沙尘暴是干旱和半干旱地区的一种风蚀现象，除了造成严重的空气污染外，还对人群呼吸系统有明确而严重的不利影响(Chen et al., 2004；孟紫强等，2006).北京市地处蒙古国和我国内蒙地区沙尘暴源地的下风向地区，外来沙尘天气造成北京市空气质量重度污染的情况仍频繁发生(高庆先等，2002；张志刚等，2009；徐文帅等，2012)，因而一直以来都受到科学家的广泛关注.已有研究发现，内蒙气旋加冷锋是北京产生沙尘天气的最主要天气系统，沙尘在沙源地起沙后，主要通过西北、西、北三路输送至北京(郑新江等，2004；尹晓慧等，2007；张志刚等，2007)；沙尘暴爆发前，大气层结稳定，边界层上部有强大的逆温层，不利于污染物扩散，随着冷锋过境，沙尘到达北京，水平风速和平均湍流急剧增强，逆温层迅速破坏，边界层各气象要素有利于污染物的扩散(彭珍等，2007)；在沙尘天气影响时段，呈现颗粒物浓度显著上升而气态污染物浓度迅速下降的变化特征(王玮等，2002；方修倚等，2003；张迪等，2005；赵琳娜等，2007；陈辉等，2012).

尽管研究人员利用各种方法对影响北京市空气质量的沙尘天气进行了大量研究，但这些研究仍主要集中于沙尘正面直接输送对北京市空气质量影响等方面，针对外来沙尘随着气流经过北京市后又回流的二次影响研究非常少.因此，本研究通过分析北京市2011年3月一次典型沙尘回流天气过程，着重研究沙尘回流发生的天气形势、移动路径、PM₁₀与气态污染物之间的变化特征及其对北京地区空气质量的影响，比较沙尘正面输送与回流之间的差异，探究沙尘回流过程对北京市空气质量影响的规律，以期更好地服务于空气质量预报和防控沙尘工作.

为了更好地研究沙尘变化特征，本文选取了北京市西北部边界八达岭站、东部边界青龙山站2个不同方位的边界监测站的污染物监测数据，以12个国控站(图 1)监测数据代表北京市的空气质量(所有站点名及分布见http://zx.bjmemc.com.cn/).

图 1(Fig. 1)

图 1 观测站点分布图 Fig. 1 Distribution of observation sites in Beijing

采用中科院大气物理所的激光雷达观测结果，观测仪为日本国立环境研究所研制的双波长(1064 nm，532 nm)偏振激光雷达(NIES).通过该雷达观测得到的球形粒子和非球形粒子的消光系数变化可以分析区分颗粒物主要来自土壤中的天然尘还是燃烧等人为活动产生的尘，该系列仪器已成功用于沙尘暴及城市污染气溶胶的监测(Sugimoto et al., 2002；杨婷等，2010).

选取北京市观象台每小时的主要地面风向风速数据，用于分析风场与污染物小时浓度之间的关系.采用韩国气象台网站上的地面天气实况分析图(http://web.kma.go.kr/eng/)分析在沙尘影响期间的天气形势，该天气图覆盖东亚地区的沙尘和气压场等观测结果.

采用美国国家海洋大气研究中心空气资源实验室(NOAA)的HYSPLIT 轨迹模式进行气流来向轨迹模拟，可进行分辨率最高精确到小时的气流来向及去向轨迹模拟，本研究选取模拟地面气流的后向轨迹方案.

本文通过分析不同方位监测站点PM₁₀数据的变化顺序，结合气象数据和后向轨迹模型，即可判断沙尘进入北京市的输送路径；然后结合各项污染物数据的变化情况及激光雷达观测，详细分析在相应的天气系统作用下，沙尘回流过程影响北京市空气质量的特征、程度和时间长度.

空气污染指数(API)为前一日12时至今日12时的小时平均值，当API大于100时，表示空气质量为污染；当API超过200时，属于重污染.2011年3月16—22日期间，北京发生了连续4天空气质量超标的污染过程(表 1)，首要污染物均为PM₁₀，分别在3月18日和3月20日出现两个峰值，其中，3月20日API值最高，达到250.

