2021年京津冀地區一次典型回流沙塵天氣多元資料分析

王鶴婷

（廊坊市氣象局 河北，廊坊 065600）

沙塵是引起城市居民呼吸道感染的重要災害天氣之一，它不僅僅不利于交通出行，還通過遠距離傳輸對全球及區域大氣環境與氣候變化產生顯著影響，是一種需要在全球尺度上思考和理解的災害性天氣。沙塵天氣問題目前已成為全球關注的重要環境問題之一，因此提高沙塵天氣的預報預警能力具有重要意義。

隨著科技的發展，許多氣象工作者針對沙塵天氣的中小尺度動力學特征進行了深入分析。研究表明，水平螺旋度可用于沙塵天氣預報及分析研究：水平螺旋度負值中心值越大，輻合上升運動越強，風速越大，對應沙塵暴的強度就越強。蒙古氣旋是京津冀地區沙塵天氣的重要影響系統，其后部高位勢渦度擾動的下傳，是引起蒙古氣旋快速發展從而導致大范圍沙塵暴爆發的重要因素。在沙塵預警監測方面，許多新型觀測資料被投入使用。CALIPSO星載激光雷達結合了激光雷達的獨特優勢和衛星高軌道、覆蓋范圍大等特點，被用于探究遠程沙塵輸送過程的垂直分布特征和粒子大小。HYSPLIT模式包含較為完整的沉降、擴散和傳輸模式，也是研究沙塵傳輸、沉降以及回流機制的重要手段[1-8]。

近來，沙塵回流引起了大家的廣泛關注。沙塵回流是指主體沙塵已大規模移出影響區域后，受系統性偏南風的影響，部分沙塵卷土重來，造成能見度再次降低的天氣過程。盡管沙塵氣溶膠已經部分沉降，回流階段能見度普遍在5～10km，該階段的危害仍然不容忽視。研究表明，回流沙塵可裹挾南部的細顆粒和氣態污染物輸送從而發生累積和二次轉化，導致PM2.5明顯升高，帶來環境的二次污染。沙塵氣溶膠在大氣中長時間的存在和輸送對氣候效應也會產生不利影響。因此沙塵回流的預報預警不容忽視。

然而目前針對沙塵回流的研究主要集中在環境污染方面，利用高分辨率觀測資料分析沙塵回流的物理量演變特征和預報指標類研究相對較少。沙塵回流的影響范圍及持續時間的預報仍存在一定難度。本文以京津冀地區2021 年3 月發生的一次典型沙塵回流天氣過程為例，利用常規觀測資料和CALIPSO、HYSPLIT 軌跡模式等多源高分辨率資料，著重分析沙塵回流階段的傳輸高度、傳輸路徑以及各項物理量特征，以期更好地提供該類沙塵天氣的精細化預報。

1 資料與方法

2021年3月28～30日京津冀地區發生了一次高強度的持續性沙塵天氣過程，本次過程持續時間長是由于前后受到兩次沙塵過程相繼影響。過程前期沙源來自蒙古國，并由高空西北急流輸送到華北地區。之后隨著環流形勢的轉變，“南高北低”的回流輸送帶來第二階段的浮塵天氣。本文利用常規觀測資料、CALIPSO 衛星資料、HYSPLIT軌跡模式、ERA5再分析資料針對前后兩次沙塵過程的環流形勢、動力特征及傳輸機制進行對比分析，以期更好地認識沙塵各階段尤其是回流階段的傳輸機制和物理量的演變特征，降低回流沙塵的漏報率。

1.1 CALIPSO衛星數據

CALIPSO隸屬美國國家航空航天局，為A-Train系列衛星之一，于2006 年4 月28 日成功發射，運行高度為705km。通過氣溶膠正交偏振激光雷達獲得532nm 和1064nm的消光后向散射系數。我們可以利用其積分消光后向散射、退偏比、氣溶膠類型、氣溶膠層頂和層底高度等參數來分辨大氣中呈非球形粒子的沙塵，獲得高分辨率的氣溶膠垂直分布特征。本文主要是應用CALIPSO的Leve 1B 中532nm 的總消光系數和顆粒的垂直分布信息，水平分辨率為333m，垂直分辨率為30m。

1.2 ERA5再分析資料

本文水平風速和垂直風速的剖面圖資料、相對渦度、位勢渦度均來源于ERA5再分析資料，水平螺旋度數據由ERA5 逐小時再分析資料計算得來。ERA5 是由ECMWF模式預報的四維同化數據和CY41R2 模型預報產生的綜合性再分析數據，它在上層大氣和近地表盡可能的同化了很多的觀測數據，支持1979 年至今的逐小時地面和高空的風場（m·s-1）、散度（s-1）、相對濕度（%）、溫度（K）等數據，水平分辨率為0.25°×0.25°。該資料經過嚴格的數據同化處理，連續性好且分辨率高，氣象要素豐富，是目前全球最好的再分析資料之一。本文采用的是歐洲中期天氣預報中心提供的2021 年3 月27～30 日時段、空間0.25°×0.25°網格分辨率，逐小時分析資料。

