2018年春季北京一次沙尘天气边界层特征及来源分析

桂海林 秦贺 赵培涛 王飞 唐志军 王继康 朱媛媛 褚旸晰

(1.国家气象中心，北京 100081； 2.新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002； 3.中国气象局气象探测中心，北京 100081； 4.中国气象科学研究院，北京 100081； 5.91876部队气象台，河北 山海关 066203； 6.中国环境监测总站，北京 100089； 7.中国环境科学研究院，北京 100089)

引言

中国北方是东亚沙尘源的重要组成部分[1]。沙尘天气出现时，沙尘气溶胶粒子浓度急剧上升，大气环境明显恶化。沙尘气溶胶可从中亚沙漠或戈壁向下游长距离输送至东亚、北美地区[2-3]，甚至还能绕地球一周，格陵兰和法国阿尔卑斯山的冰雪核中曾发现有亚洲沙尘粒子[4-7]。另外，沙尘天气的发生对大气环境和辐射收支平衡有重要影响[8]，加剧土地的荒漠化[9-10]，甚至对全球气候产生深远的影响[11-12]。沙尘天气与气象因子密切相关[13-14]，其中风速是沙尘天气发生的重要驱动力[15]，而温度、降水、湿度等通过改变下垫面直接或间接影响沙尘天气发生的范围、强度、频率等[16]。研究表明，影响中国的沙尘天气通常有三条移动路径:北方路径、西北路径和西方路径[17]，大范围沙尘暴的发生通常伴随着大尺度环流的调整和冷空气的移动，冷锋伴随的大风通过强上升气流将土壤尘粒卷扬进入对流层高层后，随西风急流向源区下游传输，其传输距离与沙尘气溶胶的传输高度密切相关。而沙尘的传输类型受地表风蚀程度与起沙风速阈值的变化影响[18]。

传统气象观测中依靠观测员目视与地面能见度来对沙尘天气进行判识，缺乏对沙尘的定量观测，尤其缺乏对沙尘气溶胶的垂直观测。激光雷达是快速捕获气溶胶传输特征和垂直分布有效工具[19-22]。白宇波等[23]和邱金桓等[24]分别利用激光雷达对拉萨及北京上空云与气溶胶进行探测研究，得到了两城市精细化的气溶胶垂直分布。曹钰等[25]利用激光雷达结合再分析资料分析了2014年5月上海一次受沙尘影响严重空气污染过程，凝练出部分对上海地区污染天气过程预报具有重要指示意义指标。杨磊等[26]利用风廓线雷达计算了沈阳一次空气重污染过程边界层通风量与污染演变的关系，非常规探测资料在研究气溶胶污染中有较好的应用前景。樊璠等[27]对北京强沙尘过程前后进行对比分析，探讨了沙尘过程中气溶胶的时空分布特征及输送特征。沙尘天气的传输、潜在源区对于揭示沙尘的生消机制和预报、防控等均具有重要的研究意义。对沙尘源区的细化更是研究沙尘发生发展规律的有效方法之一。本研究利用激光雷达和风廓线雷达，结合污染物化学组分重点对北京2018年3月28日沙尘天气生消和演变以及污染过程的理化特征、沙尘来源和传输规律进行详细的分析，为沙尘天气边界层研究及沙尘来源分析提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

文中所用温度、相对湿度、风向、风速等数据，来自中国气象局国家气象观测站数据，时间分辨率为1 h。PM2.5和PM10数据由北京市生态环境监测中心网站(http://www.bjmemc.com.cn)和内蒙古生态环境监测中心网站(http://106.74.0.132:8080)提供，时间分辨率为1 h，单位为μg·m-3。垂直速度数据来自NCEP(美国国家环境预报中心)提供的时间分辨率6 h，空间分辨率1°×1°的 FNL 再分析资料(http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/)。PM2.5主要离子组分(包括EC、OC、多种水溶性离子)的质量浓度监测数据来自中国环境监测总站的京津冀及周边综合立体观测数据共享平台(http://123.127.175.60:8765/siteui/index)。除特别说明外，文中所用时间均为北京时。

