2021 年3 月廣西一次罕見浮塵天氣成因分析

王義耕，麥博儒，和凌紅，陳 丹，劉曉梅，姚勝芳

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣州 510640；3.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，南寧 530028；4.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧530022 ）

沙塵暴是發(fā)生在干旱、半干旱、沙漠及其鄰近地區(qū)強(qiáng)烈的沙塵天氣，主要分布在我國北方地區(qū)，西北地區(qū)最為突出，呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域性特征。春季是我國沙塵暴出現(xiàn)頻率最高、范圍最大的季節(jié)，呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性特征［1-3］。中國學(xué)者針對(duì)沙塵暴的研究已有很多，也取得較大進(jìn)展［4-7］，但對(duì)浮塵的研究相對(duì)較少。孟露等［8］分析塔里木盆地近30 a 浮塵天氣時(shí)間和空間變化特征、持續(xù)浮塵天氣的頻次分布，以及塔里木盆地獨(dú)特的持續(xù)浮塵滯空區(qū)域氣候特征；張迎新等［9］對(duì)2017 年京津冀地區(qū)出現(xiàn)的一次持續(xù)較長時(shí)間的浮塵天氣，從氣象條件方面分析其成因及維持機(jī)制；褚金花等［10］分析蘭州市春季一次連續(xù)浮塵天氣過程的大氣環(huán)流特征、發(fā)生機(jī)制及其造成的空氣污染狀況，指出蘭州地處黃河河谷盆地，極易出現(xiàn)逆溫和靜風(fēng)現(xiàn)象，不利于大氣污染物在垂直和水平方向上的擴(kuò)散，是造成浮塵天氣長時(shí)間維持的主要原因；馬井會(huì)等［11］初步研究一次上海連續(xù)浮塵過程的傳輸特征和形成的主要原因。

目前，浮塵天氣的主要研究工作是針對(duì)其形成原因及沙塵來源開展的，研究個(gè)例多數(shù)發(fā)生在北方，南方的研究個(gè)例相對(duì)較少。廣西地處華南，南臨北部灣，遠(yuǎn)離沙源地，很少出現(xiàn)浮塵天氣，但2021 年3 月22—24 日，廣西境內(nèi)自北向南、從內(nèi)陸到沿海出現(xiàn)近30 a 最強(qiáng)的浮塵天氣過程，其中原因值得深入探討。中央氣象臺(tái)的沙塵暴數(shù)值預(yù)報(bào)模式（CUACE—Dust）預(yù)報(bào)此次浮塵南界僅僅到達(dá)湖南北部，漏報(bào)湖南中南部、貴州南部和廣西境內(nèi)浮塵天氣，廣西這次浮塵天氣預(yù)報(bào)難度極大，因此有必要分析其形成原因、傳播過程及維持機(jī)制。本文從這次浮塵天氣發(fā)生的前期氣候背景和天氣形勢(shì)、中低層風(fēng)場(chǎng)特征、浮塵區(qū)域輸送、環(huán)境觀測(cè)資料、氣象探測(cè)資料等多個(gè)方面，對(duì)此次過程進(jìn)行系統(tǒng)全面分析，以期得到本地浮塵天氣發(fā)生規(guī)律、形成機(jī)理、預(yù)報(bào)思路和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，為廣西浮塵天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警和防控減排提供參考。

1 資料與方法

PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)（https:／ ／air.cnemc.cn:18007）；氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心提供的地面臺(tái)站常規(guī)氣象觀測(cè)資料（風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、降水量），溫度對(duì)數(shù)壓力圖來自中國氣象局CMA—Cast 信息系統(tǒng)下發(fā)的MICAPS資料；高空及地面天氣圖使用美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國國家大氣研究中心（NCEP／NCAR）再分析資料（空間分辨率2.5°×2.5°，時(shí)間分辨率6 h，垂直17 層）。

HYSPLIT-4 模型是由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型［12］。該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、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(kuò)散和沉降模式，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中。模型所用數(shù)據(jù)是NCEP 的GDAS 資料，空間分辨率為1°×1°。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮塵天氣過程實(shí)況