1.3 HYSPLIT后向軌跡模式及資料

HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）研發的一種可模擬空氣塊軌跡，污染物擴散和沉降，并且包含沙塵起沙模塊的軌跡模式。它具有良好的兼容性和可靠性，在沙塵類天氣的預報研究中得到廣泛應用。

1.4 水平螺旋度

水平螺旋度是螺旋度在水平方向的分量，可以代表系統在水平方向的旋轉程度和沿著旋轉方向的運動速度。人們通常所說的螺旋度為局地或單位體積的螺旋度h，定義為h=V·?×V。采用相對渦度矢量代替絕對渦度矢量，在p坐標系中的完全螺旋度定義為：

式中：ω為p 坐標下的垂直速度、u ν為水平方向的速度。則水平方向的螺旋度為：

2 結果與討論

2.1 沙塵過程概況

3 月27日，蒙古氣旋在貝加爾湖以南的蒙古國發展強盛，中心氣壓降至995hPa以下。此時，在我國的新疆北部有冷高壓與之對峙，形成了‘西北高、東南低’的地面環流形勢，高低壓中間的氣壓梯度十分密集，形成大范圍的大風天氣。由于蒙古國前期地面回暖，氣溫偏高，長期干旱，植被稀疏，土質疏松，土壤裸露。大量沙塵被大風鏟起輸送到高空。在高空急流的有利輸送下，大量沙塵隨著氣旋后部的冷高壓東移南下，席卷京津冀地區，出現大范圍沙塵天氣，局地能見度不足500m，達到了強沙塵暴的量級。過程后期，隨著冷高壓不斷南移，在“南高北低”的形勢下，北京及其周邊地區風向由偏北風轉為偏南風，使部分沙塵再次影響京津冀地區，帶來沙塵回流天氣，能見度降至10km以下，為浮塵天氣。

2.2 沙塵源地及其傳輸特征

為了驗證本次過程不同階段的沙塵輸送路徑和沙塵源地，并得出相應的傳輸高度和預報著眼點，本文利用HYSPLIT軌跡模擬的方法來考察該過程沙塵的實時傳送路徑（見圖1）。

2.2.1 HYSPLIT后向軌跡

在正面傳輸階段，我們選取沙塵濃度最高，AQI 指數“爆表”且能見度最低的28 日12 時作為后向軌跡模擬的起始時間，并以具有代表性的北京大興為起始點，選擇850hPa、700hPa、500hPa 高度進行逐6h 后向軌跡模擬：從圖1可以看出，沙塵源地為蒙古國的曼達勒戈壁，其移動路徑與冷鋒南下路徑一致，為西北路。從氣團的垂直分布情況來看，27日沙塵在源地被大風鏟起，在不穩定層結下，沙塵分布的高度高達3500m 以上，隨著向南輸送，沙塵氣溶膠有所沉降，傳輸高度主要集中在2～3km。

圖1 2021年3月28日12：00(BJT)（a）、2021年3月29日18：00（BJT）HYSPLIT后向軌跡（b）

針對回流輸送階段，我們同樣選取該階段沙塵天氣最強的時間段作為起始時間進行后向軌跡模擬：以29 日18時為起始時間，選擇850hPa、925hPa、1000hPa高度進行逐6h 后向軌跡模擬，從圖中可以看出，29 日沙塵的傳輸方向轉為由西南向東北，沙源為28 日向南傳輸至河北省南部的部分沙塵，對應沙塵的回流階段，且沙塵傳輸高度在700hPa及其以下。

2.2.2 CALIPSO 衛星觀測 CALIPSO 星載激光雷達具有主動探測和精準快速的優勢，可以探測到氣溶膠和大氣分子等直徑較小的微粒，尤其對不規則形狀的沙塵粒子有更加準確的高分辨識別能力。下面我們采用CALIPSO星載激光雷達資料來進行補充分析。

