引言

研究表明，沙尘暴的产生与气象要素关系密切，它与北方地区前期降水、气温以及冷空气的路径和强度等密切相关^[1-2]，且多数是由发展强盛的蒙古气旋配合高低空急流引发^[3-5]。

大连的沙尘特征明显不同于上游的沙尘暴天气，它是以浮尘为主，沙尘的产生也具有同上游不同的动力学特征。春季频发的浮尘对大连这样一个比较清洁的城市产生很大影响，造成空气能见度降低，空气中悬浮颗粒物浓度严重超标，空气质量恶化，对交通、通讯和人、畜的身心健康造成很大危害；同时，大连又是韩国、日本等国城市天气的上游；一定浓度的沙尘粒子又是成云、成雾的凝结核，对降水、大雾天气、中和酸雨具有明显贡献。因而，研究大连的沙尘机理特征以及沙尘的传输沉降机制，对预防危害和天气预警具有重要意义。

1 资料来源

2006年大连市的沙尘监测主要有颗粒物质量浓度监测、降尘监测、卫星遥感监测以及米散射激光雷达气溶胶消光系数监测等。

在沙尘天气中, 激光雷达气溶胶消光系数是一个相当敏感的变量, 其随沙尘的发生、发展和消亡表现出明显不同的日变化特征, 且在其空间分布上与沙尘天气本身的空间分布变化具有很好的一致性, 可以很好地反映沙尘输送过程。

应用来自大连市气象局和大连市环境监测中心的可吸入颗粒物在线自动监测、总悬浮颗粒物观测、降尘观测、激光雷达气溶胶消光系数自动监测等资料，分析沙尘天气的机理特征；运用NCEP再分析资料计算沙尘天气的物理量场，分析其动力机制。

2 沙尘天气机理分析

2006年大连共受到外来沙尘影响过程9次；因沙尘天气产生的污染日12天，占年总污染天数的67%；沙尘影响时间共253小时。

2.1 可吸入颗粒物监测分析

强度较弱的沙尘影响时，大连的环境大气可吸入颗粒物(PM₁₀)质量浓度1小时均值超过200 μg·m^-3；明显的沙尘过程影响时，PM₁₀浓度超过600μg·m^-3；当影响时间超过6小时即可构成一个污染日；重污染日特征是1小时均值超过1000μg·m^-3。2006年最严重的沙尘天气出现在4月8日，大连PM₁₀日均值达730μg·m^-3；1 0个子站中，小时最高值为2431μg·m^-3(出现在金州子站)，超出环境空气质量二级标准15.2倍。在2006年外来沙尘影响的253小时中有31小时各子站空气污染指数超过500(环境空气质量二级标准为150μg·m^-3，空气污染指数500对应浓度为420μg·m^-3)。因此，外来沙尘天气对空气中可吸入颗粒物浓度有显著影响。

2.2 总悬浮颗粒物监测分析

在3月10—11日、4月7—9日和4月22—24日的沙尘天气中，对较严重污染时段的空气中总悬浮颗粒物(TSP)进行了同步监测。

3月10日9时至11日6时，星海三站子站TSP的监测结果为2350μg·m^-3，超出环境空气质量日平均二级标准6.8倍，对应时段PM₁₀浓度为596μg·m^-3，即TSP是P M₁₀的3.9倍，说明3月10—11日的沙尘天气中，总悬浮颗粒物中大颗粒物的比例较大。

在4月8日9—15时星海三站子站TSP的监测结果为1180μg·m^-3，超出日平均二级标准2.9倍，对应时段PM₁₀为713μg·m^-3，即总悬浮颗粒物是可吸入颗粒物的1.7倍。

在4月23日14—18时，星海三站子站TSP的监测结果为1690μg·m^-3，超出日平均二级标准4.6倍，对应时段PM₁₀为757μg·m^-3，即总悬浮颗粒物是可吸入颗粒物的2.2倍。

