呼和浩特市一次强沙尘暴特征分析

王俊杰，杜凌峰

(四川省遂宁市气象局，四川 遂宁 629000)

沙尘暴是强风把地面大量沙尘卷入空中、使空气特别浑浊、水平能见度低于1 km的天气现象，是大气环流、近地面气象条件及下垫面状况等多种因素综合作用的结果。沙尘暴多数发生于春季，且易发生于干旱、半干旱地区[1-3]。沙尘暴发生时对生态环境、人体健康等产生很大危害。

我国于20世纪70年代开始研究沙尘暴天气，众多学者从沙尘暴的时空分布、发生源地、移动路径等方面做出了大量的研究[4-6]。刘景涛[7]等将影响中国北方的沙尘暴天气划分为冷锋型、蒙古气旋与冷锋混合型、蒙古冷高压型、干飑线与冷锋混合型4种类型。2021年春季我国北方沙尘暴天气多数为冷锋型以及冷锋与蒙古气旋混合型。

呼和浩特地区为内蒙古首府城市，环境的好坏已成为重要话题。笔者利用多源数据资料探究2021年3月27日—28日一次强沙尘暴天气的特征，以期为提高呼和浩特沙尘暴天气的认知提供理论基础。

1 材料与方法

空气质量数据来源于呼和浩特市环境监测站，选取呼和浩特市8个国控监测站的平均值，站点分布于整个市区，数据完整，有很好的代表性。常规气象资料数据来自中国气象局高空及地面观测数据。HYSPLIT后向轨迹模型所用的气象资料来自 NCEP(美国国家环境预报中心)的GDAS全球同化产品。

HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型是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一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。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的功能，已经被广泛地应用于多种污染物在多地区的传输和扩散的研究中[8-10]。

2 结果与分析

2.1 天气实况

2021年3月27日—28日呼和浩特大部地区均出现了强沙尘暴天气，清水河县为沙尘暴，其中呼和浩特市市区南部最小能见度降至323 m。结合呼和浩特市区AQI、PM10、PM2.5小时平均值与呼和浩特市最小能见度、平均相对湿度(RH)、近地面小时平均风速(见图1)可知，3月27日—28日呼和浩特市AQI呈现出良—严重污染—良的变化趋势，27日21：00AQI迅速增大且22:00达到500(AQI检测上限为500，当所测值超过上限时显示上限值)，严重污染持续到28日09:00，AQI爆表状态持续12 h。PM2.5、PM10均呈现单峰型变化趋势，但出现峰值时间不一致。3月27日21:00，PM10、PM2.5开始明显升高，PM2.5峰值出现在22:00，为1 062 μg·m-3，本时段PM10增长速率远大于PM2.5，且还在继续增大，28日01:00出现峰值，为5 037 μg·m-3，随后开始明显下降。从平均风速来看，27日15:00之后风速开始增大，22:00达到最大值，为15.6 m·s-1，结合RH和最小能见度可知，20:00下降最为明显，且21:00均降到最小值。28日凌晨开始，随着近地面风力减弱，大气污染边界层开始抬升，污染物扩散条件转好，使得污染物发生沉降，此次强沙尘暴污染逐渐趋于结束。此次强沙尘暴造成的污染，主要以粗粒子为主。

图1 呼和浩特市PM2.5、PM10、AQI

2.2 天气形势分析

沙尘爆发前，2021年3月27日08：00高空图上显示，贝加尔湖东侧有明显的高空槽，槽后为偏北风，风速最大可达28 m·s-1，配合有明显的冷温槽，有冷空气的配合，且冷温槽落后于高空槽，使低槽进一步发展加强；地面气压场为明显的东低西高，冷高压中心强度为1 027.5 hPa，低压中心强度为995 hPa，在高低压之间有明显的冷锋位于贝加尔湖—蒙古中部—内蒙古西部，锋面附近气压梯度力较大。3月27日20：00低槽发展至蒙古东部—内蒙古中部，温度槽仍落后于高空槽，呼和浩特市位于高空槽前偏西气流中(图2a)；700 hPa低涡已经移至内蒙古东部，河套地区处于低槽控制区，槽后西北气流较强，最大风速达28 m·s-1，并且有明显的冷温槽与低槽配合，风向与等温线存在明显的夹角，700 hPa呼和浩特市由西南风转为西北偏西风控制(图2b)。

随着高空槽携带冷空气逐渐东移加深，冷高压逐渐发展，3月27日20：00冷锋位于内蒙古河套地区(图2c)，锋后冷空气携带大量沙尘，呼和浩特地区自北向南逐渐出现沙尘暴天气。28日08:00的500 hPa高空图上，高空槽移至内蒙古东部，呼和浩特市转为西北气流控制；地面图上，呼和浩特市位于高压底前部，随着高压东移，28日11：00呼和浩特市等压线变得稀疏(图2d)，风力减弱，重污染天气好转。

图2 2021年3月27日20:00(a)500 hPa、700 hPa(b)高空图，3月27日20：00(c)、3月28日11：00(d)地面图

2.3 后向轨迹分析

通过HYSPLIT对此次沙尘污染过程进行轨迹分析，选取空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为6 h的GDAS数据，以呼和浩特市(40.82°N，111.68°E)为参考点，选取高度100 m、500 m、1 000 m共三个高度，分别计算后向48 h的气团逐6 h轨迹，追踪到达呼和浩特的气团过去48 h的轨迹，用于分析不同高度的污染物来源。2021年3月28日08：00后向轨迹可知(见图3)，三个高度路径一致，27日白天冷空气团高度明显下降，此次冷气团来自贝加尔湖以西地区经偏北气流途经蒙古进入呼和浩特市，传输路径为偏北路径，而沙尘污染源来自蒙古国。

图3 2021年3月28日08：00后向轨迹分析(横坐标为UTC时间)

由图3可知，HYSPLIT模拟结果与图1中污染物变化结果相一致，可见此次区域性沙尘污染，呼和浩特地区受冷锋影响，边界层迅速下降使得高空沙尘气溶胶发生沉降到达近地面。最初沙尘源来自蒙古国。

3 结论

2021年3月27日—28日呼和浩特大部地区均出现了强沙尘暴天气，清水河县为沙尘暴，其中呼和浩特市市区南部最小能见度降至323 m。呼和浩特市AQI呈现出良—严重污染—良的变化趋势，AQI爆表状态持续12 h。PM2.5、PM10均呈现单峰型变化趋势， PM2.5峰值出现在22：00，为1 062 μg·m-3，PM10于28日01：00出现峰值，为5 037 μg·m-3。此次强沙尘暴造成的污染，主要以粗粒子为主。

此次沙尘暴主要受地面冷锋以及高空槽共同影响。锋后冷空气携带大量沙尘，在冷锋过境的同时污染边界层下降，造成沙尘沉降，使得呼和浩特地区发生强沙尘暴天气。

通过后向轨迹分析可知，2021年3月27日白天冷空气团高度明显下降，此次冷气团来自贝加尔湖以西地区经偏北气流途经蒙古进入呼和浩特市，传输路径为偏北路径，而沙尘污染源来自蒙古国。