2021 年3 月28 日13:00（BJT）前后，CALIPSO 軌跡經過京津冀地區，上述地區觀測有強沙塵暴天氣和揚沙，由532nm總消光系數圖可以分析得出，在39.0°N附近有一接近1×10-1量級的總后向散射系數高值帶（不同顏色代表消光系數的強弱，圖略），分布高度主要在3km。為了進一步獲得該高值帶的氣溶膠分布類型，結合CALIPSO 自帶的VFM產品進行分析，圖中黃色區域為沙塵型氣溶膠，棕色為霾。分析得出，京津冀地區為沙塵型氣溶膠，分布在3km附近及以下。沙塵的傳輸高度主要在700hPa高度及以下。這是由于在傳輸過程中伴有沉降，到達京津冀地區后分布高度沉降至3～4km，與前文HYSPLIT 后向軌跡分析結果一致。

2021 年3 月29 日14：00（BJT）前后，CALIPSO 軌跡經過北京及周邊地區，上述地區觀測有浮塵。該階段的消光系數與前一階段相比，明顯小了一個量級，大致為1×10-2量級。結合同一時次的VFM產品來看，該階段同樣為沙塵型氣溶膠，但其顆粒要小一些，分布高度在1～3km附近，與HYSPLIT后向軌跡模擬結果一致，均表明沙塵的回流階段以低空傳輸高度為主。結合T-lnP圖（圖略）可知，北京建立了較為深厚的西南風，且1000hPa附近存在有逆溫，氣象條件不利于沙塵沉降，使沙塵彌漫在空中，在低空西南風的輸送下再次影響北京地區（見圖2）。

圖2 2021年3月28日(a)、2021年3月29 日(b) CALIPSO 星載激光雷達監測的大氣氣溶膠類型及其垂直分布

2.4 物理量演變特征

2.4.1 水平螺旋度演變特征 京津冀地區影響范圍較大的沙塵暴天氣過程其沙源均在境外，即外源型。沙塵源地主要位于蒙古國境內以及我國的渾善達克沙地的西北部邊緣、內蒙古中西部、河套以西的沙漠、荒漠化地區以及干旱、半干旱地區廣大的農業開墾區。京津冀地區沙塵天氣的預報著眼點在于沙塵的傳輸機制。

水平螺旋度可以體現影響沙塵輸送的中小尺度系統特征，對沙塵預報工作有良好的指示意義。研究表明，水平螺旋度負值中心與下游沙塵暴發生區有良好的對應關系，螺旋度對于冷鋒型沙塵暴的預報準確率較高，特別是6h內的強沙塵暴天氣過程準確率達93.3%。沙塵的傳輸高度集中在5km以下，而500hPa以上的高層水平螺旋度多為正值，抵消了低空水平螺旋度的負值大小，因此500hPa以下水平螺旋度的積分對于沙塵的傳輸更具有代表性。

本次過程屬于冷鋒型沙塵天氣類型，選取500hPa 以下水平螺旋度的垂直積分來驗證其可預報性。從水平螺旋度的分布情況來看，3 月28 日08：00（京津冀地區強沙塵天氣發生前6h），北京及其周邊地區已經出現水平螺旋度的負值中心，局地小于-300m2·s-2。28日夜間隨著水平螺旋度由負轉正，能見度逐漸轉好，京津冀地區進入了沙塵的間歇期。水平螺旋度的負值中心向西南移動到河北省南部地區，與該階段沙塵主體移動方向一致，29 日08：00 水平螺旋度的負值中心位于保定附近，并再次向東北方向移動，同樣比沙塵回流階段開始時間早約6h。

上述結果表明，在本次過程中，水平螺旋度負值中心對于沙塵天氣的發生發展的確具有良好的指示意義，這是由于較強的負水平螺旋度中心常常與正的3h變壓中心相伴。螺旋度的負值中心，未來6h 會發生沙塵天氣。并且水平螺旋度的絕對值越大，則未來發生的沙塵天氣越強烈，能見度越低。此外在大范圍沙塵天氣過程結束后，螺旋度如果再次轉為負值可以作為回流沙塵的預報因子之一（見圖3）。

圖3 2021年3月28日02：00（BJT）（a）、2021年3月28日23：00水平螺旋度分布圖（b）、2021年3月29日08：00（BJT）（c）、2021年3月29日14：00水平螺旋度分布圖（d）

2.4.2 相對渦度演變特征 有研究證明，相對渦度的不對稱結構建立與沙塵暴的發生發展有著密切的聯系，相對渦度不對稱結構最強階段，也對應著沙塵暴發展最強階段，但早于沙塵暴范圍達到最大的時刻，隨著渦度不對稱結構的減弱沙塵暴的強度和范圍也逐漸減弱。大氣的干濕斜壓性及風垂直切變的增長可以導致系統氣旋性垂直渦度的激烈發展，傾斜渦度的發展必然伴有低空急流存在（見圖4）。

圖4 2021年3月28日08：00（BJT）沿著116.5°E相對渦度分布圖（a）、2021年3月29日20：00（BJT）沿著116.5°E相對渦度分布圖（b）

