張迎新 ，李 林 ，曹曉沖 ，李梓銘 ，馬小會 ，張玉婷

（1.北京市氣象臺，北京100089；2.北京市氣象局大氣探測中心，北京100089；3.河北省氣象臺，河北 石家莊050021；4.北京市環(huán)境氣象中心，北京100089；5.衡水市氣象臺，河北 衡水053000）

依據(jù)沙塵暴天氣等級國家標準（GB/T 20480-2006），按氣象觀測站當時的地面水平能見度，將沙塵天氣依次分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5 個等級。浮塵是指當天氣條件為無風或平均風速≤3.0 m/s 時，塵沙浮游在空中，使水平能見度＜10 km 的天氣現(xiàn)象。浮游的塵土和細沙多為遠地沙塵經上層氣流傳播而來，多為沙塵暴、揚沙出現(xiàn)后尚未下沉的細粒。

相比于沙塵暴、揚沙來說，浮塵的破壞性不大，但其影響卻不容忽視。浮塵天氣期間，空氣中可吸入顆粒濃度增加，顆粒物粘附大量有害物質，對人體健康產生的危害較大；浮塵降低大氣能見度影響交通運輸；沙塵氣溶膠在大氣中的長時間存在和輸送，對氣候效應也會產生較大影響[1]。京津冀地區(qū)浮塵天氣出現(xiàn)的機率較高，統(tǒng)計分析北京50 a 的沙塵天氣觀測資料，浮塵占比達20%，遠比沙塵暴的9%高[2]，因此急需研究京津冀浮塵天氣的成因。

中國西北地區(qū)以及與中國接壤的蒙古國存在大片的沙源地，多數(shù)的沙塵暴是由蒙古氣旋引發(fā)[3]。京津冀地區(qū)本地的沙源地較少，研究京津冀的沙塵天氣常常關注沙源地及沙塵的傳輸問題，相關研究成果頗多。陳廣庭[2]統(tǒng)計分析了北京50 a 的沙塵天氣觀測資料，得出浮塵來自內蒙古高原中部農牧交錯地區(qū)。張小玲等[4]利用沙塵模式模擬了一次北方的連續(xù)強沙塵天氣，得出沙塵的傳輸過程中高度可達6 km 以上。李彰俊等[5]基于沙塵數(shù)值預報模式敏感性試驗結果，分析討論了蒙古氣旋沙塵暴過程中沙塵傳輸?shù)奶攸c，沙源區(qū)緯度越高，沙塵向東傳輸越強，緯度越低，向南傳輸越強；同時，高度越高，沙塵向東傳輸越強，高度越低，向南傳輸越強。對于浮塵天氣的傳輸過程及成因，馬井會等[6]初步研究了一次上海連續(xù)浮塵過程的傳輸特征和形成的主要原因。馬梁臣等[1]對長春市一次浮塵天氣進行分析，發(fā)現(xiàn)沙源來自蒙古國中部和內蒙古中東部，并隨高空急流的輸送影響東北地區(qū)。郭萍萍等[7]分析了甘肅省春季一次連續(xù)浮塵天氣過程，此過程中的浮塵均出現(xiàn)在沙塵暴或揚沙天氣之后，在連續(xù)浮塵天氣期間，甘肅省各地上空頻繁出現(xiàn)逆溫層，邊界層上部逆溫層的逆溫溫差越大，厚度越厚，造成浮塵天氣的強度越強，且“東高西低”的回流輸送對甘肅中東部地區(qū)的浮塵天氣有一定的作用。上述研究認為沙塵多隨高空急流向下游傳輸，或在下游沉降到邊界層內的沙塵粒子隨偏東風回流輸送；持續(xù)時間長的浮塵天氣往往是兩次沙塵過程相繼影響下產生的。

