王鶴婷

（廊坊市氣象局 河北，廊坊 065600）

沙塵是引起城市居民呼吸道感染的重要災(zāi)害天氣之一，它不僅僅不利于交通出行，還通過遠(yuǎn)距離傳輸對全球及區(qū)域大氣環(huán)境與氣候變化產(chǎn)生顯著影響，是一種需要在全球尺度上思考和理解的災(zāi)害性天氣。沙塵天氣問題目前已成為全球關(guān)注的重要環(huán)境問題之一，因此提高沙塵天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力具有重要意義。

隨著科技的發(fā)展，許多氣象工作者針對沙塵天氣的中小尺度動力學(xué)特征進(jìn)行了深入分析。研究表明，水平螺旋度可用于沙塵天氣預(yù)報(bào)及分析研究：水平螺旋度負(fù)值中心值越大，輻合上升運(yùn)動越強(qiáng)，風(fēng)速越大，對應(yīng)沙塵暴的強(qiáng)度就越強(qiáng)。蒙古氣旋是京津冀地區(qū)沙塵天氣的重要影響系統(tǒng)，其后部高位勢渦度擾動的下傳，是引起蒙古氣旋快速發(fā)展從而導(dǎo)致大范圍沙塵暴爆發(fā)的重要因素。在沙塵預(yù)警監(jiān)測方面，許多新型觀測資料被投入使用。CALIPSO星載激光雷達(dá)結(jié)合了激光雷達(dá)的獨(dú)特優(yōu)勢和衛(wèi)星高軌道、覆蓋范圍大等特點(diǎn)，被用于探究遠(yuǎn)程沙塵輸送過程的垂直分布特征和粒子大小。HYSPLIT模式包含較為完整的沉降、擴(kuò)散和傳輸模式，也是研究沙塵傳輸、沉降以及回流機(jī)制的重要手段[1-8]。

近來，沙塵回流引起了大家的廣泛關(guān)注。沙塵回流是指主體沙塵已大規(guī)模移出影響區(qū)域后，受系統(tǒng)性偏南風(fēng)的影響，部分沙塵卷土重來，造成能見度再次降低的天氣過程。盡管沙塵氣溶膠已經(jīng)部分沉降，回流階段能見度普遍在5～10km，該階段的危害仍然不容忽視。研究表明，回流沙塵可裹挾南部的細(xì)顆粒和氣態(tài)污染物輸送從而發(fā)生累積和二次轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致PM2.5明顯升高，帶來環(huán)境的二次污染。沙塵氣溶膠在大氣中長時(shí)間的存在和輸送對氣候效應(yīng)也會產(chǎn)生不利影響。因此沙塵回流的預(yù)報(bào)預(yù)警不容忽視。

然而目前針對沙塵回流的研究主要集中在環(huán)境污染方面，利用高分辨率觀測資料分析沙塵回流的物理量演變特征和預(yù)報(bào)指標(biāo)類研究相對較少。沙塵回流的影響范圍及持續(xù)時(shí)間的預(yù)報(bào)仍存在一定難度。本文以京津冀地區(qū)2021 年3 月發(fā)生的一次典型沙塵回流天氣過程為例，利用常規(guī)觀測資料和CALIPSO、HYSPLIT 軌跡模式等多源高分辨率資料，著重分析沙塵回流階段的傳輸高度、傳輸路徑以及各項(xiàng)物理量特征，以期更好地提供該類沙塵天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)。

1 資料與方法

2021年3月28～30日京津冀地區(qū)發(fā)生了一次高強(qiáng)度的持續(xù)性沙塵天氣過程，本次過程持續(xù)時(shí)間長是由于前后受到兩次沙塵過程相繼影響。過程前期沙源來自蒙古國，并由高空西北急流輸送到華北地區(qū)。之后隨著環(huán)流形勢的轉(zhuǎn)變，“南高北低”的回流輸送帶來第二階段的浮塵天氣。本文利用常規(guī)觀測資料、CALIPSO 衛(wèi)星資料、HYSPLIT軌跡模式、ERA5再分析資料針對前后兩次沙塵過程的環(huán)流形勢、動力特征及傳輸機(jī)制進(jìn)行對比分析，以期更好地認(rèn)識沙塵各階段尤其是回流階段的傳輸機(jī)制和物理量的演變特征，降低回流沙塵的漏報(bào)率。

