2017年春季华北地区一次典型沙尘重污染天气过程研究
  环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (5): 1699-1707
2017年春季华北地区一次典型沙尘重污染天气过程研究    [PDF全文]
魏巍1,2 , 皮冬勤2 , 晏平仲1,2 , 肖林鸿2 , 张稳定2 , 陈婷婷2 , 罗宝刚2 , 丁俊男3 , 李健军3     
1. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029;
2. 中科三清科技有限公司, 北京 100029;
3. 中国环境监测总站, 北京 100012
摘要: 结合空气质量监测站小时监测数据、NECP资料、卫星遥感资料,分析了2017年5月3—5日华北地区一次典型沙尘重污染天气过程.结果表明,此次重污染过程主要由前期的浮尘和后期的扬沙天气造成.前期,蒙古气旋强烈发展将沙尘源地的沙尘抽吸到空中并在偏西风作用下,长距离传输到华北地区沉降,造成大范围浮尘天气,多个城市出现严重污染,PM10浓度增高显著.后期,随着高空横槽转竖并东移,受强冷锋影响,京津等地出现大风扬沙天气,大风过后,空气质量转好,PM10浓度降低至较低水平.起沙源地高空辐散、近地面辐合产生强烈的上升运动将沙尘带到空中并向东传输至华北上空,近地面处于弱辐散场,高空的沙尘缓慢下沉,形成了浮尘天气;高空槽东移,高空辐合,近地面辐散,700 hPa至近地面为强烈下沉运动,是形成此次扬沙天气的主要原因.结合天气形势分析和特征量诊断,给出了华北地区此次浮尘和扬沙天气的天气学概念模型.
关键词: 浮尘     扬沙     空气质量     沙尘天气概念模型    
Study on a typical dust pollution process in North China in spring in 2017
WEI Wei1,2, PI Dongqin2, YAN Pingzhong1,2 , XIAO Linhong2, ZHANG Wending2, CHEN Tingting2, LUO Baogang2, DING Junnan3, LI Jianjun3    
1. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
2. 3Clear Technology Co., Ltd, Beijing 100029;
3. China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012
Received 29 September 2017; received in revised from 22 January 2018; accepted 22 January 2018
Supported by the National Environmental Protection Special Research Grant for Non-Profit Public Service(No.201509014), the National Key R & D Project(No.2016YFC0208803)and the National Science and Technology Support Project(No.2014BAC23B03)
Biography: WEI Wei(1988—), female, E-mail: weiwei.cf@163.com
*Corresponding author: YAN Pingzhong, E-mail:missfield@gmail.com
Abstract: Based on the hourly monitoring data from the national air quality monitoring station, the weather data and the weather diagnosis data from the NCEP, the remote sensing data from the satellite, this study analyzed a typical dust heavy pollution in North China from May 3 to May 5 in 2017. The results showed that:The heavily-polluted event was mainly related to the floating dust as well as the blowing sand. In the early period, the Mongolian cyclone strongly dominated in the North China, sucking dust up into the air. Under the westerly wind weather condition, the dust was transported to the North China, leading to floating dust pollutions in the large-scale areas, with the PM10 concentrations increasing significantly. In the later period, the high-altitude horizontal slot turned vertical and moved eastward, and the gale weather occurred in Beijing and Tianjin. After the cold front, the air quality was getting better with PM10 concentrations decreasing to a low level. High altitude divergence combined with the surface intense convergence produced a strong ascending airflow in the source of sand, which brought the dust up to the air. The high-altitude dust slowly sinks in the weak surface divergence field. The moving eastward trough, converging at high altitude, divergence near the ground, strong sinking airflow from 700 hPa were the primary causes for the formation of this sand blasting. Based on the weather situation analysis and the diagnosis information of weather, the conceptual models of floating dust and blowing sand weather in North China are given.
Key words: floating dust     blowing sand     air quality     dust weather concept model    
1 引言(Introduction)