表1(Table 1)

表1 2011年3月16—22日北京市每日API值 Table 1 Air pollution index in Beijing from 16 to 22 March 2011

表1 2011年3月16—22日北京市每日API值 Table 1 Air pollution index in Beijing from 16 to 22 March 2011 日期 API 3-16 73 3-17 98 3-18 161 3-19 124 3-20 250 3-21 121 3-22 67

3月18—21日的这次沙尘天气主要是由蒙古气旋过境并携带沙尘源地及沿途的沙尘造成的.图 2为3月17—21日东亚地区沙尘站点观测和地面天气形势图.由图可知，3月17日17时，蒙古国的 低压系统后部已形成大面积明显的沙尘天气，随着这个低压系统的东移，沙尘进入我国内蒙地区，并继续自西向东移动.3月18日，低压系统移动到我国东北地区，沙尘主体穿过内蒙中东部和河北北部地区，进入辽宁省，北京处于低压系统的底部，沙尘南部边缘经过北京地区；与此同时，日本岛附近受一较强的高压系统控制，对整个东移的气流有明显的阻滞作用，气团移动缓慢，造成起沙的低压系统逐渐减弱.19日08时至17时，沙尘随低压底部气流缓慢移动至朝鲜半岛和渤海区域，朝鲜半岛区域观测到沙尘的站点迅速增多，山东半岛也有站点观测到沙尘现象；与此同时，在渤海湾地区逐渐形成一弱高压系统，漂浮在朝鲜半岛及渤海区域的沙尘会在弱高压系统作用下开始往京津地区输送.19日17时至20日17时，在渤海弱高压西边的又逐渐生成一局地弱低压系统，然后在弱低压系统作用下，沙尘回流至北京.直到3月21日，北京再次受到高压系统作用，该系统带来的清洁空气将沙尘完全吹离北京，空气质量转为良好，沙尘影响结束.

图 2(Fig. 2)

图 2 2011年3月17—21日地面天气形势与沙尘观测图(图中数字单位为hPa，黑色中心红色边框的圆点表示该测点观测到沙尘现象) Fig. 2 Surface pressure fields(hPa) and dust observation from 17 to 20 March，2011

后向轨迹在推断特殊或高浓度污染物的来源和输送路径时是非常方便和高效的.本文直接采用Web版的HYSPLIT进行气流后向轨迹分析，研究的参考点为北京市城区(40.0°N，116.4°E)，本次研究采用后向轨迹算法，分析500 m高度过去72 h的气流移动轨迹变化与污染过程的关系.

从市区站点2013年3月20日12时的72 h后向轨迹看(图 3)，空气粒子移动的路径依次为蒙古国→内蒙→北京→天津→北京，18日12时至20日12时的回流路径较为明显，18日12时左右空气团经过北京北部后，移动到渤海上，然后在局地天气系统作用下，又由东南向返回北京.这与地面天气图观测结果相一致，验证了20日的中度重污染天气与沙尘回流输送直接相关.

图 3(Fig. 3)

图 3 3月20日12时的72 h后向轨迹图 Fig. 3 72-Hour backward trajectory at Beijing on 20 March 2011

图 4为3月16日0时至3月21日23 时各类污染物逐小时浓度与风速风向的变化结果.由图可知，3月16—17日，各站点的PM₁₀浓度呈缓慢上升的趋势，但变化幅度较小，大多数时刻小于150 μg · m^-3. 3月18日03时开始，八达岭站点PM₁₀首先表现出陡然上升的变化特征，18日05时达到最大值1401 μg · m^-3，短时内增加7倍，18日04时至15时一直保持在350 μg · m^-3(AQI五级重度污染标准)以上；18日12时，风向转为西北风，风速达到4.9 m · s^-1，并逐渐增大，表明沙尘经过市区，国控站点PM₁₀浓度在这一时刻达到峰值604 μg · m^-3，并且连续7 h大于350 μg · m^-3.由于风力较大而且沙尘主体在北京北边，因此，市区与八达岭站点相比受沙尘影响略弱；青龙山站点的峰值出现最晚，于15时达到798 μg · m^-3.在这次沙尘影响期间，在PM₁₀浓度上升和下降阶段，均表现为先八达岭后市区最后青龙山的变化规律，具有典型的自西向东输送特征.激光雷达的观测结果也表明(图 5)，18日沙尘输送影响时，沙尘粒子的消光系数在18日0时前后快速增加，代表人为排放的球形粒子的消光系数则快速减小，明显受到沙尘传输的影响.18日19时至19日03时，受偏北风持续作用，各站点污染物浓度下降至100 μg · m^-3左右，沙尘离开北京境内.

