2021年和2022年春季中國北方地區沙塵氣象因素和沙源地條件異同

吳進 李琛 朱曉婉 邱雨露 唐宜西 馬小會

引用格式：吳進，李琛，朱曉婉，等，2023.2021年和2022年春季中國北方地區沙塵氣象因素和沙源地條件異同［J］.大氣科學學報，46（6）：950-960.

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*聯系人，E-mail：wujin_0472@163.com

2023-03-13收稿，2023-06-18接受

國家自然科學基金資助項目（42207115）；北京市自然科學基金資助項目（8204075）

摘要? 2021年春季中國北方地區共出現了4次沙塵暴或強沙塵暴，2022年同期僅出現1次沙塵暴。基于2015—2022年空氣質量和多源氣象數據，利用Lamb-Jenkinson分型法與Mann-Whitney U檢驗法開展了2021年和2022年春季沙塵源地條件和氣象因素異同分析，得到以下結論：中國北方沙塵天氣多發型分為NW-N型（氣旋型）和E-NE型（高壓型），NW-N型造成的PM10極值更高、高濃度范圍更廣。氣象因素而言，2022年春季有利于沙塵的天氣型活動更頻繁，與2021年春季沙塵日PM10濃度差異主要集中在NW-N型，兩段時期NW-N型活動頻數、氣旋強度接近，有利于沙塵天氣的動力抬升條件接近。從沙源地條件而言，2021年前冬蒙古沙源地土壤溫度“前冷后暖”導致融雪等水量峰值早至，加之大面積降水負距平且3月蒙古沙源地氣旋偏強，干燥、稀松的沙源致使春季沙塵多發；2022年前冬蒙古沙源地土壤氣溫“前暖后冷”導致融雪期等水量、土壤含水量峰值晚至，深厚濕潤的土壤條件不利于起沙。故蒙古沙源地條件差異是兩個時期沙塵差異顯著的主要原因。

關鍵詞沙塵；PM10；天氣分型；沙源地

沙塵天氣一般指地面大量塵沙卷入大氣層中造成視程障礙的自然現象，伴隨PM10濃度飆升，嚴重的沙塵暴天氣除了影響城市運行、人體健康之外，還可造成土壤沙化區域擴大、改變地氣系統的輻射收支和能量平衡等（周旭等，2017；李占清，2020）。我國北方地區的沙塵天氣多發于40°N緯度帶的干旱和半干旱地區，集中在春季（3—5月）（Qian et al.，2002），蒙古國和內蒙古自治區大范圍沙漠和戈壁下墊面是主要沙源地（Zhang et al.，1999；Sun et al.，2001；Kang and Wang，2005）。

沙塵天氣受天氣尺度系統活動和沙源地情況共同影響（葉篤正等，2000）。我國北方地區沙塵天氣多與蒙古氣旋的發生發展有關（Huang et al.，2013；Meng et al.，2019），蒙古氣旋與后部冷高壓斜壓強迫產生的鋒面、蒙古氣旋自身形成的強上升動力作用在強風作用下擾動疏松地表，使得近地面沙石卷入更高氣層內，經西風急流長距離傳輸到下游地區（Takemi，1999；Takemi and Satomura，2000；Xu et al.，2020）。沙塵天氣多發生在地面氣旋氣壓梯度最大的西南象限（Takemi，2005）。造成沙塵的天氣系統除了蒙古氣旋之外，還包括冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型和干颮線與冷鋒混合型等（劉景濤等，2004）。近年來，沙源地地表條件對沙塵暴的加強機制備受關注，沙源地地表影響因子分為人為和自然因素，人為因素體現于人口壓力持續增長和普遍采用濫墾、濫牧、濫樵、過度開采地下水等粗放掠奪式的生態經營方式，造成地表覆蓋破壞，最終導致沙漠化迅速發展（王濤和朱震達，2001；王煒和方宗義，2004；Chen，2021），自然因素主要體現在植被覆蓋率、土壤溫度、降水量和土壤含水量等要素差異（Shi et al.，2020；Yao et al.，2021）。