2017 年5 月3 日白天到前半夜京津冀出現(xiàn)了小雨天氣，局地中到大雨，北京最大降水出現(xiàn)在延慶的松山，達11.9 mm。5 月3 日后半夜至5 日白天（以北京海淀站為例，4 日04 時—5 日11 時，北京時間，下同），京津冀地區(qū)自北向南先后出現(xiàn)了一次大范圍的浮塵天氣過程，具有強度大、范圍廣等特征，為我國北方遭遇近兩年來最嚴重的沙塵天氣。京津冀地區(qū)上空被浮塵籠罩，空氣質量急劇下降，空氣中彌漫著塵土味。此次浮塵天氣是出現(xiàn)在降水之后，且持續(xù)30 h 以上，其預報難度較大。而以往的研究幾乎沒涉及此類浮塵天氣，因此有必要分析其成因及維持機制。

本文使用常規(guī)和非常規(guī)氣象及環(huán)境觀測、NCEP（0.25°×0.25°）再分析資料、激光雷達探測資料及Hysplit 后向軌跡模式等進行診斷分析，試圖揭示浮塵天氣持續(xù)時間長的成因。

1 研究區(qū)域、資料和方法

1.1 研究區(qū)域

京津冀地區(qū)位置獨特，西倚太行山，東部有渤海灣，北部為燕山和壩上高原。燕山自西向東、太行山自北向南構成半環(huán)狀“弧形山脈”環(huán)抱著華北平原，形成西北高、東南低逐級下降的地勢（圖1）。壩上高原系內蒙古高原的一部分，地勢南高北低，平均海拔為1 200～1 500 m；北部燕山和西部太行山由中山、低山、盆地、丘陵組成，海拔多在2 000 m 以下。壩上高原地區(qū)近幾年的植被覆蓋有比較明顯的改善，但是每年春季壩上的地表仍是裸露的，而且張家口懷來縣、承德豐寧縣有小面積的沙漠公園，這些都是春季京津冀地區(qū)的沙源地。

圖1 京津冀地形地貌

1.2 資料和方法

本文使用2017 年5 月2—5 日亞歐地區(qū)的常規(guī)高空及地面觀測資料、京津冀非常規(guī)觀測資料及自動站資料，PM10實時數(shù)據(jù)來自于中國環(huán)境監(jiān)測總站。

1.2.1 激光雷達資料

北京市觀象臺的激光雷達為雙波長三通道激光雷達，激光器發(fā)射兩種特定波長（355、532 nm）激光脈沖及經準直擴束后進入大氣，大氣中的粒子對激光產生米散射，其中方向為180°的散射光（后向散射）被望遠鏡系統(tǒng)接收，且又被分光成355、532 nm平行、532 nm 垂直的三路光，由探測系統(tǒng)分別探測到3 個通道的回波信號，再將回波信號反演成消光系數(shù)和退偏比（消偏振比）的垂直分布廓線等。消光系數(shù)是單位距離內氣溶膠對光的吸收衰減的一個系數(shù)值，表示每千米或每米對光的吸收，數(shù)值的大小與空氣中氣溶膠的濃度成正比。利用退偏比，可以確定顆粒物的形狀特征，進而對顆粒物進行分類，并判斷其來源。局地生成的二次顆粒物大多為規(guī)則球型粒子，退偏比?。欢獠枯斎氲纳硥m顆粒多為不規(guī)則形狀，退偏比大[8-10]。本文使用 2017 年 5 月 3 日 13—4 日13 時北京市觀象臺的激光雷達反演的消光系數(shù)及退偏比進行分析，消光系數(shù)及退偏比方法見文獻[8]。

1.2.2 后向軌跡模式及資料

HYSPLIT （Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）、空氣資源實驗室 ARL（Air Resources Laboratory）和澳大利亞墨爾本氣象研究中心聯(lián)合開發(fā)的一種用于計算和分析氣團輸送、擴散軌跡的模型，即拉格朗日混合單粒子軌道模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式，已經被廣泛地應用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴散的研究中[11-12]。

本文以北京（40°N，117°E）為例，計算 2017 年 5月4 日08 時（此時北京全市浮塵天氣）過去36 h 后向軌跡（Backward Trajectory），高度選定為 10、100、500、1 000、1 500 和 3 000 m AGL（距地面高度），來分析此次沙塵的傳輸路徑及其氣團的性質。

