桂海林 秦賀 趙培濤 王飛 唐志軍 王繼康 朱媛媛 褚旸晰

(1.國家氣象中心，北京 100081； 2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002； 3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081； 4.中國氣象科學研究院，北京 100081； 5.91876部隊氣象臺，河北 山海關 066203； 6.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100089； 7.中國環(huán)境科學研究院，北京 100089)

引言

中國北方是東亞沙塵源的重要組成部分[1]。沙塵天氣出現(xiàn)時，沙塵氣溶膠粒子濃度急劇上升，大氣環(huán)境明顯惡化。沙塵氣溶膠可從中亞沙漠或戈壁向下游長距離輸送至東亞、北美地區(qū)[2-3]，甚至還能繞地球一周，格陵蘭和法國阿爾卑斯山的冰雪核中曾發(fā)現(xiàn)有亞洲沙塵粒子[4-7]。另外，沙塵天氣的發(fā)生對大氣環(huán)境和輻射收支平衡有重要影響[8]，加劇土地的荒漠化[9-10]，甚至對全球氣候產(chǎn)生深遠的影響[11-12]。沙塵天氣與氣象因子密切相關[13-14]，其中風速是沙塵天氣發(fā)生的重要驅動力[15]，而溫度、降水、濕度等通過改變下墊面直接或間接影響沙塵天氣發(fā)生的范圍、強度、頻率等[16]。研究表明，影響中國的沙塵天氣通常有三條移動路徑:北方路徑、西北路徑和西方路徑[17]，大范圍沙塵暴的發(fā)生通常伴隨著大尺度環(huán)流的調整和冷空氣的移動，冷鋒伴隨的大風通過強上升氣流將土壤塵粒卷揚進入對流層高層后，隨西風急流向源區(qū)下游傳輸，其傳輸距離與沙塵氣溶膠的傳輸高度密切相關。而沙塵的傳輸類型受地表風蝕程度與起沙風速閾值的變化影響[18]。

傳統(tǒng)氣象觀測中依靠觀測員目視與地面能見度來對沙塵天氣進行判識，缺乏對沙塵的定量觀測，尤其缺乏對沙塵氣溶膠的垂直觀測。激光雷達是快速捕獲氣溶膠傳輸特征和垂直分布有效工具[19-22]。白宇波等[23]和邱金桓等[24]分別利用激光雷達對拉薩及北京上空云與氣溶膠進行探測研究，得到了兩城市精細化的氣溶膠垂直分布。曹鈺等[25]利用激光雷達結合再分析資料分析了2014年5月上海一次受沙塵影響嚴重空氣污染過程，凝練出部分對上海地區(qū)污染天氣過程預報具有重要指示意義指標。楊磊等[26]利用風廓線雷達計算了沈陽一次空氣重污染過程邊界層通風量與污染演變的關系，非常規(guī)探測資料在研究氣溶膠污染中有較好的應用前景。樊璠等[27]對北京強沙塵過程前后進行對比分析，探討了沙塵過程中氣溶膠的時空分布特征及輸送特征。沙塵天氣的傳輸、潛在源區(qū)對于揭示沙塵的生消機制和預報、防控等均具有重要的研究意義。對沙塵源區(qū)的細化更是研究沙塵發(fā)生發(fā)展規(guī)律的有效方法之一。本研究利用激光雷達和風廓線雷達，結合污染物化學組分重點對北京2018年3月28日沙塵天氣生消和演變以及污染過程的理化特征、沙塵來源和傳輸規(guī)律進行詳細的分析，為沙塵天氣邊界層研究及沙塵來源分析提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文中所用溫度、相對濕度、風向、風速等數(shù)據(jù)，來自中國氣象局國家氣象觀測站數(shù)據(jù)，時間分辨率為1 h。PM2.5和PM10數(shù)據(jù)由北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心網(wǎng)站(http://www.bjmemc.com.cn)和內蒙古生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心網(wǎng)站(http://106.74.0.132:8080)提供，時間分辨率為1 h，單位為μg·m-3。垂直速度數(shù)據(jù)來自NCEP(美國國家環(huán)境預報中心)提供的時間分辨率6 h，空間分辨率1°×1°的 FNL 再分析資料(http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/)。PM2.5主要離子組分(包括EC、OC、多種水溶性離子)的質量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站的京津冀及周邊綜合立體觀測數(shù)據(jù)共享平臺(http://123.127.175.60:8765/siteui/index)。除特別說明外，文中所用時間均為北京時。