本文使用的激光雷达是合肥光博量子公司开发的GBQ L-01大气气溶胶激光雷达，位于北京市气象局南郊观象站(39.8 °N，116.47 °E)，时间分辨率为30 s至30 min，空间分辨率为7.5 m，发射波长532 nm。仪器操作原理及相关介绍参考《GBQ L-01大气气溶胶激光雷达(户外高重频型)》操作使用说明书。本文使用的L波段风廓线边界层雷达位于北京市海淀区(39.98 °N，116.28 °E；海拔高度47 m)，基于雷达回波多普勒频移特性，利用大气对电磁波的散射作用采用无波束扫描方式进行观测[28]。该风廓线雷达可提供每6 min一组，包含水平风速、风向、垂直速度等要素的观测数据。

1.2 边界层高度算法

文中边界层层高度使用罗氏法计算[29-31]，该方法综合考虑大气边界层的热力和动力湍流作用，根据边界层大气运动与地面气象要素之间的双向反馈关系，利用地面气象参数来估算边界层高度，具体计算公式如下:

(1)

式(1)中，h为边界层层高度，单位为m；(T-Td)为温度露点差，单位为℃；U10为高度10 m处的平均风速，单位为m·s-1；Z统一取10 m；Zo为地表粗糙度；f为地转参数，f=2ΩsinΦ，其中，Ω为地球自转角速度，Φ为纬度；P为Pasquill稳定度级别(综合考虑热力和动力因子，将大气稳定度分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六个级别，分别以A、B、C、D、E、F表示P值，依次为1—6)。

2 结果分析

2.1 沙尘过程

2018年3月中国北方地区降水较常年同期偏少，气温偏高，其中内蒙古中部及中国华北等地降水偏少3—8成，气温偏高2—6 ℃[32]，加之中国北方地区地表土壤已基本解冻，气象条件和地表条件对沙尘天气的发生发展均较为有利。2018年3月27—28日，在蒙古气旋的影响下(以3月27日14时为例，见图1)，内蒙古中东部、山西北部、河北中北部、北京、天津及中国东北地区先后出现大范围扬沙或浮尘。其中，内蒙古锡林郭勒盟局地出现沙尘暴，最低能见度不足400 m，地面伴有5—7级大风，阵风可达9级。FY-4A卫星红外监测显示(图略)，27日14时中蒙边界处出现大片沙尘，伴随气旋进一步东移，27日夜间沙尘随着高空西北气流向东进一步影响内蒙古中东部、中国东北和华北北部。最强时段出现在27日下午至28日白天，监测资料显示(图2)，内蒙古中东部、京津冀北部等地PM10浓度超过1000 μg·m-3，其中内蒙古锡林郭勒、河北张家口等地的浓度超过3000 μg·m-3。此次沙尘过程影响北京的开始时间为28日凌晨，05—06时北京地区PM10浓度由282 μg·m-3飙升至近1500 μg·m-3，07时达到最高，为2106 μg·m-3。同时，随PM10浓度升高，北京大部地区PM2.5浓度在数小时内仍维持在较高水平(116—201 μg·m-3)，大气污染呈现粗细粒子混合污染的态势。

海平面气压单位为hPa；高度场单位为dagpm图1 2018年3月27日08时海平面气压(a)和20时500 hPa高度场与850 hPa风场(b)Fig.1 Sea surface pressure at 08:00 (a),and 500 hPa geopotential height field overlaid by 850 hPa winds (b) at 20:00 on March 27，2018

单位为μg·m-3图2 2018年3月28日06时中国部分地区PM10质量浓度分布Fig.2 Distribution of PM10 mass concentration at 06:00 on March 28，2018 in some areas of China

2.2 北京地区霾转沙尘过程生消分析

大气污染通常发生在边界层内，气溶胶在边界层内垂直方向的演变对于探究污染的生消、演变机制显得尤为重要。2018年3月27—28日发生在北京地区的沙尘过程可分为三个阶段，分别为沙尘前霾污染阶段(阶段1)；沙尘未接地前高空沙尘及近地面霾的混合污染阶段(阶段2)、粗模态粒子为主的沙尘污染阶段(阶段3)。

