2021年寧夏兩次持續沙塵重污染天氣對比分析

雍 佳，王建英*，田林鋒，張肅詔，龔曉麗，顧馭程，嚴曉瑜

1. 中國氣象局，旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002

2. 寧夏氣象服務中心，寧夏 銀川 750002

3. 寧夏生態環境監測中心，寧夏 銀川 750002

4. 寧夏氣象臺，寧夏 銀川 750002

沙塵天氣是風將地面塵土、沙粒卷入空中，或被高空氣流帶到下游地區而導致空氣混濁、能見度下降的天氣現象. 沙塵天氣發生時，可吸入顆粒物(PM10)濃度會顯著上升[1-3]，我國北方的干旱、半干旱地區是沙塵天氣的易發區，尤其是西北地區為沙塵暴多發區[4]，對環境空氣質量[5]、人類生產活動[6-7]、交通安全[8]產生較大影響，一直是學者們的關注重點[9].許多學者從大氣環流、數值模擬、時空演變特征等方面分析了沙塵天氣成因及其對環境空氣質量的影響.Gu等[10]分析了中國不同地區強沙塵暴形成前、發展期間及消散后的天氣條件和觸發機制；Bao等[11]研究了中國北方沙塵暴天氣的時空變化，發現春季沙塵暴發率最高；李玲萍等[12]研究了河西走廊3次不同強度沙塵暴天氣的高低層水平螺旋度和垂直速度，表明低空風速越大則沙塵暴越強，高(低)層正(負)水平螺旋中心值越大，下游沙塵暴強度越強；李巖瑛等[13]利用500 hPa水平螺旋度探究了中國北方沙塵暴的強度和范圍，表明螺旋度負值中心與下游沙塵暴發生區有良好的對應關系，螺旋度負值中心值越大，輻合上升運動越強，對應沙塵暴的強度就越強. 也有學者在沙塵產生機制及傳輸路徑方面開展了研究，如Tan等[14]分析發現沙塵大顆粒物可以通過氣流輸送實現跨區域傳遞；吳麗萍等[15]利用后向軌跡模式分析了淄博市沙塵天氣傳輸路徑，發現除受西北方向沙塵傳輸氣流影響外，局地盤旋的本地氣流也增加了污染物的累積.

寧夏回族自治區地處我國西北地區東部，西、北、東三面受騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠以及毛烏素沙漠包圍，氣候干旱少雨，是我國沙塵暴的多發區[16]，許多學者開展了寧夏沙塵污染天氣成因分析. 陳豫英等[17]對寧夏2013年兩次大風強沙塵天氣過程的環流形勢和高低空急流的耦合作用進行了對比分析，發現高層高位渦和低層850 hPa低空急流在寧夏上空活動與否，是導致寧夏出現不同強度風沙天氣的重要動力因素；劉鵬兵等[18]對寧夏地區一次大風沙塵天氣研究發現，新疆到蒙古國一帶是沙塵過程冷空氣的直接發源地，地面冷鋒是其主要影響系統；嚴曉瑜等[19]基于后向軌跡模式分析了銀川市四季PM10氣流軌跡特征，發現四季西北方向路徑對應的PM10平均濃度均較高，是影響銀川市顆粒物濃度最重要的輸送路徑.

目前，多數學者從天氣影響系統及傳輸路徑等方面對寧夏沙塵及其造成的污染天氣進行了分析和總結，但缺乏綜合性分析研究. 為探究氣象條件變化對寧夏沙塵重污染天氣過程影響特征，該研究選取2021年1月11-14日和2021年3月14-19日寧夏回族自治區兩次持續沙塵重污染天氣過程為研究對象，基于常規氣象觀測資料、NCEP再分析資料及環境監測數據等，結合后向軌跡模擬及物理量場診斷方法，對比分析了兩次過程首要污染物濃度演變特征、天氣系統配置、物理量場特征及輸送路徑，揭示了其重污染天氣形成和維持機制，以期為提高寧夏沙塵重污染天氣預報預警水平提供技術支撐和參考依據.

