2021年和2022年春季中国北方地区沙尘气象因素和沙源地条件异同

吴进 李琛 朱晓婉 邱雨露 唐宜西 马小会

引用格式：吴进，李琛，朱晓婉，等，2023.2021年和2022年春季中国北方地区沙尘气象因素和沙源地条件异同［J］.大气科学学报，46（6）：950-960.

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*联系人，E-mail：wujin_0472@163.com

2023-03-13收稿，2023-06-18接受

国家自然科学基金资助项目（42207115）；北京市自然科学基金资助项目（8204075）

摘要  2021年春季中国北方地区共出现了4次沙尘暴或强沙尘暴，2022年同期仅出现1次沙尘暴。基于2015—2022年空气质量和多源气象数据，利用Lamb-Jenkinson分型法与Mann-Whitney U检验法开展了2021年和2022年春季沙尘源地条件和气象因素异同分析，得到以下结论：中国北方沙尘天气多发型分为NW-N型（气旋型）和E-NE型（高压型），NW-N型造成的PM10极值更高、高浓度范围更广。气象因素而言，2022年春季有利于沙尘的天气型活动更频繁，与2021年春季沙尘日PM10浓度差异主要集中在NW-N型，两段时期NW-N型活动频数、气旋强度接近，有利于沙尘天气的动力抬升条件接近。从沙源地条件而言，2021年前冬蒙古沙源地土壤温度“前冷后暖”导致融雪等水量峰值早至，加之大面积降水负距平且3月蒙古沙源地气旋偏强，干燥、稀松的沙源致使春季沙尘多发；2022年前冬蒙古沙源地土壤气温“前暖后冷”导致融雪期等水量、土壤含水量峰值晚至，深厚湿润的土壤条件不利于起沙。故蒙古沙源地条件差异是两个时期沙尘差异显著的主要原因。

关键词沙尘；PM10；天气分型；沙源地

沙尘天气一般指地面大量尘沙卷入大气层中造成视程障碍的自然现象，伴随PM10浓度飙升，严重的沙尘暴天气除了影响城市运行、人体健康之外，还可造成土壤沙化区域扩大、改变地气系统的辐射收支和能量平衡等（周旭等，2017；李占清，2020）。我国北方地区的沙尘天气多发于40°N纬度带的干旱和半干旱地区，集中在春季（3—5月）（Qian et al.，2002），蒙古国和内蒙古自治区大范围沙漠和戈壁下垫面是主要沙源地（Zhang et al.，1999；Sun et al.，2001；Kang and Wang，2005）。

沙尘天气受天气尺度系统活动和沙源地情况共同影响（叶笃正等，2000）。我国北方地区沙尘天气多与蒙古气旋的发生发展有关（Huang et al.，2013；Meng et al.，2019），蒙古气旋与后部冷高压斜压强迫产生的锋面、蒙古气旋自身形成的强上升动力作用在强风作用下扰动疏松地表，使得近地面沙石卷入更高气层内，经西风急流长距离传输到下游地区（Takemi，1999；Takemi and Satomura，2000；Xu et al.，2020）。沙尘天气多发生在地面气旋气压梯度最大的西南象限（Takemi，2005）。造成沙尘的天气系统除了蒙古气旋之外，还包括冷锋型、蒙古气旋与冷锋混合型、蒙古冷高压型和干飑线与冷锋混合型等（刘景涛等，2004）。近年来，沙源地地表条件对沙尘暴的加强机制备受关注，沙源地地表影响因子分为人为和自然因素，人为因素体现于人口压力持续增长和普遍采用滥垦、滥牧、滥樵、过度开采地下水等粗放掠夺式的生态经营方式，造成地表覆盖破坏，最终导致沙漠化迅速发展（王濤和朱震达，2001；王炜和方宗义，2004；Chen，2021），自然因素主要体现在植被覆盖率、土壤温度、降水量和土壤含水量等要素差异（Shi et al.，2020；Yao et al.，2021）。