2 浮塵天氣實況

2.1 地面實況

受發(fā)展東移的高空槽、蒙古氣旋影響，2017 年5月2—5 日西北地區(qū)、華北、東北出現(xiàn)了沙塵天氣，尤其是內蒙古北部的部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴、局地強沙塵暴，最低能見度約300 m。受短波槽影響，3 日白天到前半夜京津冀普降小雨，局地中到大雨，北京最大降水量出現(xiàn)在延慶的松山，為11.9 mm，本地因出現(xiàn)降水不利于起沙。由能見度觀測及中國環(huán)境監(jiān)測總站的PM10實時數(shù)據(jù)可知，浮塵于3 日21 時進入河北張家口西北地區(qū)，并逐漸自西北向東南蔓延，PM10濃度迅速增大，多站超過 1 000 μg·m-3。圖 2a 為4 日08 時 FY-4 衛(wèi)星云圖，隨著氣旋云系的東移，沙塵覆蓋內蒙古大部分地區(qū)、甘肅、寧夏、陜西、山西及河北、北京、天津等省市。以北京海淀為例（圖2b），4 日 03 時以前濃度均在 200 μg·m-3以下，4 日04 時驟升至 616.7 μg·m-3，05 時—次日 07 時均處于爆表狀態(tài) （爆表指濃度>1 000μg·m-3，4 日22 時南郊觀象臺最高達 1 706 μg·m-3），達到重度污染，能見度不足3 km，且持續(xù)時間長達30 h。5 日早晨開始北風加大，沙塵天氣自西北向東南逐漸消散，能見度轉好。

2.2 環(huán)流形勢

2017 年 5 月 3 日 08 時 500 hPa 高空圖上，亞歐大陸中高緯地區(qū)為兩脊一槽的形勢，脊線分別位于烏拉爾山地區(qū)及海參崴—伊春—雅霍茨克一線。兩脊之間為一寬廣的槽，西西伯利亞有一低渦，其前部自貝加爾湖經內蒙西部的額濟納旗到甘肅敦煌一線有一西風帶低槽；另有一短波槽自河套經崆峒到漢中，京津冀地區(qū)處于槽前的西南氣流中，受其影響3 日白天到夜間出現(xiàn)了降水（普降小雨，部分地區(qū)中到大雨）。對應地面圖（圖3a），3 日20 時龐大的蒙古氣旋中心位于貝加爾湖以東的中蒙邊界，氣旋底部及其冷鋒后有大片的揚沙或沙塵暴（黃色陰影區(qū)），此時京津冀大部有降水（綠色陰影區(qū)）。隨著鋒面氣旋東移，沙塵區(qū)東移南擴（圖3b），內蒙古及東北地區(qū)以沙塵暴、揚沙為主，而京津冀及其以南地區(qū)主要以浮塵天氣為主。

FY-4A 云圖顯示 （圖 2a），4 日 08 時蒙古氣旋中心東移至我國黑龍江、俄羅斯及蒙古國交界處，氣旋冷鋒云系已移出京津冀地區(qū)（除河北東北部），京津冀中北部已被沙塵籠罩。此時500 hPa 東亞中緯度地區(qū)有東、西2 個西風帶低槽，東槽對應蒙古氣旋冷鋒，其南段位于京津冀北部，并逐漸東移，京津冀受槽后下沉氣流影響，易于沙塵沉降。西槽位于貝加爾湖東部—蒙古國中部，是低渦后部補充南下的冷空氣（圖3c，粗實（虛）線分別為08 時（20 時）槽線位置）。5 日08 時（圖3d），西槽東移南下至錫林浩特—張家口—銀川一線，槽后有-36 °C 的冷中心。風速＞20 m/s 且風向與等溫線近乎垂直，可知槽后冷空氣勢力強（·2T＜0）且南下速度快。此時地面冷空氣前沿已抵達張家口，張家口市境內風速加大到5 級以上，張家口能見度逐漸轉好。5 日白天此低槽掃過京津冀，冷空氣掃過時地面自西北到東南先后出現(xiàn)5 級左右的大風，局地伴有揚沙天氣。冷空氣過后京津冀地區(qū)各地能見度迅速轉好，長時間持續(xù)的沙塵天氣于5 日白天自西北到東南先后結束。

