基于多源數據對石河子市一次沙塵污染過程研究

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2025）04-0044-06

0 引言

風可將地表沙土揚至空中，使空氣變得渾濁，大氣能見度降低，導致近地面大氣中的顆粒物濃度升高，形成沙塵天氣[1-3]。隨著風力的加強，地面大量沙土被吹起并被高空氣流帶到下游地區，導致空氣渾濁，水平能見度 lt;1km 時，即形成沙塵暴[4，5]。沙塵天氣是一種全球性的自然災害，對環境和人類健康產生了嚴重的影響，故對其監測尤為重要。監測沙塵天氣的方式可分為地基監測和衛星遙感監測兩類。地基監測準確、靈敏，但是大規模沙塵天氣通常發生在偏遠荒漠地區，這些地區由于種種限制難以布設大規模高密度地面觀測站，且地基監測受自然環境影響較大，因此具有一定局限性[7]。相比之下，衛星遙感技術具有大面積同步觀測能力強、時效性強、經濟效益高等優勢，彌補了地基監測方式的不足[8。衛星遙感技術可分為極軌衛星和靜止衛星，常見的極軌衛星包括FY-3、NPP（NationalPolar-orbitingOperational Environmental Satelite System PreparatoryProject）等；常見的靜止衛星包括FY-4A、Himawari-8等。相對而言，極軌衛星觀測數據的空間分辨率更高，可以覆蓋全球，在沙塵算法研究上更具優勢，但時間分辨率較低；而靜止衛星的單次成像范圍大，觀測頻次高，時間分辨率為30min ，更適合沙塵暴全過程的監測。

目前，對沙塵監測識別以及沙塵過程溯源分析都進行了大量的研究。1984年，張德二通過文獻分析發現我國的主要粉塵源地為內蒙古、甘肅和新疆的裸露沙地，這是我國最早的沙塵溯源研究[9。世界范圍內，沙塵溯源研究主要利用礦物作為溯源指標和化學元素分析法，自20世紀90年代以來，衛星遙感、航拍技術以及同位素技術被綜合應用于沙塵溯源研究；近年來，沙塵溯源研究方法和手段不斷多樣化，并逐漸建立了標準化的研究方法，例如沙塵顆粒物理分析法、化學元素分析法、衛星遙感監測法等[10]。多源數據能多角度幫助了解沙塵天氣的發生發展全過程。利用遙感技術，可以有效地監測沙塵氣溶膠的運移路徑、光學厚度以及遠離沙塵源地的風沙變化，通過對這些數據的處理和分析，可以揭示沙塵天氣的形成機制和路徑，以及沙塵顆粒的特征和分布情況等信息；數值模擬和資料同化方法有助于沙塵過程溯源分析，提高了沙塵天氣的預測和預警能力。如張海香等人提出了一種基于Himawari-8衛星數據的動態沙塵檢測方法[3]；劉志麗等人提出了一種基于HYSPLIT4模型的沙塵氣溶膠移動路徑質點后向軌跡分析方法[；國家氣象中心也開發了沙塵同期數值預報系統，該系統自2002年起一直用于我國沙塵天氣的實時業務預報，并在應用過程中不斷改進[12，13]。