1 數據與方法

1.1 數據來源

該研究所用氣象資料包括：①NCEP/NCAR提供的FNL再分析資料，分辨率為1°×1°，觀測時次為每日00:00、06:00、12:00和18:00 (UTC，世界時)，包括風場、溫度場、位勢高度場、地面氣壓場、海平面氣壓場；②后向軌跡模式使用NCEP提供的全球資料同化系統(GDAS)數據，分辨率為1°×1°；③逐小時常規氣象觀測資料來源于氣象大數據云平臺.

所用環境空氣質量數據包括2021年1-3月逐小時和逐日PM10濃度、AQI及首要污染物資料，來源于寧夏回族自治區環境監測站，空氣質量級別及污染物濃度限值參照《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633-2012).

1.2 研究方法

診斷此次沙塵重污染天氣過程應用的物理量為水平螺旋度和垂直速度，其中，水平螺旋度是表征大氣邊旋轉邊沿旋轉方向運動的動力特征物理量，低層負值螺旋度越大，表明近地面層風速越大，西風越強，越容易起沙，且輻合上升運動強，沙塵暴發生的可能性越大，強度越強[20]；垂直速度用來分析首要污染物的擴散及沉降，其風速和風向變化對大氣污染物擴散及沉降影響較大，對重污染過程污染程度和持續時間也起到了關鍵作用[21-22].

利用后向軌跡模式分析污染物來源及輸送路徑，后向軌跡模式是一種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、沉降的綜合模式系統[23-24]，其中歐氏距離聚類算法能夠將氣團移動速度及輸送軌跡相似的污染氣團聚為一類，得到污染物來源和傳輸路徑[3]. 在該研究中，兩次重污染天氣后向軌跡聚類分析計算時間為24 h，軌跡計算起始高度選取能夠較為準確地反映邊界層平均流層特征的相對地面高度500 m[25]，并取PM10濃度日均值二級標準值限值(150 μg/m3)作為判斷污染軌跡的標準.

2 結果與討論

2.1 兩次重污染天氣污染特征

2021年1月11-14日寧夏出現了2021年首次大范圍強沙塵(簡稱“0113”過程)，是2002年以來出現時間最早的一次沙塵天氣，造成了嚴重空氣污染.依據PM10小時濃度數據和HJ 633-2012五級標準限值(350 μg/m3)對重污染天氣進行統計. 由圖1(a)可見，“0113”過程主要出現在寧夏北部四市(石嘴山市、銀川市、吳忠市及中衛市)，重度及以上污染平均持續時間35.0 h，PM10濃度峰值區集中在13日03:00-15:00，其中，石嘴山市PM10濃度最大值達2 601 μg/m3，銀川市達1 980 μg/m3，分別是HJ 633-2012五級標準限值的7.4倍和5.7倍. 2021年3月14-19日寧夏再次出現近10年來最強的大范圍沙塵天氣(簡稱“0315”過程)，部分地區出現沙塵暴，造成了嚴重空氣污染. 由圖1(b)可見，“0315”過程沙塵污染波及寧夏全區，重度及以上污染平均持續時間105.2 h，PM10濃度峰值區集中在15日10:00-16日02:00，其中，中衛市PM10濃度最大值達8 560 μg/m3，石嘴山市達6 188 μg/m3，分別是HJ 633-2012五級標準限值的24.5倍和17.7倍. 統計也發現，兩次過程均為近10年來范圍廣、強度強、持續時間長的沙塵重污染天氣過程，“0315”過程較“0113”過程的重污染范圍更廣、持續時間更長、污染更嚴重.

圖1 2021年寧夏兩次沙塵重污染天氣PM10濃度逐小時變化特征Fig.1 Hourly variation characteristics of PM10 concentration during two severe sand and dust pollution weather events in Ningxia in 2021