1.1 CALIPSO衛(wèi)星數(shù)據(jù)

CALIPSO隸屬美國國家航空航天局，為A-Train系列衛(wèi)星之一，于2006 年4 月28 日成功發(fā)射，運(yùn)行高度為705km。通過氣溶膠正交偏振激光雷達(dá)獲得532nm 和1064nm的消光后向散射系數(shù)。我們可以利用其積分消光后向散射、退偏比、氣溶膠類型、氣溶膠層頂和層底高度等參數(shù)來分辨大氣中呈非球形粒子的沙塵，獲得高分辨率的氣溶膠垂直分布特征。本文主要是應(yīng)用CALIPSO的Leve 1B 中532nm 的總消光系數(shù)和顆粒的垂直分布信息，水平分辨率為333m，垂直分辨率為30m。

1.2 ERA5再分析資料

本文水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速的剖面圖資料、相對渦度、位勢渦度均來源于ERA5再分析資料，水平螺旋度數(shù)據(jù)由ERA5 逐小時(shí)再分析資料計(jì)算得來。ERA5 是由ECMWF模式預(yù)報(bào)的四維同化數(shù)據(jù)和CY41R2 模型預(yù)報(bào)產(chǎn)生的綜合性再分析數(shù)據(jù)，它在上層大氣和近地表盡可能的同化了很多的觀測數(shù)據(jù)，支持1979 年至今的逐小時(shí)地面和高空的風(fēng)場（m·s-1）、散度（s-1）、相對濕度（%）、溫度（K）等數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25°×0.25°。該資料經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)同化處理，連續(xù)性好且分辨率高，氣象要素豐富，是目前全球最好的再分析資料之一。本文采用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的2021 年3 月27～30 日時(shí)段、空間0.25°×0.25°網(wǎng)格分辨率，逐小時(shí)分析資料。

1.3 HYSPLIT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）研發(fā)的一種可模擬空氣塊軌跡，污染物擴(kuò)散和沉降，并且包含沙塵起沙模塊的軌跡模式。它具有良好的兼容性和可靠性，在沙塵類天氣的預(yù)報(bào)研究中得到廣泛應(yīng)用。

1.4 水平螺旋度

水平螺旋度是螺旋度在水平方向的分量，可以代表系統(tǒng)在水平方向的旋轉(zhuǎn)程度和沿著旋轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動速度。人們通常所說的螺旋度為局地或單位體積的螺旋度h，定義為h=V·?×V。采用相對渦度矢量代替絕對渦度矢量，在p坐標(biāo)系中的完全螺旋度定義為：

式中：ω為p 坐標(biāo)下的垂直速度、u ν為水平方向的速度。則水平方向的螺旋度為：

2 結(jié)果與討論

2.1 沙塵過程概況

3 月27日，蒙古氣旋在貝加爾湖以南的蒙古國發(fā)展強(qiáng)盛，中心氣壓降至995hPa以下。此時(shí)，在我國的新疆北部有冷高壓與之對峙，形成了‘西北高、東南低’的地面環(huán)流形勢，高低壓中間的氣壓梯度十分密集，形成大范圍的大風(fēng)天氣。由于蒙古國前期地面回暖，氣溫偏高，長期干旱，植被稀疏，土質(zhì)疏松，土壤裸露。大量沙塵被大風(fēng)鏟起輸送到高空。在高空急流的有利輸送下，大量沙塵隨著氣旋后部的冷高壓東移南下，席卷京津冀地區(qū)，出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，局地能見度不足500m，達(dá)到了強(qiáng)沙塵暴的量級。過程后期，隨著冷高壓不斷南移，在“南高北低”的形勢下，北京及其周邊地區(qū)風(fēng)向由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，使部分沙塵再次影響京津冀地區(qū)，帶來沙塵回流天氣，能見度降至10km以下，為浮塵天氣。

2.2 沙塵源地及其傳輸特征

為了驗(yàn)證本次過程不同階段的沙塵輸送路徑和沙塵源地，并得出相應(yīng)的傳輸高度和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，本文利用HYSPLIT軌跡模擬的方法來考察該過程沙塵的實(shí)時(shí)傳送路徑（見圖1）。

2.2.1 HYSPLIT后向軌跡

在正面?zhèn)鬏旊A段，我們選取沙塵濃度最高，AQI 指數(shù)“爆表”且能見度最低的28 日12 時(shí)作為后向軌跡模擬的起始時(shí)間，并以具有代表性的北京大興為起始點(diǎn)，選擇850hPa、700hPa、500hPa 高度進(jìn)行逐6h 后向軌跡模擬：從圖1可以看出，沙塵源地為蒙古國的曼達(dá)勒戈壁，其移動路徑與冷鋒南下路徑一致，為西北路。從氣團(tuán)的垂直分布情況來看，27日沙塵在源地被大風(fēng)鏟起，在不穩(wěn)定層結(jié)下，沙塵分布的高度高達(dá)3500m 以上，隨著向南輸送，沙塵氣溶膠有所沉降，傳輸高度主要集中在2～3km。