沙尘天气一直是对我国影响较大的灾害性天气, 虽然近年来我国城市的沙尘天数呈减少趋势(王存忠等, 2009王训明等, 2007), 但由于沙尘天气能造成空气中颗粒物浓度升高(李贵玲等, 2014徐文帅等, 2016)和水平能见度显著下降(杨青等, 2006), 进而严重影响城市空气质量(陈辉等, 2012申冲等, 2012陈跃浩等, 2013);同时, 对社会经济、人民身体健康造成巨大损失与伤害(Aishajiang et al., 2015杨振华等, 2015孙兆彬等, 2016Altindag et al., 2017).因此,若能够全面地对沙尘天气进行研究分析, 及时进行预报预测, 可在一定程度上减少沙尘天气带来的危害.为此, 很多学者针对起沙机制(张宏升等, 2007Wang et al., 2017)、沙尘传输移动路径(延昊等, 2002张志刚等, 2007郑有飞等, 2013)、沙尘天气特征(范兰艳等, 2016Lyu et al., 2017Wang et al., 2017)进行了大量的研究, 并通过数值模拟等方法对其进行模拟预测(康丽泰等, 2017孙建华等, 20042003周荣卫等, 2004).

针对华北地区, 科研人员也进行了相关研究, 如对春季该地区沙尘暴频次与环流年际变率的相关性分析(毛睿等, 2007), 对河北省沙尘天气时空分布特征的分析(王仁德等, 2009), 以及利用气象观测、激光雷达和轨迹模式等方法对北京地区的沙尘天气进行分析(李晓岚等, 2010李珊珊等, 2016杨欣等, 2017)等.2017年5月3—5日, 我国北方地区发生了一次大范围的沙尘天气, 也是近几年沙尘型重污染天气影响较大的一次, 包括新疆、甘肃、宁夏、陕西、内蒙古、陕西、河北、北京、天津、辽宁、吉林、黑龙江在内的10余省(市)受到影响, 空气质量等级一度达到严重污染, 影响面积达163万km2.华北地区本次沙尘过程较为特殊, 经历了浮尘和扬沙两个天气过程, 给预报预警工作带来了一定难度.本文针对该地区此次沙尘重污染天气发生发展的天气形势、污染状况及特征量场进行分析, 以期为该地区春季沙尘天气及其预报提供参考.

2 资料与方法(Materials and methods) 2.1 资料来源

本文使用的空气质量监测数据来自于中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台每小时更新的空气质量监测数据及北京市环境空气质量发布平台发布的空气质量污染物逐小时数据(http://zx.bjmemc.com.cn/?timestamp=1515760576881).天气图及特征量来源于NCEP/NCAR再分析资料.沙尘卫星监测产品来自中国科学院遥感与数字地球研究所.北京和天津机场历史逐小时风场数据来自WunderGround全球天气精准预报网(https://www.wunderground.com/).

2.2 研究方法

综合天气形势与天气学诊断量分析本次华北地区沙尘过程的气象条件特征, 结合地面污染物浓度的变化分析沙尘过程对华北地区空气质量的影响, 总结其发生发展规律, 给出沙尘天气概念模型, 为华北地区沙尘及其空气质量预报预警工作提供科学借鉴.其中, 城市污染物浓度数据由各城市国控站点均值计算得到, 并以此计算城市空气质量指数AQI.

3 沙尘天气过程分析(Process analysis of sand-dust weather)

能够引发沙尘暴的天气系统有多种类型.在天气尺度系统中, 冷锋和气旋是最为常见的, 气旋型维持时间相对较长(姜学恭等, 2006).此次过程前期蒙古气旋在蒙古国东部强烈发展, 并形成较强辐合上升, 将地面沙尘卷起输送到空中.该沙尘沿着蒙古气旋外侧南部西-西北气流向华北地区输送, 并沉降形成华北地区浮尘天气, 后期蒙古气旋后部的横槽转竖后引导强冷空气东移南下, 较强冷锋过境造成大风, 进而形成扬沙天气.此次沙尘天气导致华北及其周边地区空气质量严重恶化, 直至5月6日, 冷空气南下后, 华北地区空气质量基本转好(图 1).