我国北方城市的春季沙尘长期变化较为复杂，在19世纪50—70年代频次偏多，80年代之后频次稳步下降（Zhou，2003；王艳玲和郭品文，2005；Zhu et al.，2008；Guo et al.，2018），主要源于地面风速的气候性衰减（Ding，2005；Guan et al.，2017）。但在2021年春季北方城市共出现2次沙尘暴和2次强沙尘暴，3月北方城市PM10浓度均值达历史峰值（181.8 μg·m-3），高于2015—2020年同期39%（Yin et al.，2022），其中，3月14—15日罕见的特强沙尘暴天气席卷了整个中国北方，鄂尔多斯和嘉峪关站PM10小时浓度超过9 985 μg·m-3，其极端性引起了世界广泛关注（Bueh et al.，2022；Filonchyk，2022）。而2022年春季北方城市的PM10浓度均值低于2015—2020年同期，仅出现1次沙尘暴，PM10小时峰值浓度为4 538 μg·m-3，沙尘天气的强度和广度远小于2021年同期。本文将从自然因素角度出发，开展两段时期沙尘天气的气象因素和沙源地地表条件的对比分析，深化对沙尘暴及其触发机制的认识。

1  材料与方法

1.1  气象数据来源

气象数据来自于欧洲中期天气预报中心第五代全球气候大气再分析资料（ERA5），使用变量包括500、700和850 hPa位势高度、U风速、V风速、海平面气压、地面2 m温度、土壤气温和总降水量，分辨率0.25°×0.25°。

北京观象台气象观测数据来自北京市气象数据中心，使用变量包括逐小时地面10 m风向、风速、海平面气压，数据均通过质量控制。

1.2  空气质量观测数据和沙尘日定义

中国北方城市198站的逐时PM10和PM2.5观测数据来自https：//www.aqistudy.cn/historydata/，PM10浓度上限为9 985 μg·m-3。数据根据中国环境保护标准（HJ 618—2011）进行了校准和质量控制。

在气象领域，对于沙尘的判别大多基于能见度，但随着气象部门人工观测的取消，能见度数据已无法精确区分雾、霾或沙尘等低视程障碍现象，故基于PM10浓度观测识别沙尘更为可靠。本研究自主定义了沙尘日的筛选标准，具体如下：中国北方3个以上城市的PM10逐时浓度大于800 μg·m-3，同时PM2.5与PM10的比值小于0.5。基于上述标准，2015—2022年春季共筛选出119个沙尘日。

1.3  沙尘日天气客观分型

Lamb-Jenkinson客观分型是一种主客观相结合的自动识别方法（Lamb，1972；Jenkinson and Collison，1977），近年来被广泛应用于寻找天气分型和大雪、干旱、滑坡、土壤侵蚀和空气污染等不同因素之间的关联（Jones et al.，1993， 2013；Liao et al.，2017；王若男等，2018；吴进等，2020）。基于Lamb-Jenkinson分型法，2015—2022年春季119个沙尘日对应的天气分型如表1所示，其中，E和NE代表东风和东北风型，与高压底部偏东气流相关；N代表北风型，与高压前部偏北气流相关；S、SE和SW代表偏南风型，与气旋前部偏南气流相关；NW和W代表西北风和西风型，与气旋底部偏西气流相关；A代表高压型；C代表气旋型。在10个天气型中出现频率最高的4型为E、N、NE和NW，共占60%。

1.4   Mann-Whitney U检验法

Mann-Whitney U检验是一种用于检验两组样本数据是否具有显著差异的常规统计方法（Mann and Whitney，1947）。在气象领域，这一检验方法被广泛用于判断两种类型的样本分布之间是否相互独立（Santurtún et al.，2015）。为检验出现沙尘日最多的E、N、NE和NW之间的相互独立性和差异性，基于每型下PM10浓度序列计算Mann-Whitney U test的Z值（表2），得出NW和N、E和NE无显著性差异，故将4类合并为NW-N、E-NE型2类。