本文使用的激光雷達是合肥光博量子公司開發(fā)的GBQ L-01大氣氣溶膠激光雷達，位于北京市氣象局南郊觀象站(39.8 °N，116.47 °E)，時間分辨率為30 s至30 min，空間分辨率為7.5 m，發(fā)射波長532 nm。儀器操作原理及相關介紹參考《GBQ L-01大氣氣溶膠激光雷達(戶外高重頻型)》操作使用說明書。本文使用的L波段風廓線邊界層雷達位于北京市海淀區(qū)(39.98 °N，116.28 °E；海拔高度47 m)，基于雷達回波多普勒頻移特性，利用大氣對電磁波的散射作用采用無波束掃描方式進行觀測[28]。該風廓線雷達可提供每6 min一組，包含水平風速、風向、垂直速度等要素的觀測數(shù)據(jù)。

1.2 邊界層高度算法

文中邊界層層高度使用羅氏法計算[29-31]，該方法綜合考慮大氣邊界層的熱力和動力湍流作用，根據(jù)邊界層大氣運動與地面氣象要素之間的雙向反饋關系，利用地面氣象參數(shù)來估算邊界層高度，具體計算公式如下:

(1)

式(1)中，h為邊界層層高度，單位為m；(T-Td)為溫度露點差，單位為℃；U10為高度10 m處的平均風速，單位為m·s-1；Z統(tǒng)一取10 m；Zo為地表粗糙度；f為地轉參數(shù)，f=2ΩsinΦ，其中，Ω為地球自轉角速度，Φ為緯度；P為Pasquill穩(wěn)定度級別(綜合考慮熱力和動力因子，將大氣穩(wěn)定度分為強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定六個級別，分別以A、B、C、D、E、F表示P值，依次為1—6)。

2 結果分析

2.1 沙塵過程

2018年3月中國北方地區(qū)降水較常年同期偏少，氣溫偏高，其中內蒙古中部及中國華北等地降水偏少3—8成，氣溫偏高2—6 ℃[32]，加之中國北方地區(qū)地表土壤已基本解凍，氣象條件和地表條件對沙塵天氣的發(fā)生發(fā)展均較為有利。2018年3月27—28日，在蒙古氣旋的影響下(以3月27日14時為例，見圖1)，內蒙古中東部、山西北部、河北中北部、北京、天津及中國東北地區(qū)先后出現(xiàn)大范圍揚沙或浮塵。其中，內蒙古錫林郭勒盟局地出現(xiàn)沙塵暴，最低能見度不足400 m，地面伴有5—7級大風，陣風可達9級。FY-4A衛(wèi)星紅外監(jiān)測顯示(圖略)，27日14時中蒙邊界處出現(xiàn)大片沙塵，伴隨氣旋進一步東移，27日夜間沙塵隨著高空西北氣流向東進一步影響內蒙古中東部、中國東北和華北北部。最強時段出現(xiàn)在27日下午至28日白天，監(jiān)測資料顯示(圖2)，內蒙古中東部、京津冀北部等地PM10濃度超過1000 μg·m-3，其中內蒙古錫林郭勒、河北張家口等地的濃度超過3000 μg·m-3。此次沙塵過程影響北京的開始時間為28日凌晨，05—06時北京地區(qū)PM10濃度由282 μg·m-3飆升至近1500 μg·m-3，07時達到最高，為2106 μg·m-3。同時，隨PM10濃度升高，北京大部地區(qū)PM2.5濃度在數(shù)小時內仍維持在較高水平(116—201 μg·m-3)，大氣污染呈現(xiàn)粗細粒子混合污染的態(tài)勢。

海平面氣壓單位為hPa；高度場單位為dagpm圖1 2018年3月27日08時海平面氣壓(a)和20時500 hPa高度場與850 hPa風場(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

單位為μg·m-3圖2 2018年3月28日06時中國部分地區(qū)PM10質量濃度分布Fig.2 Distribution of PM10 mass concentration at 06:00 on March 28，2018 in some areas of China

2.2 北京地區(qū)霾轉沙塵過程生消分析

大氣污染通常發(fā)生在邊界層內，氣溶膠在邊界層內垂直方向的演變對于探究污染的生消、演變機制顯得尤為重要。2018年3月27—28日發(fā)生在北京地區(qū)的沙塵過程可分為三個階段，分別為沙塵前霾污染階段(階段1)；沙塵未接地前高空沙塵及近地面霾的混合污染階段(階段2)、粗模態(tài)粒子為主的沙塵污染階段(階段3)。

