2020年10月21—22日济南一次沙尘天气过程分析.pdf

217农业灾害研究 2023,13(8)2020 年 10 月 2122 日济南一次沙尘天气过程分析徐 媛32282部队，山东济南 250000摘要 主要采取气象探测资料对2020年10月2122日济南一次沙尘天气过程进行分析。结果表明：此次出现在济南的沙尘天气是由蒙古国中南部沙尘气溶胶持续南下造成的。此次沙尘天气发生的主要影响系统是冷锋，地面冷锋过境，源于蒙古国南部一带的沙尘不断朝着东部和南部发展，途经区域PM10浓度值大幅升高。由后向轨迹模式进行分析获悉，此次沙尘天气期间传输通道以西北路为主，并且后向轨迹模拟不同高度的气团传输路径和实况天气形势大体上一致。关键词 济南；沙尘天气；天气形势；传输路径中图分类号：X513 文献标识码：B 文章编号：20953305(2023)080217-03沙尘天气是我国北方地区发生概率很高的一类灾害性天气1。沙尘天气的出现不仅会加剧土地荒漠化、影响空气质量，还会导致能见度急剧下降，影响交通运输安全2-3。因此，沙尘天气成为气象学者们研究的重要课题。近年来，我国许多学者对大风沙尘天气的成因、机理展开了诸多研究，得出了许多研究成果。例如：马素艳等学者4分析了2011年5月11日内蒙古地区一次强沙尘暴天气过程，认为此次强沙尘暴天气是由冷涡、强锋区、蒙古气旋、冷锋等天气系统共同造成的。闵月等5分析了2015年4月27日北 疆沿天山一带的沙尘暴天气过程，认为乌拉尔山低槽分裂短波槽与中纬度锋区上中亚低槽汇合东移是沙尘暴发生的影响系统，地面冷锋过境是沙尘暴出现的直接原因，水平风速增大和局地上升运动的共同作用加大了空气的扰动和流动，促进了沙尘暴的产生。姬菲菲等6从天气学成因、动力机制等方面对2013年宁夏春季的一次大风、沙尘天气过程展开分析，发现该大风沙尘天气是受高压脊前西北气流影响，地面冷锋和冷高压移动过境所致的，而中高层的强冷平流也是影响此次大风沙尘暴的重要因素之一。宝 乐 尔7通 过 对 阿 拉 善 盟2019年春季一次风沙天气过程进行分析发现，此次天气过程主要是700 hPa大气斜压性作用、500 hPa冷平流触发作用、高空动量下传作用、锋生作用、变压梯度等各方面因素共同造成的。吕娜等8对河套地区一次强沙尘暴天气进行分析发现，前低层辐合、高层辐散的垂直环流建立，上升与下沉垂直速度提高，且低层垂直速度中心值-2810-3 hPa/s，为大风、沙尘天气的发生提供了动力条件。杨兴华等9通过分析塔克拉玛干沙漠腹地一次沙尘暴天气过程大气边界层特征量发现沙尘暴过境前后大气层结发生了转变，边界层风、温、湿廓线均打破了原有分布规律，影响了大气边界层结构的发展变化。靳明宇等10通过对甘肃省金昌市2018年11月下旬出现的一次大风沙尘天气过程进行分析得出结论：此次大风沙尘是源于西西伯利亚的冷空气东移南下造成的；金昌市前期干暖的气候为沙尘天气带来了有利的环境因素和物质因素；地面冷锋前强烈抬升和锋后强烈下沉作用明显，促进了此次大风沙尘天气的发生发展。济南市隶属山东省，地处山东省 Analysis of A Sandstorm Weather Process in Jinan from October 21 to 22,2020Xu Yuan(Troops 32282,Jinan,Shandong 250000)Abstract Used meteorological observation data to analyze a sandstorm weather process in Jinan from October 21 to 22,2020.The results indicated that the sandstorm weather in Jinan was caused by the continuous southward movement of sandstorms and aerosols in central and southern Mongolia.The main impact system of this sandstorm weather was the cold front,which passes through the ground.The sandstorms originating from the southern region of Mongolia continue to develop towards the east and south,and the PM10 concentration value in the route