雷复沙奈

2021年以来沙尘天气频发，我国西北、华北地区遭遇了多次大范围沙尘天气过程，其中4月中旬的沙尘天气甚至跨越长江，影响到江南地区。沙尘天气的爆发致使传输路径上的多数城市AQI持续爆表，对人们的生活产生不利影响。如何实现对沙尘天气的提前感知和预警预报，每一次沙尘天气在国内的传输和扩散轨迹如何？作为区域沙尘天气立体观测“侦察兵”，中科光电激光雷达组网记录了每一次沙尘天气在全国的传输轨迹 。让我们跟随“侦察兵”的报告，对今年的主要沙尘天气进行回顾和盘点。1月10日-15日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图1 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图1月10日-13日，河西地区多次出现短时沙尘传输过程。1月10日，沙尘气溶胶分布高度随传输过程逐渐扩大至2km，粒子形态偏不规则型，沙尘传输速度在45km/h左右。1月11日-13日，沙尘团为近地面传输，沙尘气溶胶多集聚1km内，河西西部地区主要为非球形粗粒子，河西东部地区球形细粒子占主导地位，沙尘团在阿克塞-玉门一带传输速度在20km/h左右，玉门-武威一带传输速度显著增大至49km/h左右。1月13日午后至14日，各地沙尘强度较高，沙尘团分布在2km高度内，粒子形态高度不规则，沙尘传输速度在45km/h左右。华东区域（江苏、浙江） 图2 华东地区雷达组网各站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图1月12日0时起，江苏北部和南部、浙江中部和南部先后监测到2.0km高度有沙尘传输并逐渐下沉至地面，沙尘平均移动速度约为38km/h。江苏北部0.8km高度内以球形粒子为主，1.0km高度左右以非球形粗粒子为主；江苏南部、浙江中部、南部以非球形粗粒子为主。3月15日-19日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图3 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图3月15日-18日，受蒙古强沙尘暴污染传输影响，甘肃省自西向东出现强沙尘天气，沙尘传输速率在玉门-武威一带达100km/h左右，武威-临夏一线传输速率明显减弱至20km/h左右，沙尘团主势力集聚1km内，各激光雷达500m内消光系数均突破阈值1km-1，多站点甚至高达4km-1，退偏振比接近阈值0.4，规则细粒子和不规则粒子占比较高，PM2.5和PM10均达到严重污染水平；期间仍有外源沙尘间歇性输送，致使各地沙尘污染反复。3月19日，各地出现短时雨雪天气，沙尘污染逐渐消散。4月12日-19日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图4 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图4月12日和4月15日，甘肃全省监测到两次沙尘天气，沙尘主势力集中在1km内，气溶胶形态偏不规则粗粒子型，12日沙尘传输速率在12-15km/h左右，15日沙尘传输速率显著增强至100-120km/h。13日出现降水过程，污染快速消散；但16日扩散条件较差，导致浮尘天气持续。 华东区域（江苏、上海、浙江） 图5 华东地区雷达组网各站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图4月16日4时起，江苏南部、上海中部、浙江中部和南部依次监测到污染气团并逐渐影响地面，沙尘平均移动速度约为42km/h。其中江苏南部、上海中部近地面先受到规则细粒子污染，随后转为不规则粗粒子污染。浙江中部及南部近地面以不规则的粗粒子为主，尤其浙江南部的粗粒子极不规则，退偏比达到0.4以上。4月25日-26日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图6 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图4月25日-26日，受强冷空气活动影响，甘肃省自河西东部向南部地区相继监测到强沙尘输入，1km内规则细粒子含量骤增，同时粒子不规则度明显增大，沙尘传输速率为20km/h。26日各地细粒子污染逐渐降低，但粒子不规则程度依然较高。