圖2 2017 年 5 月 4 日 08 時 FY-4A 云圖（a）和北京市海淀站的 PM10 濃度（b）

圖3 2017 年 5 月 3 日 20 時地面形勢（a）、5 月 3 日 20 時—4 日 14 時逐 6 h 沙塵區(qū)前沿（b，標值為時間）、5 月 4 日 08 時（c）、5 月 5 日 08 時（d）500 hPa 高空形勢及槽動態(tài)（c）

實際業(yè)務預報中，考慮5 月4 日蒙古氣旋偏北，華北中南部地區(qū)風速小且已出現(xiàn)降水，本地不具備起沙條件。上游地區(qū)雖然出現(xiàn)了沙塵暴天氣，但一般認為沙塵伴隨500～700 hPa 的平均流場為引導氣流向下游輸送。5 月4 日華北上空500～700 hPa 為一致的偏西—西西南氣流，預報沙塵天氣將主要出現(xiàn)在華北北部及東北地區(qū)，考慮沉降將影響北京以北地區(qū)，對華北中南部影響不大?？傊畯囊酝慕涷灴?，5 月4 日的天氣形勢不利于京津冀出現(xiàn)大范圍的持續(xù)性的浮塵天氣。

與常見的沙塵暴、揚沙出現(xiàn)后尚未下沉的細粒子浮游空中而成的浮塵不同，本次浮塵天氣前京津冀地區(qū)出現(xiàn)了降水。浮塵是由于東北移動的蒙古氣旋帶來的沙塵區(qū)南擴輸送到本地沉降而形成的。由于京津冀地區(qū)高空以緯向環(huán)流為主，地面位于鞍型場中，形勢穩(wěn)定且地面風力很小，沙塵粒子長時間懸浮在近地層，產生了大范圍的持續(xù)浮塵天氣。

3 浮塵天氣的氣溶膠垂直結構特征

由北京觀象臺激光雷達觀測可見（圖4），氣溶膠高濃度區(qū)（圖4 中紅色部分），于3 日15 時前后自5～6 km 高度逐漸降低到 4 km 后，在 2～4 km 的高度區(qū)間上下浮動，雖然3 日19—22 時出現(xiàn)降水，因雨水使得0～2 km 的消光系數(shù)增加（對應退偏比的演變此時段幾乎為零，說明為球形的水滴），直至4 日04 時前后高濃度區(qū)下降到1 km 以下。對應此時段的退偏比垂直分布的演變（圖4b），與消光系數(shù)的演變基本一致，表明本次大氣的氣溶膠以不規(guī)則的沙塵粒子為主，且由外部通過高空輸送至北京地區(qū)。從 03：30 起，2～4 km 的退偏振比顯著減小，而地面到1.5 km 退偏振比逐步增大，表明此時高空的沙塵開始向近地面沉降，形成沙塵天氣，伴隨能見度下降、PM10濃度升高（圖 2b）。

圖4 浮塵天氣過程的北京激光雷達探測資料的垂直演變

4 浮塵天氣長時間持續(xù)成因分析

4.1 環(huán)流條件

浮塵天氣持續(xù)期間（4 日凌晨—5 日），500 hPa東亞中緯度地區(qū)有東、西兩西風帶低槽，東槽對應蒙古氣旋冷鋒，其南段位于京津冀北部，并逐漸東移，京津冀受槽后下沉氣流影響，易于沙塵沉降。西槽位于貝加爾湖東部—蒙古國中部，是低渦后部補充南下的冷空氣。京津冀上空浮塵天氣期間，500 hPa 受東、西兩槽間偏西氣流控制，地面氣壓場呈東西高、南北低的鞍型場，地面風速小。