由地面观测的气象要素和颗粒物浓度的监测结果可知(图3)，2018年3月27日08时至28日02时(阶段1，北京地面沙尘过程开始前的霾污染阶段)北京地区地面风速较小,此时段边界层高度为30—800 m，大气扩散能力差，有利于污染物积累，监测数据显示细颗粒物为首要污染物，由于这一时段近地面相对湿度并不高(<67%)，气溶胶的吸湿增长过程不显著，PM2.5/PM10的比值接近1(图4)。大气中的颗粒物以干霾粒子为主，PM2.5的质量浓度分布区间为183—237 μg·m-3，并呈现缓慢的增长趋势。

图3 2018年3月27—28日北京地区气象要素与PM2.5、PM10质量浓度变化Fig.3 Variation of meteorological parameters and mass concentrations of PM2.5 and PM10 in Beijing on March 27-28，2018

图4 2018年3月27—28日北京地区PM2.5/PM10比值Fig.4 Variation of the PM2.5/PM10 ratio in Beijing on March 27-28，2018

图5为此次沙尘过程影响北京前后(2018年3月27—28日)气溶胶激光雷达监测，由图5可见，27日08至28日04时，垂直方向上北京地区雷达后向散射系数高值区稳定维持在500 m以内，300 m高度附近后向散射系数最大值约0.017 km-1sr-1(图5a)。

此次沙尘过程第二个发展阶段为28日00—05时，沙尘主要悬浮于高空(阶段2)。北京上空500—2000 m高空激光雷达退偏振比达0.3以上，这主要由非球形气溶胶(沙尘粒子)所导致，说明此时该高度上已有上游地区输送来的沙尘气溶胶。但00—03时，500 m以上高度雷达后向散射系数没有明显大值，说明沙尘气溶胶浓度较低。28日03时，高空的沙尘浓度迅速升高，退偏振比大值区高度开始下降(图5b)，后向散射系数大值区由400 m以下高度迅速升至800 m，并在04时继续向上延伸至1000 m以上高度，同时，100—500 m高度范围内的后向散射系数迅速增强。其中，330 m高度最大后向散射系数达0.04 km-1sr-1，此时段低空(100 m)以下的散射系数显著低于300—500 m高空。滞后1 h后，05时近地面(100 m以下)后向散射系数开始增长，但仍弱于100—500 m高空，同时，退偏振比大值区接地(图5b)，标识这一阶段的结束。阶段2中，地面观测PM2.5浓度维持在200 μg·m-3左右，PM2.5/PM10接近1(图4)，地面仍为典型的细颗粒物污染，而高空退偏振比的迅速增长是由高空传输来的沙尘气溶胶造成。这一阶段高空以粗颗粒为主，而近地面仍为细颗粒物污染。

图a单位为km-1·sr-1图5 2018年 3月27—28日北京南郊激光雷达气溶胶后向散射系数图(532 nm)(a)和退偏振比(b)Fig.5 Variation of backscattering coefficient of aerosols (at 532 nm) (a) and depolarization ratio (b) observed by lidar at the station in suburb Beijing on March 27-28，2018

28日06时，北京地区近地面PM10浓度骤然升高(取代PM2.5成为大气首要污染物)，1 h内由245 μg·m-3激增至1348 μg·m-3，而后继续升高，至28日07时达2000 μg·m-3以上，PM2.5/PM10的比值迅速减小至0.2以内(图4)，大气污染转为显著的沙尘(粗颗粒)污染。10时，沙尘过程逐渐开始减弱，近地面和高空的回波强度均开始逐步减弱。

2.3 沙尘过程的来源分析

2.3.1 气象条件

为进一步分析北京沙尘的来源，首先对沙尘发生发展过程中的气象要素进行分析。中国气象局北京南郊观象站的风廓线雷达资料显示(图6)，2018年3月28日00时(阶段2起始)北京300 m以上高空均为西北气流，并持续到阶段2结束(28日04时左右)，随后(05时)1500 m以下逐渐转由东北偏北气流控制，持续4 h，09时逐渐转为东风，10时后逐渐转为东南风，下文将对这几个风向转化的时间点与沙尘过程的发展规律进行进一步探究。