图 1 2017年5月3—6日空气质量指数(AQI)空间分布 Fig. 1 Distribution map of air quality index (AQI) from 3 to 6, May in 2017
3.1 天气形势及污染过程分析 3.1.1 浮尘天气

5月3日8:00, 受蒙古气旋影响, 内蒙古西部的阿拉善额济纳旗开始出现大风扬沙天气.3日14:00, 蒙古气旋进一步发展(图 2a), 受强大的梯度风作用(地面风速在10 m · s-1以上), 沙尘天气范围扩大, 河套地区产生扬沙或沙尘暴天气, 受此影响, 该地区空气质量达到严重污染水平, PM10日均浓度在800 μg · m-3以上, 而华北地区大部分城市PM10浓度在100~200 μg · m-3之间(图 2b).高空(850和500 hPa)为西-西北风气流, 风速14~20 m · s-1, 空中的细沙尘在强大的西风气流作用下, 向东-东南方向推进.以北京地区为例, 5月4日4:00, 空中的沙尘传输到北京地区上空, 从8:00天气图看到, 北京地区近地面层为弱高前部(图 3a), 空中处于槽后(图 3bc, 红色曲线表示槽线), 有弱下沉运动, 被空中西风裹挟至此的细沙尘缓慢下沉, 华北地区空气质量开始逐渐转为6级严重污染水平, 尤其是北部的张家口、承德、北京、天津等市, PM10小时浓度在1500 μg · m-3甚至2000 μg · m-3以上(图 3d), 同时从包含中国大部分地区的卫星遥感资料图(图 4a)也可看到华北地区已经受到浮尘影响, 并且在浮尘区与云区有一条明显的分界线, 该分界线即为空中槽线所在处.直至4日晚间, 华北地区已完全处于浮尘控制之下(图 4b), 尤其是京津冀地区, 多个城市PM10浓度在2000 μg · m-3及以上(图 5b).

图 2 2017年5月3日14:00亚洲东部地区海平面气压图(a)和华北地区日均PM10浓度空间分布(b) Fig. 2 Sea level pressure in eastern Asia at 14:00 (a) and distribution map of daily PM10 concentrations in North China(b) on May 3, 2017

图 3 2017年5月4日8:00亚洲东部地区天气形势(a.海平面气压图, b.850 hPa天气图, c.500 hPa天气图)及华北地区PM10空间分布(d) Fig. 3 Sea level pressure(a), air circulation at 850 hPa(b) and 500 hPa(c) in eastern Asia and distribution map of PM10 concentrations in North China (d) at 8:00 on May 4, 2017

图 4 2017年5月4日沙尘遥感监测图(a.7:30;b.17:00) Fig. 4 Remote sensing monitoring of dust on May 4, 2017

图 5 2017年5月4日20:00亚洲东部地区天气形势(a)及华北地区PM10空间分布(b) Fig. 5 Sea level pressure in eastern Asia (a) and distribution map of PM10 concentrations in North China (b) at 20:00 on May 4, 2017