我國北方城市的春季沙塵長期變化較為復雜，在19世紀50—70年代頻次偏多，80年代之后頻次穩步下降（Zhou，2003；王艷玲和郭品文，2005；Zhu et al.，2008；Guo et al.，2018），主要源于地面風速的氣候性衰減（Ding，2005；Guan et al.，2017）。但在2021年春季北方城市共出現2次沙塵暴和2次強沙塵暴，3月北方城市PM10濃度均值達歷史峰值（181.8 μg·m-3），高于2015—2020年同期39%（Yin et al.，2022），其中，3月14—15日罕見的特強沙塵暴天氣席卷了整個中國北方，鄂爾多斯和嘉峪關站PM10小時濃度超過9 985 μg·m-3，其極端性引起了世界廣泛關注（Bueh et al.，2022；Filonchyk，2022）。而2022年春季北方城市的PM10濃度均值低于2015—2020年同期，僅出現1次沙塵暴，PM10小時峰值濃度為4 538 μg·m-3，沙塵天氣的強度和廣度遠小于2021年同期。本文將從自然因素角度出發，開展兩段時期沙塵天氣的氣象因素和沙源地地表條件的對比分析，深化對沙塵暴及其觸發機制的認識。

1? 材料與方法

1.1? 氣象數據來源

氣象數據來自于歐洲中期天氣預報中心第五代全球氣候大氣再分析資料（ERA5），使用變量包括500、700和850 hPa位勢高度、U風速、V風速、海平面氣壓、地面2 m溫度、土壤氣溫和總降水量，分辨率0.25°×0.25°。

北京觀象臺氣象觀測數據來自北京市氣象數據中心，使用變量包括逐小時地面10 m風向、風速、海平面氣壓，數據均通過質量控制。

1.2? 空氣質量觀測數據和沙塵日定義

中國北方城市198站的逐時PM10和PM2.5觀測數據來自https：//www.aqistudy.cn/historydata/，PM10濃度上限為9 985 μg·m-3。數據根據中國環境保護標準（HJ 618—2011）進行了校準和質量控制。

在氣象領域，對于沙塵的判別大多基于能見度，但隨著氣象部門人工觀測的取消，能見度數據已無法精確區分霧、霾或沙塵等低視程障礙現象，故基于PM10濃度觀測識別沙塵更為可靠。本研究自主定義了沙塵日的篩選標準，具體如下：中國北方3個以上城市的PM10逐時濃度大于800 μg·m-3，同時PM2.5與PM10的比值小于0.5。基于上述標準，2015—2022年春季共篩選出119個沙塵日。

1.3? 沙塵日天氣客觀分型

Lamb-Jenkinson客觀分型是一種主客觀相結合的自動識別方法（Lamb，1972；Jenkinson and Collison，1977），近年來被廣泛應用于尋找天氣分型和大雪、干旱、滑坡、土壤侵蝕和空氣污染等不同因素之間的關聯（Jones et al.，1993， 2013；Liao et al.，2017；王若男等，2018；吳進等，2020）。基于Lamb-Jenkinson分型法，2015—2022年春季119個沙塵日對應的天氣分型如表1所示，其中，E和NE代表東風和東北風型，與高壓底部偏東氣流相關；N代表北風型，與高壓前部偏北氣流相關；S、SE和SW代表偏南風型，與氣旋前部偏南氣流相關；NW和W代表西北風和西風型，與氣旋底部偏西氣流相關；A代表高壓型；C代表氣旋型。在10個天氣型中出現頻率最高的4型為E、N、NE和NW，共占60%。

1.4? ?Mann-Whitney U檢驗法

Mann-Whitney U檢驗是一種用于檢驗兩組樣本數據是否具有顯著差異的常規統計方法（Mann and Whitney，1947）。在氣象領域，這一檢驗方法被廣泛用于判斷兩種類型的樣本分布之間是否相互獨立（Santurtún et al.，2015）。為檢驗出現沙塵日最多的E、N、NE和NW之間的相互獨立性和差異性，基于每型下PM10濃度序列計算Mann-Whitney U test的Z值（表2），得出NW和N、E和NE無顯著性差異，故將4類合并為NW-N、E-NE型2類。