圖1 2021年3月28日12：00(BJT)（a）、2021年3月29日18：00（BJT）HYSPLIT后向軌跡（b）

針對回流輸送階段，我們同樣選取該階段沙塵天氣最強(qiáng)的時(shí)間段作為起始時(shí)間進(jìn)行后向軌跡模擬：以29 日18時(shí)為起始時(shí)間，選擇850hPa、925hPa、1000hPa高度進(jìn)行逐6h 后向軌跡模擬，從圖中可以看出，29 日沙塵的傳輸方向轉(zhuǎn)為由西南向東北，沙源為28 日向南傳輸至河北省南部的部分沙塵，對應(yīng)沙塵的回流階段，且沙塵傳輸高度在700hPa及其以下。

2.2.2 CALIPSO 衛(wèi)星觀測 CALIPSO 星載激光雷達(dá)具有主動探測和精準(zhǔn)快速的優(yōu)勢，可以探測到氣溶膠和大氣分子等直徑較小的微粒，尤其對不規(guī)則形狀的沙塵粒子有更加準(zhǔn)確的高分辨識別能力。下面我們采用CALIPSO星載激光雷達(dá)資料來進(jìn)行補(bǔ)充分析。

2021 年3 月28 日13:00（BJT）前后，CALIPSO 軌跡經(jīng)過京津冀地區(qū)，上述地區(qū)觀測有強(qiáng)沙塵暴天氣和揚(yáng)沙，由532nm總消光系數(shù)圖可以分析得出，在39.0°N附近有一接近1×10-1量級的總后向散射系數(shù)高值帶（不同顏色代表消光系數(shù)的強(qiáng)弱，圖略），分布高度主要在3km。為了進(jìn)一步獲得該高值帶的氣溶膠分布類型，結(jié)合CALIPSO 自帶的VFM產(chǎn)品進(jìn)行分析，圖中黃色區(qū)域?yàn)樯硥m型氣溶膠，棕色為霾。分析得出，京津冀地區(qū)為沙塵型氣溶膠，分布在3km附近及以下。沙塵的傳輸高度主要在700hPa高度及以下。這是由于在傳輸過程中伴有沉降，到達(dá)京津冀地區(qū)后分布高度沉降至3～4km，與前文HYSPLIT 后向軌跡分析結(jié)果一致。

2021 年3 月29 日14：00（BJT）前后，CALIPSO 軌跡經(jīng)過北京及周邊地區(qū)，上述地區(qū)觀測有浮塵。該階段的消光系數(shù)與前一階段相比，明顯小了一個(gè)量級，大致為1×10-2量級。結(jié)合同一時(shí)次的VFM產(chǎn)品來看，該階段同樣為沙塵型氣溶膠，但其顆粒要小一些，分布高度在1～3km附近，與HYSPLIT后向軌跡模擬結(jié)果一致，均表明沙塵的回流階段以低空傳輸高度為主。結(jié)合T-lnP圖（圖略）可知，北京建立了較為深厚的西南風(fēng)，且1000hPa附近存在有逆溫，氣象條件不利于沙塵沉降，使沙塵彌漫在空中，在低空西南風(fēng)的輸送下再次影響北京地區(qū)（見圖2）。

圖2 2021年3月28日(a)、2021年3月29 日(b) CALIPSO 星載激光雷達(dá)監(jiān)測的大氣氣溶膠類型及其垂直分布

2.4 物理量演變特征

2.4.1 水平螺旋度演變特征 京津冀地區(qū)影響范圍較大的沙塵暴天氣過程其沙源均在境外，即外源型。沙塵源地主要位于蒙古國境內(nèi)以及我國的渾善達(dá)克沙地的西北部邊緣、內(nèi)蒙古中西部、河套以西的沙漠、荒漠化地區(qū)以及干旱、半干旱地區(qū)廣大的農(nóng)業(yè)開墾區(qū)。京津冀地區(qū)沙塵天氣的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)在于沙塵的傳輸機(jī)制。