受較強(qiáng)冷空氣影響，2021 年3 月22—24 日，廣西出現(xiàn)一次罕見的大范圍長時(shí)間浮塵天氣過程，這次浮塵天氣過程具有范圍廣、時(shí)間長、濃度高、影響大等特點(diǎn)。廣西14 個(gè)地級(jí)市中10 個(gè)地級(jí)市出現(xiàn)了浮塵污染天氣，以PM10為首要污染物的區(qū)域大氣污染過程明顯，另外4 個(gè)地級(jí)市PM10濃度也較高。在廣西境內(nèi)，與850 hPa、925 hPa 的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向（都吹東北風(fēng)）一致，浮塵整體呈自東北向西南移動(dòng)趨勢(shì)，在浮塵傳播主路徑上的城市都出現(xiàn)了浮塵污染。此次過程從3 月22 日到24 日，達(dá)3 d 之久，其中柳州、河池、來賓和百色連續(xù)3 d，南寧連續(xù)2 d，桂林、貴港、崇左、防城港和欽州各1 d，累計(jì)出現(xiàn)19 城次的污染天。污染最重的河池22 日AQI 達(dá)142，PM10日平均濃度達(dá)233 μg·m-3，PM10小時(shí)濃度峰值出現(xiàn)在桂林22 日中午12 時(shí)達(dá)296 μg·m-3，達(dá)到中度污染。廣西境內(nèi)出現(xiàn)近30a 最強(qiáng)浮塵天氣過程，造成空氣質(zhì)量惡化、能見度下降，對(duì)交通出行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康造成不利影響，引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注。在這次罕見的大范圍長時(shí)間浮塵天氣過程中，浮塵在廣西境內(nèi)整體呈自東北向西南、從內(nèi)陸到沿海移動(dòng)趨勢(shì)，由于桂東地區(qū)不在浮塵傳播主要路徑上，賀州、梧州、玉林和北海4 個(gè)城市浮塵影響稍小，沒有出現(xiàn)浮塵污染天氣。

2.2 氣候背景和天氣形勢(shì)

2.2.1 前期氣候背景分析

從3 月前半月北方地區(qū)氣溫距平實(shí)況圖和北方地區(qū)降水距平百分率圖看，這次揚(yáng)沙過程沙源地（見第4 節(jié)傳輸過程的后向軌跡分析）內(nèi)蒙古阿拉善高原和甘肅河西走廊等地與常年同期相比氣溫偏高4～6 ℃以上，降水普遍偏少80% 以上，大部分地區(qū)降水少于10 mm，甚至無降水，地表基本無積雪覆蓋。在阿拉善高原和河西走廊地區(qū)分布著大片的沙漠、荒漠、沙地和戈壁，沙源充足，加上前期干燥少雨，氣溫明顯偏高，降水顯著偏少，春季植被較少，地表逐漸解凍，干土層厚，土壤表層干燥疏松，沙粒裸露在地表，易于起沙。富含沙塵源的下墊面為沙塵天氣的出現(xiàn)提供很好的物質(zhì)條件。前期低層偏暖，不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，為沙塵天氣的出現(xiàn)提供良好的局地?zé)崃l件。3 月19—20 日，受較強(qiáng)的蒙古冷高壓東移南下的影響，我國西北大部地區(qū)出現(xiàn)5～6 級(jí)持續(xù)大風(fēng)，陣風(fēng)達(dá)到7～8 級(jí)，為這次沙塵天氣的發(fā)生提供非常好的動(dòng)力條件。

甘肅河西走廊呈西北-東南向，長度大約1 100 km，當(dāng)冷空氣經(jīng)過時(shí)，由于河西走廊地形的狹管效應(yīng)，使風(fēng)力明顯加大。強(qiáng)風(fēng)是沙塵發(fā)生的動(dòng)力條件，也是沙塵能夠長距離輸送的動(dòng)力保證。在河西走廊形成風(fēng)沙，途經(jīng)阿拉善高原的巴丹吉林和騰格里沙漠，卷起更多的沙塵，在東移南壓過程中，在賀蘭山北面山前受阻堆積，冷鋒受山脈阻擋作用，坡度變陡，當(dāng)冷空氣堆積到一定厚度，一部分冷空氣翻越賀蘭山向銀川盆地俯沖，由于冷空氣迅速下沉，鋒面坡度急劇減小，大量空氣下滑勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，地面風(fēng)速增大。地形俯沖作用造成下滑效應(yīng)，加之冷鋒前高溫，促使在銀川盆地形成強(qiáng)烈輻合上升運(yùn)動(dòng)，氣壓和溫度的梯度進(jìn)一步加大，促使揚(yáng)沙天氣進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.2.2 天氣形勢(shì)分析

