2021年宁夏两次持续沙尘重污染天气对比分析

雍 佳，王建英*，田林锋，张肃诏，龚晓丽，顾驭程，严晓瑜

1. 中国气象局，旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002

2. 宁夏气象服务中心，宁夏 银川 750002

3. 宁夏生态环境监测中心，宁夏 银川 750002

4. 宁夏气象台，宁夏 银川 750002

沙尘天气是风将地面尘土、沙粒卷入空中，或被高空气流带到下游地区而导致空气混浊、能见度下降的天气现象. 沙尘天气发生时，可吸入颗粒物(PM10)浓度会显著上升[1-3]，我国北方的干旱、半干旱地区是沙尘天气的易发区，尤其是西北地区为沙尘暴多发区[4]，对环境空气质量[5]、人类生产活动[6-7]、交通安全[8]产生较大影响，一直是学者们的关注重点[9].许多学者从大气环流、数值模拟、时空演变特征等方面分析了沙尘天气成因及其对环境空气质量的影响.Gu等[10]分析了中国不同地区强沙尘暴形成前、发展期间及消散后的天气条件和触发机制；Bao等[11]研究了中国北方沙尘暴天气的时空变化，发现春季沙尘暴发率最高；李玲萍等[12]研究了河西走廊3次不同强度沙尘暴天气的高低层水平螺旋度和垂直速度，表明低空风速越大则沙尘暴越强，高(低)层正(负)水平螺旋中心值越大，下游沙尘暴强度越强；李岩瑛等[13]利用500 hPa水平螺旋度探究了中国北方沙尘暴的强度和范围，表明螺旋度负值中心与下游沙尘暴发生区有良好的对应关系，螺旋度负值中心值越大，辐合上升运动越强，对应沙尘暴的强度就越强. 也有学者在沙尘产生机制及传输路径方面开展了研究，如Tan等[14]分析发现沙尘大颗粒物可以通过气流输送实现跨区域传递；吴丽萍等[15]利用后向轨迹模式分析了淄博市沙尘天气传输路径，发现除受西北方向沙尘传输气流影响外，局地盘旋的本地气流也增加了污染物的累积.

宁夏回族自治区地处我国西北地区东部，西、北、东三面受腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠以及毛乌素沙漠包围，气候干旱少雨，是我国沙尘暴的多发区[16]，许多学者开展了宁夏沙尘污染天气成因分析. 陈豫英等[17]对宁夏2013年两次大风强沙尘天气过程的环流形势和高低空急流的耦合作用进行了对比分析，发现高层高位涡和低层850 hPa低空急流在宁夏上空活动与否，是导致宁夏出现不同强度风沙天气的重要动力因素；刘鹏兵等[18]对宁夏地区一次大风沙尘天气研究发现，新疆到蒙古国一带是沙尘过程冷空气的直接发源地，地面冷锋是其主要影响系统；严晓瑜等[19]基于后向轨迹模式分析了银川市四季PM10气流轨迹特征，发现四季西北方向路径对应的PM10平均浓度均较高，是影响银川市颗粒物浓度最重要的输送路径.

目前，多数学者从天气影响系统及传输路径等方面对宁夏沙尘及其造成的污染天气进行了分析和总结，但缺乏综合性分析研究. 为探究气象条件变化对宁夏沙尘重污染天气过程影响特征，该研究选取2021年1月11-14日和2021年3月14-19日宁夏回族自治区两次持续沙尘重污染天气过程为研究对象，基于常规气象观测资料、NCEP再分析资料及环境监测数据等，结合后向轨迹模拟及物理量场诊断方法，对比分析了两次过程首要污染物浓度演变特征、天气系统配置、物理量场特征及输送路径，揭示了其重污染天气形成和维持机制，以期为提高宁夏沙尘重污染天气预报预警水平提供技术支撑和参考依据.

