北京两次重污染沙尘天气成因及动力传输特征的对比研究

王 华，轩春怡，吴 方，金晨曦，李梓铭，李 靖，郭金兰

（1.北京市气象服务中心，北京100089；2.北京市气候中心，北京100089；3.京津冀环境气象预报预警中心，北京100081；4.北京市气象台，北京100089）

沙尘天气一直是对我国影响较大的灾害性天气。沙尘天气发生时，空气质量急剧恶化、能见度降低，会给源地及下游地区的生态环境和人类生活造成巨大损失[1-6]。据有关研究[7-9]指出，沙尘暴的形成有3个基本条件：一是大风，二是地面上的沙尘物质，三是不稳定的空气状态。因此我国的沙尘暴主要集中于两大区域[10-15]，一是位于西北地区塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠及其周边地区；另一个是内蒙古地区，从巴丹吉林沙漠东部向东延伸至腾格里沙漠、毛乌素沙漠。

北京地处我国沙尘暴高发区的下风方向，经常受到沙尘天气的侵袭，不仅造成大气环境质量恶化，给人体健康和交通运输等带来严重影响，而且会引起社会的极大关注，因此北京的沙尘天气一直是国内外科学家研究的重点[16-18]。尹晓惠等[19]研究表明，进入北京的冷空气和沙尘主要有偏西、西北和偏北3条移动路径，蒙古气旋冷锋是北京产生沙尘天气的最主要天气系统，影响北京的沙尘质点主要来源于我国内蒙古以及中蒙边境地区。张钛仁、张志刚等[20-24]也分析得到上述3条北京的沙尘传输路径，并指出北京沙尘发生次数与沙尘源区春季大气降水量有比较显著的负相关关系。而徐文帅等[25-26]研究表明北京除了受上述3条直接输送的沙尘路径影响外，沙尘回流也是一类对空气质量影响较大的沙尘天气，这类污染过程主要是由于沙尘在上游沙源地起沙后先直接输送，穿过北京，然后停留在渤海湾和朝鲜半岛区域，在渤海弱高压系统作用下，沙尘又回流至北京所致，属于二次影响。安林昌等[27-29]也曾研究过沙尘偏北路径输送北京并移至下游后，由南风造成沙尘向北回流再次传输至北京的个例。

北京的沙尘天气除了上述3条常见的传输路径和沙尘回流的二次影响外，是否存在别的传输路径？影响沙尘传输路径的因素都有哪些？为了今后更好地开展沙尘天气的预报预警，这些问题值得进一步研究。本文利用后向轨迹模式、气象和空气污染监测数据等，结合天气、空气质量和地理等条件，对比研究北京两次重污染沙尘天气的成因、传输特征及主要的影响因素，为沙尘天气预报开拓新的思路。

1 资料与方法

1.1 数据资料来源

文中气象观测资料使用国家气象信息中心发布的2018年3月27—28日和5月27—28日的高空、地面气象观测以及地面自动站逐小时风向风速数据。气象格点资料使用欧洲中期天气预报中心提供的水平分辨率为0.125°×0.125°、时间分辨率为6 h、垂直方向为36层的ERA-Interim再分析资料。同时使用北京、天津、河北、内蒙古、辽宁等省、市环保局或环境保护厅发布的共542个空气质量监测站的空气污染监测数据，分析可吸入颗粒物（PM10）污染物浓度的时空变化。

1.2 HYSPLIT模式

HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）即欧拉—拉格朗日混合单粒子轨道模型，是质点轨迹、扩散及沉降综合的模式系统，可用于计算和分析大气污染物输送和扩散轨迹。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式。采用NOAA在线提供的HYSPLIT后向轨迹模型和美国国家环境预报中心（NCEP）与美国国家大气研究中心（NCAR）的全球再分析资料，其水平分辨率为1°×1°，选择北京观象台为参考点，参考高度为200、800、1500 m，以此来分析影响北京的沙尘输送特征。

2 重污染沙尘天气实况

2018年春季北京出现了两次重污染沙尘过程，AQI超过500，分别在3月28日和5月28日。从空气污染监测数据和天气类型来看（表1），3月28日为浮尘天气，造成的空气污染最为严重，北京重度污染持续了14 h，PM10小时峰值浓度达到1989μg/m3，AQI“爆表”维持了13 h；5月28日先为浮尘，后转为扬沙天气，重度污染持续了7 h，PM10小时峰值浓度为818μg/m3，AQI超过500的重污染持续了4 h。