选取呼和浩特、大同、北京和天津4个城市, 分析沙尘过程对城市PM10小时浓度变化的影响, 结果如图 6所示.从地理位置上来看, 沙尘的传输是自西向东, 由呼和浩特、大同、北京, 最后到天津.内蒙古中部的呼和浩特PM10浓度从5月3日18:00的104 μg · m-3, 到5月4日0:00达到本次沙尘过程的污染峰值(2563 μg · m-3), 浓度在6 h内上升了2459 μg · m-3, 随后的12 h内, 污染程度虽逐渐降低, 但因为距离起沙源地较近且地面气压梯度仍较大, PM10浓度仍维持在1000 μg · m-3以上.大同市在5月3日23:00开始受到浮尘天气影响, 至5:00 PM10浓度达到一个高值1504 μg · m-3, 可能由于地面气象条件有所变化, 经短暂的降低后PM10浓度又有一定程度的升高.而在北京市的污染峰值出现在4日8:00, PM10浓度为1941 μg · m-3, 随后浓度逐渐降低.天津市PM10浓度显著上升的时间有所滞后, 在4日11:00达到浓度峰值1843 μg · m-3.从PM10浓度变化来看, 自3日20:00, 呼和浩特开始受到浮尘影响, PM10浓度逐渐上升, 每间隔4 h左右, 大同市、北京市、天津市依次受到浮尘影响, 这对以后类似过程的沙尘天气预报具有指导意义.另外, 统计了4个城市在浮尘期间PM2.5与PM10质量浓度的比值, 发现浮尘期间北京市PM2.5在PM10中的占比最大, 为32.53%, 其次为天津市, 为28.02%, 而呼和浩特市和大同市相对低一些, 分别为20.67%和26.31%.可见华北地区浮尘期间PM2.5在PM10中的占比较高, 一方面该地区相较西部地区, 本地排放的PM2.5较高, 另一方面由于距离沙尘源地较远, 沙尘经高空传输后, 颗粒物浓度逐渐降低.

图 6 2017年5月3—5日PM10小时浓度变化 Fig. 6 Time series of hourly PM10 concentrations from May 3 to 5, 2017
3.1.2 扬沙天气

5月4日20:00, 内蒙古西部地区受较强冷锋控制(图 5a, 蓝色实线表示冷锋位置), 具有强大的气压梯度, 地面风速达到10 m · s-1以上, 使得该地区再次产生大风扬沙天气并向东输送, 此时距离前一次扬沙天气仅间隔了27 h.5月5日8:00, 850和500 hPa高空蒙古气旋后部的横槽转竖并东移(图 7ab, 红色实线为槽线), 华北地区由槽前转槽后, 受槽后强大的下沉气流影响, 地面冷锋过境, 高低压间的大风区逐渐影响华北地区(图 7c), 以北京地区为例, 首都机场在7:00风速为5.0 m · s-1, 而在8:00的风速已经达到为17.0 m · s-1(图 8), 大风吹起本地沙尘及空中浮尘, 浮尘转扬沙, 在强大的梯度风作用下, 华北北部地区由浮尘转扬沙天气, PM10浓度仍维持较高水平(图 7d).随着冷高压向南移动, 华北地区空气质量基本转好.

图 7 2017年5月5日8:00亚洲东部地区850 hPa天气图(a)、500 hPa天气图(b)、海平面气压图(c)和华北地区PM10空间分布图(d) Fig. 7 Air circulation at 850 hPa(a) and 500 hPa(b), sea level pressure(c) in eastern Asia, and distribution map of PM10 concentrations in North China (d) at 8:00 on May 5, 2017

图 8 2017年5月5日逐小时风速变化曲线 Fig. 8 Hourly wind speed curve on May 5, 2017

从4个城市PM10小时变化来看(图 6), 呼和浩特PM10浓度从5月5日0:00的412 μg · m-3上升到3:00的1256 μg · m-3, 此刻, 大同市PM10浓度开始上升, 至5日7:00, 达到本次过程的峰值2098 μg · m-3.与此同时, 北京市和天津市PM10浓度开始变化, 两市PM10浓度也有一个上升又下降的过程, 对比两市的小时风速变化情况来看(图 8), 北京首都机场和天津滨海机场分别在5日8:00和10:00风力开始加大, 风速分别为17.0和10.0 m · s-1.这与两个城市PM10浓度上升的时间一致, 可见这主要是由于大风吹起本地的沙尘及空中的浮尘导致了浓度上升的过程, 从而产生了扬沙天气.但北京市该过程相当短暂且PM10浓度上升不如其他城市显著, 仅在5日8:00浓度达到1028 μg · m-3, 较前一个时刻仅上升了100 μg · m-3.随着大风过境, 各城市的PM10浓度均下降到较低水平.扬沙天气过程, 除北京市外, 另外3个城市PM2.5在PM10中的占比较浮尘过程均降低, 降低最明显的为大同市, 二者比值仅为15.08%, 扬沙天气过程二者比值降低与扬沙天气过程持续时间短暂且PM10浓度显著上升有关, 而北京市由于PM10浓度上升不如其他几个城市显著且浮尘天气期间PM2.5浓度也高于其他城市, 因此, 北京市在扬沙天气过程中二者的比例反而较浮尘天气增大, 为41.77%.