2.2 兩次重污染天氣背景及影響系統

“0113”過程主要是一次強度一般的冷鋒過境造成的沙塵重污染天氣，寧夏處在500 hPa高空脊前強西北氣流中，多股冷空氣沿強西北氣流東移南下，加之地面冷鋒過境使寧夏出現了多次大風天氣. 由圖2可見：1月10日08:00-11日14:00，蒙古國西部的地面冷高壓向青藏高原南側分裂并加強，中心強度達1 055 hPa，其中，11日01:00-06:00受分股擴散冷空氣和高空動量下傳影響，寧夏大部地區出現偏北大風，風速為9.0～18.0 m/s (6～8級)，大風將本地及周邊鄰近地區的沙塵粒子卷起，寧夏有5個城市的PM10濃度超過350 μg/m3，達重度及以上污染；11日07:00-19:00，青藏高壓快速東移，隨上升氣流進入高空的沙塵在西北風的作用下輸送至寧夏并快速沉降；11日20:00-12日15:00，我國新疆北部出現大風沙塵天氣，500 hPa高空強西北氣流將沙塵粒子輸送至寧夏上空，受地面冷鋒過境影響，寧夏大部地區風速為6～8級，大風引起的本地揚塵與上游輸送的沙塵疊加，導致寧夏北部4個城市的空氣質量迅速轉差，其中石嘴山市PM10濃度達730 μg/m3；12日08:00-14:00，位于蒙古國東南部及我國東北地區的熱低壓不斷加強發展；12日20:00-13日17:00，蒙古國北部地面熱低壓向南移至蒙古國西南部并與青藏高壓之間形成更強的氣壓梯度帶，在巴丹吉林沙漠一帶產生強變壓風，大風將沙塵再次卷起并隨高空強西北氣流迅速輸送至寧夏上空，導致寧夏北部4個城市PM10濃度出現爆發式增長，其中石嘴山市達2 601 μg/m3；13日17:00-14日02:00，青藏高壓向西南方向移動，巴丹吉林沙漠一帶的氣壓梯度減小，寧夏及上游地面風速也隨之減小，PM10濃度明顯降低；14日02:00-15:00，新一輪冷空氣沿500 hPa高空脊前強西北氣流下滑，沙塵再次被挾卷吹起，北部4個城市PM10濃度再次升高，達到了重度污染；14日15:00之后，寧夏大部地區風速減小，沙塵污染天氣趨于結束.

圖2 “0113”過程地面高低壓中心移動路徑、1月13日08:00海平面氣壓場和極大風速逐小時變化特征Fig.2 The moving path of the center of high and low pressure on the ground during the severe dust pollution weather process of ‘0113’, the sea level pressure field at 08:00 on January 13th and the hourly variation characteristics of maximum wind speed

“0315”過程為一次強的典型鋒面過境及蒙古氣旋造成的持續沙塵重污染天氣. 由圖3(a)～(b)可見：3月14日14:00-20:00，強冷空氣在蒙古國西部持續堆積，地面冷高壓中心強度達1 040 hPa，蒙古國東部蒙古氣旋強烈發展，中心強度低于950 hPa且穩定少動，鋒面位于我國東北至新疆北部地區一線，鋒后氣壓梯度大，變壓風較強，我國西北地區開始出現揚沙天氣；15日02:00，地面冷鋒東移南壓，鋒面位于我國內蒙古東北部至河套地區一線，寧夏處于蒙古冷高壓底部較強偏北氣流中，受上游沙塵輸送影響，石嘴山市空氣質量迅速變差，PM10濃度從333 μg/m3升至789 μg/m3；15日08:00，蒙古氣旋向東南方向移動至我國東北地區，地面冷高壓主體也隨之向偏東方向移動至我國華北地區，受地面冷鋒尾部過境影響，寧夏大部分地區出現了6級以上偏北大風〔見圖3(c)〕，同時青藏高原熱低壓也迅速發展，蒙古強冷高壓受強盛蒙古氣旋和青藏高原熱低壓夾擊穩定少動，其西南、東和東南側與兩個熱低壓之間形成明顯氣壓梯度帶，氣壓梯度引起的西北、偏東和偏北大風將多個方向沙塵卷起并向寧夏上空輸送，使空氣質量迅速轉差，中衛市PM10濃度從1 218 μg/m3迅速升至8 560 μg/m3，石嘴山市從889 μg/m3迅速升至6 188 μg/m3；到16日14:00-18日20:00，青藏高原熱低壓隨蒙古冷高壓東移，寧夏轉受低壓倒槽控制且處在地面冷高壓后部較強的偏東風中，大風將緊鄰寧夏東部毛烏素沙漠的沙塵再次卷起，通過近地層偏東風向寧夏上空回流輸送，并阻擋寧夏上空漂浮的沙塵向東南方向移出，使重污染天氣持續；19日06:00-09:00，受東移南下弱冷空氣和近地層偏南暖濕氣流影響，寧夏大部地區出現了大風并伴有弱降水(0.1～1.9 mm)天氣，雨滴的拖曳作用使飄浮在高空中的沙塵粒子向近地層沉降，但由于降水量級小，濕清除作用不明顯，反而導致近地層污染又加重，中衛市PM10濃度從1 882 μg/m3快速升至3 238 μg/m3；19日20:00之后，受東移南下弱冷空氣影響，寧夏上空沙塵粒子向東南方向移出，地面受弱冷高壓控制，顆粒物沉降加快，PM10濃度迅速降低，空氣質量轉好.