從3 月18 日20 時(shí)中國地區(qū)500 hPa 環(huán)流形勢(shì)（圖1a）來看，高空槽位于新疆東部，且溫度槽稍落后于高度槽，該槽將東移發(fā)展，我國華北和東北地區(qū)為高壓脊控制，高原南支槽多波動(dòng)活動(dòng)，西太平洋副熱帶高壓主體位于南海上。從3 月18 日20 時(shí)中國地區(qū)地面氣壓場(chǎng)（圖1b）來看，冷高壓中心位于新疆北部，冷高壓強(qiáng)度大（1 050 hPa），冷鋒前低壓中心位于青海北部，中心值為1 000 hPa，高低中心氣壓差到達(dá)50 hPa 以上，等壓線密集，地面氣壓梯度大。高低壓中心之間等壓線密集區(qū)正是位于高空槽前的沙源地阿拉善高原沙漠及河西走廊戈壁地區(qū)，強(qiáng)大的氣壓梯度導(dǎo)致沙源地產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，槽前上升氣流將地面的沙塵卷至高空，并隨高空風(fēng)向下游傳輸，加大了沙塵的影響范圍。

圖1 500 hPa 高度場(chǎng)（黑實(shí)線）和溫度場(chǎng)（紅虛線）（a）、地面氣壓場(chǎng)（b）

根據(jù)位勢(shì)傾向方程［13］

（等式左邊是位勢(shì)傾向的三維拉普拉斯項(xiàng)，等式右邊第一項(xiàng)是地轉(zhuǎn)風(fēng)的絕對(duì)渦度平流項(xiàng)，等式右邊第二項(xiàng)是溫度平流隨高度的變化項(xiàng)）

槽后冷平流使槽加深發(fā)展、引導(dǎo)冷空氣快速南下，槽前正渦度平流使鋒前熱低壓發(fā)展。地面冷鋒前后氣壓梯度、變壓梯度和溫度梯度都很大，日間地表升溫快，造成中低空干絕熱不穩(wěn)定層結(jié)，強(qiáng)冷平流、強(qiáng)氣壓梯度以及高空急流造成的動(dòng)量下傳等共同作用，使得該地區(qū)出現(xiàn)西北大風(fēng)，平均風(fēng)力普遍達(dá)到5～6 級(jí)，陣風(fēng)7～8 級(jí)，大風(fēng)將地面沙塵吹起揚(yáng)向空中，迅速加大空氣中沙塵含量，由于大氣的不穩(wěn)定，沙塵快速卷至高空，并隨著高低空上下一致的西北氣流向東向南輸送。而近地面層形成的局地干絕熱不穩(wěn)定，同時(shí)有利于造成強(qiáng)的湍流感熱通量，這對(duì)沙漠地區(qū)局地性沙塵暴的產(chǎn)生和加強(qiáng)起著重要作用［14］。