石河子地區是新疆重要的農業生產基地和生態屏障，同時也是我國沙塵暴頻發地區之一。頻繁的沙塵天氣對石河子地區的農業生產和生態環境都產生了較大的影響[14，15]。除此之外，沙塵天氣對空氣質量也有顯著影響，并且在風力主要驅動作用下，污染物在空間上進一步傳輸，相鄰城市間污染表現出趨勢一致性、時間滯后性、污染物累積的特點；同時污染程度還受地形地貌、氣象因素等綜合影響，溯源工作顯得尤為重要，通過精準識別污染源進一步提升防治精度。以往的工作中對于石河子地區沙塵天氣過程溯源分析的關注較少，基于衛星遙感和地面觀測對石河子地區沙塵天氣過程進行溯源分析可以更加準確地預測和評估沙塵天氣對該地區農業生產和生態環境的影響，也可以更好地認識沙塵重污染天氣的成因與輸送特征，提升石河子沙塵重污染預報預警水平。2022年11月27日石河子市所有區域的 PM_2.5 濃度均為良等級， PM₁₀^′ 濃度均為重度污染至嚴重污染等級。本文利用此次沙塵天氣污染過程的地面環境監測站數據、氣象要素衛星遙感資料，結合大氣環流形勢、HYSPLIT后向軌跡模型對此次重污染天氣進行過程分析，從而進一步了解沙塵污染過程的產生、演變、消散規律，為制定防治沙塵天氣的措施提供科學依據。

1數據與方法

1.1研究區概況

第八師石河子市（ 44.18^°N ， 86.00^°E ，海拔高度 450.8m ）位于天山北麓中段，古爾班通古特沙漠南緣，地勢平坦。氣候為典型大陸性干旱氣候，冬季漫長而寒冷，夏季短而炎熱，年平均氣溫 .7～8^°C 日照 2300～2700h ，年降雨量 180～270mm ，年蒸發量1000～1500mm 。石河子市位于瑪納斯河流域，為灌溉農業區，主要作物為棉花、玉米等經濟作物。另外，石河子市也是天山北坡經濟帶核心城市，區域產業結構偏重工業，能源結構偏煤，公路運輸占比高。石河子市的冬季重污染過程時間長、影響范圍較廣，目前已經成為限制區域經濟發展的因素之一。重污染天氣過程以顆粒物為主要污染物，分為“靜穩型”和“沙塵型”兩種。

圖1研究區概況圖

1.2 所用數據

1.2.1 遙感觀測數據

Himawari-8AHI數據來源于日本航空航天勘探局地球觀測研究中心（JapanAerospaceExplorationAgency，EarthObservationResearchCenter）官方網站，網址為https：//www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html。本文利用AHI影像數據進行沙塵過境識別。

1.2.2 地面觀測數據

地面數據來自中國環境監測總站全國城市空氣質量實時發布平臺的石河子市國控站點數據（艾青詩歌館， 44.29^°N ， 86.05^°E ），其中包括AQI、PM_2.5 、 PM₁₀ 逐小時地面觀測數據。近地面氣象資料來自于石河子市氣象局（ 44.31^°N ， 86.05^°E ）常規氣象觀測，包括風速、溫度、濕度、水汽壓數據。

1.2.3 其他數據

預報數據采用的是美國國家環境預報中心發布的GFS全球預報數據（GlobalForecastSystem），該系統每天發布4次全球范圍的氣象預報數據，分辨率為 0.25^°0.25^° ，以繪制500hpa和850hpa高空圖。歐洲中期天氣預報中心（EuropeanCentre forMedium-RangeWeatherForecasts，ECMWF）的大氣模式確定性預報產品，是高時空分辨率的氣象數值預報資料（以下簡稱“EC細網格”）繪制EC剖面風場圖?；旌蠁瘟Ｗ永窭嗜站C合軌跡模式（HYSPLIT）所用氣象資料來自于美國氣象環境預報中心（NCEP）提供的全球資料同化系統（GDAS）氣象再分析資料（GDAS， 1^°×1^° ）。

1.3 研究方法

1.3.1 后向軌跡模型

HYSPLIT是一種廣泛應用于空氣污染領域的拉格朗日粒子軌跡模型，可以模擬污染物在不同高度的移動和沉降路徑，該模型在污染物輸送、源解析方面應用廣泛[16-19]。本文使用HYSPLIT-4后向軌跡模式，基于GDAS氣象再分析數據，模擬了石河子市2022年11月27日3：00時和12：00的12h后向軌跡，時間分辨率為 ，進而判斷本次沙塵污染天氣中污染物的來源與傳輸過程。