圖3 “0315”沙塵重污染天氣過程地面冷暖鋒及高低壓中心移動路徑、3月15日08:00海平面氣壓場和極大風速逐小時變化特征Fig.3 The moving path of the surface cold and warm front, the high and low pressure center during the ‘0315’severe dust pollution weather, the sea level pressure field at 08:00 on March 15th and the hourly variation characteristics of maximum wind speed

2.3 污染物來源及傳輸路徑

為對比分析外源輸入對兩次重污染過程的影響特征，利用后向軌跡聚類分析了沙塵來源及傳輸軌跡，根據氣流軌跡長短能夠判斷氣團移動速度，長軌跡對應移動快的氣團，短軌跡為移動緩慢的氣團[26-27].由于石嘴山市地處寧夏最北部，受賀蘭山阻擋形成風口，且距離沙源地最近，大風沙塵天氣最先出現在該地區[28]，而“0113”過程石嘴山市污染最嚴重，“0315”過程石嘴山市最先出現重污染天氣，污染強度僅次于中衛市，因此該研究選取石嘴山市氣象站(39.03°N、106.35°E)作為模擬受點開展模擬分析. 由圖4(a)可見：“0113”過程中第1、4、5和6類軌跡均來自西北方向，占總軌跡數的75.1%，其中，第1類軌跡主要來自境外輸入，沙塵自蒙古國巴彥烏拉-戈壁阿爾泰省-我國內蒙古巴丹吉林沙漠輸送至寧夏；第4、5和6類軌跡均為境內輸入，沙塵沿新疆古爾班通古特沙漠-中央戈壁-內蒙古巴丹吉林沙漠-騰格里沙漠北部進入寧夏，此類氣團移動速度較快，且移動過程中攜帶的沙塵顆粒物不斷沉降. 第2、3類軌跡為偏西路徑，占總軌跡數的25%，沙塵分別沿新疆庫木塔格沙漠-內蒙古巴丹吉林沙漠(第3類)、青海省柴達木盆地沙漠-內蒙古騰格里沙漠(第2類)輸送到寧夏. 此次過程中6條軌跡傳輸高度均較低，均在1～2 km之間. 由圖4(b)可見:“0315”過程中第1、5和6類軌跡來自西北方向，占總軌跡數的41.6 %，其中，第6類軌跡為境外輸入，沙塵自蒙古國戈壁阿爾泰省-我國內蒙古烏蘭布和沙漠到達寧夏；第1和5類軌跡來自境內輸入，沙塵沿新疆庫木塔格沙漠-內蒙古巴丹吉林沙漠-騰格里沙漠北部到達寧夏.第2、4類軌跡均為境外蒙古國輸送，占總軌跡數的25%，其中，第2類軌跡來自蒙古國中戈壁省，沙塵沿偏北路徑經庫布齊沙漠和我國內蒙古烏蘭布和沙漠輸送至寧夏；第4類軌跡來自蒙古國東戈壁省，沙塵傳輸過程中途經庫布齊沙漠、我國內蒙古烏蘭布和沙漠和毛烏素沙漠，由偏北轉為偏東方向到達寧夏.第3類軌跡來自境內近距離偏東方向的毛烏素沙漠，在6條軌跡中占比(33.3%)最大，第3、4類軌跡為顯著的沙塵回流輸送軌跡. 此次過程中6條軌跡傳輸高度均較高，均超過2.5 km.