2.3 浮塵傳輸過程分析

廣西地處華南，遠(yuǎn)離沙源地，自然生態(tài)環(huán)境良好，境內(nèi)植被茂盛、草原綜合植被蓋度為82.8%，森林茂密，森林覆蓋率達(dá)62.5%，居全國第3 位，因此，極少由本地形成如此嚴(yán)重的大范圍高濃度PM10空氣污染。為了分析本次沙塵的來源，利用美國國家海洋及大氣管理局（NOAA）的HYSPLIT 模型做河池市觀測(cè)點(diǎn)后向軌跡分析，沙塵氣團(tuán)的經(jīng)緯度選定污染最重的河池觀測(cè)點(diǎn)（108.28°E，25.20°N），沙塵氣團(tuán)的時(shí)間選定廣西境內(nèi)浮塵濃度大幅上升的北京時(shí)間3 月22 日08 時(shí)，沙塵氣團(tuán)后向軌跡的起始點(diǎn)分別設(shè)為海拔1 500 m、1 000 m 和500 m，對(duì)應(yīng)于采樣點(diǎn)大氣高層、中層和低層，分別從3 個(gè)高度進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)后向72 h 軌跡追蹤。到達(dá)河池72 h 后向軌跡模型顯示，距地面1 500 m、1 000 m 和500 m 的污染氣團(tuán)高起低落來自內(nèi)蒙古西部的阿拉善高原和甘肅西北部的河西走廊。周自江等［15］利用1954—2000 年中國大陸681 個(gè)站的觀測(cè)資料，分析近47 a 我國沙塵暴的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)塔里木盆地及其周圍地區(qū)、阿拉善高原及相鄰的河西走廊東北部是我國沙塵暴的兩大高頻中心。此次過程沙塵源地正是來自我國沙塵暴高發(fā)中心的阿拉善高原及相鄰的河西走廊。

3 月22 日08 時(shí)河池市的72 h 后向軌跡中，前24 h，因高空風(fēng)力大（風(fēng)速達(dá)到30 m·s-1），裹著沙塵的空氣沿途逗留時(shí)間短，傳輸快，向東南長驅(qū)直入，直撲陜甘寧地區(qū)、華北南部，造成甘肅、寧夏、陜西、山西、河北大部分地區(qū)出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣；中間36 h，沙塵氣團(tuán)進(jìn)一步向南傳輸，但速度逐漸減慢，影響華中地區(qū)，河南、湖北、湖南出現(xiàn)大面積的揚(yáng)沙或浮塵天氣；后12 h，隨著中低層上下一致的挾卷沙塵的東北氣流向西南地區(qū)南部和華南地區(qū)西部繼續(xù)擴(kuò)散，貴州南部和廣西北部地區(qū)出現(xiàn)浮塵天氣。浮塵隨著強(qiáng)冷空氣先自西向東、后自北向南先后影響到我國西北地區(qū)、華北南部、華中地區(qū)和華南西部，導(dǎo)致廣西出現(xiàn)近30 a 最強(qiáng)的浮塵天氣，浮塵天氣在廣西境內(nèi)整體呈自北向南、從內(nèi)陸到沿海移動(dòng)趨勢(shì)。在浮塵自北向南高空傳輸過程中，由于傳輸距離長，在重力沉降作用下，PM10濃度逐漸下降，強(qiáng)度逐漸減弱。

2.4 浮塵天氣長時(shí)間維持原因

3 月22—24 日，浮塵天氣過程在廣西境內(nèi)滯留長達(dá)3 d 之久，歷史罕見。浮塵天氣能夠長時(shí)間的維持與本地的氣象要素密切相關(guān)，以這次污染最重的河池市為代表站來分析。圖2 是3 月22 日20 時(shí)河池站探空曲線圖，圖中狀態(tài)曲線位于層結(jié)曲線左邊，對(duì)流有效位能為負(fù)值，整層大氣穩(wěn)定，對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)起抑制作用，減弱大氣擴(kuò)散稀解釋能力，有利于污染物累積，上游輸送的沙塵一旦進(jìn)入該區(qū)域，不易擴(kuò)散出去。800 hPa 以下溫度露點(diǎn)差較大，表明對(duì)流層的中下層空氣干燥。統(tǒng)計(jì)地面氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)浮塵污染的城市地面日平均相對(duì)濕度在45.8%～72.5%之間，絕大多數(shù)在70.0%以下，相對(duì)濕度小不利于浮塵顆粒物重力沉降到地面，長時(shí)間滯留在空氣中，形成浮塵污染天氣。從圖中可以看出850 hPa 和700 hPa 之間有深厚逆溫層，當(dāng)高空出現(xiàn)逆溫層時(shí)，會(huì)阻礙空氣對(duì)流活動(dòng)，進(jìn)而使逆溫層像頂蓋一樣抑制污染物的湍流輸送［16］。各地上空逆溫層的高度在850 hPa 附近，逆溫層阻擋低層空氣的上升運(yùn)動(dòng)，不利于上下層空氣交換，抑制湍流混合，污染物垂直擴(kuò)散能力降低，造成沙塵污染物聚集在850 hPa 以下，從而使浮塵天氣得以持續(xù)。