4.2 邊界層條件

使用京津冀地區(qū)4 部L 波段雷達探空資料分析氣象要素的垂直演變，以北京觀象臺為例，3 日夜間有一低槽過境，對應4 日08 時（浮塵出現(xiàn)在05時），800 hPa 以上為偏西風，比濕下降明顯（圖5a）；800 hPa 以下隨高度降低由西北風轉為偏北風，按熱成風原理知此厚度內應為冷平流，從溫度廓線看溫度略有下降，但比濕下降明顯，說明800 hPa 到地面干平流明顯。從位溫的廓線看（圖5b），4 日08時—5 日 08 時近地層 （4 日 08 時 800 hPa、20 時900 hPa 以下、5 日 08 時 970 hPa）θ 近乎垂直（隨高度變化 1 K 左右），?θ/?P≈0 為中性層結，有利于沙塵粒子懸浮于空中，這也是浮塵天氣維持時間長的原因之一。

圖5 北京觀象臺L 波段探空時序（a）及位溫廓線（b）

應用京津冀地區(qū)14 部風廓線雷達資料分析水平風、垂直氣流的演變（圖 6），5 月3 日夜間—4 日白天2～4 km 高度內有2 個槽經過，第一個槽后西北氣流由高到低于4 日04—05 時到達地面，與西北氣流對應4 km 以下為下沉氣流（圖6 中陰影區(qū)），此時北京能見度降低、PM10濃度升高（圖2b），形成浮塵天氣。此后2 km 以下以湍流活動為主，上升、下沉氣流弱但交互出現(xiàn)，有利于沙塵粒子懸浮于空中，浮塵天氣維持時間長。

圖6 2017 年 5 月 3 日 22:00—4 日 19:00 北京觀象臺風廓線

5 沙塵源地及其傳輸路徑

以5 月4 日08 時為起始時刻計算36 h 后向軌跡，高度選定為 10、100、500、1 000、1 500 和3 000 m AGL（距地面高度），分析沙塵天氣條件下的沙塵來源、移動路徑及其氣團的性質（圖7）。結合地面觀測發(fā)現(xiàn)，此次過程沙塵來源于西西伯利亞，沿途經過蒙古國南部和新疆北部的戈壁灘、阿拉善高原、巴丹吉林沙漠及烏蘭布和沙漠等地，傳輸高度基本在3～5 km。張家口、承德壩上雖然有裸露的地表及小沙漠，從后向軌跡看沒有來自本地的沙塵。根據(jù)10 m 高度的質點軌跡中的濕度分布可知，起始的濕度在10%以下，因沙塵區(qū)前沿一直有降水，在傳輸過程中濕度雖有增加但均在30%左右，最大相對濕度為47.5%。

圖7 北京上空（39.8°N，116.48°E）粒子的36 h 后向軌跡

6 結論

使用氣象、環(huán)境觀測、激光雷達探測、后向軌跡模式產品等資料分析了2017 年5 月3—4 日京津冀地區(qū)一次浮塵天氣長時間持續(xù)的原因，得出如下結論：

（1）此次浮塵天氣持續(xù)期間（4 日凌晨—5 日），主要受東、西兩槽間的緯向氣流控制，京津冀處于氣旋冷鋒南段后的下沉區(qū)，有利于沙塵粒子沉降。但鋒后冷空氣勢力弱，地面近似呈東西高、南北低的鞍型場，京津冀地區(qū)近乎為均壓場，風速小或為靜風。此類高、低空天氣系統(tǒng)的配置有利于浮塵天氣長時間維持。

（2）此次浮塵天氣的沉降過程、邊界層內頻繁的大氣湍流活動及中性層結，由于邊界層內大氣的湍流活動旺盛且地面風速較小，使得浮塵長時間停留在空中，持續(xù)時間較長。

（3）激光雷達監(jiān)測結合后向軌跡模式分析揭示此次京津冀地區(qū)的浮塵是上游地區(qū)沙塵傳輸，不是本地沙塵。消光系數(shù)的空間分布可以監(jiān)測到此次浮塵天氣的傳輸高度基本在2～4 km（以往認為6 km左右）。