1 数据与方法

1.1 数据来源

该研究所用气象资料包括：①NCEP/NCAR提供的FNL再分析资料，分辨率为1°×1°，观测时次为每日00:00、06:00、12:00和18:00 (UTC，世界时)，包括风场、温度场、位势高度场、地面气压场、海平面气压场；②后向轨迹模式使用NCEP提供的全球资料同化系统(GDAS)数据，分辨率为1°×1°；③逐小时常规气象观测资料来源于气象大数据云平台.

所用环境空气质量数据包括2021年1-3月逐小时和逐日PM10浓度、AQI及首要污染物资料，来源于宁夏回族自治区环境监测站，空气质量级别及污染物浓度限值参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012).

1.2 研究方法

诊断此次沙尘重污染天气过程应用的物理量为水平螺旋度和垂直速度，其中，水平螺旋度是表征大气边旋转边沿旋转方向运动的动力特征物理量，低层负值螺旋度越大，表明近地面层风速越大，西风越强，越容易起沙，且辐合上升运动强，沙尘暴发生的可能性越大，强度越强[20]；垂直速度用来分析首要污染物的扩散及沉降，其风速和风向变化对大气污染物扩散及沉降影响较大，对重污染过程污染程度和持续时间也起到了关键作用[21-22].

利用后向轨迹模式分析污染物来源及输送路径，后向轨迹模式是一种具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散、沉降的综合模式系统[23-24]，其中欧氏距离聚类算法能够将气团移动速度及输送轨迹相似的污染气团聚为一类，得到污染物来源和传输路径[3]. 在该研究中，两次重污染天气后向轨迹聚类分析计算时间为24 h，轨迹计算起始高度选取能够较为准确地反映边界层平均流层特征的相对地面高度500 m[25]，并取PM10浓度日均值二级标准值限值(150 μg/m3)作为判断污染轨迹的标准.

2 结果与讨论

2.1 两次重污染天气污染特征

2021年1月11-14日宁夏出现了2021年首次大范围强沙尘(简称“0113”过程)，是2002年以来出现时间最早的一次沙尘天气，造成了严重空气污染.依据PM10小时浓度数据和HJ 633-2012五级标准限值(350 μg/m3)对重污染天气进行统计. 由图1(a)可见，“0113”过程主要出现在宁夏北部四市(石嘴山市、银川市、吴忠市及中卫市)，重度及以上污染平均持续时间35.0 h，PM10浓度峰值区集中在13日03:00-15:00，其中，石嘴山市PM10浓度最大值达2 601 μg/m3，银川市达1 980 μg/m3，分别是HJ 633-2012五级标准限值的7.4倍和5.7倍. 2021年3月14-19日宁夏再次出现近10年来最强的大范围沙尘天气(简称“0315”过程)，部分地区出现沙尘暴，造成了严重空气污染. 由图1(b)可见，“0315”过程沙尘污染波及宁夏全区，重度及以上污染平均持续时间105.2 h，PM10浓度峰值区集中在15日10:00-16日02:00，其中，中卫市PM10浓度最大值达8 560 μg/m3，石嘴山市达6 188 μg/m3，分别是HJ 633-2012五级标准限值的24.5倍和17.7倍. 统计也发现，两次过程均为近10年来范围广、强度强、持续时间长的沙尘重污染天气过程，“0315”过程较“0113”过程的重污染范围更广、持续时间更长、污染更严重.

图1 2021年宁夏两次沙尘重污染天气PM10浓度逐小时变化特征Fig.1 Hourly variation characteristics of PM10 concentration during two severe sand and dust pollution weather events in Ningxia in 2021