5月4日-8日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图7 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图5月5-7日，甘肃省监测到两次间歇性短时沙尘过程，其中5日沙尘范围较大，沙尘传输速率达80km/h左右，沙尘团高度在传输过程中逐渐降低至1.5km，主要为非球形粗粒子。7日沙尘范围集中在中部地区，沙尘传输速率达50km/h左右，沙尘团多分布在500m高度内，球形粒子含量较高，午后各地沙尘污染逐渐消散。 华东区域（江苏、上海、浙江） 图8 华东地区雷达组网各站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图5月5日0时起，江苏北部和南部、上海中部、浙江中部先后在1.5km高度监测到污染气团传输并于5时左右下沉至地面，沙尘平均移动速度约为171km/h。其中江苏北部和南部以球形粒子为主，上海中部、浙江中部以非球形粗粒子为主。7日3时起，江苏北部和南部、浙江中部在2.0-3.0km高度内监测到沙尘团，其中江苏北部球形粒子含量较高，但0.4km高度以下主要为非球形粗粒子。总 结激光雷达组网发挥其全面监控每次沙尘过程的空间分布、传输特征、气溶胶特性等的优势，实现对污染传输过程的精细立体监测，同时对污染传输情况进行提前预判，为研究区域污染物的累积与输送提供有力的技术手段，并对区域的大气污染联防联控提供有效支持。2021年以来，全国共经历6次大范围的强沙尘传输过程。甘肃省沙尘传输路径主要为北路和西北路，当出现沙尘暴天气时，影响范围较广，气溶胶粒子多集聚在500m高度内，主要为规则球形粒子（不规则粗粒子不利于远距离传输），传输速率与天气形势相关；当出现强沙尘天气时，气溶胶粒子多分布在1km高度内，沙源地周边城市主要为不规则粗粒子，其余城市球形粒子和不规则粗粒子占比相当，甚至球形粒子占主导；沙尘污染较强时，影响范围缩小，气溶胶粒子多分布在2km高度内，主要为不规则粗粒子。华东地区则均受到北部沙尘传输贡献，其中1月和4月沙尘平均移速相当，5月沙尘平均移速最快。沙尘传输高度基本在2km以内，且逐渐下沉，最终造成地面监测数据（主要是粗颗粒物数据）升高；污染气团多以不规则粗粒子为主，但在部分地区、部分时段以规则细粒子为主；沙尘影响时间均超过3天。

上周，西北一带的天气来了点猛料，17号开始，内蒙古、宁夏、北京、河北等地遇到今春以来最强的沙尘污染，多地黄沙漫天，能见度小于1公里，严重影响居民生活。17日西北某地实拍图（图片来源：微信朋友圈）据历史数据显示，2000年至2016年，沙尘的日数呈现出自西向东、自北向南逐渐递减的规律，其中，新疆南疆盆地为沙尘发生频率最高地区，其次是内蒙古西北及甘肃河套以西地区。16年来沙尘发生的次数在逐渐递减，2011年、2014年、2015年、2016年沙尘暴天气过程均不超过2次，这是国家人为治理和环境气候因素的共同作用。小伙伴们纷纷表示欣慰，不过在欣慰的同时，小编带大家一起来分析下这次的沙尘过程。17日葵花卫星真彩图（图片来源：中科院遥感所）近年来，卫星遥感技术已渐渐应用到大气环境监测中。它的优势在于区域尺度，可快速提供整体污染分布与态势的直接观测。上图是高时间分辨率的葵花卫星监测到的此次沙尘传输的过程，就好比人眼在太空直接看到的景象。从卫星监测的动图我们能清晰看到此次沙尘的传输路径，从内蒙宁夏等地一路南下。那么其他地方都是在什么时候受到沙尘的影响，受沙尘影响程度又有多严重呢？在卫星图的指导下，小编调出了中科光电分布在全国各地的激光雷达。沙尘传输雷达监测网17-19日期间，共观测到3次沙团过境，其中，第二次的沙团强度最大，对地面的影响最重。三次沙团迁移中，呈现融合现象。沙团由北至南迁移，17日5时、高空3KM左右，武汉最先监测到沙团入境，18日晚间大量沉降，近地面PM10浓度迅速增高；17日13时、高空3KM左右，苏州上海等地监测到沙尘入境，18日上午沉降（沉降时间早于武汉，这可能是受当地气象条件的影响），强度中等；之后沙尘继续南下，17日20时浙江区域监测到高空3KM左右有沙尘团，19日上午到达地面，强度减弱。沙团由北至南的迁移过程中，逐渐沉降，强度逐渐减弱。雷达构成的监测网络，不仅可以监测到各地沙尘起始、沉降时间，结合时间相位差及经纬度信息还可以定量计算沙尘的传输速率，为沙尘预警预报提供支撑。感谢：衷心感谢遥感所提供的卫星图，感谢武汉、苏州、上海、宁波等监测站提供的雷达监测图。