根據沙塵的發生區域，沿著116.5°E 對相對渦度進行剖面分析，如圖5a。2021 年3 月28 日08：00，從圖中可以看到相對渦度具有明顯的不對稱性，北部以正渦度為主，南部以負渦度為主，這對應著冷暖空氣對峙。在41°N附近高層有明顯的氣旋性渦度柱，底層為負渦度中心，為中小尺度系統發展的旺盛階段。3月29日20：00，從圖7b中可以看出，氣旋性渦度的負值中心明顯南移，與冷空氣移動路徑一致，但40°N 附近同樣存在一對正負渦度對，不同之處在于垂直分布情況由“上正下負”轉為“上負下正”。且正負渦度中心的值較前一階段小的多。上述結果表明，本次過程中相對渦度的不對稱性可以作為沙塵的預報因素之一，且強沙塵階段為“上正下負”，回流階段轉為“上負下正”。

2.4.3 位勢渦度演變特征 位勢渦度是表示氣塊熱力和動力特征的物理量，它將動力和熱力兩種不穩定機制有機結合在一起。高位勢渦度區對應氣旋環流，低位勢渦度區對應反氣旋環流：對流層高層的高值位勢渦度擾動向下伸展時，在對流層低層及地面的斜壓區會激發出氣旋。下面對本次過程的位勢渦度特征進行分析。

根據沙塵的落區，選取105.0°E進行剖面分析，可以看到在沙源地起沙階段（2021 年3 月27 日14：00）北緯50°附近已有高位勢渦度下傳，呈漏斗狀分布。在沙塵回流階段，如圖8b，高空位勢渦度下傳不明顯，但低空的位勢渦度值由負轉正，大小與高空高位勢渦度值接近。上述分析表明，本次過程高值位勢渦度擾動向下伸展對于沙塵源地起沙有預示作用。這是由于高位勢渦度下傳有利于蒙古氣旋的發生發展，而蒙古氣旋是正面傳輸階段的主要影響系統之一，蒙古氣旋越強則對應沙源地沙塵暴濃度越高，對下游地區的影響越大。而回流階段，地面的位勢渦度較大則是因為地面動力特征較強，有利于將南部的沙塵向北輸送（見圖5）。

圖5 2021年3月27日14：00（BJT）沿著105°E位勢渦度分布圖（a）、2021年3月29日20：00（BJT）沿著105°E位勢渦度分布圖（b）

上述對水平螺旋度、相對渦度及位勢渦度的分析表明，第二階段沙塵是第一階段的延續，兩階段中沙塵的強度與水平螺旋度負值中心的大小、相對渦度的不對稱性和位勢渦度下傳有關，且水平螺旋度負值中心的移動與沙塵路徑基本一致。沙塵回流的預報著眼點在于地面環流形勢的快速轉變，逆溫層結的存在，地面轉為高位勢渦度，相對渦度的不對稱性以及水平螺旋度由正轉負。

3 問題與討論

（1）本次過程前期沙塵濃度大（局地能見度不足1km），是由蒙古氣旋配合地面冷鋒引起的強沙塵天氣，沙塵配合有強西北風、后期沙塵回流階段濃度較低（能見度普遍在5km 以上）、地面轉為“南高北低”環流形勢，風向轉為西南風，風速在4～6m/s左右。

（2）由HYSPLIT 后向軌跡模型和CALIPSO 衛星觀測資料可知過程前期強沙塵階段，沙源地為蒙古國，沙塵傳輸高度在500hPa附近，為西北路徑，并且在傳輸過程中隨著沙塵沉降，傳輸高度降低至3～4km。回流階段沙源為傳輸至河北省南部的部分沙塵，傳輸高度較低，在3km及以下，且顆粒物直徑較小。

（3）兩階段中，水平螺旋度的負值中心均對沙塵的發生有6h 的提前預報指示意義，且強沙塵階段水平螺旋度的絕對值較大，水平螺旋度的分布情況對于沙塵的預報有良好的指示意義，水平螺旋度的負值中心在6h 之后將發生沙塵天氣，且水平螺旋度的絕對值大小與沙塵強度呈正相關。

（4）高值位勢渦度擾動向下伸展對強沙塵暴階段有良好的指示意義，回流階段近地面轉為正位勢渦度。

（5）沙塵回流階段在沙塵落區附近有一對明顯的正負渦度對，相對渦度的不對稱性與沙塵的濃度呈正相關。

（6）本文對回流的動力機理等分析仍不夠深入，在今后的沙塵天氣過程預報預警和總結分析中還應用其他回流過程對此進行驗證，加強對京津冀地區沙塵回流天氣的分析。