2.2 两次重污染天气背景及影响系统

“0113”过程主要是一次强度一般的冷锋过境造成的沙尘重污染天气，宁夏处在500 hPa高空脊前强西北气流中，多股冷空气沿强西北气流东移南下，加之地面冷锋过境使宁夏出现了多次大风天气. 由图2可见：1月10日08:00-11日14:00，蒙古国西部的地面冷高压向青藏高原南侧分裂并加强，中心强度达1 055 hPa，其中，11日01:00-06:00受分股扩散冷空气和高空动量下传影响，宁夏大部地区出现偏北大风，风速为9.0～18.0 m/s (6～8级)，大风将本地及周边邻近地区的沙尘粒子卷起，宁夏有5个城市的PM10浓度超过350 μg/m3，达重度及以上污染；11日07:00-19:00，青藏高压快速东移，随上升气流进入高空的沙尘在西北风的作用下输送至宁夏并快速沉降；11日20:00-12日15:00，我国新疆北部出现大风沙尘天气，500 hPa高空强西北气流将沙尘粒子输送至宁夏上空，受地面冷锋过境影响，宁夏大部地区风速为6～8级，大风引起的本地扬尘与上游输送的沙尘叠加，导致宁夏北部4个城市的空气质量迅速转差，其中石嘴山市PM10浓度达730 μg/m3；12日08:00-14:00，位于蒙古国东南部及我国东北地区的热低压不断加强发展；12日20:00-13日17:00，蒙古国北部地面热低压向南移至蒙古国西南部并与青藏高压之间形成更强的气压梯度带，在巴丹吉林沙漠一带产生强变压风，大风将沙尘再次卷起并随高空强西北气流迅速输送至宁夏上空，导致宁夏北部4个城市PM10浓度出现爆发式增长，其中石嘴山市达2 601 μg/m3；13日17:00-14日02:00，青藏高压向西南方向移动，巴丹吉林沙漠一带的气压梯度减小，宁夏及上游地面风速也随之减小，PM10浓度明显降低；14日02:00-15:00，新一轮冷空气沿500 hPa高空脊前强西北气流下滑，沙尘再次被挟卷吹起，北部4个城市PM10浓度再次升高，达到了重度污染；14日15:00之后，宁夏大部地区风速减小，沙尘污染天气趋于结束.

图2 “0113”过程地面高低压中心移动路径、1月13日08:00海平面气压场和极大风速逐小时变化特征Fig.2 The moving path of the center of high and low pressure on the ground during the severe dust pollution weather process of ‘0113’, the sea level pressure field at 08:00 on January 13th and the hourly variation characteristics of maximum wind speed

“0315”过程为一次强的典型锋面过境及蒙古气旋造成的持续沙尘重污染天气. 由图3(a)～(b)可见：3月14日14:00-20:00，强冷空气在蒙古国西部持续堆积，地面冷高压中心强度达1 040 hPa，蒙古国东部蒙古气旋强烈发展，中心强度低于950 hPa且稳定少动，锋面位于我国东北至新疆北部地区一线，锋后气压梯度大，变压风较强，我国西北地区开始出现扬沙天气；15日02:00，地面冷锋东移南压，锋面位于我国内蒙古东北部至河套地区一线，宁夏处于蒙古冷高压底部较强偏北气流中，受上游沙尘输送影响，石嘴山市空气质量迅速变差，PM10浓度从333 μg/m3升至789 μg/m3；15日08:00，蒙古气旋向东南方向移动至我国东北地区，地面冷高压主体也随之向偏东方向移动至我国华北地区，受地面冷锋尾部过境影响，宁夏大部分地区出现了6级以上偏北大风〔见图3(c)〕，同时青藏高原热低压也迅速发展，蒙古强冷高压受强盛蒙古气旋和青藏高原热低压夹击稳定少动，其西南、东和东南侧与两个热低压之间形成明显气压梯度带，气压梯度引起的西北、偏东和偏北大风将多个方向沙尘卷起并向宁夏上空输送，使空气质量迅速转差，中卫市PM10浓度从1 218 μg/m3迅速升至8 560 μg/m3，石嘴山市从889 μg/m3迅速升至6 188 μg/m3；到16日14:00-18日20:00，青藏高原热低压随蒙古冷高压东移，宁夏转受低压倒槽控制且处在地面冷高压后部较强的偏东风中，大风将紧邻宁夏东部毛乌素沙漠的沙尘再次卷起，通过近地层偏东风向宁夏上空回流输送，并阻挡宁夏上空漂浮的沙尘向东南方向移出，使重污染天气持续；19日06:00-09:00，受东移南下弱冷空气和近地层偏南暖湿气流影响，宁夏大部地区出现了大风并伴有弱降水(0.1～1.9 mm)天气，雨滴的拖曳作用使飘浮在高空中的沙尘粒子向近地层沉降，但由于降水量级小，湿清除作用不明显，反而导致近地层污染又加重，中卫市PM10浓度从1 882 μg/m3快速升至3 238 μg/m3；19日20:00之后，受东移南下弱冷空气影响，宁夏上空沙尘粒子向东南方向移出，地面受弱冷高压控制，颗粒物沉降加快，PM10浓度迅速降低，空气质量转好.