因此，外来沙尘天气对空气中总悬浮颗粒物浓度有显著贡献。

2.3 自然降尘监测分析

在3月10—11日沙尘天气影响严重时段，在星海三站点位，对自然降尘进行了同步监测，结果表明：该次沙尘天气使星海三站附近自然降尘增加4t/km²左右。在3月24—26日、4月7 —9日、4月11—12日和4月22—24日的沙尘天气，星海三站点位自然降尘分别增加3t/km²、12t/km²、3t/km²和3t/km²。所以，仅几次影响较大的沙尘天气就使城市的自然降尘增加了25t/km²左右。

2.4 激光雷达气溶胶消光系数监测分析

以2006年4月23日的沙尘监测资料为例进行分析。

根据PM₁₀观测，沙尘从凌晨开始影响大连，在早上4点至6点间有一次较弱的沙尘过程落地(图 1a)；11时左右主要的沙尘落地，近地面PM₁₀最高浓度接近800μg·m^-3；并且地面高浓度的降尘状态一直维持到17时，到18时之后近地面PM₁₀浓度开始减小。

从激光雷达资料反演的气溶胶消光系数廓线随时间变化(图 1b)可以清楚地看到不同时刻沙尘气溶胶浓度的垂直分布。在早上00:16，沙尘气溶胶主要分布在3～4km高度范围内，消光系数最大值超过1.4km^-1；到02:48，沙尘层高度下移到2～3km的高度范围内；到05:48，沙尘层高度继续下移，广泛分布在1～3km的高度范围内，消光系数峰值也有所降低，并且近地面附近消光系数略增，说明有少量沙尘落地；到08:48消光系数峰值出现在1～1. 5km处，并且在此之前近地面附近消光系数最大值不超过0.2km^-1；11:48的廓线反映，高浓度的沙尘气溶胶主要分布在2km以下，并且落地，地面消光系数迅速从0.12km^-1 上升至接近0.6km^-1；到14:48时，地面附近仍维持沙尘的高浓度状态，消光系数仍超过0.5km^-1，但同时在1.5km的高度上又出现一个接近0.9km^-1的消光系数峰值，说明上游有源源不断的沙尘输送；到17:48，地面附近消光系数回落到0.2km^-1以下，沙尘层厚度减小，主要分布在0.5km至1.25km处，消光系数峰值也开始减小，过程趋于结束。这与地面PM₁₀自动观测结果一致。

综合分析2006年的激光雷达资料，经过大连上空传输的沙尘高度一般都在4km以下，普遍分布在1～3km之间，消光系数最大值达到2.0km^-1以上，有的甚至超过3.0km -1。沙尘影响地面时，近地面附近气溶胶消光系数从小于0.2km^-1上升至0.4 km^-1以上，沙尘过程一般最大值均大于0.5km^-1，强沙尘过程气溶胶消光系数最大值大于1.3km^-1，甚至接近1.5km^-1。

3 沙尘天气动力机制分析

大连的沙尘天气产生需要有三个基本条件：(1)沙源地起沙并输送到高空；(2)沙尘传输路经大连上空；(3)在大连有沉降机制。研究表明，在沙尘源区强沙尘暴影响高度位于2500～3200m之间，弱沙尘暴影响高度在1000～2500m之间，沙尘暴高浓度区始终位于700h Pa风切变最大的位置，之后伴随蒙古气旋的冷锋在大连过境时，才开始影响大连。大连沙尘天气有与上游不同的动力特征，我们以2006年污染最严重的两天为例进行分析。