圖4 2021年寧夏兩次沙塵重污染天氣后向軌跡聚類分析Fig.4 Cluster analysis of backward trajectory during two severe sand and dust pollution weather events in Ningxia in 2021

2.4 兩次重污染天氣物理量場特征

2.4.1 水平螺旋度特征

螺旋度是用來描述大氣運動在其旋轉軸方向運動強弱程度的物理量參數[29]. 由圖5(a)～(c)可見：1月12日20:00蒙古國西南部以及我國新疆北部、內蒙古和甘肅西部均為負值水平螺旋度中心，寧夏北部和南部同樣出現了負的水平螺旋度中心，中心值均為-2 000 m2/s2，其周圍地區螺旋度值低于-500 m2/s2，說明西北方向的蒙古國西南部戈壁、古爾班通古特沙漠和我國新疆庫木塔格沙漠上空為強烈的輻合上升運動，沙塵粒子不斷被大風吹起向高空輸送，并隨強西北氣流傳輸至下游地區，加之寧夏銀川市、中衛市和固原市也開始起沙，外源輸送與本地沙塵疊加使得寧夏沙塵濃度顯著增大；13日08:00蒙古國西南部及我國新疆東北部再次出現負值水平螺旋度中心，蒙古國西部戈壁和古爾班通古特沙漠的沙塵再次向高空持續輸送，而蒙古國南部-我國內蒙古-甘肅一帶及寧夏本地上空的水平螺旋度轉為正值(500～1 000 m2/s2)，輻散下沉運動使沙塵沉降，此時寧夏沙塵濃度持續升高；到13日20:00，蒙古國以及我國內蒙古、甘肅一帶基本轉為大范圍正值水平螺旋度(500～1 500 m2/s2)，大量沙塵粒子向下游釋放，且靠近寧夏西北方向的騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠形成了強的正負螺旋度中心對，強烈的垂直交換運動使得寧夏北部地區上空出現短時PM10濃度升高，但長時間下沉運動導致沙塵污染趨于減弱. 由圖5(d)～(f)可見：3月14日20:00蒙古國西南部以及我國內蒙古和甘肅西部出現了負螺旋度中心(-3 500 m2/s2)，強度強且范圍大，寧夏周邊及上游大范圍區域水平螺旋度均為高負值(-3 000～-1 000 m2/s2)，此時蒙古國戈壁、我國新疆庫木塔格沙漠及內蒙古巴丹吉林沙漠的沙塵被迅速抬升至高空并向下游地區輸送. 15日08:00，蒙古國南部和我國甘肅地區負值水平螺旋度減至-1 500～-500 m2/s2，蒙古國西北部和南部以及我國內蒙古北部及寧夏中北部轉為正值水平螺旋度(≤500 m2/s2)，上升運動將北方和西北方向的沙塵挾卷至高空，下沉運動又將其釋放至下游地區，沙塵挾卷與暴發交替進行使其長時間懸浮在空中，加之寧夏本地沙塵不斷沉降導致沙塵暴天氣強度升級；同時中衛市風口處的負值水平螺旋度中心達-2 500 m2/s2，造成沙塵濃度升至8 000 μg/m3以上，寧夏其他地區也同樣出現沙塵爆發式增長. 直至15日20:00，蒙古國以及我國內蒙古、甘肅及其周圍地區水平螺旋度大范圍轉為正值，尤其是寧夏銀川市和中衛市的正值水平螺旋度中心超過2 000 m2/s2，強烈的下沉運動使得沙塵顆粒物迅速沉降至地面，此時寧夏PM10濃度雖有所降低但仍為重度污染.