图3 “0315”沙尘重污染天气过程地面冷暖锋及高低压中心移动路径、3月15日08:00海平面气压场和极大风速逐小时变化特征Fig.3 The moving path of the surface cold and warm front, the high and low pressure center during the ‘0315’severe dust pollution weather, the sea level pressure field at 08:00 on March 15th and the hourly variation characteristics of maximum wind speed

2.3 污染物来源及传输路径

为对比分析外源输入对两次重污染过程的影响特征，利用后向轨迹聚类分析了沙尘来源及传输轨迹，根据气流轨迹长短能够判断气团移动速度，长轨迹对应移动快的气团，短轨迹为移动缓慢的气团[26-27].由于石嘴山市地处宁夏最北部，受贺兰山阻挡形成风口，且距离沙源地最近，大风沙尘天气最先出现在该地区[28]，而“0113”过程石嘴山市污染最严重，“0315”过程石嘴山市最先出现重污染天气，污染强度仅次于中卫市，因此该研究选取石嘴山市气象站(39.03°N、106.35°E)作为模拟受点开展模拟分析. 由图4(a)可见：“0113”过程中第1、4、5和6类轨迹均来自西北方向，占总轨迹数的75.1%，其中，第1类轨迹主要来自境外输入，沙尘自蒙古国巴彦乌拉-戈壁阿尔泰省-我国内蒙古巴丹吉林沙漠输送至宁夏；第4、5和6类轨迹均为境内输入，沙尘沿新疆古尔班通古特沙漠-中央戈壁-内蒙古巴丹吉林沙漠-腾格里沙漠北部进入宁夏，此类气团移动速度较快，且移动过程中携带的沙尘颗粒物不断沉降. 第2、3类轨迹为偏西路径，占总轨迹数的25%，沙尘分别沿新疆库木塔格沙漠-内蒙古巴丹吉林沙漠(第3类)、青海省柴达木盆地沙漠-内蒙古腾格里沙漠(第2类)输送到宁夏. 此次过程中6条轨迹传输高度均较低，均在1～2 km之间. 由图4(b)可见:“0315”过程中第1、5和6类轨迹来自西北方向，占总轨迹数的41.6 %，其中，第6类轨迹为境外输入，沙尘自蒙古国戈壁阿尔泰省-我国内蒙古乌兰布和沙漠到达宁夏；第1和5类轨迹来自境内输入，沙尘沿新疆库木塔格沙漠-内蒙古巴丹吉林沙漠-腾格里沙漠北部到达宁夏.第2、4类轨迹均为境外蒙古国输送，占总轨迹数的25%，其中，第2类轨迹来自蒙古国中戈壁省，沙尘沿偏北路径经库布齐沙漠和我国内蒙古乌兰布和沙漠输送至宁夏；第4类轨迹来自蒙古国东戈壁省，沙尘传输过程中途经库布齐沙漠、我国内蒙古乌兰布和沙漠和毛乌素沙漠，由偏北转为偏东方向到达宁夏.第3类轨迹来自境内近距离偏东方向的毛乌素沙漠，在6条轨迹中占比(33.3%)最大，第3、4类轨迹为显著的沙尘回流输送轨迹. 此次过程中6条轨迹传输高度均较高，均超过2.5 km.