3.1 3月10日沙尘过程分析

2006年3月10日，受来自西伯利亚强冷空气的影响，蒙古国、内蒙古地区生成的沙尘暴，随着蒙古气旋、冷锋的东移南下，在大连过境，产生浮尘天气；极轨卫星遥感图上清晰可见大片沙尘区经过渤海北部而后到达大连，覆盖影响大连上空(图略)。地面PM₁₀五分钟平均自动监测显示(图 2a)，从10日10时起，PM₁₀质量浓度突然升高，地面高浓度状态一直维持到夜间，最高值接近1500μg·m^-3，一直到20时，空气污染指数(API)均超出500，浓度日均值为537.6μg·m^-3。

3月10日是一个比较强的沙尘过程。高空急流携带大量沙尘向下游移动，在大连锋面过境前后所表现的垂直环流(图 2b)很强烈，锋前一致的上升气流，锋后500hPa以下几乎都是下降气流，直接把高空西风输送的沙尘带到地面，此时大连上空已经位于锋后较强的下降气流区。从垂直速度场看(图 2c)，700hPa以下均有下降速度，而800hPa以下下降速度接近0. 4hPa/s；从散度场看(图 2d)，700～850hPa是辐散场，850hPa到地面是辐合，辐散辐合的配对出现，也说明了有明显的向地面的输送气流。08时锋面过境之前的垂直剖面特征是上升气流为主(图略)，地面沙尘浓度也不高，因而下沉气流对地面高浓度的沙尘贡献很大。

3.2 4月7—9日垂直环流分析

4月7—9日的过程复杂些。根据PM₁₀自动监测显示，4月7日21时至4月8日14时为污染最严重时段(图略)，从垂直环流分析，同样有锋面过境下沉气流对沙尘的输送贡献；当下沉气流增强时，地面PM₁₀浓度出现一个高峰。另外，8日过程后期出现较强的锋后下沉回流，地面以偏东或东南风为主，把已经过境移动到下游但还没有落地的浮尘又搬回本区沉降，即锋后下沉回流也成为一个主要贡献。

3.3 动力机制分析

以上垂直环流特征正符合Browning^[6]总结的大气中冷锋结构、环流的概念模型(图 3)。在三种冷锋的概念模型中，图 3a、b正是产生沙尘的天气模型，它们的共同特征是锋面以下有一下滑运动，锋上临近锋处有上滑运动，正是锋后的下滑运动以及近地面锋后回流对地面的沙尘浓度增高起了主要贡献。

另外，在各种强度的沙尘天气中，都程度不同地伴随有近地面西或西北风对邻近的上游地区沙尘的搬运和影响。

因而，大连沙尘天气的动力机制主要表现是，在高空西风或西北风急流对沙尘的搬运前提下，在大连过境的冷锋后部下沉气流向近地面输送沙尘为主，同时还伴有锋后下沉回流对沙尘的贡献，叠加近地面西或西北风对上游沙尘的输送。锋后下滑气流越强，地面沙尘污染越重。

4 总结

(1) 大连的沙尘天气空气中可吸入颗粒物浓度显著增高，明显的沙尘过程影响时，可吸入颗粒物1小时均值超过600μg·m^-3，重污染日1小时均值超过1000μg·m^-3；沙尘对空气中总悬浮颗粒物浓度有显著贡献，沙尘过程中，总悬浮颗粒物是可吸入颗粒物的1～4倍，并且增加城市的自然降尘量。

(2) 经过大连上空传输的沙尘高度一般都在4km以下，普遍分布在1～3km之间，沙尘气溶胶消光系数最大值达到2.0km^-1以上；沙尘影响地面时，近地面附近气溶胶消光系数最大值均大于0.5km^-1，强沙尘过程气溶胶消光系数最大值大于1.3km^-1。

(3) 大连的沙尘天气是在高空西风或西北风急流对沙尘的搬运前提下产生，大连附近锋面后部的下滑运动对近地面的沙尘浓度增高起了主要贡献；锋后下滑气流越强，地面沙尘污染越重。锋后下沉回流、近地面西或西北风对上游沙尘的输送也对大连的沙尘有一定贡献。

致谢：感谢国家气象中心赵琳娜老师的悉心指导。