安阳市沙尘天气成因及特征性探究

周英涛

（安阳市生态环境监控中心，河南 安阳 455000）

0 引言

沙尘天气是由强风将地面沙尘携卷到空中，对农业、人类生产生活和生态系统均造成一定危害，并严重影响着环境空气质量[1]。激光雷达也被广泛地应用到沙尘天气分析，并发现存在沙尘与地面污染混合的现象，沙尘层主要分布高度在1000m～2000m 区域，气溶胶最大退偏比为0.34[2]；激光雷达的探测可以精确反映出不同天气形势下沙尘气溶胶的垂直结构和时空变化特征，对远距离输送的高空粗粒子沉降有较好的监测能力[3]；目前，已有的研究多集中于单一设备对沙尘过程的个例分析，对沙尘天气传输沉降造成的环境空气污染分析研究相对较少。

该文以安阳市2021 年1 月10—14 日出现的一次沙尘天气为例，结合激光雷达，分析在沙尘天气过程中的大气消光系数、退偏比、边界层等的变化，探讨了沙尘沉降对近地面颗粒物污染物浓度变化的影响，为沙尘天气的预报预警和环境空气质量预报等工作提供参考。

1 研究方法

1.1 仪器及方法

该研究所使用的微脉冲偏振激光雷达（Micro Pulse Lidar，MPL）为北京怡孚和融科技有限公司生产的EV－LIDA R型雷达，根据后向散射原理探测到激光回波信号，可有效的区分球形颗粒（小水滴、雾滴）与非球形颗粒物（飘尘、沙尘、冰晶）。激光器为二极管泵浦 Nd：YAG，工作波长532nm，单脉冲输出能量13uJ，脉冲重复频率2.5kHz，脉冲宽度12ns，接收望远镜为同轴式，口径160mm，探测器为单光子计数探测器，数据采集为光子计数器，探测距离最大30km，空间分辨率15 m。根据激光雷达方程使用后向散射算法，在过程中反演出空气中气溶胶颗粒物得到它的消光系数和后向散射系数，利用后向散射信号强度在垂直和平行向的分量计算得出气溶胶颗粒物的退偏比[4]。

1.2 后向轨迹模式（HYSPLIT）

HYSPLIT（HybridSingle Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的混合型单粒子欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）扩散模式（Stein et al，2016），用于追踪气流携带的粒子或移动方向，利用HYS-PLIT 模式分析沙尘天气的源地和传输路径。

1.3 数据来源

该次沙尘过程分析所应用的污染物资料及相关气象资料主要来源于中国气象局、河南省安阳市生态环境监测中心、安阳市气象局，空气监测数据来源是监测中心管理的环境空气质量国控点自动监测数据及真气网中空气质量数据（图1）；气象资料主要来源于中国气象局相关的空气数据、安阳市气象局下发的MICAPS同期高空和地面的实况观测相关数据资料。

图1 2021 年1 月12 日0 时中国北方主要城市PM10 分布图

2 结果与讨论

2.1 空气质量和天气形势变化情况

2021 年1 月10 日开始，来自西北方向的沙尘前锋到达安阳市上空，受到沙尘传输影响直至14 日，安阳市PM2.5与PM10整体浓度呈升高趋势。10 日凌晨时段至12 日上午时段空气站PM2.5浓度在35 μg/m3～60 μg/m3，12 日中午时段开始PM2.5浓度开始逐步升高，于14 日11 时达到峰值159ug/m3，PM2.5AQI 分指数为209，随后浓度逐步呈下降趋势（图2）。10 日凌晨至11 日上午时段空气站PM10浓度维持在150ug/m3以下，11 日11 时后浓度出现一次小幅升高，随后浓度下降，12 日凌晨时段开始PM10浓度迅速升高，于下午14 时达到峰值334ug/m3，随后浓度呈下降趋势，13 日凌晨时段开始PM10浓度再次迅速升高，峰值达到454ug/m3，PM10AQI 分指数为343，空气质量达到六级严重污染。粗颗粒高值浓度持续至14日下午时段开始逐步呈下降趋势。结合天气形势和空气质量变化可知，这次沙尘天气导致的环境空气质量恶化过程在安阳地区可以分为3 个阶段：第一个阶段是11 日08:00—11日22:00，此时安阳地区颗粒污染物主要以高空浮尘向近地沉降影响为主；第二个阶段是12 日02:00 时—12 日22:00，此时风力加大，粗颗粒物污染以外来传输影响为主；第三个阶段是13 日01:00—14 日23:00，该时段高空沙尘强度加重，粗颗粒物占比再次升高，对近地影响加强。