水平螺旋度可以體現(xiàn)影響沙塵輸送的中小尺度系統(tǒng)特征，對沙塵預(yù)報(bào)工作有良好的指示意義。研究表明，水平螺旋度負(fù)值中心與下游沙塵暴發(fā)生區(qū)有良好的對應(yīng)關(guān)系，螺旋度對于冷鋒型沙塵暴的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，特別是6h內(nèi)的強(qiáng)沙塵暴天氣過程準(zhǔn)確率達(dá)93.3%。沙塵的傳輸高度集中在5km以下，而500hPa以上的高層水平螺旋度多為正值，抵消了低空水平螺旋度的負(fù)值大小，因此500hPa以下水平螺旋度的積分對于沙塵的傳輸更具有代表性。

本次過程屬于冷鋒型沙塵天氣類型，選取500hPa 以下水平螺旋度的垂直積分來驗(yàn)證其可預(yù)報(bào)性。從水平螺旋度的分布情況來看，3 月28 日08：00（京津冀地區(qū)強(qiáng)沙塵天氣發(fā)生前6h），北京及其周邊地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水平螺旋度的負(fù)值中心，局地小于-300m2·s-2。28日夜間隨著水平螺旋度由負(fù)轉(zhuǎn)正，能見度逐漸轉(zhuǎn)好，京津冀地區(qū)進(jìn)入了沙塵的間歇期。水平螺旋度的負(fù)值中心向西南移動到河北省南部地區(qū)，與該階段沙塵主體移動方向一致，29 日08：00 水平螺旋度的負(fù)值中心位于保定附近，并再次向東北方向移動，同樣比沙塵回流階段開始時(shí)間早約6h。

上述結(jié)果表明，在本次過程中，水平螺旋度負(fù)值中心對于沙塵天氣的發(fā)生發(fā)展的確具有良好的指示意義，這是由于較強(qiáng)的負(fù)水平螺旋度中心常常與正的3h變壓中心相伴。螺旋度的負(fù)值中心，未來6h 會發(fā)生沙塵天氣。并且水平螺旋度的絕對值越大，則未來發(fā)生的沙塵天氣越強(qiáng)烈，能見度越低。此外在大范圍沙塵天氣過程結(jié)束后，螺旋度如果再次轉(zhuǎn)為負(fù)值可以作為回流沙塵的預(yù)報(bào)因子之一（見圖3）。

圖3 2021年3月28日02：00（BJT）（a）、2021年3月28日23：00水平螺旋度分布圖（b）、2021年3月29日08：00（BJT）（c）、2021年3月29日14：00水平螺旋度分布圖（d）

2.4.2 相對渦度演變特征 有研究證明，相對渦度的不對稱結(jié)構(gòu)建立與沙塵暴的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系，相對渦度不對稱結(jié)構(gòu)最強(qiáng)階段，也對應(yīng)著沙塵暴發(fā)展最強(qiáng)階段，但早于沙塵暴范圍達(dá)到最大的時(shí)刻，隨著渦度不對稱結(jié)構(gòu)的減弱沙塵暴的強(qiáng)度和范圍也逐漸減弱。大氣的干濕斜壓性及風(fēng)垂直切變的增長可以導(dǎo)致系統(tǒng)氣旋性垂直渦度的激烈發(fā)展，傾斜渦度的發(fā)展必然伴有低空急流存在（見圖4）。

圖4 2021年3月28日08：00（BJT）沿著116.5°E相對渦度分布圖（a）、2021年3月29日20：00（BJT）沿著116.5°E相對渦度分布圖（b）

根據(jù)沙塵的發(fā)生區(qū)域，沿著116.5°E 對相對渦度進(jìn)行剖面分析，如圖5a。2021 年3 月28 日08：00，從圖中可以看到相對渦度具有明顯的不對稱性，北部以正渦度為主，南部以負(fù)渦度為主，這對應(yīng)著冷暖空氣對峙。在41°N附近高層有明顯的氣旋性渦度柱，底層為負(fù)渦度中心，為中小尺度系統(tǒng)發(fā)展的旺盛階段。3月29日20：00，從圖7b中可以看出，氣旋性渦度的負(fù)值中心明顯南移，與冷空氣移動路徑一致，但40°N 附近同樣存在一對正負(fù)渦度對，不同之處在于垂直分布情況由“上正下負(fù)”轉(zhuǎn)為“上負(fù)下正”。且正負(fù)渦度中心的值較前一階段小的多。上述結(jié)果表明，本次過程中相對渦度的不對稱性可以作為沙塵的預(yù)報(bào)因素之一，且強(qiáng)沙塵階段為“上正下負(fù)”，回流階段轉(zhuǎn)為“上負(fù)下正”。

