2021年京津冀地区一次典型回流沙尘天气多元资料分析

王鹤婷

（廊坊市气象局 河北，廊坊 065600）

沙尘是引起城市居民呼吸道感染的重要灾害天气之一，它不仅仅不利于交通出行，还通过远距离传输对全球及区域大气环境与气候变化产生显着影响，是一种需要在全球尺度上思考和理解的灾害性天气。沙尘天气问题目前已成为全球关注的重要环境问题之一，因此提高沙尘天气的预报预警能力具有重要意义。

随着科技的发展，许多气象工作者针对沙尘天气的中小尺度动力学特征进行了深入分析。研究表明，水平螺旋度可用于沙尘天气预报及分析研究：水平螺旋度负值中心值越大，辐合上升运动越强，风速越大，对应沙尘暴的强度就越强。蒙古气旋是京津冀地区沙尘天气的重要影响系统，其后部高位势涡度扰动的下传，是引起蒙古气旋快速发展从而导致大范围沙尘暴爆发的重要因素。在沙尘预警监测方面，许多新型观测资料被投入使用。CALIPSO星载激光雷达结合了激光雷达的独特优势和卫星高轨道、覆盖范围大等特点，被用于探究远程沙尘输送过程的垂直分布特征和粒子大小。HYSPLIT模式包含较为完整的沉降、扩散和传输模式，也是研究沙尘传输、沉降以及回流机制的重要手段[1-8]。

近来，沙尘回流引起了大家的广泛关注。沙尘回流是指主体沙尘已大规模移出影响区域后，受系统性偏南风的影响，部分沙尘卷土重来，造成能见度再次降低的天气过程。尽管沙尘气溶胶已经部分沉降，回流阶段能见度普遍在5～10km，该阶段的危害仍然不容忽视。研究表明，回流沙尘可裹挟南部的细颗粒和气态污染物输送从而发生累积和二次转化，导致PM2.5明显升高，带来环境的二次污染。沙尘气溶胶在大气中长时间的存在和输送对气候效应也会产生不利影响。因此沙尘回流的预报预警不容忽视。

然而目前针对沙尘回流的研究主要集中在环境污染方面，利用高分辨率观测资料分析沙尘回流的物理量演变特征和预报指标类研究相对较少。沙尘回流的影响范围及持续时间的预报仍存在一定难度。本文以京津冀地区2021 年3 月发生的一次典型沙尘回流天气过程为例，利用常规观测资料和CALIPSO、HYSPLIT 轨迹模式等多源高分辨率资料，着重分析沙尘回流阶段的传输高度、传输路径以及各项物理量特征，以期更好地提供该类沙尘天气的精细化预报。

1 资料与方法

2021年3月28～30日京津冀地区发生了一次高强度的持续性沙尘天气过程，本次过程持续时间长是由于前后受到两次沙尘过程相继影响。过程前期沙源来自蒙古国，并由高空西北急流输送到华北地区。之后随着环流形势的转变，“南高北低”的回流输送带来第二阶段的浮尘天气。本文利用常规观测资料、CALIPSO 卫星资料、HYSPLIT轨迹模式、ERA5再分析资料针对前后两次沙尘过程的环流形势、动力特征及传输机制进行对比分析，以期更好地认识沙尘各阶段尤其是回流阶段的传输机制和物理量的演变特征，降低回流沙尘的漏报率。

1.1 CALIPSO卫星数据

CALIPSO隶属美国国家航空航天局，为A-Train系列卫星之一，于2006 年4 月28 日成功发射，运行高度为705km。通过气溶胶正交偏振激光雷达获得532nm 和1064nm的消光后向散射系数。我们可以利用其积分消光后向散射、退偏比、气溶胶类型、气溶胶层顶和层底高度等参数来分辨大气中呈非球形粒子的沙尘，获得高分辨率的气溶胶垂直分布特征。本文主要是应用CALIPSO的Leve 1B 中532nm 的总消光系数和颗粒的垂直分布信息，水平分辨率为333m，垂直分辨率为30m。

