春季我國北方沙塵暴天氣多數為冷鋒型以及冷鋒與蒙古氣旋混合型。

呼和浩特地區為內蒙古首府城市，環境的好壞已成為重要話題。筆者利用多源數據資料探究2021年3月27日—28日一次強沙塵暴天氣的特征，以期為提高呼和浩特沙塵暴天氣的認知提供理論基礎。

1 材料與方法

空氣質量數據來源于呼和浩特市環境監測站，選取呼和浩特市8個國控監測站的平均值，站點分布于整個市區，數據完整，有很好的代表性。常規氣象資料數據來自中國氣象局高空及地面觀測數據。HYSPLIT后向軌跡模型所用的氣象資料來自 NCEP(美國國家環境預報中心)的GDAS全球同化產品。

HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型是美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯合研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型。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的功能，已經被廣泛地應用于多種污染物在多地區的傳輸和擴散的研究中[8-10]。

2 結果與分析

2.1 天氣實況

2021年3月27日—28日呼和浩特大部地區均出現了強沙塵暴天氣，清水河縣為沙塵暴，其中呼和浩特市市區南部最小能見度降至323 m。結合呼和浩特市區AQI、PM10、PM2.5小時平均值與呼和浩特市最小能見度、平均相對濕度(RH)、近地面小時平均風速(見圖1)可知，3月27日—28日呼和浩特市AQI呈現出良—嚴重污染—良的變化趨勢，27日21：00AQI迅速增大且22:00達到500(AQI檢測上限為500，當所測值超過上限時顯示上限值)，嚴重污染持續到28日09:00，AQI爆表狀態持續12 h。PM2.5、PM10均呈現單峰型變化趨勢，但出現峰值時間不一致。3月27日21:00，PM10、PM2.5開始明顯升高，PM2.5峰值出現在22:00，為1 062 μg·m-3，本時段PM10增長速率遠大于PM2.5，且還在繼續增大，28日01:00出現峰值，為5 037 μg·m-3，隨后開始明顯下降。從平均風速來看，27日15:00之后風速開始增大，22:00達到最大值，為15.6 m·s-1，結合RH和最小能見度可知，20:00下降最為明顯，且21:00均降到最小值。28日凌晨開始，隨著近地面風力減弱，大氣污染邊界層開始抬升，污染物擴散條件轉好，使得污染物發生沉降，此次強沙塵暴污染逐漸趨于結束。此次強沙塵暴造成的污染，主要以粗粒子為主。

圖1 呼和浩特市PM2.5、PM10、AQI

2.2 天氣形勢分析

沙塵爆發前，2021年3月27日08：00高空圖上顯示，貝加爾湖東側有明顯的高空槽，槽后為偏北風，風速最大可達28 m·s-1，配合有明顯的冷溫槽，有冷空氣的配合，且冷溫槽落后于高空槽，使低槽進一步發展加強；地面氣壓場為明顯的東低西高，冷高壓中心強度為1 027.5 hPa，低壓中心強度為995 hPa，在高低壓之間有明顯的冷鋒位于貝加爾湖—蒙古中部—內蒙古西部，鋒面附近氣壓梯度力較大。3月27日20：00低槽發展至蒙古東部—內蒙古中部，溫度槽仍落后于高空槽，呼和浩特市位于高空槽前偏西氣流中(圖2a)；700 hPa低渦已經移至內蒙古東部，河套地區處于低槽控制區，槽后西北氣流較強，最大風速達28 m·s-1，并且有明顯的冷溫槽與低槽配合，風向與等溫線存在明顯的夾角，700 hPa呼和浩特市由西南風轉為西北偏西風控制(圖2b)。

隨著高空槽攜帶冷空氣逐漸東移加深，冷高壓逐漸發展，3月27日20：00冷鋒位于內蒙古河套地區(圖2c)，鋒后冷空氣攜帶大量沙塵，呼和浩特地區自北向南逐漸出現沙塵暴天氣。28日08:00的500 hPa高空圖上，高空槽移至內蒙古東部，呼和浩特市轉為西北氣流控制；地面圖上，呼和浩特市位于高壓底前部，隨著高壓東移，28日11：00呼和浩特市等壓線變得稀疏(圖2d)，風力減弱，重污染天氣好轉。

圖2 2021年3月27日20:00(a)500 hPa、700 hPa(b)高空圖，3月27日20：00(c)、3月28日11：00(d)地面圖

2.3 后向軌跡分析

通過HYSPLIT對此次沙塵污染過程進行軌跡分析，選取空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6 h的GDAS數據，以呼和浩特市(40.82°N，111.68°E)為參考點，選取高度100 m、500 m、1 000 m共三個高度，分別計算后向48 h的氣團逐6 h軌跡，追蹤到達呼和浩特的氣團過去48 h的軌跡，用于分析不同高度的污染物來源。2021年3月28日08：00后向軌跡可知(見圖3)，三個高度路徑一致，27日白天冷空氣團高度明顯下降，此次冷氣團來自貝加爾湖以西地區經偏北氣流途經蒙古進入呼和浩特市，傳輸路徑為偏北路徑，而沙塵污染源來自蒙古國。

圖3 2021年3月28日08：00后向軌跡分析(橫坐標為UTC時間)

由圖3可知，HYSPLIT模擬結果與圖1中污染物變化結果相一致，可見此次區域性沙塵污染，呼和浩特地區受冷鋒影響，邊界層迅速下降使得高空沙塵氣溶膠發生沉降到達近地面。最初沙塵源來自蒙古國。

3 結論

2021年3月27日—28日呼和浩特大部地區均出現了強沙塵暴天氣，清水河縣為沙塵暴，其中呼和浩特市市區南部最小能見度降至323 m。呼和浩特市AQI呈現出良—嚴重污染—良的變化趨勢，AQI爆表狀態持續12 h。PM2.5、PM10均呈現單峰型變化趨勢， PM2.5峰值出現在22：00，為1 062 μg·m-3，PM10于28日01：00出現峰值，為5 037 μg·m-3。此次強沙塵暴造成的污染，主要以粗粒子為主。

此次沙塵暴主要受地面冷鋒以及高空槽共同影響。鋒后冷空氣攜帶大量沙塵，在冷鋒過境的同時污染邊界層下降，造成沙塵沉降，使得呼和浩特地區發生強沙塵暴天氣。

通過后向軌跡分析可知，2021年3月27日白天冷空氣團高度明顯下降，此次冷氣團來自貝加爾湖以西地區經偏北氣流途經蒙古進入呼和浩特市，傳輸路徑為偏北路徑，而沙塵污染源來自蒙古國。