表1 2018年3月28日和5月28日北京沙尘天气实况

3 沙尘传输特征的显著差异

通过对比分析2018年3月28日和5月28日北京沙尘污染最严重时刻观象台36 h的后向轨迹（图1）发现，两次沙尘过程的总体趋势虽然都是从西北方向往北京输送，但是沙尘粒子的移动路径和运移高度有显著差异。

图1a可以看出，3月28日200、800 m高度的沙尘粒子来自蒙古国南部或中蒙边境一带，27日白天以东移为主，27日前半夜向东南方向移动，并且高度有所抬升，到了28日02时前后移动方向发生转折，改向西南方向移动，28日08时前后以偏东路径进入北京。1500 m高度的沙尘粒子在27日白天到前半夜的传输方向为西北—东南，28日02时以后传输方向发生转折，改向西南方向移动，最后以东北路径先于200、800 m高度的沙尘粒子影响北京。从近地面200 m沙尘粒子的运移趋势来看，27日白天在近地面，27日前半夜抬升到700 m左右，然后逐渐降低输入北京，说明沙尘天气来自于沙源地近地面层沙尘粒子的远距离输送，运移高度比较低。从图1b可以看出，5月28日影响北京的3个高度的沙尘粒子都是从蒙古国自西北向东南移动，最后以西北路径进入北京。近地面200 m高度的沙尘粒子27日白天在1500 m左右，27日20时前后抬升到1500～2000 m，27日夜间下降输入到北京，沙尘粒子的运移高度比较高。

4 重污染沙尘天气成因及其与地形的关系

4.1 冷空气与沙尘气团受地形影响形成的偏东风绕流

沙尘天气的发生发展和冷空气的活动是密不可分的。从2018年3月27—28日海平面气压和沙尘天气的变化发现，受深厚的蒙古气旋影响，26日夜间到27日白天蒙古国出现了大范围的沙尘暴天气，形成初始的沙尘源，27日14时我国内蒙古中东部也出现了大范围的扬沙天气（图2a）。受其影响，27日20时内蒙古到河北北部的PM10浓度明显升高，超过420μg/m3，而北京此时受静稳形势的影响，是首要污染物为PM2.5的霾重度污染（图3a）。

图1 3月28日11时BT（a）、5月28日05时BT（b）200、800、1500 m高度北京观象台（39.8°N，116.47°E）HYSPLIT模式36 h后向轨迹

图2 3月27日14时BT（a）、3月28日08时BT（b）时海平面气压（黑线，单位：hPa）、地面沙尘区（S为浮尘，为扬沙，→S为沙尘暴）与海拔高度（彩色阴影，单位：m）

众所周知，山地能够阻碍气团和锋面的移动以致改变其方向。图2的地形高度图显示我国内蒙古、京津冀及东北一带的地形地势比较复杂，既有内蒙古高原，又有阴山、燕山、太行山、大兴安岭、长白山等山脉，还有东北平原、华北平原。3月27日夜间蒙古气旋东移，冷空气主体位置偏北，从内蒙古东部锡林格勒盟的西部平坦地带进入。由于锡林格勒盟的南部是阴山山脉向东延伸的余脉，东部为大兴安岭西麓，地势相对较高，冷空气携带的沙尘气团随西北风移至锡林格勒盟的东南部时，受地形阻挡气流发生抬升，运移高度上升到700 m左右。到28日02时沙尘气团进入到赤峰、通辽和辽宁省的平原地区（图3b红色圆圈处），由于下游受到长白山的阻挡，冷空气在这一低洼地带发生堆积，从而在地面形成了东高西低的气压分布（图2b）。在气压梯度力的驱动下，冷空气及沙尘的移动路径在此发生转折，从西北转为偏东路径，27日后半夜到28日白天携带沙尘粒子自东向西影响北京的平原地区（图3c～3f），因此沙尘粒子是从700 m左右高度降低输送至北京地面。

同时，27日夜间我国内蒙古中部位于高压底部，海平面气压梯度和地面风力很小，蒙古国南部的沙尘气团以缓慢扩散的形式向东南方向移动，河北北部的沙尘范围逐渐扩大，28日00—04时部分站点PM10浓度超过1000μg/m3（图3c蓝色圆圈），而北京受到北部1500 m以上高海拔山脉的阻挡，平原地区未受到沙尘影响。05—06时冷空气携带沙尘气团绕过了北部高山，从北京东北部地势较低的密云区进入到中心城区（图3d），因此1500 m高度的沙尘粒子移动方向发生转折。北京的密云、顺义、中心城区、大兴自东北向南地面沙尘浓度依次开始迅速增长，超过2000μg/m3（图4红色箭头示意），而西部的门头沟、海淀PM10浓度无明显变化。