图2 2021 年1 月10 日—14 日安阳市颗粒物浓度变化趋势图

2.2 气溶胶激光雷达的探测分析

通过对气溶胶激光雷达分析发现，该次沙尘天气造成的空气质量恶化主要与高空颗粒物的沉降密切相关，其中消光系数（图3）表明1 月10 日—12 日凌晨时段近地消光值较低，城市PM2.5浓度相对较低，12 日上午时段高空2.5km 左右出现沙尘气团，对近地影响较小。13 日9 时左右高空沙尘气团逐渐向近地沉降，空气站PM2.5浓度呈逐步升高趋势于14 日中午时段影响达到最大，下午时段气团向上扩散，扩散高度在800m 左右，本地影响减轻。消光系数表示气溶胶粒子通过散射和吸收作用，对某一波段辐射单位面积、单位长度的衰减程度，通常，消光系数越小，表明细颗粒越少，反之细颗粒越多。

图3 2021 年1 月10 日至14 日激光雷达反演的消光系数、退偏图

图5 气流后向轨迹运行图

由于沙尘气溶胶具有较高的退偏比，为粗颗粒。而一般气溶胶、云中的水滴等近乎球形，退偏比较低，因此易于在退偏比图上将沙尘气溶胶与其他大气污染物区分开，通过退偏比数据显示1 月10 日—11 日凌晨时段高空1km 内存在轻微浮尘（图2），对近地影响相对较小，11 日8 时左右高空2km 内出现沙尘源并快速沉降，空气站PM10浓度出现第一次峰值，16 时—12 日0 时沙尘影响对近地减弱，12 日2 时左右高空沙尘浓度加强，对近地影响加重，空气站PM10浓度迅速升高达到第二次峰值，沙尘于12 日20 时左右向上扩散，对近地影响减轻。13 日凌晨时段出现第三次沙尘入境并向近地沉降，空气站PM10浓度再次升高达到第三次峰值，中午时段开始沙尘逐渐向上扩散，对近地影响逐渐减弱，空气站PM10占比降低。

由激光雷达反演的消光系数和退偏比廓线分析发现：该次沙尘天气的外来输入性明显，大量沙尘受气流以及重力双沉降到近地层是造成该次环境大气污染事件的主要原因。1 月10 日—14 日安阳市本地边界层高度整体维持在1km 左右，受高空沙尘影响带来的冷空气变化影响，边界层高度出现抬升现象，沙尘传输下沉边界层下压至800m 左右，整体扩散条件受冷空气过境影响较好。沙尘天气一般都带来冷空气影响，对近地面细颗粒存在清洁作用[5]。

2.3 沙尘源地及输送条件

为深入分析该次沙尘天气的源地和传输路径，利用HYSPLIT 图对气流轨迹进行繁衍，1 月10 日—14 日（图4），通过后向轨迹表明沙尘传输源地主要为西北方位，结合其他分析资料表明为蒙古西部。通过远距离输送使气流在移动过程中携带了大量沙尘颗粒污染物，同时受下沉运动输送到近地对本地空气质量产生较严重的影响，造成PM10成为首要污染物。11 日—12 日气流表明呈下沉，说明存在气流沉降影响。同时沙尘也受重力沉降影响。

图4 2021 年1 月10 日—14 日边界层高度变化

3 结论

1）2021 年1 月10 日—14 日的环境空气质量恶化可分为3 个过程，过程1：11日08:00～22:00，安阳颗粒污染主要以高空浮尘向近地沉降影响为主；过程2：12 日02:00～22:00，冷空气携带粗颗粒物污染沉降影响为主；过程3：13 日01:00—14 日23:00，高空沙尘强度加重，粗颗粒物占比再次升高，对近地面影响加强。

2）激光雷达数据表明，这次沙尘过程主要以外来传输沉降为主，退偏比较好的说明了高空沙尘的沉降变化，应用退偏比数据来判断 PM10浓度变化的原因。沙尘天气同时带来冷空气会使边界层维持较高的高度[6]。

3）后向轨迹图数据表明该次沙尘传输过程安阳市主要受西北方位（蒙古旋气流）2km 内下沉或平缓气流影响，沙尘从高空输入，同时受到气流下沉与重力沉降的影响，近地面PM10浓度快速升高，成为首要污染物，并达到重度污染。