针对各地环境空气质量评估考核过程中均未将沙尘天气过程期间数据剔除，环境保护部于2017年1月4日印发《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》（以下简称《规定》）。依据《规定》，全国地级及以上城市环境空气质量评估、考核和排名过程中剔除沙尘天气过程的影响。规定中提出“各地环保部门如遇沙尘天气过程，当天将沙尘天气过程影响时段、影响范围和其他佐证材料报送中国环境监测总站。这些数据也将作为评价、考核和排名的重要依据。”《规定》中的佐证材料包括卫星环境应用中心遥感监测结果、全国沙尘暴监测网监测数据以及气象部门发布的沙尘信息等。在沙尘天气的扣除条件和筛选方法上，中国环境监测总站工程师王帅说：“当沙尘天气过程中沙尘源区城市PM10小时浓度持续两个小时超600μg/m3，或持续1个小时超过1000μg/m3，可以剔除沙尘天气过程影响区域范围内源区城市及下游城市颗粒物监测数据。”近年来，地基遥感的主动探测手段，如激光雷达不仅能够有效判识雾霾的空间分布，对沙尘天气发生的过程、时间、沙团输入的高度、强度等特征，都可以进行有效监测。1、什么是大气颗粒物激光雷达呢？大气颗粒物激光雷达像“探针”一样，通过不断地向大气中发射激光束，扫描大气中的信息，通过与颗粒物和气态分子相互作用后产生散射光来获取不同高度处污染物的浓度分布信息，类似医学上的“CT”技术，不同的是，激光雷达获取的是污染物的空间垂直分布。 2、激光雷达提供什么数据呢？① 消光系数：反映污染程度，消光系数值越高，代表球形粒子污染程度越严重。② 退偏振度：反映沙尘的不规则程度，沙尘的退偏振度约0.2-0.4。③ 颗粒物质量浓度空间分布：给出不同高度处PM10和PM2.5质量浓度。④ 能见度：给出垂直、水平能见度视程。⑤ 外源性污染物强度：外源传输的输送通量和局地污染的占比。3、如何从激光雷达结果上读取沙尘信息呢？我们来分析三个案例。案例分析一：L地经历的一次严重的沙尘过程（数据来源：L地站点）① 沙尘爆发前：雷达图像监测显示，9日白天污染程度较轻，近地面有一定的尘漂浮。② 沙尘爆发期：夜间22时，近地面的退偏振度突然增大，消光系数也有伴随增大的现象，L地区的粗颗粒程度明显增加，近地面的PM10由250μg/m3升至1500μg/m3，沙尘天气加剧。③ 沙尘消散：沙尘天气持续至10日夜间22时，沙团中的粗颗粒明显沉降，退偏振度和消光系数明显减弱，污染物浓度下降，特别是PM10浓度，回落到750μg/m3，经历11日的持续沉降和过境，沙尘天气的影响基本消除，PM10浓度回落到250μg/m3。 案例分析二：过境沙团和沉降沙团的过程监控（数据来源：W地站点）颗粒物激光雷达在判识外源性沙尘的另一个重要依据，是其出现的高度与近地面的污染物分布无明显的重合。下图是激光雷达捕获到的一次多层沙团过境和与地面复合的结果。近地面的结果发现，PM浓度高值与沙团2沉降融合有密切关系。沙尘输入过程的激光雷达监测结果（W地）① 沙团1： 出现在6日16时，高度4.2km处，沉降过程中沙团的下沿距地面约2.1km，尚未进入大气边界层内，属于过境沙团，对近地面的影响较小。② 沙团2：出现在7日20时前后，高度5km处，沙团强度大，沉降速率大，沙团在8日7时沉降至大气边界层内，与近地面污染物复合，属于沉降沙团。③ 沙团3：在沙团2未沉降结束时，高空3km处发生第3次的污染团的输送。此沙团向地面迁移过程中，在1.2km处与地面污染物有明显分界，未发生融合，属过境沙团。④ 沙团4：出现在8日20时高空3.6~4.5km范围内出现第4次的沙团输入。此沙团下沿最低高度至3km，既未与第3次的沙团混合，也没有能进入边界层内与近地面的污染物混合，推测第3次和第4次输送的污染团与第1次的污染团类似，属于过境沙团，对近地面的影响较小。详细可参阅【伍德侠, 宫正宇, 潘本锋,等. 颗粒物激光雷达在大气复合污染立体监测中的应用[J]. 中国环境监测, 2015(5).】案例分析三：沙尘传输的激光雷达组网观测基于单站点的雷达可以实现对沙团的时间、高度和强度特征进行分析，基于多台雷达组成的雷达网络，可以对沙团的传输路径、时间相位以及沉降的特征进行监控，并及时预警。2016年3～5日中央气象台的沙尘落区预报如下图所示。为有效捕获此次沙尘污染传输，我司利用激光雷达组网平台，对布设在北京、无锡、上海、福州、武汉和郑州等地的大气颗粒物监测激光雷达数据进行快速解析，实时结果如下图所示，沙尘到达北京、郑州和武汉等地的时间、高度、强度和沙尘团轮廓的演化有很大的不同和较强的关联性。 中央气象台的沙尘落区预报激光雷达组网点位布设沙尘传输的激光雷达组网观测结果致谢：衷心感谢中国环境监测总站、河南省环境监测中心、上海市环境监测中心、福建省环境监测中心站、兰州市环境监测站、武汉市环境监测中心、福州市环境监测中心站、无锡新吴区环境监测站的大力支持。