由地面觀測的氣象要素和顆粒物濃度的監(jiān)測結果可知(圖3)，2018年3月27日08時至28日02時(階段1，北京地面沙塵過程開始前的霾污染階段)北京地區(qū)地面風速較小,此時段邊界層高度為30—800 m，大氣擴散能力差，有利于污染物積累，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示細顆粒物為首要污染物，由于這一時段近地面相對濕度并不高(<67%)，氣溶膠的吸濕增長過程不顯著，PM2.5/PM10的比值接近1(圖4)。大氣中的顆粒物以干霾粒子為主，PM2.5的質量濃度分布區(qū)間為183—237 μg·m-3，并呈現(xiàn)緩慢的增長趨勢。

圖3 2018年3月27—28日北京地區(qū)氣象要素與PM2.5、PM10質量濃度變化Fig.3 Variation of meteorological parameters and mass concentrations of PM2.5 and PM10 in Beijing on March 27-28，2018

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

圖5為此次沙塵過程影響北京前后(2018年3月27—28日)氣溶膠激光雷達監(jiān)測，由圖5可見，27日08至28日04時，垂直方向上北京地區(qū)雷達后向散射系數(shù)高值區(qū)穩(wěn)定維持在500 m以內，300 m高度附近后向散射系數(shù)最大值約0.017 km-1sr-1(圖5a)。

此次沙塵過程第二個發(fā)展階段為28日00—05時，沙塵主要懸浮于高空(階段2)。北京上空500—2000 m高空激光雷達退偏振比達0.3以上，這主要由非球形氣溶膠(沙塵粒子)所導致，說明此時該高度上已有上游地區(qū)輸送來的沙塵氣溶膠。但00—03時，500 m以上高度雷達后向散射系數(shù)沒有明顯大值，說明沙塵氣溶膠濃度較低。28日03時，高空的沙塵濃度迅速升高，退偏振比大值區(qū)高度開始下降(圖5b)，后向散射系數(shù)大值區(qū)由400 m以下高度迅速升至800 m，并在04時繼續(xù)向上延伸至1000 m以上高度，同時，100—500 m高度范圍內的后向散射系數(shù)迅速增強。其中，330 m高度最大后向散射系數(shù)達0.04 km-1sr-1，此時段低空(100 m)以下的散射系數(shù)顯著低于300—500 m高空。滯后1 h后，05時近地面(100 m以下)后向散射系數(shù)開始增長，但仍弱于100—500 m高空，同時，退偏振比大值區(qū)接地(圖5b)，標識這一階段的結束。階段2中，地面觀測PM2.5濃度維持在200 μg·m-3左右，PM2.5/PM10接近1(圖4)，地面仍為典型的細顆粒物污染，而高空退偏振比的迅速增長是由高空傳輸來的沙塵氣溶膠造成。這一階段高空以粗顆粒為主，而近地面仍為細顆粒物污染。

圖a單位為km-1·sr-1圖5 2018年 3月27—28日北京南郊激光雷達氣溶膠后向散射系數(shù)圖(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時，北京地區(qū)近地面PM10濃度驟然升高(取代PM2.5成為大氣首要污染物)，1 h內由245 μg·m-3激增至1348 μg·m-3，而后繼續(xù)升高，至28日07時達2000 μg·m-3以上，PM2.5/PM10的比值迅速減小至0.2以內(圖4)，大氣污染轉為顯著的沙塵(粗顆粒)污染。10時，沙塵過程逐漸開始減弱，近地面和高空的回波強度均開始逐步減弱。

2.3 沙塵過程的來源分析

2.3.1 氣象條件

為進一步分析北京沙塵的來源，首先對沙塵發(fā)生發(fā)展過程中的氣象要素進行分析。中國氣象局北京南郊觀象站的風廓線雷達資料顯示(圖6)，2018年3月28日00時(階段2起始)北京300 m以上高空均為西北氣流，并持續(xù)到階段2結束(28日04時左右)，隨后(05時)1500 m以下逐漸轉由東北偏北氣流控制，持續(xù)4 h，09時逐漸轉為東風，10時后逐漸轉為東南風，下文將對這幾個風向轉化的時間點與沙塵過程的發(fā)展規(guī)律進行進一步探究。