area increases significantly.According to the analysis of the backward trajectory model,the transmission channel during this sandstorm weather was mainly the Northwest Road,and the backward trajectory simulation of air mass transmission paths at different heights was generally consistent with the actual weather situation.Key words Jinan;Sand and dust weather;Weather situation;Transmission path 作者简介 徐媛（1996），女，山东临沂人，助理工程师，主要从事天气预报工作。收稿日期 2023-05-11218Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.8中西部地区，地理坐标处于116 11 117 44 E，36 01 37 32 N 之间，气候属暖温带大陆性季风气候。济南市沙尘天气发生概率不高，但是受冷空气影响，北风风力较大，有利于沙尘的传输，有的年份也会出现沙尘天气，给人们生活、空气质量等方面均造成不良影响。基于此，利用气象探测资料对2020年10月2122日济南一次沙尘天气过程进行分析，旨在掌握沙尘天气的天气形势和发生发展规律，这对进一步提升济南沙尘天气的预报预警服务水平具有极大意义。1 天气概况在济南沙尘天气发生之前，蒙古国中南部于10月20日暴发沙尘天气，随着大气环流的发展，沙尘气溶胶持续南下，影响我国北方大部分地区，2122日，它们开始对山东省济南市造成影响，促使当地发生沙尘天气过程。通过对此次沙尘天气期间颗粒物浓度变化情况进行分析可知（图1），21日13:00，济南市沙尘天气开始出现，PM10小时浓度值为320 g/m3；22日19:00，济南市PM10小时浓度值大幅下降，浓度值为143 g/m3，此次沙尘天气过程基本停止。PM10和PM2.5小时浓度变化趋势相吻合。PM浓度/（g/m3）PM2.5/PM10图1 2020年10月2122日济南沙尘天气过程中PM10、PM2.5小时浓度变化特征2 天气形势分析通过对济南市沙尘天气过程中的天气形势资料进行分析可知，2020年10月21日，济南市500 hPa高空槽前西南气流转变成槽底偏西气流，中低空700 hPa和850 hPa干槽过境，因为槽后强大下沉气流的作用，21日上午地面冷锋过境，这个时候近面北风越来越大，随着系统发展，源于蒙古国南部一带的沙尘不断朝着东部和南部发展，途经区域PM10浓度值大幅升高。22日白天，受冷空气的影响，沙尘持续传输沉降，促使济南市PM10浓度依然处于高水平状态，随着冷空气主体不断推进，22日夜间济南沙尘天气过程基本停止。3 后向轨迹模拟分析结合HYSPLIT后向轨迹模型对此次沙尘天气过程中不同气团的发生发展规律进行定性分析（图2）。分析过程气象资料源于GDAS数据库。研究区域选择济南市开发区测站，高度选取 3 000 m、1 500 m、500 m。具体模拟21日19:00的气团后向轨迹，追踪过去 48 h的轨迹变化。通过模拟得出结论，不同高度气团传输路径基本相吻合，均沿西北路径向济南传输。其中，距离地面3 000 m的气溶胶后向轨迹表明气源于蒙古国4 000 m高度以上；蒙古国 3 000 m高度的气溶胶沿西北方向在传输期间垂直剖线在21日00:00显著降低，济南市此时高度为500 m。后向轨迹模拟不同高度的气团传输路径和实况天气形势大体上一致。4 激光雷达退偏比垂直分布通过激光雷达能够了解到颗粒物的退偏振比和消光系数的光学特性。通过对济南市此次天气期间退偏振比和消光系数的时空分布特征进行 分 析 可 知（图3），2020年10月21日03:0006:00，本地区高空退偏比显著增加，沙尘由高空进入山东济南地区，有一显著的沙尘带处于5003 500 m之间；而近地面消光系数值和退偏比都很低，这意味着本时间段沙尘主要属于高空传输，沉降并不显著。21日06:0012:00，近地面1 000 m以下，消光系数急剧升高。100 m高度位置，退偏比较低，最大消光系数为0.94 km-1，PM10与PM2.5浓度大幅提升，这是因为冷空气前锋，南北风转向期间呈静稳特点，扩散条件差，沙尘天气过程大气污染物浓度攀升。