图4 2021年宁夏两次沙尘重污染天气后向轨迹聚类分析Fig.4 Cluster analysis of backward trajectory during two severe sand and dust pollution weather events in Ningxia in 2021

2.4 两次重污染天气物理量场特征

2.4.1 水平螺旋度特征

螺旋度是用来描述大气运动在其旋转轴方向运动强弱程度的物理量参数[29]. 由图5(a)～(c)可见：1月12日20:00蒙古国西南部以及我国新疆北部、内蒙古和甘肃西部均为负值水平螺旋度中心，宁夏北部和南部同样出现了负的水平螺旋度中心，中心值均为-2 000 m2/s2，其周围地区螺旋度值低于-500 m2/s2，说明西北方向的蒙古国西南部戈壁、古尔班通古特沙漠和我国新疆库木塔格沙漠上空为强烈的辐合上升运动，沙尘粒子不断被大风吹起向高空输送，并随强西北气流传输至下游地区，加之宁夏银川市、中卫市和固原市也开始起沙，外源输送与本地沙尘叠加使得宁夏沙尘浓度显著增大；13日08:00蒙古国西南部及我国新疆东北部再次出现负值水平螺旋度中心，蒙古国西部戈壁和古尔班通古特沙漠的沙尘再次向高空持续输送，而蒙古国南部-我国内蒙古-甘肃一带及宁夏本地上空的水平螺旋度转为正值(500～1 000 m2/s2)，辐散下沉运动使沙尘沉降，此时宁夏沙尘浓度持续升高；到13日20:00，蒙古国以及我国内蒙古、甘肃一带基本转为大范围正值水平螺旋度(500～1 500 m2/s2)，大量沙尘粒子向下游释放，且靠近宁夏西北方向的腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠形成了强的正负螺旋度中心对，强烈的垂直交换运动使得宁夏北部地区上空出现短时PM10浓度升高，但长时间下沉运动导致沙尘污染趋于减弱. 由图5(d)～(f)可见：3月14日20:00蒙古国西南部以及我国内蒙古和甘肃西部出现了负螺旋度中心(-3 500 m2/s2)，强度强且范围大，宁夏周边及上游大范围区域水平螺旋度均为高负值(-3 000～-1 000 m2/s2)，此时蒙古国戈壁、我国新疆库木塔格沙漠及内蒙古巴丹吉林沙漠的沙尘被迅速抬升至高空并向下游地区输送. 15日08:00，蒙古国南部和我国甘肃地区负值水平螺旋度减至-1 500～-500 m2/s2，蒙古国西北部和南部以及我国内蒙古北部及宁夏中北部转为正值水平螺旋度(≤500 m2/s2)，上升运动将北方和西北方向的沙尘挟卷至高空，下沉运动又将其释放至下游地区，沙尘挟卷与暴发交替进行使其长时间悬浮在空中，加之宁夏本地沙尘不断沉降导致沙尘暴天气强度升级；同时中卫市风口处的负值水平螺旋度中心达-2 500 m2/s2，造成沙尘浓度升至8 000 μg/m3以上，宁夏其他地区也同样出现沙尘爆发式增长. 直至15日20:00，蒙古国以及我国内蒙古、甘肃及其周围地区水平螺旋度大范围转为正值，尤其是宁夏银川市和中卫市的正值水平螺旋度中心超过2 000 m2/s2，强烈的下沉运动使得沙尘颗粒物迅速沉降至地面，此时宁夏PM10浓度虽有所降低但仍为重度污染.