2  结果分析

2.1  2021年和2022年中国北方地区春季（3—5月）PM10浓度对比

2015—2022年中国北方地区春季PM10浓度呈“北大南小”（图1a），PM10浓度较高区集中在甘肃至内蒙古西部、京津冀至豫鲁地区，PM2.5/PM10比值小于0.5（图略），以PM10为主；东三省、安徽、江苏春季PM10浓度维持在100 μg·m-3以下，以PM2.5为主。2015—2020年中国北方地区PM10浓度逐年减少，2021年PM10显著上升，PM10浓度大于3 000 μg·m-3区域覆盖甘肃、內蒙古西部至京津冀、山东一带，并出现了大范围5 000 μg·m-3以上的高值区，2022年春季仅在甘肃和内蒙古西部出现了3 000 μg·m-3以上的浓度峰值，PM10浓度极值和均值远小于2021年同期。2021年春季沙尘日中800 μg·m-3以上的站次最多为50站次/日（图1b），2022年春季沙尘日中800 μg·m-3以上的站次均未超过10站，沙尘的强度、范围、频率远小于2021年同期。

2021年春季中国北方沙尘影响重点省份甘肃、内蒙古、京津冀、江苏和山东PM10日均浓度波动较2022年同期更显著（图2），分别在3月13—18日、3月27日—4月1日、4月14—16日和5月6—8日出现大幅上升，最高峰值在甘肃，达到2 127 μg·m-3，2022年仅在3月13—16日出现小幅上升，最高峰值在甘肃，达到464 μg·m-3。

2.2  中国北方2021年和2022年春季沙尘气象因素对比

2.2.1  两类典型沙尘天气型概念模型

上述1.3、1.4节将中国北方地区沙尘天气多发型划分为两类：NW-N和E-NE型。2015—2022年春季沙尘日NW-N型为39 d和E-NE型为32 d。NW-N型850和700 hPa为西北气流（图3），地面核心系统为气旋，气旋的强烈发展和增温作用有利于沙源地地表沙石卷扬到更高层次（Chen et al.，2013，2017；彭舒龄等，2019），此外，地面气旋的强烈发展加强高低压间的气压梯度，沙尘区随着锋面后部大风区和下沉区向下游输送，浓度在3 000 μg·m-3以上站主要覆盖内蒙、气旋冷锋后部的气压梯度密集区和气旋底前部，PM10极值较E-NE型更高、范围更广；E-NE型700 hPa与NW-N型类似，850 hPa等高线和等压线正交构成强斜压结构，冷平流强度较NW-N型更强，地面在强高压及冷锋的影响下通过强风将沙源地大量沙土卷至空中（Yumimoto et al.，2009），沙尘粒子在700 hPa西北气流引导向下游输送（王天河等，2020），内蒙古中西部至甘肃北部PM10浓度大于3 000 μg·m-3，东部地区PM10浓度峰值基本低于2 000 μg·m-3。

2.2.2  2021年和2022年春季沙尘日天气尺度系统差异

2015—2022年春季沙尘高频天气型E、NE、N和NW占比32.6%～50%（表3），2015—2020年沙尘日数和四种天气型呈正相关，但这种相关性在2021年和2022年出现了显著异常，2021年中国北方地区小时PM10浓度大于1 000 μg·m-3出现了94站次，但E、NE、N和NW型出现32.6%，为2015—2022年同期最低，而2022年沙尘高频天气型出现44.6%，为2015—2022年同期第三高值，虽有利于沙尘出现的天气型出现频率更高，但沙尘日数仅为10 d，小时PM10浓度大于1 000  μg·m-3仅出现20站次。

同等沙源地条件下，地面气旋的强度与沙尘天气强度密切相关。

2021年春季NW-N和E-NE两类沙尘日分别为10 d和7 d，2022年为5 d和6 d，针对海平面气压场进行合成可得（图4），2021年春季NW-N型沙尘日气旋强度中心为1 000 hPa，较2015—2020年同期（1 006 hPa）偏强，位置偏西，气压梯度更密集，锋面形态更完整；2022年春季沙尘日气旋中心为1 002 hPa，接近2021年同期，强于2015—2020年同期，但PM10区域峰值浓度较2021年同期显著偏低。2021年春季E-NE型蒙古高压强度为1 036 hPa，较2015—2020年同期（1 026 hPa）偏强，2022年为1 022 hPa，西北区域个别站点高于2 000 μg·m-3，其余地区均低于500 μg·m-3，两段时期的PM10浓度差异较小。总体而言，2021年和2022年春季PM10浓度差异集中在NW-N型，西北、华北区域PM10峰值浓度差异高于3 000 μg m-3，但从气旋强度来看，二者基本接近，即沙尘日期间有利于沙尘卷扬的天气尺度环流条件接近。