图6 2018年3月27—28日(a)和28—29日(b)北京南郊风廓线雷达反演风场Fig.6 Wind field retrieved by a wind profiler radar at the station in suburb Beijing on March 27-28，2018 (UTC)

28日00时，北京地面为东北风，300 m以上为西北风。此时，600—2000 m高空已有沙尘输送至北京上空，近地面PM10浓度为245 μg·m-3，PM2.5/PM10比值达99%，说明近地面依然是细颗粒物污染。06时近地面PM10浓度激增，因此可判断北京城区地面05—06时已受沙尘影响，此时地面仍为东北风，高空由西北风逐渐转为东北风。09时起，沙尘粒子在干沉降的作用下，近地面PM10浓度开始下降，由最高2106 μg·m-3下降至10时与11时的1403 μg·m-3和1125 μg·m-3。垂直速度显示09时后(图7)，近地面有上升运动，上升运动一定程度上减缓了空中沙尘粒子的沉降作用，09时后200—500 m高度处激光雷达后向散射系数始终维持高值，200 m以下的后向散射系数则明显减弱(图5a)。同时，06—14时1600—2000 m上升运动强烈，因此沙尘气溶胶在该高度受上升运动的顶托作用，而长时间悬浮在高空，该高度退偏振比达0.38，说明高空确实存在大量沙尘气溶胶。12—13时，PM10浓度再度上升至1388 μg·m-3，因此考虑此时PM10粒子浓度上升的可能原因为输送的沙尘粒子的补充。13时后PM10开始呈明显下降趋势，此次沙尘天气过程开始逐步减弱。

虚线为上升运动，实线为下沉图7 2018年3月27—28日北京地区垂直速度剖面图Fig.7 Vertical velocity profile in Beijing on March 27-28，2018 (UTC)

2.3.2 后向轨迹和模式分析

为了更清楚了解不同高度沙尘来源路径，利用美国国家海洋和大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)的HYSPLIT模式，对上述几个关键时间点的轨迹进行后向轨迹分析，所用资料为GDAS(Global Data Assimilation System) 0.5°×0.5°资料，计算点为北京(39.95 ° N，116.32 ° E)，根据激光雷达的后向散射系数及退偏振比数据分析沙尘气溶胶进入北京后主要分布高度，分别选取北京上空1500 m、500 m、200 m三个高度对粒子进行后向轨迹分析，时间为3月28日07时(地面监测到沙尘浓度快速上升起始时刻)、14时(北京沙尘浓度下降后再次小幅上升时段)进行24 h的后向轨迹分析，28日07时北京不同高度(1500 m、500 m、200 m)的24 h后向轨迹表明(图8)，1500 m高度气团主要来自蒙古国途经中国内蒙古自治区二连浩特、太仆寺旗、河北张家口、丰宁等地区进入北京，500 m、200 m气团主要来自中国内蒙古自治区中部的包头地区，途经乌兰察布市、河北北部进入北京，为了进一步验证沙尘路径，选取北京西北方向的二连浩特、苏尼特右旗、张家口、丰宁等城市的PM10浓度进行分析(图9)，图9表明，3月27日08时二连浩特PM10开始快速攀升，增长率超过每小时150 μg·m-3；27日10时苏尼特右旗PM10急速上升，仅1 h便上升260 μg·m-3，张家口、丰宁、北京PM10增长率最显著时间分别是27日20时、27日23时和28日07时。各个站点PM10激增的时间存在明显的时间滞后性，推断28日凌晨进入北京的沙尘主要来源于西北路径，且传输高度在1000 m以上。

1500 m高度(红色)；500 m高度(蓝色)；200 m高度(绿色)图8 2018年3月28日07时北京上空不同高度24 h后向轨迹Fig.8 24-h backward trajectory at different altitudes in Beijing at 07:00 (Beijing time) on March 28，2018

图9 2018年3月27—28日沙尘传输路径上部分站点二连浩特(a)、苏尼特右旗(b)、张家口(c)、丰宁(d)和北京(e)PM10浓度变化Fig.9 Variation of PM10 concentration at stations of Erenhot (a),Sunite Right Banner (b),Zhangjiakou (c),Fengning (d),and Beijing (e) along the transport path from March 27 to 28，2018