2.4.2 垂直速度特征

研究[30]表明，垂直速度和风速变化对大气污染物扩散及沉降影响较大，对重污染过程污染程度和持续时间也起到了关键作用. 为了分析两次重污染过程沙尘粒子的发展趋势，将“0113”过程从西北方向自新疆乌鲁木齐(43°N、88°E)至陕西榆林(37°N、108°E)做垂直速度剖面. 由图6可见：1月13日08:00，41°N以北、700 hPa以下为一致的正速度，700 hPa以上为负速度，其中42.5°N附近正速度延伸至300 hPa以上，下沉速度中心值达1.8 Pa/s，该区域基本以下沉气流为主，表明41°N以北区域近地层西北大风将沙尘粒子向宁夏输送并不断沉降；宁夏上游地区38.5°N～39.7°N之间为整层弱上升气流，此时来自偏西方向腾格里沙漠将沙尘向高空输送；38.5°N附近低层表现为弱上升运动，中高层为下沉运动，38.5°N以南为整层下沉运动，这为沙尘持续沉降提供了条件，说明西北方向多股冷空气不断将沙尘向宁夏上空输送并快速沉降至地面造成此次重污染的发生.

图6 宁夏2021年1月13日08:00大气垂直速度斜剖面Fig.6 The atmospheric vertical velocity gradient profile at 08:00 on January 13rd in Ningxia in 2021

将“0315”过程分别从西北方向自新疆哈密西南部(42°N、92°E)至内蒙古鄂托克旗(38°N、108°E)以及东南方向自内蒙古鄂尔多斯(41°N、108°E)至甘肃兰州西北部(37°N、104°E)做垂直速度剖面. 从图7可见：西北方向上整层大气以上升气流为主，下沉气流相对较弱，多为低层辐合高层辐散，强垂直上升运动将沙尘持续向高空输送使得沙尘粒子难以沉降，并随西北气流不断向宁夏上空传输；偏东方向上高层为一致的下沉运动，中低层上升和下沉气流不断交替使沙尘悬浮在空中不易沉降，宁夏上空PM10浓度始终维持高浓度，该过程高空西北气流和偏东方向沙尘回流将沙尘粒子持续向宁夏输送且长时间悬浮在上空，导致“0315”过程较“0113”过程污染强度更强且持续时间更长.

图7 宁夏2021年3月15日08:00大气垂直速度斜剖面Fig.7 The atmospheric vertical velocity gradient profile at 08:00 on March 15th in Ningxia in 2021

3 结论

a) “0113”过程主要影响宁夏北部四市，“0315”过程影响整个宁夏，两次过程重度及以上污染平均持续时间分别为35.0和105.2 h，沙尘污染暴发阶段平均PM10浓度分别为1 735和5 265 μg/m3.

b) “0113”过程为一次强度一般的锋面过境引起的沙尘重污染天气过程，稳定少动的青藏高压与其北侧蒙古热低压之间形成显著的气压梯度带，高空脊前强西北气流引起的动量下传使宁夏及上游地区近地面频繁出现西北大风，并将上游沙尘输送至宁夏且与本地扬尘叠加造成重污染；“0315”过程为一次较强的典型锋面过境及蒙古气旋造成的持续沙尘重污染过程，蒙古冷高压受强盛蒙古气旋和青藏高原热低压夹击稳定少动，其西南、东南及东部与两个热低压形成气压梯度带，加之受地面冷锋过境影响，宁夏及周边地区出现了西北、偏东和偏北大风，将沙尘从多方向向宁夏上空输送并与本地扬尘叠加，造成“0315”过程较“0113”过程污染更重.

c) 两次重污染天气过程中沙尘均为境外和境内同时输送，其中，“0113”过程为西北和偏西路径，传输距离长且高度较低；“0315”过程为西北、偏北和偏东路径，传输距离短且高度较高.

d) “0113”过程中蒙古国西南部以及我国新疆-内蒙古-甘肃一带和宁夏本地出现的负值水平螺旋度中心达-2 000 m2/s2，强的辐合上升运动和西风气流将沙尘持续向宁夏上空输送并与本地沙尘叠加，多股强下沉气流又将沙尘迅速沉降至地面，下沉速度达2.1 Pa/s，该过程很快趋于结束. “0315”过程中蒙古国西部和南部以及我国新疆-甘肃一带负值水平螺旋度中心达-3 500 m2/s2，强度强且范围大，且上升和下沉运动交替进行使沙尘长时间悬浮于空中，导致此次沙尘暴天气强度更强且持续时间更长.