综上所述, 本次沙尘型重污染天气主要是由蒙古气旋强烈发展引发的一次大范围的沙尘污染过程, 根据沙尘过程的特点, 将华北地区此次过程分为浮尘天气和扬沙天气两个过程.3日, 蒙古气旋强烈发展, 在内蒙古河套地区导致强沙尘暴天气, 沙尘被深厚的低压系统卷入空中, 沿着蒙古气旋外侧南部西-西北气流向华北地区输送, 并沉降形成浮尘天气;4日, 华北地区浮尘天气开始, 污染程度加重;5日, 即扬沙天气过程, 主要受蒙古气旋后部的横槽转竖后引导强冷空东移南下, 较强冷锋过境造成大风, 将本地沙尘吹起, 形成扬沙天, 大风过后, 华北地区空气质量迅速好转.

3.2 特征量场对比分析 3.2.1 浮尘天气

结合散度场资料和垂直速度资料, 对本次过程进一步分析.5月3日8:00, 起沙源地(100°~102°E)近地面层(850 hPa)至400 hPa均为上升运动, 最强上升运动速度最大-30×10-3 hPa · s-1, 出现在700 hPa附近.散度场高空辐散、近地面辐合存在非常好的对应关系, 最大的辐合中心出现在700 hPa附近, 强度约为-4.0×10-5 s-1;最大辐散中心出现在400 hPa, 强度达到6.0×10-5 s-1(图 9).4日, 空中的沙尘传输到华北地区上空, 至4日20:00, 华北的东部地区如北京市、天津市均转为弱下沉运动(图 10), 下沉运动强度为5×10-3 hPa · s-1, 此时, 华北地区从700 hPa至近地面均为下沉运动, 且强度不大, 从而形成华北大范围的浮尘天气.

图 9 2017年5月3日8:00散度和垂直速度沿45°N垂直剖面图(散度以色标表示, 垂直速度以等值线表示, 单位10-3 hPa · s-1) Fig. 9 Zonal vertical profile of divergence and vertical velocity along 45°N at 8:00 on May 3, 2017

图 10 2017年5月4日20:00散度和垂直速度沿40°N纬向垂直剖面图(散度以色标表示, 垂直速度以等值线表示, 单位10-3 hPa · s-1) Fig. 10 Zonal vertical profile of divergence and vertical velocity along 40°N at 20:00 on May 4, 2017
3.2.2 扬沙天气

沿起沙源地(45°N、100°E)和环渤海地区(38.75°N、120°E)做散度场和垂直速度场的垂直剖面图(图 11).5月5日8:00, 天津市靠近环渤海地区地面至700 hPa为辐合场, 近地面辐合程度较强, 约为-6.0×10-5 s-1, 最大辐散中心出现在300 hPa附近, 强度约为8.0×10-5 s-1.地面至300 hPa均为上升运动, 近地面垂直速度为-5×10-3 hPa · s-1.此时, 北京市已经受到高空槽影响, 从近地面至700 hPa均为下沉运动, 最大垂直速度达到25×10-3 hPa · s-1, 最大辐散中心出现在近地面, 强度达4.0×10-5 s-1, 最强辐合中心出现在700 hPa附近, 强度为-10.0×10-5 s-1.受空中槽线移动影响, 在地面和高空产生的这种辐合、辐散、上升、下降的环流运动, 导致了本次的扬沙天气.