1.2 ERA5再分析资料

本文水平风速和垂直风速的剖面图资料、相对涡度、位势涡度均来源于ERA5再分析资料，水平螺旋度数据由ERA5 逐小时再分析资料计算得来。ERA5 是由ECMWF模式预报的四维同化数据和CY41R2 模型预报产生的综合性再分析数据，它在上层大气和近地表尽可能的同化了很多的观测数据，支持1979 年至今的逐小时地面和高空的风场（m·s-1）、散度（s-1）、相对湿度（%）、温度（K）等数据，水平分辨率为0.25°×0.25°。该资料经过严格的数据同化处理，连续性好且分辨率高，气象要素丰富，是目前全球最好的再分析资料之一。本文采用的是欧洲中期天气预报中心提供的2021 年3 月27～30 日时段、空间0.25°×0.25°网格分辨率，逐小时分析资料。

1.3 HYSPLIT后向轨迹模式及资料

HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式是由美国国家海洋与大气管理局（NOAA）研发的一种可模拟空气块轨迹，污染物扩散和沉降，并且包含沙尘起沙模块的轨迹模式。它具有良好的兼容性和可靠性，在沙尘类天气的预报研究中得到广泛应用。

1.4 水平螺旋度

水平螺旋度是螺旋度在水平方向的分量，可以代表系统在水平方向的旋转程度和沿着旋转方向的运动速度。人们通常所说的螺旋度为局地或单位体积的螺旋度h，定义为h=V·∇×V。采用相对涡度矢量代替绝对涡度矢量，在p坐标系中的完全螺旋度定义为：

式中：ω为p 坐标下的垂直速度、u ν为水平方向的速度。则水平方向的螺旋度为：

2 结果与讨论

2.1 沙尘过程概况

3 月27日，蒙古气旋在贝加尔湖以南的蒙古国发展强盛，中心气压降至995hPa以下。此时，在我国的新疆北部有冷高压与之对峙，形成了‘西北高、东南低’的地面环流形势，高低压中间的气压梯度十分密集，形成大范围的大风天气。由于蒙古国前期地面回暖，气温偏高，长期干旱，植被稀疏，土质疏松，土壤裸露。大量沙尘被大风铲起输送到高空。在高空急流的有利输送下，大量沙尘随着气旋后部的冷高压东移南下，席卷京津冀地区，出现大范围沙尘天气，局地能见度不足500m，达到了强沙尘暴的量级。过程后期，随着冷高压不断南移，在“南高北低”的形势下，北京及其周边地区风向由偏北风转为偏南风，使部分沙尘再次影响京津冀地区，带来沙尘回流天气，能见度降至10km以下，为浮尘天气。

2.2 沙尘源地及其传输特征

为了验证本次过程不同阶段的沙尘输送路径和沙尘源地，并得出相应的传输高度和预报着眼点，本文利用HYSPLIT轨迹模拟的方法来考察该过程沙尘的实时传送路径（见图1）。

2.2.1 HYSPLIT后向轨迹

在正面传输阶段，我们选取沙尘浓度最高，AQI 指数“爆表”且能见度最低的28 日12 时作为后向轨迹模拟的起始时间，并以具有代表性的北京大兴为起始点，选择850hPa、700hPa、500hPa 高度进行逐6h 后向轨迹模拟：从图1可以看出，沙尘源地为蒙古国的曼达勒戈壁，其移动路径与冷锋南下路径一致，为西北路。从气团的垂直分布情况来看，27日沙尘在源地被大风铲起，在不稳定层结下，沙尘分布的高度高达3500m 以上，随着向南输送，沙尘气溶胶有所沉降，传输高度主要集中在2～3km。

图1 2021年3月28日12：00(BJT)（a）、2021年3月29日18：00（BJT）HYSPLIT后向轨迹（b）

针对回流输送阶段，我们同样选取该阶段沙尘天气最强的时间段作为起始时间进行后向轨迹模拟：以29 日18时为起始时间，选择850hPa、925hPa、1000hPa高度进行逐6h 后向轨迹模拟，从图中可以看出，29 日沙尘的传输方向转为由西南向东北，沙源为28 日向南传输至河北省南部的部分沙尘，对应沙尘的回流阶段，且沙尘传输高度在700hPa及其以下。

2.2.2 CALIPSO 卫星观测 CALIPSO 星载激光雷达具有主动探测和精准快速的优势，可以探测到气溶胶和大气分子等直径较小的微粒，尤其对不规则形状的沙尘粒子有更加准确的高分辨识别能力。下面我们采用CALIPSO星载激光雷达资料来进行补充分析。