图3 3月27日20时BT（a）、3月28日02时BT（b）、3月28日04时BT（c）、3月28日06时BT（d）、3月28日08时BT（e）、3月28日10时BT（f）地面风场（单位：m/s）与PM10浓度（彩色圆点，单位：μg/m3）

图4 北京市内沙尘传输路径示意图

28日06—08时从赤峰、通辽、辽宁一带的冷空气携带沙尘粒子移动方向转折后，经河北东部移至北京城区（图3d~3e），08—11时北京西部的海淀、门头沟等地受东风输送影响，PM10浓度迅速增长，超过1500μg/m3（图4中粉色箭头）。这样在东北风和东风两支沙尘气流的共同输送下，北京各区县的AQI均爆表。28日白天北京近地面一直受偏东风的影响，沙尘气团受到西部太行山脉的阻挡，在山前一带形成堆积（图3f），造成AQI＞500的重污染持续到18时。

4.2 冷空气与沙尘气团直接翻山造成的西北路径传输

从图5发现，2018年5月27日上午受低压冷锋的影响，蒙古国南部出现了沙尘暴天气，下午沙尘气团从内蒙古高原东移南下，翻越阴山山脉的东侧，沙尘粒子的高度受山脉抬升影响超过1500 m，于18—20时移至河北的西北部山区，PM10浓度超过600μg/m3（图6a）。27日夜间蒙古国的冷空气明显加强，位于京津冀的低压及其后部的冷锋也进一步发展增强。前半夜北京周边的地面风力较小，河北西北部的沙尘气团以缓慢扩散的形式影响北京的西北山区，后半夜冷锋过境，随着南下冷空气的增强，北京的地面风力逐渐加大，全市自西北向东南先后出现浮尘和扬沙天气。

从地面的空气质量变化来看（图6），27日前半夜北京西北部山区延庆PM10的浓度首先开始上升，28日02时达到峰值931μg/m3，下游的昌平03时达到峰值。此后，地面风力逐渐增大，自西北向东南北京城区和南部的沙尘浓度依次开始迅速增长，海淀和中心城区的PM10浓度在04—06时达到峰值，超过1000μg/m3，东南部的大兴、通州一带于06—09时达到峰值。08时地面风力达到4级，城区的沙尘重度污染持续到10时前后，中午空气质量彻底好转。地面的沙尘传输路径如图4蓝色箭头示意，为典型的西北路径。

图5 5月27日11时BT（a）、5月28日08时BT（b）海平面气压场（黑线，单位：hPa）、地面沙尘区（S为浮尘，为扬沙，为沙尘暴）与海拔高度（彩色阴影，单位：m）

图6 5月27日20时BT（a）、5月28日02时BT（b）、5月28日04时BT（c）、5月28日08时BT（d）地面风场（单位：m/s）与PM10浓度（彩色圆点，单位：μg/m3）

5 高低空天气系统的作用及其对沙尘传输的影响

5.1 高空冷空气与引导气流的作用

地面冷空气和沙尘气团的活动不仅与地形等下垫面有关系，而且其强度、范围、移动方向是高低空天气系统共同作用的结果。分析500 hPa的环流形势发现（图7），3月28日过程欧亚大陆中高纬地区环流的经向度较小，高空槽位于鄂霍次克海西部，温度槽落后于高度槽，位于贝加尔湖东部到我国东北一带，引导低层位于西伯利亚的冷空气主体向我国东北移动。我国内蒙古中西部到京津冀一带高空为偏西气流，风速不超过20 m/s，其上有短波槽活动，高空冷空气较弱。

5月28日500 hPa高空的环流经向度大，欧亚大陆中高纬地区为阻塞形势，我国东北地区处于阻塞高压前部深厚的切断低涡中，并对应有-20℃的冷涡，内蒙古中部到北京一带处于冷涡后部的偏北气流中，河北西北部到北京的高空风速较大，达到25 m/s，不仅造成高空冷空气向南爆发，也引导中蒙一带低层冷空气南下，自北向南影响我国内蒙古中部和京津冀地区（图4）。

图7 3月28日08时BT（a）、5月28日08时BT（b）500 hPa高度场（黑线，单位：dagpm）、温度场（红线，单位：℃）和风场（单位：m/s）

5.2 低层冷空气强度与风场的变化

分析低层天气形势发现，两次沙尘过程影响北京前我国东北地区均为低涡形势，北京及其上游内蒙古中部、河北西北部的风向风速差别不大，但是低涡的移动方向、温度场分布、温度平流与风场的变化有显著差异。

图8 3月27日20时BT（a）、3月28日08时BT（b）、5月27日20时BT（c）、5月28日08时BT（d）850 hPa高度场（黑线，单位：dagpm）、温度场（红线，单位：℃）、风场（单位：m/s）和冷平流（阴影，单位：10-5℃/s）分布