图 11 2017年5月5日8:00散度和垂直速度垂直剖面图(散度以色标表示, 垂直速度以等值线表示, 单位为10-3 hPa · s-1) Fig. 11 Zonal vertical profile of divergence and vertical velocity at 8:00 on May 5, 2017

通过对特征量分析可知, 华北地区浮尘天气开始前, 沙尘源区辐合作用加强, 上升运动强烈, 大量的沙尘在这种强辐合作用下被带到高空, 高空中强大的西风气流将沙尘自西向东输送, 至华北地区上空时, 由于地面处于弱辐散场, 有弱的下沉运动, 空中的沙尘开始缓慢下沉, 即为此次过程的浮尘天气.扬沙天气过程, 华北地区受高空槽东移影响, 槽后有强大的下沉气流, 地面为强辐散区, 风速加大, 大风将本地的尘土及浮尘吹起, 形成了华北地区此次的扬沙天气.散度场和垂直速度场的这种大范围的散、合、升、降, 影响着本次华北地区浮尘和扬沙天气的形成.

3.3 沙尘天气概念模型

结合上述的分析过程, 给出本次华北地区浮尘天气和扬沙天气两个过程的概念模型(图 12).

图 12 华北地区浮尘(a)和扬沙(b)天气概念模型 Fig. 12 The concept model of floating dust(a) and jansha weather(b) in North China
3.3.1 浮尘天气

本次华北地区浮尘天气的形成可概括为沙尘源地受蒙古气旋强烈发展影响, 地面辐合作用强烈, 裸露在地表的沙土被带到空中, 在空中平直西风的帮助下, 向东输送至华北上空, 华北地区近地面处于弱辐散场, 空中的沙尘开始缓慢下沉, 形成浮尘天气. 3.3.2扬沙天气本次扬沙天气的形成主要是因为冷锋到达前, 华北地区近地面层处于浮尘天气控制, 能见度本来就较低, 冷锋至, 带来大风, 大风将降落在地面的浮尘、空中的浮尘及本地的尘土吹起, 大风过后, 扬沙天气结束, 本次沙尘过程也结束.

4 结论(Conclusions)

1) 本文详细分析了2017年5月初华北地区典型的一次沙尘型重污染天气过程, 从沙尘的形成机制可将本次沙尘过程分为两个阶段:浮尘天气和扬沙天气.浮尘天气的形成是由蒙古气旋强烈发展引发内蒙古西部地区产生沙尘暴天气, 抽吸到空中的沙尘在强烈的西风气流作用下将沙尘输送至华北上空, 配合地面弱辐散, 空中的沙尘开始在华北地区降落, 形成浮尘天气.后期, 蒙古气旋后部横槽转竖, 引导冷空气南下, 地面受冷锋影响, 气压梯度较大, 带来大风天气, 大风吹起地面扬尘和空中浮尘, 即为扬沙天气.伴随大风过境, 华北地区本次沙尘过程结束.

2) 城市空气质量变化受沙尘影响明显, 沙尘自内蒙西部地区向东南逐渐传输, 受浮尘影响, 华北地区自西向东空气质量恶化明显.沿着传输路径, 自呼和浩特市开始, 每间隔4 h左右, 大同市、北京市、天津市依次受到浮尘影响, 这对以后类似过程的沙尘天气预报具有指导意义.扬沙过程, 冷锋过境, 各个城市均出现PM10浓度再次升高的现象.冷高压南移后, 华北地区空气质量基本好转.另外, 通过对比浮尘和扬沙天气中城市PM2.5与PM10的浓度比值发现, 扬沙天气过程多数城市PM2.5在PM10中的占比较浮尘天气均有所下降.

3) 本次过程前期, 华北地区由地面至高空处于弱辐散场, 下沉运动较弱, 空中的沙尘缓慢降落形成浮尘天气.受高空槽东移影响, 在地面和高空形成了散度场和垂直速度场的辐散、辐合、下沉、上升的环流运动, 产生了后期的扬沙天气过程.

致谢: 沙尘遥感监测数据由中国科学院遥感与数字地球研究所王子峰老师提供, 本文在修改过程中得到了大气物理研究所吴剑斌老师的热心指导和帮助, 在此向两位老师表示衷心感谢!
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