1.3.2 濃度權重軌跡

濃度權重軌跡（CWT）算法是一種源區識別并將其網格化的方法，該算法依賴于后向軌跡計算結果，一般由MeteoInfo軟件中的TrajStat插件[20完成計算，該軟件對氣團軌跡的計算利用了NOAA的HYSPLIT模式的計算模塊。

CWT算法采用歐氏距離法，將研究區網格化成 0.2^°×0.2^° 的水平網格，得到不同輸送通道的類型特征和潛在源區，能夠定量給出每個網格的平均權重濃度，定量反映不同軌跡的污染程度[21，22]，計算公式見式（1）和式（2）。

式中： C_ij 一單元網格的平均權重濃度；軌跡的指數； M 一軌跡總數； C_l 一軌跡經過單元網格時對應的污染物濃度； τ_ijl 軌跡在網格的停留時間[26-27]。

WCWT=C_ij×W_ij

式中：WCWT一加權濃度權重軌跡值。為減小不確定性，引入權重因子 W_ij ，計算公式見式（3）。

2結果與討論

2.1污染過程顆粒物濃度變化特征分析

圖2為2022年11月25日00：00—28日23：00石河子市AQI、 PM₁₀ 、 PM_2.5 濃度和 |PM_2.5/PM₁₀ 的逐小時變化圖。27日07：00—14：00，AQI數值快速升高，于10：00出現最大值500， PM₁₀ 同時達到濃度峰值為 768μg/m³ ， PM_2.5 于11：00到達峰值為 68μg/m³ 。8h 污染過程中AQI平均值為350.13， PM_2.5 平均濃度為 49.38μg/m³ ， PM₁₀ 平均濃度為 488.25μg/m³ 。與21一28日非污染時段相比，此次污染過程的中PM_2.5 濃度為非污染期間的1.22倍， PM₁₀ 為7.17倍，AQI為5.94倍。除此之外， PM_2.5 與 PM₁₀ 比值也出現了明顯變化，自11月26日 19：00PM_2.5/ （20 PM₁₀ 快速下降，于11月27日10時達到最小值（0.089），整個污染過程平均值為0.105。而非污染期間PM_2.5/PM₁₀ 約為0.554，說明此次維持時間約 8h .污染過程主要污染物為 PM₁₀ ，具有過程快、時間短、污染物濃度高、以粗顆粒物為主的特點。經過計算，該次污染過程 PM₁₀ 濃度與風速顯著相關（表1），表現為“沙塵型”污染過程。污染過程中隨著風速增大，出現了污染物濃度快速上升的趨勢，因此需要進一步從天氣形勢和來源進行分析。

濃度變化情況，此次沙塵污染天氣過程覆蓋區域較大。受沙塵影響，精河位于此次污染區域的最西端， PM₁₀ 濃度于26日16：00率先升高，約8h后達到峰值（ 403μg/m³ ），較高濃度保持4h后污染物濃度逐漸降低。博樂獨山子、奎屯一帶于 19：00PM₁₀ 濃度升高，最高值僅為 224|μg/μ³ ，博樂、獨山子、奎屯等地擴散條件較好，上游風速較大，污染強度較小，持續時間也相對短暫。石河子 PM₁₀ 濃度于27日06：00—12：00較高，較精河峰值時間推后約 12h ，濃度升高速度較快， PM₁₀ 最高值達 768μg/m³ ，是此次污染過程中天山北坡一帶污染物濃度最高的地區。而呼圖壁、昌吉、烏魯木齊 ?PM₁₀ 濃度峰值則出現在27日12：00—20：00。整體而言，自西向東方向上依次出現了 PM₁₀ 濃度峰值，但石河子市的 濃度最高，AQI峰值達到469。初步猜想可能與周邊地區污染物的遷移轉運以及污染期石河子周邊天氣形勢有關，下面將展開討論。