3月27日20时850 hPa北京以北110°～120°E处于东北低涡后部的偏北风控制（图8a），45°N一带有南北向的强温度锋区和-70×10-5℃/s的强冷平流中心，由于温度锋区和冷中心位置偏北，河北北部和北京一带的冷平流很弱，北京为西南偏西风。27日夜间在500 hPa高空偏西气流的引导下，850 hPa东北低涡向东偏北方向移动，其后部的冷空气主体东移并向南扩散，温度槽和冷平流中心减弱东移至东北地区，北京处于东北方向冷、西南暖的温度梯度区内，3月28日08时（图8b）转为6 m/s东北风，冷平流增强为-20×10-5℃/s。

5月27日20时低层850 hPa（图8c）东北低涡后部有4℃的冷涡配合，冷涡南部为南北向的温度锋区，其上有-20×10-5℃/s的冷平流，从内蒙古中部沿偏北气流向京津冀移动，北京为14 m/s西南偏西风。27日夜间冷空气加强南下，850 hPa的东北低涡随高空切断低涡向西南方向移动，其后部的冷气团和温度锋区明显南压，到28日08时（图8d）河北西北部到北京处于强温度锋区和中心强度低于-30×10-5℃/s的冷平流中，北京转为18 m/s的西北风。可见5月28日直接影响北京的低层冷空气和风力都明显强于3月28日。

5.3 冷空气的垂直结构与地形对沙尘传输的影响

沙尘的传输路径、运移高度和持续时间等与高低空冷空气的强度、走向以及地形直接相关。以北京市中心经度116.4°E作温度平流和风场以及地形高度的经向垂直剖面（图9），发现两次过程的前半夜河北和北京的中高空均为偏西气流，冷平流较弱，02时低层都有冷平流从河北的北部山区沿偏北风进入北京的山区，但是均未抵达城区近地面，而5月28日的高空风速较强，冷空气的垂直结构变化很大。

图9 3月28日02时BT（a）、08时BT（b），5月28日02时BT（c）、08时BT（d）的冷平流（蓝色阴影，单位：10-5℃/s）、风场（单位：m/s）与地形高度（黑色阴影，单位：m）沿116.4°E经向垂直剖面

3月28日沙尘影响北京时，高空是偏西气流，从河北北部到北京500~700 hPa的风速和冷平流很弱，1500 m左右高海拔山区的风速和冷平流均较小，而北京的浅山区到平原地区（41°N以南）850 hPa以下的东北风较大（10～12 m/s），冷平流相对较强。表明河北北部整层冷空气势力较弱，无法直接翻越北京北部的高海拔山区，只能到达下游地势较低的区域，然后在边界层以偏东风的形式携带沙尘气团绕流进入北京，因此传输路径发生转折，沙尘粒子的运移高度较低。

5月27日后半夜河北北部整层转为西北风，中低层的冷平流显著增强。北京城区850 hPa以下西北风明显增大，28日08时近地面风速达到6 m/s，低层受强冷平流控制，中心强度超过-40×10-5℃/s，但是中高层风向变化不大，未受到冷平流影响。表明后半夜河北北部低层的冷空气增强增厚，在高空西北气流的引导下，直接翻过高海拔山脉进入到北京的平原地区，因此北京自西北向东南出现大范围的沙尘天气，近地面沙尘粒子的运移高度也较高，从1500～2000 m的高度下降移入，与北部山脉的海拔高度一致。

6 结论

通过对2018年3月28日和5月28日北京重污染沙尘天气的形成机制、传输特征以及影响因素等对比分析，得出以下结论：

（1）两次过程的沙尘初始源地均为蒙古国，但是3月28日沙尘天气由蒙古气旋引发，传输出现折向，以东北和偏东两条路径输送入京，污染严重且持续时间长。5月28日受低涡和发展的低压冷锋影响，为典型的西北路径传输，沙尘扩散速度快。

（2）高空的引导气流与低层冷空气的强度以及地形是导致两次重污染沙尘天气的传输路径、运移高度和持续时间存在显著差异的关键影响因素，是3月28日沙尘传输路径出现折向的主要原因。

（3）当高空为偏西气流，低层冷平流较弱时，受山脉的阻挡作用，沙尘气团东移至地势较低的区域后，在气压梯度力的驱动下传输方向发生转折，以偏东路径绕流进入北京，沙尘粒子的运移高度较低；高空的偏北气流和低层冷平流较强，沙尘气团可直接翻越高海拔山脉以西北路径南下侵袭北京，沙尘粒子的运移高度相对较高。