2? 結果分析

2.1? 2021年和2022年中國北方地區春季（3—5月）PM10濃度對比

2015—2022年中國北方地區春季PM10濃度呈“北大南小”（圖1a），PM10濃度較高區集中在甘肅至內蒙古西部、京津冀至豫魯地區，PM2.5/PM10比值小于0.5（圖略），以PM10為主；東三省、安徽、江蘇春季PM10濃度維持在100 μg·m-3以下，以PM2.5為主。2015—2020年中國北方地區PM10濃度逐年減少，2021年PM10顯著上升，PM10濃度大于3 000 μg·m-3區域覆蓋甘肅、內蒙古西部至京津冀、山東一帶，并出現了大范圍5 000 μg·m-3以上的高值區，2022年春季僅在甘肅和內蒙古西部出現了3 000 μg·m-3以上的濃度峰值，PM10濃度極值和均值遠小于2021年同期。2021年春季沙塵日中800 μg·m-3以上的站次最多為50站次/日（圖1b），2022年春季沙塵日中800 μg·m-3以上的站次均未超過10站，沙塵的強度、范圍、頻率遠小于2021年同期。

2021年春季中國北方沙塵影響重點省份甘肅、內蒙古、京津冀、江蘇和山東PM10日均濃度波動較2022年同期更顯著（圖2），分別在3月13—18日、3月27日—4月1日、4月14—16日和5月6—8日出現大幅上升，最高峰值在甘肅，達到2 127 μg·m-3，2022年僅在3月13—16日出現小幅上升，最高峰值在甘肅，達到464 μg·m-3。

2.2? 中國北方2021年和2022年春季沙塵氣象因素對比

2.2.1? 兩類典型沙塵天氣型概念模型

上述1.3、1.4節將中國北方地區沙塵天氣多發型劃分為兩類：NW-N和E-NE型。2015—2022年春季沙塵日NW-N型為39 d和E-NE型為32 d。NW-N型850和700 hPa為西北氣流（圖3），地面核心系統為氣旋，氣旋的強烈發展和增溫作用有利于沙源地地表沙石卷揚到更高層次（Chen et al.，2013，2017；彭舒齡等，2019），此外，地面氣旋的強烈發展加強高低壓間的氣壓梯度，沙塵區隨著鋒面后部大風區和下沉區向下游輸送，濃度在3 000 μg·m-3以上站主要覆蓋內蒙、氣旋冷鋒后部的氣壓梯度密集區和氣旋底前部，PM10極值較E-NE型更高、范圍更廣；E-NE型700 hPa與NW-N型類似，850 hPa等高線和等壓線正交構成強斜壓結構，冷平流強度較NW-N型更強，地面在強高壓及冷鋒的影響下通過強風將沙源地大量沙土卷至空中（Yumimoto et al.，2009），沙塵粒子在700 hPa西北氣流引導向下游輸送（王天河等，2020），內蒙古中西部至甘肅北部PM10濃度大于3 000 μg·m-3，東部地區PM10濃度峰值基本低于2 000 μg·m-3。

2.2.2? 2021年和2022年春季沙塵日天氣尺度系統差異

2015—2022年春季沙塵高頻天氣型E、NE、N和NW占比32.6%～50%（表3），2015—2020年沙塵日數和四種天氣型呈正相關，但這種相關性在2021年和2022年出現了顯著異常，2021年中國北方地區小時PM10濃度大于1 000 μg·m-3出現了94站次，但E、NE、N和NW型出現32.6%，為2015—2022年同期最低，而2022年沙塵高頻天氣型出現44.6%，為2015—2022年同期第三高值，雖有利于沙塵出現的天氣型出現頻率更高，但沙塵日數僅為10 d，小時PM10濃度大于1 000? μg·m-3僅出現20站次。

同等沙源地條件下，地面氣旋的強度與沙塵天氣強度密切相關。

2021年春季NW-N和E-NE兩類沙塵日分別為10 d和7 d，2022年為5 d和6 d，針對海平面氣壓場進行合成可得（圖4），2021年春季NW-N型沙塵日氣旋強度中心為1 000 hPa，較2015—2020年同期（1 006 hPa）偏強，位置偏西，氣壓梯度更密集，鋒面形態更完整；2022年春季沙塵日氣旋中心為1 002 hPa，接近2021年同期，強于2015—2020年同期，但PM10區域峰值濃度較2021年同期顯著偏低。2021年春季E-NE型蒙古高壓強度為1 036 hPa，較2015—2020年同期（1 026 hPa）偏強，2022年為1 022 hPa，西北區域個別站點高于2 000 μg·m-3，其余地區均低于500 μg·m-3，兩段時期的PM10濃度差異較小。總體而言，2021年和2022年春季PM10濃度差異集中在NW-N型，西北、華北區域PM10峰值濃度差異高于3 000 μg m-3，但從氣旋強度來看，二者基本接近，即沙塵日期間有利于沙塵卷揚的天氣尺度環流條件接近。