圖2 3 月22 日20 時(shí)河池站探空曲線

3 月22 日，上游地區(qū)浮塵向廣西境內(nèi)輸送時(shí)段，廣西境內(nèi)大部有3～4 級(jí)東北風(fēng)，陣風(fēng)可達(dá)5～6級(jí)，地面風(fēng)速較大，較大的風(fēng)速有利于上游地區(qū)沙塵源源不斷地向廣西境內(nèi)輸送，形成浮塵天氣。23 日，冷空氣主體出海，進(jìn)入北部灣，陸地上地面風(fēng)速變小，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，23—24 日出現(xiàn)浮塵污染天氣的城市地面日平均風(fēng)速大小在1.0～2.5 m·s-1之間，絕大多數(shù)在1.4 m·s-1以下，處于微風(fēng)狀態(tài)。地面風(fēng)速大小決定大氣擴(kuò)散能力，地面風(fēng)速越小，大氣水平擴(kuò)散能力越弱，較小的風(fēng)速，不利于沙塵顆粒物擴(kuò)散，長時(shí)間滯留在原地，形成浮塵污染天氣。被降水濕去除或濕沉降對(duì)氣體和顆粒物都是最有效的大氣凈化機(jī)制［17］。降水有利于沙塵顆粒物的洗涮和濕清除，但這三天，出現(xiàn)浮塵污染天氣的城市降水量都是0 mm，無降水不利于浮塵稀釋、沉降和清除。

這次由西北地區(qū)高空輸送來的沙塵，在廣西境內(nèi)形成大范圍長時(shí)間的浮塵污染天氣與由廣西本地污染源排放在氣象條件很差的情況下形成的污染天最大的不同，就是本地污染源排放產(chǎn)生的污染天氣，污染物主要集中在925 hPa 高度（大氣邊界層）以下，而這次高空輸送來的沙塵，到達(dá)850 hPa 高度，伸展高度高，近地面空氣中沙塵重力沉降到地面后，高層空氣中的沙塵又源源不斷地沉降補(bǔ)充到近地面空氣中，也是這次浮塵污染天氣長時(shí)間維持的重要原因。

3 結(jié)論

利用氣象探測(cè)資料、環(huán)境觀測(cè)資料和高空地面天氣圖，分析2021 年3 月22—24 日廣西境內(nèi)近30 a來強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最廣的一次浮塵天氣過程的氣候背景、天氣形勢(shì)、傳輸過程和形成原因，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）受蒙古高壓、地面冷鋒和冷空氣大風(fēng)的共同影響，此次浮塵天氣在廣西境內(nèi)整體呈自北向南、從內(nèi)陸到沿海移動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)廣西東部地區(qū)影響相對(duì)較小。

（2）HYSPLIT-4 后向軌跡模擬結(jié)果表明，此次浮塵天氣源于內(nèi)蒙古西部阿拉善高原和甘肅北部河西走廊的沙塵遠(yuǎn)距離輸送，沙塵粒子?xùn)|移南壓，途經(jīng)陜甘寧地區(qū)、華北南部、華中地區(qū)，向華南西部輸送，造成廣西境內(nèi)大范圍長時(shí)間一次浮塵天氣過程。

（3）阿拉善高原和河西走廊地區(qū)富含沙塵源的下墊面為浮塵天氣的出現(xiàn)提供很好的物質(zhì)條件；前期低層偏暖，不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，為浮塵天氣的出現(xiàn)提供良好的局地?zé)崃l件；受較強(qiáng)的蒙古冷高壓東移南下影響，我國西北大部地區(qū)出現(xiàn)較強(qiáng)大風(fēng)，為這次浮塵天氣的發(fā)生提供較好的動(dòng)力條件。

（4）在連續(xù)浮塵天氣期間，廣西各地邊界層整層大氣穩(wěn)定、大氣垂直湍流運(yùn)動(dòng)弱、溫度露點(diǎn)差較大、空氣干燥、地面風(fēng)速較小、沒有降水，不利于沙塵粒子擴(kuò)散、稀釋、沉降和清除，是浮塵天氣長時(shí)間維持的主要原因。