2021 年3 月28 日13:00（BJT）前后，CALIPSO 轨迹经过京津冀地区，上述地区观测有强沙尘暴天气和扬沙，由532nm总消光系数图可以分析得出，在39.0°N附近有一接近1×10-1量级的总后向散射系数高值带（不同颜色代表消光系数的强弱，图略），分布高度主要在3km。为了进一步获得该高值带的气溶胶分布类型，结合CALIPSO 自带的VFM产品进行分析，图中黄色区域为沙尘型气溶胶，棕色为霾。分析得出，京津冀地区为沙尘型气溶胶，分布在3km附近及以下。沙尘的传输高度主要在700hPa高度及以下。这是由于在传输过程中伴有沉降，到达京津冀地区后分布高度沉降至3～4km，与前文HYSPLIT 后向轨迹分析结果一致。

2021 年3 月29 日14：00（BJT）前后，CALIPSO 轨迹经过北京及周边地区，上述地区观测有浮尘。该阶段的消光系数与前一阶段相比，明显小了一个量级，大致为1×10-2量级。结合同一时次的VFM产品来看，该阶段同样为沙尘型气溶胶，但其颗粒要小一些，分布高度在1～3km附近，与HYSPLIT后向轨迹模拟结果一致，均表明沙尘的回流阶段以低空传输高度为主。结合T-lnP图（图略）可知，北京建立了较为深厚的西南风，且1000hPa附近存在有逆温，气象条件不利于沙尘沉降，使沙尘弥漫在空中，在低空西南风的输送下再次影响北京地区（见图2）。

图2 2021年3月28日(a)、2021年3月29 日(b) CALIPSO 星载激光雷达监测的大气气溶胶类型及其垂直分布

2.4 物理量演变特征

2.4.1 水平螺旋度演变特征 京津冀地区影响范围较大的沙尘暴天气过程其沙源均在境外，即外源型。沙尘源地主要位于蒙古国境内以及我国的浑善达克沙地的西北部边缘、内蒙古中西部、河套以西的沙漠、荒漠化地区以及干旱、半干旱地区广大的农业开垦区。京津冀地区沙尘天气的预报着眼点在于沙尘的传输机制。

水平螺旋度可以体现影响沙尘输送的中小尺度系统特征，对沙尘预报工作有良好的指示意义。研究表明，水平螺旋度负值中心与下游沙尘暴发生区有良好的对应关系，螺旋度对于冷锋型沙尘暴的预报准确率较高，特别是6h内的强沙尘暴天气过程准确率达93.3%。沙尘的传输高度集中在5km以下，而500hPa以上的高层水平螺旋度多为正值，抵消了低空水平螺旋度的负值大小，因此500hPa以下水平螺旋度的积分对于沙尘的传输更具有代表性。

本次过程属于冷锋型沙尘天气类型，选取500hPa 以下水平螺旋度的垂直积分来验证其可预报性。从水平螺旋度的分布情况来看，3 月28 日08：00（京津冀地区强沙尘天气发生前6h），北京及其周边地区已经出现水平螺旋度的负值中心，局地小于-300m2·s-2。28日夜间随着水平螺旋度由负转正，能见度逐渐转好，京津冀地区进入了沙尘的间歇期。水平螺旋度的负值中心向西南移动到河北省南部地区，与该阶段沙尘主体移动方向一致，29 日08：00 水平螺旋度的负值中心位于保定附近，并再次向东北方向移动，同样比沙尘回流阶段开始时间早约6h。

上述结果表明，在本次过程中，水平螺旋度负值中心对于沙尘天气的发生发展的确具有良好的指示意义，这是由于较强的负水平螺旋度中心常常与正的3h变压中心相伴。螺旋度的负值中心，未来6h 会发生沙尘天气。并且水平螺旋度的绝对值越大，则未来发生的沙尘天气越强烈，能见度越低。此外在大范围沙尘天气过程结束后，螺旋度如果再次转为负值可以作为回流沙尘的预报因子之一（见图3）。

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

2.4.2 相对涡度演变特征 有研究证明，相对涡度的不对称结构建立与沙尘暴的发生发展有着密切的联系，相对涡度不对称结构最强阶段，也对应着沙尘暴发展最强阶段，但早于沙尘暴范围达到最大的时刻，随着涡度不对称结构的减弱沙尘暴的强度和范围也逐渐减弱。大气的干湿斜压性及风垂直切变的增长可以导致系统气旋性垂直涡度的激烈发展，倾斜涡度的发展必然伴有低空急流存在（见图4）。

图4 2021年3月28日08：00（BJT）沿着116.5°E相对涡度分布图（a）、2021年3月29日20：00（BJT）沿着116.5°E相对涡度分布图（b）