圖6 2018年3月27—28日(a)和28—29日(b)北京南郊風廓線雷達反演風場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時，北京地面為東北風，300 m以上為西北風。此時，600—2000 m高空已有沙塵輸送至北京上空，近地面PM10濃度為245 μg·m-3，PM2.5/PM10比值達99%，說明近地面依然是細顆粒物污染。06時近地面PM10濃度激增，因此可判斷北京城區(qū)地面05—06時已受沙塵影響，此時地面仍為東北風，高空由西北風逐漸轉為東北風。09時起，沙塵粒子在干沉降的作用下，近地面PM10濃度開始下降，由最高2106 μg·m-3下降至10時與11時的1403 μg·m-3和1125 μg·m-3。垂直速度顯示09時后(圖7)，近地面有上升運動，上升運動一定程度上減緩了空中沙塵粒子的沉降作用，09時后200—500 m高度處激光雷達后向散射系數(shù)始終維持高值，200 m以下的后向散射系數(shù)則明顯減弱(圖5a)。同時，06—14時1600—2000 m上升運動強烈，因此沙塵氣溶膠在該高度受上升運動的頂托作用，而長時間懸浮在高空，該高度退偏振比達0.38，說明高空確實存在大量沙塵氣溶膠。12—13時，PM10濃度再度上升至1388 μg·m-3，因此考慮此時PM10粒子濃度上升的可能原因為輸送的沙塵粒子的補充。13時后PM10開始呈明顯下降趨勢，此次沙塵天氣過程開始逐步減弱。

虛線為上升運動，實線為下沉圖7 2018年3月27—28日北京地區(qū)垂直速度剖面圖Fig.7 Vertical velocity profile in Beijing on March 27-28，2018 (UTC)

2.3.2 后向軌跡和模式分析

為了更清楚了解不同高度沙塵來源路徑，利用美國國家海洋和大氣管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)的HYSPLIT模式，對上述幾個關鍵時間點的軌跡進行后向軌跡分析，所用資料為GDAS(Global Data Assimilation System) 0.5°×0.5°資料，計算點為北京(39.95 ° N，116.32 ° E)，根據(jù)激光雷達的后向散射系數(shù)及退偏振比數(shù)據(jù)分析沙塵氣溶膠進入北京后主要分布高度，分別選取北京上空1500 m、500 m、200 m三個高度對粒子進行后向軌跡分析，時間為3月28日07時(地面監(jiān)測到沙塵濃度快速上升起始時刻)、14時(北京沙塵濃度下降后再次小幅上升時段)進行24 h的后向軌跡分析，28日07時北京不同高度(1500 m、500 m、200 m)的24 h后向軌跡表明(圖8)，1500 m高度氣團主要來自蒙古國途經(jīng)中國內蒙古自治區(qū)二連浩特、太仆寺旗、河北張家口、豐寧等地區(qū)進入北京，500 m、200 m氣團主要來自中國內蒙古自治區(qū)中部的包頭地區(qū)，途經(jīng)烏蘭察布市、河北北部進入北京，為了進一步驗證沙塵路徑，選取北京西北方向的二連浩特、蘇尼特右旗、張家口、豐寧等城市的PM10濃度進行分析(圖9)，圖9表明，3月27日08時二連浩特PM10開始快速攀升，增長率超過每小時150 μg·m-3；27日10時蘇尼特右旗PM10急速上升，僅1 h便上升260 μg·m-3，張家口、豐寧、北京PM10增長率最顯著時間分別是27日20時、27日23時和28日07時。各個站點PM10激增的時間存在明顯的時間滯后性，推斷28日凌晨進入北京的沙塵主要來源于西北路徑，且傳輸高度在1000 m以上。

1500 m高度(紅色)；500 m高度(藍色)；200 m高度(綠色)圖8 2018年3月28日07時北京上空不同高度24 h后向軌跡Fig.8 24-h backward trajectory at different altitudes in Beijing at 07:00 (Beijing time) on March 28，2018