2.3? 中國北方2021年和2022年春季前期沙源地差異

中國北方地區的沙塵暴天氣大部分源于蒙古國沙源地（100°～110°E，42°～48°N）（Bao et al.，2022；Filonchyk，2022；Yin et al.，2022；尹志聰等，2023），在2021年和2022年春季沙塵日天氣尺度動力抬升條件接近但沙塵強度頻次迥異的情況下，需要進一步針對蒙古國沙源地進行分析。

2020年12月—2021年1月15日蒙古沙源區地面2 m氣溫、地下0～7 cm、7～28 cm、28～100 cm土壤溫度顯著低于2011—2022年同期均值（圖5），而2021年2月至3月15日地面2 m氣溫、0～100 cm土壤溫度顯著高于同期，地表和土壤溫度呈“前冷后暖”。研究表明，前期地面氣溫較低形成深厚凍土層，有利于春季沙塵天氣發生，同時，春季沙源區強烈回暖導致凍土層松動易形成嚴重沙塵天氣（Qian et al.，2022）。“后暖”導致融雪等水量峰值早至，2月21日融雪等水量水深達1.35 m（圖6），0～7 cm土壤含水量3月5日達峰值0.113 m3·m-3（圖7），之后融雪量、土壤含水量分別回落至0.4 m、0.09 m3·m-3以下，3月處于融雪量、土壤含水量較同期偏少時段，同時，前冬降水為大面積負距平（圖8），干燥、稀松的沙源致使春季沙塵多發；相較而言，2022年1月蒙古沙源區地面2 m氣溫、0～100 cm土壤溫度較2011—2022年同期略偏暖，2月轉為偏冷，呈“前暖后冷”模態，與2020—2021年同期反向，“后冷”導致2022年融雪期等水量峰值推遲至3月12日（等水量水深1.63 m），0～7 cm土壤含水量于3月20日達峰值（0.12 m3·m-3），顯著高于2011—2019年同期，深厚濕潤的沙源地土壤條件不利于沙塵卷揚。

2021年3—4月蒙古沙源地氣旋活動4次（區域氣壓距平<10 hPa）（圖9），區域氣壓最小值為989 hPa，2022年同期氣旋活動3次，區域氣壓最小值994 hPa。3月，2021年沙源地氣旋活動強度強于2022年；4月，2022年氣旋活動強度強于2021年。綜上所述，2021年春季前期蒙古沙源地土壤特征的極端異常性、3月沙源地氣旋強度較強是造成春季沙塵多發的重要原因，而2022年春季前期蒙古沙源地土壤特征與2021年同期反向，也是2022年春季沙塵多發天氣型較多、4月沙源地氣旋強度較強但沙塵日較少的主要原因，因此，針對這兩年春季的沙塵天氣而言，上游蒙古沙源地土壤條件異同造成的影響占比更大。

3? 討論

上文利用蒙古沙源地海平面氣壓表征天氣尺度動力抬升條件，這是由于地面氣壓不僅直接反映地面氣旋的活動情況，且與整層大氣垂直運動密切相關。以兩次沙塵過程為例，2021年3月26日和2022年4月19日沙源地氣旋活動強度類似，中心氣壓值為995～997 hPa，氣旋從蒙古向東移動過程中強度維持或發展加強。 2021年3月26日20時蒙古沙源地地面氣旋對應整層上升速度最大值為1.5～2.0 Pa/s（圖10a），高度700～500 hPa，2022年4月19日20時地面氣旋對應上升速度最大值1.5～2.0 Pa/s（圖10b），高度700 hPa附近，兩次過程地面氣旋強度類似，對流層大氣天氣尺度上升運動接近。

雖然在這兩次過程中氣旋在向下游移動并影響我國華北區域時，氣旋維持原有強度或略有加強，但給北京帶來的沙塵強度迥異。2021年3月28日北京PM10小時峰值濃度達2 504 μg·m-3（圖11），而2022年4月21日北京PM10小時峰值濃度僅為166 μg·m-3，這種懸殊差異主要由上游沙源地起沙量不同造成，另一方面，這兩次過程相差24 d，沙源地植被生長、短期降水、下墊面氣溫等因素已有較大變化，故而異同機制顯得更為復雜，需要從多角度進行綜合考慮。