28日11时PM10浓度明显下降，13时又再度小幅升高，14时后浓度持续下降，到夜间21时，PM10降至300 μg·m-3以下，空气质量为轻度污染。因此，选择28日14时北京不同高度(1500 m、500 m、200 m)进行24 h后向轨迹模拟(图略)。模拟结果表明，200 m高度粒子来自于北京东部天津、唐山一带；500 m高度粒子来自河北北部承德地区，1500 m高度粒子来自蒙古国东部和中国内蒙古东部地区，途经河北东北部地区从东路进入北京。综合后向轨迹与气象要素分析显示：此次影响北京的沙尘来源有两支，起源内蒙古中西部地区，途径内蒙古四子王旗、乌兰察布等地，进入河北的张家口从北路进入北京地区的是主要沙尘来源。午后，另一支起源于蒙古国东部，途经中国赤峰与秦皇岛、唐山等地的沙尘从东路进入北京。后一支沙尘浓度低，仅对北京的沙尘起到了补充作用。

2.4 沙尘过程期间微量元素富集因子分析

2018年3月27日00至28日23时期间，沙尘天气影响前后监测到的PM2.5样品元素平均含量见表1，Ca、Fe、Na、K、Mn、Cr 、Co等矿物气溶胶元素浓度沙尘时段比非沙尘时段浓度高约3—5倍，在PM2.5质量占比也明显高于非沙尘时段，且和该元素在地壳元素中丰度系数接近，说明这些元素主要来自于地壳源(我国北方沙漠地区及干旱半干旱地区风蚀所形成的沙蚀)。沙尘时段Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素浓度与非沙尘时段相比，呈明显下降趋势，说明在沙尘粒子大量增加的情况下，Zn、Cu、Pb、Cd、As一定程度上被稀释，但在PM2.5中占比明显高于该元素在地壳中丰度，说明Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素主要来源于工业排放，可能为沙尘传输路径中途经城市的排放与北京本地排放共同导致。进一步分析发现，Ca、Fe、Na、K、Mn等金属元素随沙尘进入北京后，测得的浓度先升后降，但12—13时，Ca、Fe、Na、K、Mn等金属元素浓度再度升高，而同一时间，Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素浓度却与沙尘刚进入北京时相反，呈升高趋势(图略)，这与前面后向轨迹分析有一支东路来的沙尘有密切关系，说明东路进入北京的沙尘(途经秦皇岛、唐山等工业城市)比北路沙尘携带了更多的污染元素。

表1 有关元素在沙尘暴前后气溶胶中含量及地壳丰度Table 1 Concentrations of relevant elements in aerosols during the sand storm event and the abundance of the substance in the crust

3 结论

(1)2018年3月27—28日北京霾天气期间，细颗粒物主要聚集在300 m以下高度，沙尘天气期间，沙尘气溶胶主要聚集在600 m以下高度，两者垂直方向伸展高度有明显差异。激光雷达可比地面大气成分监测仪器提前约6 h监测到进入北京的沙尘，能有效提高沙尘短时临近预报准确率。

(2)基于风廓线雷达反演的风场可较好反映监测点上空风场时空变化，综合利用激光雷达与风廓线雷达资料能清楚反映北京沙尘气溶胶输送及沉降变化。

(3)后向轨迹与气象场综合分析表明，此次北京沙尘主要来源于北路，起源于内蒙古中西部地区，经河北北部进入北京；另一支来自于蒙古国东部地区，在东北气流引导下，经河北东北部，从东路进入北京，后一支主要是起补充作用。

(4) 霾天气时段，北京PM2.5/PM10的比值接近1，沙尘时段两者比值迅速降低为0.2。沙尘时段Ca、Fe、Na、K、Mn、Cr 、Co等元素浓度是非沙尘期间的3—5倍，在PM2.5占比与该元素地壳丰度相当，说明这些元素主要来自中国北方地区的地壳元素； 沙尘时段Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素浓度比非沙尘时段低，但远大于这些元素在地壳中丰度，说明这些污染元素主要以来自于沙尘沿途经过城市及北京本地排放为主。