由于冷空气不断发展，从10月21日12:00开始，近地面到高空2 000 m位置消光系数不断降低，退偏比急剧升高，气溶胶非球形特点越来越强，颗粒物主要属于粗粒子污染。至10月22日21:00，沙尘气溶胶聚集2 500 m以下区域。10月22日21:00开始，大气退偏比不断变小，大气中粗离子占比也随之下降，此次沙尘天气过程基本停止。5 PM2.5化学组分变化特征5.1 碳质组分污染特征分析在此次沙尘天气过程中，（EC）的平均值为1.89 g/m3，占（PM2.5）的4.8%，（OC）的平均值为4.71 g/m3，占（PM2.5）的12.1%。（EC）小于（OC），这意味着济南PM2.5中碳质气溶胶EC化学性质相对稳定，其主要为OC，OC较活泼，它的成分中不但包括污染源直排的POC，而且包括SOC。通过分析此次天气过程中OC与EC散点图、相关性发现，此次天气过程中OC与EC具备很高的相关性（R2=0.53，P0.01），这意味着它们的污染源一致。由大气中OC/EC 比值分析碳质组分的排放和转化特点可知，在沙尘天气过程中，济南市OC/EC为2.5，意味着沙尘天气发生过程存在一些SOC，这主要是沙尘天气过境时造成的低温低湿环境造成的。5.2 水溶性离子污染特征分析219农业灾害研究 2023,13(8)通过分析此次济南沙尘天气过程 中PM2.5中 水 溶 性 的 离 子 特 点 发现，在本次沙尘天气发生之前（21日00:0012:00），本 地 区PM2.5中 水 溶 性离子主要包括SO42-、NH4+以及NO3-，其平均质量浓度值分别为6.75、13.38、32.67 g/m3，这说明许多气态污染物的二次化学转化的作用较大；随着沙尘天气的出现（21日13:0014:00），这3种水溶性离子显著降低，但是Ca2+、Mg2+急剧增加，这意味着沙尘天气过程一次污染源的作用较大。6 结论（1）此次出现在济南的沙尘天气是由蒙古国中南部沙尘气溶胶持续南下造成的。济南市沙尘天气出现时的PM10小时浓度值为320 g/m3，随着PM10小时浓度值大幅下降，此次沙尘天气也随之结束。（2）此次沙尘天气发生的主要影响系统是冷锋，地面冷锋过境，源于蒙古国南部一带的沙尘不断朝着东部以及南部发展，途经区域PM10浓度值大幅升高。由后向轨迹模式进行分析获悉，此次沙尘天气期间传输通道以西北路为主，并且后向轨迹模拟不同高度的气团传输路径和实况天气形势大体上一致。（3）在此次沙尘天气发生之前，济南高空退偏比显著增加，有一显著的沙尘带处于5003 500 m之间；而近地面消光系数值和退偏比都很低；沙尘发生时，近地面到高空2 000 m位置消光系数不断降低，退偏比急剧升高，气溶胶非球形特点越来越强，颗粒物主要属于粗粒子污染。（4）在本次沙尘天气发生之前，2次化学转化的作用较大；沙尘天气出现期间一次污染源的作用较大。参考文献1 孙辉,闫利斌,刘晓东.中国北方一次强沙尘暴暴发的数值模拟研究J.干旱区地理,2012,35(2):200-208.2 王汝佛,冯强,尚可政.2010春季中国一次强沙尘暴过程分析J.干旱区地理,2014,37(1):31-44.3 李珊珊,潘涛,闫静,等.2015年春季北京市一次沙尘天气过程分析J.环境科学与技术,2016,39(4):137-143.4 马素艳,丁治英,韩经纬,等.2011年5月11日内蒙古地区强沙尘暴天气过程分析J.内蒙古气象,2013(1):8-15.5 闵月,李娜,汤浩.2015年春季北疆沿天山一带一次强沙尘暴过程分析J.沙漠与绿洲气象,2017,11(5):30-37.6 姬 菲 菲,马 宁,杜 宏 娟,等.2013年4月 （下转第242页）图2 后向轨迹分析图3 此次天气期间退偏振比和消光系数的时空分布特征242Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.8力不足。现有的地面气象和人影观测网络不能覆盖全区，科学作业和作业效果评估有难度。二是科技创新能力薄弱。云降水机理研究、催化作业技术、效果检验等方面存在不少科技难题亟待突破，迫切需要从规模发展向创新驱动的高质量发展转变。三是科技成果转化率较低5。四是专业技术人才队伍力量 不足。2.4 管理体制机制需进一步完善全疆各地基本建立了人影管理机构，但基层作业队伍与所属管理机构不统一，存在部门沟通不畅问题。一是机构在气象部门，作业队伍在地方（乡镇），如博州；二是机构和作业队伍都在农业农村局，如阿克苏地区；三是机构和作业队伍都在气象部门，如喀什地区；四是机构在农业农村局，作业队伍在气象部门，如阿勒泰地区部分县市。人工影响天气尚未完全纳入地方政府安全保障体系，多部门联合监管机制有待进一步健全。