4? 結論

本文從氣象因素和沙源地地表條件揭示了2021年和2022年春季沙塵天氣發生異同的原因，主要得到以下結論：

1）中國北方地區沙塵天氣多發型分為兩類：NW-N和E-NE型。NW-N型核心天氣尺度系統為地面氣旋，濃度在3 000 μg·m-3以上站對應內蒙沙源地地區、氣旋冷鋒后部的氣壓梯度大值區、氣旋底前部，造成的PM10濃度極值更高、范圍更廣；E-NE型核心系統為貝加爾湖高壓，下游未出現閉合性氣旋，PM10濃度3 000 μg·m-3以上站僅在內蒙古西部至甘肅北部地區，東部地區均在2 000 μg·m-3以下；

2）2021年春季沙塵多發天氣型（E、NE、N和NW型）出現頻率為2015—2022年最低（32.6%），而2022年出現44.6%，有利于沙塵出現的天氣型活動頻次更高；2021年和2022年春季沙塵日PM10濃度差異主要在NW-N型，二者氣旋中心均值相差2 hPa，均強于2015—2020年同期，有利于沙塵的天氣尺度動力抬升條件接近；

3）蒙古沙源地在2021年前冬土壤溫度呈“前冷后暖”模態，“后暖”導致融雪量等水量2月21日達到峰值1.35 m，加之前冬降水大面積負距平，土壤含水量3月5日之后迅速下降，加之3月蒙古氣旋偏強，干燥、稀松的沙源致使春季沙塵多發；2022年前冬蒙古沙源地土壤溫度“前暖后冷”，“后冷”導致融雪期等水量峰值3月12日達1.63 m，土壤含水量3月20日達到峰值（0.12 m3·m-3），顯著高于2011—2019年同期，導致4月蒙古氣旋偏強但沙塵天氣偏弱。蒙古沙源地影響的差異性在2021和2022年春季沙塵天氣發生發展中占比更大。

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·ARTICLE·

Comparative analysis of meteorological factors and sand source conditions in sand and dust weather events in northern China during the spring of 2021 and 2022

WU Jin1， LI Chen2， ZHU Xiaowan1， Qiu Yulu1， Tang Yixi1， MA Xiaohui1

1Beijing Weather Forecast Center， Beijing 100097， China;

2Beijing Meteorological Service Center， Beijing 100089， China

Abstract

Northern China experienced four sandstorms or severe sandstorms in spring 2021， contrasting with just one event in the corresponding period of 2022. Utilizing air quality and multi-source meteorological data spanning 2015 to 2022， we applied the Lamb Jenkinson classification and Mann-Whitney U test methods to analyze similarities and differences in the sand source areas conditions and meteorological factors during the spring of 2021 and 2022. Our findings reveal that the sand and dust weather （SDW） in northern China is frequently categorized into NW-N （cyclone type） and E-NE （high-pressure type）， with the NW-N type leading to higher PM10 extreme values and a broader range of high concentrations. In terms of meteorological factors， synoptic conditions favorable for SDW in spring 2022 occur more frequently， with the differences in daily PM10 concentration predominantly associated with the NW-N type when compared to spring 2021. The frequency of NW-N type events and cyclone intensity remains comparable between the two periods， along with similar dynamic uplift conditions conducive to SDW are similar. Regarding sand source area conditions， the soil temperature in Mongolias sand source area displayed a “cold before and warm after” pattern in the pre-winter of 2021， resulting in an early peak of snowmelt and other water content. In addition， a widespread decrease in precipitation and a relatively strong cyclone in Mongolias sand source area in March contributed to the high incidence of sand and dust in spring 2021. Conversely， during the pre-winter of 2022， the soil temperature in Mongolias sand source area followed a “warm before and cold after” trend， leading to a delayed peak of water content and soil moisture content during the snowmelt period. These conditions， characterized by thicker and moisture soil， were less conducive to sand formation. Therefore， the disparities in Mongolian sand source area conditions represent the primary factor behind the significant differences in SDW between the two periods.

Keywords? sand and dust weather; PM10; synoptic classification; sand source area

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230313001

（責任編輯：袁東敏）