2.4.3 位勢渦度演變特征 位勢渦度是表示氣塊熱力和動力特征的物理量，它將動力和熱力兩種不穩(wěn)定機(jī)制有機(jī)結(jié)合在一起。高位勢渦度區(qū)對應(yīng)氣旋環(huán)流，低位勢渦度區(qū)對應(yīng)反氣旋環(huán)流：對流層高層的高值位勢渦度擾動向下伸展時(shí)，在對流層低層及地面的斜壓區(qū)會激發(fā)出氣旋。下面對本次過程的位勢渦度特征進(jìn)行分析。

根據(jù)沙塵的落區(qū)，選取105.0°E進(jìn)行剖面分析，可以看到在沙源地起沙階段（2021 年3 月27 日14：00）北緯50°附近已有高位勢渦度下傳，呈漏斗狀分布。在沙塵回流階段，如圖8b，高空位勢渦度下傳不明顯，但低空的位勢渦度值由負(fù)轉(zhuǎn)正，大小與高空高位勢渦度值接近。上述分析表明，本次過程高值位勢渦度擾動向下伸展對于沙塵源地起沙有預(yù)示作用。這是由于高位勢渦度下傳有利于蒙古氣旋的發(fā)生發(fā)展，而蒙古氣旋是正面?zhèn)鬏旊A段的主要影響系統(tǒng)之一，蒙古氣旋越強(qiáng)則對應(yīng)沙源地沙塵暴濃度越高，對下游地區(qū)的影響越大。而回流階段，地面的位勢渦度較大則是因?yàn)榈孛鎰恿μ卣鬏^強(qiáng)，有利于將南部的沙塵向北輸送（見圖5）。

圖5 2021年3月27日14：00（BJT）沿著105°E位勢渦度分布圖（a）、2021年3月29日20：00（BJT）沿著105°E位勢渦度分布圖（b）

上述對水平螺旋度、相對渦度及位勢渦度的分析表明，第二階段沙塵是第一階段的延續(xù)，兩階段中沙塵的強(qiáng)度與水平螺旋度負(fù)值中心的大小、相對渦度的不對稱性和位勢渦度下傳有關(guān)，且水平螺旋度負(fù)值中心的移動與沙塵路徑基本一致。沙塵回流的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)在于地面環(huán)流形勢的快速轉(zhuǎn)變，逆溫層結(jié)的存在，地面轉(zhuǎn)為高位勢渦度，相對渦度的不對稱性以及水平螺旋度由正轉(zhuǎn)負(fù)。

3 問題與討論

（1）本次過程前期沙塵濃度大（局地能見度不足1km），是由蒙古氣旋配合地面冷鋒引起的強(qiáng)沙塵天氣，沙塵配合有強(qiáng)西北風(fēng)、后期沙塵回流階段濃度較低（能見度普遍在5km 以上）、地面轉(zhuǎn)為“南高北低”環(huán)流形勢，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)速在4～6m/s左右。

（2）由HYSPLIT 后向軌跡模型和CALIPSO 衛(wèi)星觀測資料可知過程前期強(qiáng)沙塵階段，沙源地為蒙古國，沙塵傳輸高度在500hPa附近，為西北路徑，并且在傳輸過程中隨著沙塵沉降，傳輸高度降低至3～4km?；亓麟A段沙源為傳輸至河北省南部的部分沙塵，傳輸高度較低，在3km及以下，且顆粒物直徑較小。

（3）兩階段中，水平螺旋度的負(fù)值中心均對沙塵的發(fā)生有6h 的提前預(yù)報(bào)指示意義，且強(qiáng)沙塵階段水平螺旋度的絕對值較大，水平螺旋度的分布情況對于沙塵的預(yù)報(bào)有良好的指示意義，水平螺旋度的負(fù)值中心在6h 之后將發(fā)生沙塵天氣，且水平螺旋度的絕對值大小與沙塵強(qiáng)度呈正相關(guān)。

（4）高值位勢渦度擾動向下伸展對強(qiáng)沙塵暴階段有良好的指示意義，回流階段近地面轉(zhuǎn)為正位勢渦度。

（5）沙塵回流階段在沙塵落區(qū)附近有一對明顯的正負(fù)渦度對，相對渦度的不對稱性與沙塵的濃度呈正相關(guān)。

（6）本文對回流的動力機(jī)理等分析仍不夠深入，在今后的沙塵天氣過程預(yù)報(bào)預(yù)警和總結(jié)分析中還應(yīng)用其他回流過程對此進(jìn)行驗(yàn)證，加強(qiáng)對京津冀地區(qū)沙塵回流天氣的分析。