2.3  中国北方2021年和2022年春季前期沙源地差异

中国北方地区的沙尘暴天气大部分源于蒙古国沙源地（100°～110°E，42°～48°N）（Bao et al.，2022；Filonchyk，2022；Yin et al.，2022；尹志聪等，2023），在2021年和2022年春季沙尘日天气尺度动力抬升条件接近但沙尘强度频次迥异的情况下，需要进一步针对蒙古国沙源地进行分析。

2020年12月—2021年1月15日蒙古沙源区地面2 m气温、地下0～7 cm、7～28 cm、28～100 cm土壤温度显著低于2011—2022年同期均值（图5），而2021年2月至3月15日地面2 m气温、0～100 cm土壤温度显著高于同期，地表和土壤温度呈“前冷后暖”。研究表明，前期地面气温较低形成深厚冻土层，有利于春季沙尘天气发生，同时，春季沙源区强烈回暖导致冻土层松动易形成严重沙尘天气（Qian et al.，2022）。“后暖”导致融雪等水量峰值早至，2月21日融雪等水量水深达1.35 m（图6），0～7 cm土壤含水量3月5日达峰值0.113 m3·m-3（图7），之后融雪量、土壤含水量分别回落至0.4 m、0.09 m3·m-3以下，3月处于融雪量、土壤含水量较同期偏少时段，同时，前冬降水为大面积负距平（图8），干燥、稀松的沙源致使春季沙尘多发；相较而言，2022年1月蒙古沙源区地面2 m气温、0～100 cm土壤温度较2011—2022年同期略偏暖，2月转为偏冷，呈“前暖后冷”模态，与2020—2021年同期反向，“后冷”导致2022年融雪期等水量峰值推迟至3月12日（等水量水深1.63 m），0～7 cm土壤含水量于3月20日达峰值（0.12 m3·m-3），显著高于2011—2019年同期，深厚湿润的沙源地土壤条件不利于沙尘卷扬。

2021年3—4月蒙古沙源地气旋活动4次（区域气压距平<10 hPa）（图9），区域气压最小值为989 hPa，2022年同期气旋活动3次，区域气压最小值994 hPa。3月，2021年沙源地气旋活动强度强于2022年；4月，2022年气旋活动强度强于2021年。综上所述，2021年春季前期蒙古沙源地土壤特征的极端异常性、3月沙源地气旋强度较强是造成春季沙尘多发的重要原因，而2022年春季前期蒙古沙源地土壤特征与2021年同期反向，也是2022年春季沙尘多发天气型较多、4月沙源地气旋强度较强但沙尘日较少的主要原因，因此，针对这两年春季的沙尘天气而言，上游蒙古沙源地土壤条件异同造成的影响占比更大。

3  讨论

上文利用蒙古沙源地海平面气压表征天气尺度动力抬升条件，这是由于地面气压不仅直接反映地面气旋的活动情况，且与整层大气垂直运动密切相关。以两次沙尘过程为例，2021年3月26日和2022年4月19日沙源地气旋活动强度类似，中心气压值为995～997 hPa，气旋从蒙古向东移动过程中强度维持或发展加强。 2021年3月26日20时蒙古沙源地地面气旋对应整层上升速度最大值为1.5～2.0 Pa/s（图10a），高度700～500 hPa，2022年4月19日20时地面气旋对应上升速度最大值1.5～2.0 Pa/s（图10b），高度700 hPa附近，两次过程地面气旋强度类似，对流层大气天气尺度上升运动接近。

虽然在这两次过程中气旋在向下游移动并影响我国华北区域时，气旋维持原有强度或略有加强，但给北京带来的沙尘强度迥异。2021年3月28日北京PM10小时峰值浓度达2 504 μg·m-3（图11），而2022年4月21日北京PM10小时峰值浓度仅为166 μg·m-3，这种悬殊差异主要由上游沙源地起沙量不同造成，另一方面，这两次过程相差24 d，沙源地植被生长、短期降水、下垫面气温等因素已有较大变化，故而异同机制显得更为复杂，需要从多角度进行综合考虑。