图 4(Fig. 4)

图 4 3月16日0时至3月21日23时北京市不同站点污染物浓度和地面风速分布(气态污染物为国控平均结果) Fig. 4 Relationship between surface wind speed and pollutant concentration in Beijing from 00:00 16 March to 23:00 21 March

图 5(Fig. 5)

图 5 3月18日—20日激光雷达观测的消光系数变化结果(世界时) Fig. 5 Result of polarization lidar from 18 Mar to 20 Mar 2011

19日08时，北京市区转为偏南风控制为主，东向的青龙山站点颗粒物浓度快速上升，国控站点则缓慢上升至150 μg · m^-3左右.19日12时至20日20时，北京地面风向逐渐转为偏东-东南风，风力维持在3 m · s^-1左右，青龙山站点颗粒物浓度随之再次明显上升，并出现两次峰值，19日18时达到第一个高值606 μg · m^-3，20日08时达到最大值872 μg · m^-3，总共23 h浓度超过350 μg · m^-3.国控站点PM₁₀平均浓度则在19日21时至20日12时连续16 h超过重度污染标准，出现持续高浓度的初始时刻晚于青龙山站点的第一个峰值2 h，并且峰值(571 μg · m^-3)的出现时间亦滞后青龙山站点的第2个峰值时间2 h.八达岭站点PM₁₀浓度最小，最高值出现在20日14时，总共仅5个小时浓度处于重度污染.在这次污染时段中，呈现典型的自东南向西北传输的特征，与18日的污染过程不同，污染物浓度呈现逐步上升的规律，尽管峰值小于正面输送时的峰值，但这次污染过程PM₁₀高浓度持续时间较长，国控站点平均浓度从超过300 μg · m^-3到低于150 μg · m^-3以下总共持续了30 h.这主要是由于造成沙尘回流的天气系统较弱，风速较小，而且北京西北向均是山地，在受沙尘回流影响时，沙尘与各类污染物很难移出北京，只能等到北方的高压系统作用，才能将沙尘吹离北京.

在16—21日期间，国控站点的SO₂和NO₂平均浓度变化趋势基本一致，但在两次沙尘影响期间与PM₁₀浓度的变化趋势有明显不同，3月18日09时至12时，当PM₁₀浓度由400 μg · m^-3迅速上升并达到604 μg · m^-3的阶段，气态污染物呈现陡然下降的趋势，SO₂和NO₂浓度分别由67 μg · m^-3和93 μg · m^-3下降至20 μg · m^-3以下.而在沙尘回流的影响时段，NO₂、SO₂与PM₁₀浓度变化规律基本一致，从3日19日20时开始，SO₂和NO₂浓度也呈现缓慢上升的趋势，并且均在20日10时达到峰值.19日20时至20日20时，近地面沙尘粒子和燃煤产生球形粒子的消光系数均表现为同时增加的特征，而且消光系数相差较小，均为0.4左右.这可能与北京东边为天津、唐山等工业发达城市，沙尘与当地排放的PM₁₀、气态污染物混合后随着气流的移动输送至北京有关.

1)北京市空气质量在2011年3月18—22日连续超标的空气污染过程中受到外来沙尘两次输送影响，3月18—19日主要是由蒙古气旋过境并携带沙尘源地及沿途的沙尘沿西北路径直接输送造成；3月20—21日则是由于前次沙尘离境后，沙尘并未远离北京及完全沉降，仍漂浮在渤海湾和朝鲜半岛区域，在天气系统的作用下，沿着渤海湾经天津，然后由东南向回流二次输送至北京所致.

2)在沙尘直接输送影响时，北京处于低压系统底部，沙尘对北边站点的影响较南边要重，八达岭站点PM₁₀最大值达到1401 μg · m^-3；对市区站点PM₁₀影响略弱，市区站点平均浓度最高为604 μg · m^-3，而且沙尘对市区的影响时间较短，总共7个小时浓度大于350 μg · m^-3，各监测站点PM₁₀浓度变化呈现八达岭-市区-青龙山的自西向东的输送特征；沙尘回流过程对市区站点的影响时间较长，造成连续16 h浓度超过重度污染日均值，尽管沙尘已长距离输送并停留了较长时间，但国控站点PM₁₀平均浓度最大值仍能达到571 μg · m^-3，全天API值达到250，属重度污染.在沙尘回流过程中，PM₁₀浓度变化具有典型的青龙山-市区-八达岭自东向西的输送特征.

3)沙尘第一次过境时，气态污染物与PM₁₀呈现反向变化特征，PM₁₀浓度达到峰值时，SO₂和NO₂浓度迅速下降.在沙尘回流影响期间，气态污染物与PM₁₀浓度则表现为同步上升的变化规律，PM₁₀、SO₂和NO₂三类污染物同时达到峰值.激光雷达观测结果也发现，沙尘回流影响时，沙尘粒子与球形粒子同时增多.说明沙尘回流不仅会给北京市带来外来沙尘，而且会将周边地区人为排放的污染物输送至北京.

致谢： 感谢中国科学院大气物理研究所提供的激光雷达观测数据.