2.2沙塵污染天氣氣象背景分析

強大的風力作用、沙源地、不穩定的大氣層結是形成沙塵天氣過程的三要素[23-25]。石河子所在北疆地區受西風環流影響，冬季受到蒙古高壓控制[26]。由圖4a可知，2022年11月26日20：00強冷空氣已進入沿天山一帶，冷高壓的進入使氣壓梯度力增加， 500hpa 高度北風帶風速達 30m/s 以上。由圖4b可知，低層 850hpa 石河子上游的克拉瑪依西北風達 32m/s ，在動量下傳和氣壓梯度力的共同作用下，石河子上游地區出現大風天氣。通過結合對EC風場垂直剖面進行分析（圖5，6），石河子上空風速自27日02：00開始減小，塔城東部到石河子從高層到低層均存在風速的輻合。石河子及上游地區26日17：00開始地面均為西北風，到01：00，在石河子地面形成了輻合中心。因此，沙塵過境帶來的粗顆粒物在石河子市產生了累積與結合地面積雪情況分析，2022年11月27日08：00地面積雪圖顯示，石河子上游克拉瑪依、塔城東部、精河至烏蘇一帶地面無積雪覆蓋（圖7a）。結合FY-4A可見光27日14時圖像對比，石河子上游地區為裸露地表，當有大風天氣發生時，裸露地表的顆粒物被卷起，有利于沙塵天氣的出現。11月27日01：00左右，石河子西北方向塔城地區的托里開始降雪，降雪初始經緯度約為 83.4342^°E ， 45.1782^°N 。此時由于積雪較薄，對沙塵抑制作用較弱，因此托里在短期內提供了穩定的沙源，在大風作用下，造成石河子市 PM₁₀"濃度持續的重度污染。托里地區的積雪覆蓋范圍在27日01：00—02：00顯著增加，27日14：00的真彩色合成圖表明（圖7b），此時石河子及其周邊區域已形成較為穩定的積雪，一定程度上阻隔了沙塵來源，沙塵過境傳輸也同時結束。

圖22022年11月25—28日石河子市AQI、 PM₁₀"、 PM_2.5"濃度和 PM_2，5/ PM₁₀"的逐小時變化

表1 PM₁₀ 與氣象要素的相關性

注：**為0.01水平上顯著相關。

圖42022年11月26日 500hpa （a）和850hpa（b）高空圖注：藍色實線一等高線；紅色實線一等溫線；褐色實線一槽；藍色箭頭一氣流方向

圖6EC細網格預報2022年11月27日02：00塔城至石河子風場垂直剖面圖

圖5EC細網格預報2022年11月27日02：00石河子市風場垂直剖面圖

2.3沙塵污染傳輸路徑分析

為了進一步對此次污染過程進行成因分析，利用Himawari-8AHI衛星傳感器識別了此次污染過程。圖8為2022年11月27日石河子市及周邊地區沙塵過境圖，可見沙塵過境石河子市的初始時間約為11月27日03：00，同日12：00左右沙塵過境結束，整個沙塵持續時間約 8h 。本次沙塵過程導致石河子市 PM₁₀ 重度污染，沙塵來源方向為西北方向塔城地區的托里等地。

利用HYSPLIT模型結合GFS氣象模式數據，對此次沙塵過境的開始（27日03：00）和結束（27日12：00）時刻進行 100m 、 500m 、 1000m 高度上后向軌跡模擬分析。以11月27日石河子市PM₁₀ 濃度最大時刻為初始時刻，對 進行起始高度為 100m ，模擬時長 12h ，以1h為間隔的外來污染多軌跡后向分析?；诤笙蜍壽E模擬的結果，利用濃度權重軌跡分析（CWT）進行網格化權重濃度的計算，可以判斷大氣污染源區對目標研究區污染的整體貢獻，反映其潛在污染來源，結果如圖9所示。