3 对策与建议2021年新疆维吾尔自治区人民政府办公厅印发 推进新疆人工影响天气工作高质量发展实施方案 明确指出：到2025年，要实现新疆由全国人影大区发展成为人影强区，人工增雨（雪）作业影响面积达到60万km2以上，人工防雹作业保护耕地面积稳定在4万km2以上；到2035年，推动新疆人工影响天气业务、科技、服务能力达到全国先进水平。要实现高质量发展目标，必须坚持问题导向、目标导向，采取有效措施，切实推动新疆人影工作高质量 发展。3.1 提升人工影响天气能力，加强重点领域服务保障第一，在保障粮食安全、推进乡村振兴方面，完善防灾减灾预案，开展新疆粮食生产功能区、重要农产品生产保护区和特色林果种植区干旱、冰雹等灾害的区划与风险评估工作。研发安全高效的人影作业技术，在粮食生产关键期提高增雨作业效率，实施精准防雹作业保障棉花林果业增收。加大对重点区域、重要农事季节抗旱增水、防雹减灾作业力度，加强区域联防、兵地联防建设，有效提升作业能力。第二，在维护生态安全，促进生态文明建设方面，开发利用云水资源，开展冬季人工增雪作业应对气候变化引发的冰川退缩，针对生态脆弱区、水源和汇水区、湖泊湿地等特定目标区，开展常态化人工增雨作业，助力大气污染防治和碳达峰、碳中和，发挥人工影响天气在水源涵养、水土保持、植被恢复、水库增蓄水等方面的重要作用。第三，在开展重大应急和重大活动保障服务方面，建立人影应急保障部门联动机制和应急演练工作机制，完善抗旱、森林防灭火、重大活动保障等人影服务机制，提高应急服务工作的有效性，开展空地结合、区域协作的人影作业，提升应急保障能力。3.2 推进业务现代化建设，增强基础业务能力第一，构建人影新型业务技术体系。优化业务流程，细化关键技术环节，强化方案设计和跟踪指挥，建立效果评估业务，重点聚焦云与作业条件监测预报技术、催化作业技术、效果评估技术和基于信息网络的指挥调度技术，根据实际需求，增强人影服务产品的针对性。第二，优化地面人影观测站网和作业站点布局。加强作业基地建设，完善地面雷达等观测站网，细化空中增水区域，加强飞机探测作业，优化作业指挥系统，增强空地一体作业能力。第三，强化地面作业装备能力。开展作业装备的信息化、自动化、安全性改造和业务系统的集约化，推进高炮、火箭自动化升级改造更新率和安全锁定装置应用率提高。3.3 聚焦关键核心技术攻关，强化科技创新和人才支撑聚焦人影核心机理与关键技术研究。强化人影工程技术研究中心和外场基地建设，持续开展人工增水、防雹、消减雾等科学试验和效果评估，推进无人机等新技术、新装备和新型催化剂的外场应用试验，提升人影关键技术攻关能力。构建协同高效的科技创新机制，加快科技成果转化应用，提升科技创新能力。深化合作与交流，加强人才队伍建设。3.4 强化组织领导，完善管理体制机制建设强化政府对人影工作的领导，推动各级政府落实国务院、自治区关于推进人工影响天气工作高质量发展的意见、实施方案，健全人影组织机构、部门合作的工作机制及业务流程，与军民航合作做好人影空域保障，联合工信、公安、应急、民航等部门常态化开展人影安全监督检查。参考文献1 邢凤娟,许乐,穆清晨,等.吉林省人工影响天气地面业务现状及发展需求分析J.气象科技进展,2019,9(6):110-112.2 谢勇,杨剑超,李秀山.江西省人工影响天气工作高质量发展思考J.气象与减灾研究,2022,45(3):225-231.3 郭 学 良,方 春 刚,卢 广 献,等.20082018年我国人工影响天气技术及应用进展J.应用气象学报,2019,30(6):641-650.4 方春刚,段婧,李圆圆,等.西北区域人工影响天气试验示范基地设计J.气象科技进展,2021,11(5):65-71,76.5 蒋若敏,徐啟元,张伟,等.黔西南州人工影响天气现状及发展对策J.现代农业科技,2020(8):210-211.（上接第219页）17日宁夏大风沙尘天气过程分析J.宁夏工程技术,2014,13(4):309-312,315.7 宝乐尔.阿拉善盟一次区域性大风沙尘暴天气过程成因分析J.干旱区资源与环境,2021,35(4):112-119.8 吕娜,高玲.河套地区一次强沙尘暴天气分析J.内蒙古农业科技,2011(5):87-89.9 杨兴华,何清,阿吉古丽 沙依提等.塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过程的大气边界层特征分析J.沙漠与绿洲气象,2011,5(6):11-15.10 靳明宇,刘小瑛,辛亚男.金昌一次大风沙尘天气过程分析J.农村实用技术,2019(4):122-123.