圖9 2018年3月27—28日沙塵傳輸路徑上部分站點二連浩特(a)、蘇尼特右旗(b)、張家口(c)、豐寧(d)和北京(e)PM10濃度變化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時PM10濃度明顯下降，13時又再度小幅升高，14時后濃度持續(xù)下降，到夜間21時，PM10降至300 μg·m-3以下，空氣質量為輕度污染。因此，選擇28日14時北京不同高度(1500 m、500 m、200 m)進行24 h后向軌跡模擬(圖略)。模擬結果表明，200 m高度粒子來自于北京東部天津、唐山一帶；500 m高度粒子來自河北北部承德地區(qū)，1500 m高度粒子來自蒙古國東部和中國內蒙古東部地區(qū)，途經(jīng)河北東北部地區(qū)從東路進入北京。綜合后向軌跡與氣象要素分析顯示：此次影響北京的沙塵來源有兩支，起源內蒙古中西部地區(qū)，途徑內蒙古四子王旗、烏蘭察布等地，進入河北的張家口從北路進入北京地區(qū)的是主要沙塵來源。午后，另一支起源于蒙古國東部，途經(jīng)中國赤峰與秦皇島、唐山等地的沙塵從東路進入北京。后一支沙塵濃度低，僅對北京的沙塵起到了補充作用。

2.4 沙塵過程期間微量元素富集因子分析

2018年3月27日00至28日23時期間，沙塵天氣影響前后監(jiān)測到的PM2.5樣品元素平均含量見表1，Ca、Fe、Na、K、Mn、Cr 、Co等礦物氣溶膠元素濃度沙塵時段比非沙塵時段濃度高約3—5倍，在PM2.5質量占比也明顯高于非沙塵時段，且和該元素在地殼元素中豐度系數(shù)接近，說明這些元素主要來自于地殼源(我國北方沙漠地區(qū)及干旱半干旱地區(qū)風蝕所形成的沙蝕)。沙塵時段Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素濃度與非沙塵時段相比，呈明顯下降趨勢，說明在沙塵粒子大量增加的情況下，Zn、Cu、Pb、Cd、As一定程度上被稀釋，但在PM2.5中占比明顯高于該元素在地殼中豐度，說明Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素主要來源于工業(yè)排放，可能為沙塵傳輸路徑中途經(jīng)城市的排放與北京本地排放共同導致。進一步分析發(fā)現(xiàn)，Ca、Fe、Na、K、Mn等金屬元素隨沙塵進入北京后，測得的濃度先升后降，但12—13時，Ca、Fe、Na、K、Mn等金屬元素濃度再度升高，而同一時間，Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素濃度卻與沙塵剛進入北京時相反，呈升高趨勢(圖略)，這與前面后向軌跡分析有一支東路來的沙塵有密切關系，說明東路進入北京的沙塵(途經(jīng)秦皇島、唐山等工業(yè)城市)比北路沙塵攜帶了更多的污染元素。

表1 有關元素在沙塵暴前后氣溶膠中含量及地殼豐度Table 1 Concentrations of relevant elements in aerosols during the sand storm event and the abundance of the substance in the crust

3 結論

(1)2018年3月27—28日北京霾天氣期間，細顆粒物主要聚集在300 m以下高度，沙塵天氣期間，沙塵氣溶膠主要聚集在600 m以下高度，兩者垂直方向伸展高度有明顯差異。激光雷達可比地面大氣成分監(jiān)測儀器提前約6 h監(jiān)測到進入北京的沙塵，能有效提高沙塵短時臨近預報準確率。

(2)基于風廓線雷達反演的風場可較好反映監(jiān)測點上空風場時空變化，綜合利用激光雷達與風廓線雷達資料能清楚反映北京沙塵氣溶膠輸送及沉降變化。

(3)后向軌跡與氣象場綜合分析表明，此次北京沙塵主要來源于北路，起源于內蒙古中西部地區(qū)，經(jīng)河北北部進入北京；另一支來自于蒙古國東部地區(qū)，在東北氣流引導下，經(jīng)河北東北部，從東路進入北京，后一支主要是起補充作用。

(4) 霾天氣時段，北京PM2.5/PM10的比值接近1，沙塵時段兩者比值迅速降低為0.2。沙塵時段Ca、Fe、Na、K、Mn、Cr 、Co等元素濃度是非沙塵期間的3—5倍，在PM2.5占比與該元素地殼豐度相當，說明這些元素主要來自中國北方地區(qū)的地殼元素； 沙塵時段Zn、Cu、Pb、Cd、As等污染元素濃度比非沙塵時段低，但遠大于這些元素在地殼中豐度，說明這些污染元素主要以來自于沙塵沿途經(jīng)過城市及北京本地排放為主。