新疆位于西風帶上游區， 100m 、 500m 、1000m 高度上的氣團均來自于西北方向，起源于哈薩克斯坦東南部。三個高度上的氣團運動軌跡基本一致，11月26日22：00前氣團運動較為穩定，22：00后氣團快速上升，此時氣團正在經過石河子市上游區的裕民縣北部及與塔城市交界地帶，此地區為地表裸露區，強大風力作用下造成地表沙塵被揚起。在沙塵天氣過程中， 100m 高度上氣團移動速度較慢，運移過程中攜帶了大量的地表粗顆粒物。而 500m 和 1000m 氣團垂直方向上均處于較為穩定狀態，前期有利于污染物的進一步累積。此次沙塵污染天氣主要來自于石河子市西北方向的塔城地區、克拉瑪依市等地。裕民縣北部及與塔城市交界地帶由于裸露地表較多，為此次沙塵污染過程的貢獻了較多的顆粒物。此外，氣團向東南方向移動至石河子的過程中，在托里縣西北部、克拉瑪依市、沙灣縣西部等地也依次出現了高貢獻區域，可能與冬季燃煤取暖過程有關，同時地表人為活動產生的顆粒物也隨著氣流進一步移動，并在石河子市累積。11月27日07：00后氣團垂直運動較少，不利于沙塵的累積，隨著上游裸露區被積雪覆蓋，減少了沙塵源貢獻，此次沙塵天氣過程基本結束。

圖72022年11月27日14：00FY-4A可見光云圖（a）及石河子市及周邊地區積雪分析圖（b）

圖8石河子市及周邊地區2022年11月27日沙塵過境空間分布圖

圖9石河子市11月27日03：00和12：00后向軌跡和 PM₁₀ 溯源軌跡權重濃度圖（圖中時刻為對應世界時）

3結論與討論

（1）污染過程期間，AQI、 PM_2.5 和 濃度變化趨勢具有一致性， PM_2.5/PM₁₀ 明顯低于其他時段，8h污染過程中AQI平均值為350.13， PM_2.5 平均濃度為 49.38μg/m³ ， PM₁₀ 平均濃度為 488.25μg/m³ ，PM_2.5/PM₁₀ 平均值為0.105，表明此次沙塵天氣具有傳輸快、時間短、污染物濃度高且以粗顆粒物為主的特點。此次污染 PM₁₀ 濃度與風速顯著相關，可能為“沙塵型”污染過程，過程中自西向東方向上依次出現了 PM₁₀Ω 濃度峰值，但石河子市的 PM₁₀ 濃度最高，可能與當時石河子市周邊的天氣形勢有關。

（2）根據Himawari-8AHI衛星傳感器識別結果，沙塵過境石河子市的初始時間約為11月27日03：00，同日12：00左右沙塵過境結束，整個沙塵持續時間約 8h ，沙塵來源為石河子市西北方向塔城地區的托里和烏蘇等地。

（3）此次過程由于強冷空氣入侵引起，11月末北疆克拉瑪依上游地區還未形成穩定積雪，裸露地表在大風的作用下被卷起，在西北風的水平輸送下進入石河子，造成沙塵天氣。且因為此次過程中高低空風速較大，有利于沙粒的水平輸送，故此次沙塵天氣持續時間相對較短，PM₁₀ 濃度8h內由 lt;100μg/m³ 躍增至 700μg/m³ 以上，再迅速降至 100μg/m³ 以下。

（4）結合HYSPLIT模型的溯源分析表明，污染過程初始階段，裕民縣北部及與塔城市交界地帶對此次沙塵污染過程的貢獻度最強，此處為裸露地表區域，貢獻較多粗顆粒物。隨著氣團向東南方向移動，托里縣西北部、克拉瑪依市、沙灣縣西部等地依次出現高貢獻區，此地區人為活動較強，污染物進一步累積。

本文對石河子市一次沙塵污染天氣過程做了分析，春季為石河子市沙塵污染天氣的高發時期，還需要進一步對沙塵污染天氣的產生閾值、溫濕度條件等分析，從而為預報預警工作提供數據。

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