根据沙尘的发生区域，沿着116.5°E 对相对涡度进行剖面分析，如图5a。2021 年3 月28 日08：00，从图中可以看到相对涡度具有明显的不对称性，北部以正涡度为主，南部以负涡度为主，这对应着冷暖空气对峙。在41°N附近高层有明显的气旋性涡度柱，底层为负涡度中心，为中小尺度系统发展的旺盛阶段。3月29日20：00，从图7b中可以看出，气旋性涡度的负值中心明显南移，与冷空气移动路径一致，但40°N 附近同样存在一对正负涡度对，不同之处在于垂直分布情况由“上正下负”转为“上负下正”。且正负涡度中心的值较前一阶段小的多。上述结果表明，本次过程中相对涡度的不对称性可以作为沙尘的预报因素之一，且强沙尘阶段为“上正下负”，回流阶段转为“上负下正”。

2.4.3 位势涡度演变特征 位势涡度是表示气块热力和动力特征的物理量，它将动力和热力两种不稳定机制有机结合在一起。高位势涡度区对应气旋环流，低位势涡度区对应反气旋环流：对流层高层的高值位势涡度扰动向下伸展时，在对流层低层及地面的斜压区会激发出气旋。下面对本次过程的位势涡度特征进行分析。

根据沙尘的落区，选取105.0°E进行剖面分析，可以看到在沙源地起沙阶段（2021 年3 月27 日14：00）北纬50°附近已有高位势涡度下传，呈漏斗状分布。在沙尘回流阶段，如图8b，高空位势涡度下传不明显，但低空的位势涡度值由负转正，大小与高空高位势涡度值接近。上述分析表明，本次过程高值位势涡度扰动向下伸展对于沙尘源地起沙有预示作用。这是由于高位势涡度下传有利于蒙古气旋的发生发展，而蒙古气旋是正面传输阶段的主要影响系统之一，蒙古气旋越强则对应沙源地沙尘暴浓度越高，对下游地区的影响越大。而回流阶段，地面的位势涡度较大则是因为地面动力特征较强，有利于将南部的沙尘向北输送（见图5）。

图5 2021年3月27日14：00（BJT）沿着105°E位势涡度分布图（a）、2021年3月29日20：00（BJT）沿着105°E位势涡度分布图（b）

上述对水平螺旋度、相对涡度及位势涡度的分析表明，第二阶段沙尘是第一阶段的延续，两阶段中沙尘的强度与水平螺旋度负值中心的大小、相对涡度的不对称性和位势涡度下传有关，且水平螺旋度负值中心的移动与沙尘路径基本一致。沙尘回流的预报着眼点在于地面环流形势的快速转变，逆温层结的存在，地面转为高位势涡度，相对涡度的不对称性以及水平螺旋度由正转负。

3 问题与讨论

（1）本次过程前期沙尘浓度大（局地能见度不足1km），是由蒙古气旋配合地面冷锋引起的强沙尘天气，沙尘配合有强西北风、后期沙尘回流阶段浓度较低（能见度普遍在5km 以上）、地面转为“南高北低”环流形势，风向转为西南风，风速在4～6m/s左右。

（2）由HYSPLIT 后向轨迹模型和CALIPSO 卫星观测资料可知过程前期强沙尘阶段，沙源地为蒙古国，沙尘传输高度在500hPa附近，为西北路径，并且在传输过程中随着沙尘沉降，传输高度降低至3～4km。回流阶段沙源为传输至河北省南部的部分沙尘，传输高度较低，在3km及以下，且颗粒物直径较小。

（3）两阶段中，水平螺旋度的负值中心均对沙尘的发生有6h 的提前预报指示意义，且强沙尘阶段水平螺旋度的绝对值较大，水平螺旋度的分布情况对于沙尘的预报有良好的指示意义，水平螺旋度的负值中心在6h 之后将发生沙尘天气，且水平螺旋度的绝对值大小与沙尘强度呈正相关。

（4）高值位势涡度扰动向下伸展对强沙尘暴阶段有良好的指示意义，回流阶段近地面转为正位势涡度。

（5）沙尘回流阶段在沙尘落区附近有一对明显的正负涡度对，相对涡度的不对称性与沙尘的浓度呈正相关。

（6）本文对回流的动力机理等分析仍不够深入，在今后的沙尘天气过程预报预警和总结分析中还应用其他回流过程对此进行验证，加强对京津冀地区沙尘回流天气的分析。