2.4.2 垂直速度特征

研究[30]表明，垂直速度和風速變化對大氣污染物擴散及沉降影響較大，對重污染過程污染程度和持續時間也起到了關鍵作用. 為了分析兩次重污染過程沙塵粒子的發展趨勢，將“0113”過程從西北方向自新疆烏魯木齊(43°N、88°E)至陜西榆林(37°N、108°E)做垂直速度剖面. 由圖6可見：1月13日08:00，41°N以北、700 hPa以下為一致的正速度，700 hPa以上為負速度，其中42.5°N附近正速度延伸至300 hPa以上，下沉速度中心值達1.8 Pa/s，該區域基本以下沉氣流為主，表明41°N以北區域近地層西北大風將沙塵粒子向寧夏輸送并不斷沉降；寧夏上游地區38.5°N～39.7°N之間為整層弱上升氣流，此時來自偏西方向騰格里沙漠將沙塵向高空輸送；38.5°N附近低層表現為弱上升運動，中高層為下沉運動，38.5°N以南為整層下沉運動，這為沙塵持續沉降提供了條件，說明西北方向多股冷空氣不斷將沙塵向寧夏上空輸送并快速沉降至地面造成此次重污染的發生.

圖6 寧夏2021年1月13日08:00大氣垂直速度斜剖面Fig.6 The atmospheric vertical velocity gradient profile at 08:00 on January 13rd in Ningxia in 2021

將“0315”過程分別從西北方向自新疆哈密西南部(42°N、92°E)至內蒙古鄂托克旗(38°N、108°E)以及東南方向自內蒙古鄂爾多斯(41°N、108°E)至甘肅蘭州西北部(37°N、104°E)做垂直速度剖面. 從圖7可見：西北方向上整層大氣以上升氣流為主，下沉氣流相對較弱，多為低層輻合高層輻散，強垂直上升運動將沙塵持續向高空輸送使得沙塵粒子難以沉降，并隨西北氣流不斷向寧夏上空傳輸；偏東方向上高層為一致的下沉運動，中低層上升和下沉氣流不斷交替使沙塵懸浮在空中不易沉降，寧夏上空PM10濃度始終維持高濃度，該過程高空西北氣流和偏東方向沙塵回流將沙塵粒子持續向寧夏輸送且長時間懸浮在上空，導致“0315”過程較“0113”過程污染強度更強且持續時間更長.

圖7 寧夏2021年3月15日08:00大氣垂直速度斜剖面Fig.7 The atmospheric vertical velocity gradient profile at 08:00 on March 15th in Ningxia in 2021

3 結論

a) “0113”過程主要影響寧夏北部四市，“0315”過程影響整個寧夏，兩次過程重度及以上污染平均持續時間分別為35.0和105.2 h，沙塵污染暴發階段平均PM10濃度分別為1 735和5 265 μg/m3.

b) “0113”過程為一次強度一般的鋒面過境引起的沙塵重污染天氣過程，穩定少動的青藏高壓與其北側蒙古熱低壓之間形成顯著的氣壓梯度帶，高空脊前強西北氣流引起的動量下傳使寧夏及上游地區近地面頻繁出現西北大風，并將上游沙塵輸送至寧夏且與本地揚塵疊加造成重污染；“0315”過程為一次較強的典型鋒面過境及蒙古氣旋造成的持續沙塵重污染過程，蒙古冷高壓受強盛蒙古氣旋和青藏高原熱低壓夾擊穩定少動，其西南、東南及東部與兩個熱低壓形成氣壓梯度帶，加之受地面冷鋒過境影響，寧夏及周邊地區出現了西北、偏東和偏北大風，將沙塵從多方向向寧夏上空輸送并與本地揚塵疊加，造成“0315”過程較“0113”過程污染更重.

c) 兩次重污染天氣過程中沙塵均為境外和境內同時輸送，其中，“0113”過程為西北和偏西路徑，傳輸距離長且高度較低；“0315”過程為西北、偏北和偏東路徑，傳輸距離短且高度較高.

d) “0113”過程中蒙古國西南部以及我國新疆-內蒙古-甘肅一帶和寧夏本地出現的負值水平螺旋度中心達-2 000 m2/s2，強的輻合上升運動和西風氣流將沙塵持續向寧夏上空輸送并與本地沙塵疊加，多股強下沉氣流又將沙塵迅速沉降至地面，下沉速度達2.1 Pa/s，該過程很快趨于結束. “0315”過程中蒙古國西部和南部以及我國新疆-甘肅一帶負值水平螺旋度中心達-3 500 m2/s2，強度強且范圍大，且上升和下沉運動交替進行使沙塵長時間懸浮于空中，導致此次沙塵暴天氣強度更強且持續時間更長.