4  结论

本文从气象因素和沙源地地表条件揭示了2021年和2022年春季沙尘天气发生异同的原因，主要得到以下结论：

1）中国北方地区沙尘天气多发型分为两类：NW-N和E-NE型。NW-N型核心天气尺度系统为地面气旋，浓度在3 000 μg·m-3以上站对应內蒙沙源地地区、气旋冷锋后部的气压梯度大值区、气旋底前部，造成的PM10浓度极值更高、范围更广；E-NE型核心系统为贝加尔湖高压，下游未出现闭合性气旋，PM10浓度3 000 μg·m-3以上站仅在内蒙古西部至甘肃北部地区，东部地区均在2 000 μg·m-3以下；

2）2021年春季沙尘多发天气型（E、NE、N和NW型）出现频率为2015—2022年最低（32.6%），而2022年出现44.6%，有利于沙尘出现的天气型活动频次更高；2021年和2022年春季沙尘日PM10浓度差异主要在NW-N型，二者气旋中心均值相差2 hPa，均强于2015—2020年同期，有利于沙尘的天气尺度动力抬升条件接近；

3）蒙古沙源地在2021年前冬土壤溫度呈“前冷后暖”模态，“后暖”导致融雪量等水量2月21日达到峰值1.35 m，加之前冬降水大面积负距平，土壤含水量3月5日之后迅速下降，加之3月蒙古气旋偏强，干燥、稀松的沙源致使春季沙尘多发；2022年前冬蒙古沙源地土壤温度“前暖后冷”，“后冷”导致融雪期等水量峰值3月12日达1.63 m，土壤含水量3月20日达到峰值（0.12 m3·m-3），显著高于2011—2019年同期，导致4月蒙古气旋偏强但沙尘天气偏弱。蒙古沙源地影响的差异性在2021和2022年春季沙尘天气发生发展中占比更大。

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·ARTICLE·

Comparative analysis of meteorological factors and sand source conditions in sand and dust weather events in northern China during the spring of 2021 and 2022

WU Jin1， LI Chen2， ZHU Xiaowan1， Qiu Yulu1， Tang Yixi1， MA Xiaohui1

1Beijing Weather Forecast Center， Beijing 100097， China;

2Beijing Meteorological Service Center， Beijing 100089， China

Abstract

Northern China experienced four sandstorms or severe sandstorms in spring 2021， contrasting with just one event in the corresponding period of 2022. Utilizing air quality and multi-source meteorological data spanning 2015 to 2022， we applied the Lamb Jenkinson classification and Mann-Whitney U test methods to analyze similarities and differences in the sand source areas conditions and meteorological factors during the spring of 2021 and 2022. Our findings reveal that the sand and dust weather （SDW） in northern China is frequently categorized into NW-N （cyclone type） and E-NE （high-pressure type）， with the NW-N type leading to higher PM10 extreme values and a broader range of high concentrations. In terms of meteorological factors， synoptic conditions favorable for SDW in spring 2022 occur more frequently， with the differences in daily PM10 concentration predominantly associated with the NW-N type when compared to spring 2021. The frequency of NW-N type events and cyclone intensity remains comparable between the two periods， along with similar dynamic uplift conditions conducive to SDW are similar. Regarding sand source area conditions， the soil temperature in Mongolias sand source area displayed a “cold before and warm after” pattern in the pre-winter of 2021， resulting in an early peak of snowmelt and other water content. In addition， a widespread decrease in precipitation and a relatively strong cyclone in Mongolias sand source area in March contributed to the high incidence of sand and dust in spring 2021. Conversely， during the pre-winter of 2022， the soil temperature in Mongolias sand source area followed a “warm before and cold after” trend， leading to a delayed peak of water content and soil moisture content during the snowmelt period. These conditions， characterized by thicker and moisture soil， were less conducive to sand formation. Therefore， the disparities in Mongolian sand source area conditions represent the primary factor behind the significant differences in SDW between the two periods.

Keywords  sand and dust weather; PM10; synoptic classification; sand source area

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230313001

（责任编辑：袁东敏）