引言

沙尘天气发生时，大量沙尘颗粒进入大气，造成空气混浊、能见度低等现象，会造成严重的空气污染，还会对交通、人体呼吸系统有明确而严重的不利影响；此外，沙尘天气造成的风蚀土壤、破坏植被、掩埋农田等还会加剧沙尘天气的发生和发展(叶笃正等，2000；陈辉等，2012; 徐文帅等，2012; 王天舒和牛生杰，2017)。在春季，我国华北、黄淮、江淮以及东北地区南部经常受到沙尘天气的侵袭，沙尘气溶胶特征一直以来都受到广泛关注(全林生等，2001；陈广庭，2001；杨东贞等，2002)。影响华北特别是北京的沙尘天气会引起社会的更大关注，多年来很多学者对影响北方地区沙尘天气的源地、发生的主要季节和传输路径等进行过分析, 并对沙尘的高空传输和沉降特性进行了总结(杨东贞等，1991；张志刚等，2007；张钛仁等，2012；贺哲, 2012；张亚妮等，2013；徐文帅等, 2014)。

沙尘天气出现时的气象条件一般为，前期大气层结稳定，有较强的逆温层，不利于污染物扩散；随着冷锋过境，沙尘伴随大风到达，低空出现急流，边界层各气象要素有利于污染物的扩散；在沙尘天气影响时段，呈现PM₁₀浓度上升速度远大于PM_2.5浓度上升速度的变化特征(张强和王胜，2005；孙建华等, 2003；延昊等, 2006；彭珍等，2007；李国翠等，2007)。在沙尘暴天气多发的我国西北地区，很多学者进行了大量的深入研究，分析了沙尘的粒子谱、光学特性、化学组分等，还通过分析空气动力学特征得出了大气水平、垂直螺旋度等参数，使得沙尘天气的预报有了很多参考(杨东贞等，1995；牛生杰和孙照渤，2005；李岩瑛等，2008；李岩瑛和张强，2012；韩兰英等，2012)。近些年新型观测仪器如星载激光雷达、激光空气动力学气溶胶粒子谱仪和激光云高仪等的应用，使得对沙尘的垂直分布特征以及沙尘的高空传输有了很好的研究(牛生杰等，2013；姜学恭等，2014；钱莉等，2015；郭伟等，2016)，但应用于预报业务的却非常有限。尽管研究人员使用多种方法对影响空气质量的沙尘天气进行了大量研究，同时使用区域或全国的沙尘模式对沙尘过程进行模拟研究(赵琳娜等，2002；康凤琴等, 2009; 王益柏等, 2009；赵建华等，2009；黄乾等，2012)，但这些研究仍大多集中于沙尘直接输送对空气质量影响等方面，针对外来沙尘随着气流经过后又回流的二次影响研究非常少。

2015年3月27—30日华北、黄淮等地出现了沙尘天气过程，这次沙尘天气过程具有影响范围广、局地能见度偏低、空气污染等级高、沙尘与霾交替、沙尘粒子在过程后期自南向北回流传输出现等特点，沙尘路径变化和沙尘回流传输等复杂现象使得预报十分困难，同时对预警发布提出了很高的挑战。本文利用常规气象观测资料、环境观测资料和欧州中期天气预报中心预报模式(以下简称EC模式)、亚洲沙尘模式(CUACE/Dust)等资料和预报结果，对这次沙尘天气过程的天气形势、形成原因和模式预报等结果进行了分析，着重研究沙尘回流发生的天气形势和移动路径，比较沙尘正面输送与回流之间的差异，探究沙尘回流过程中的传输规律，以期为更好地服务于空气质量预报和沙尘天气预报预警工作提供经验。

1 沙尘概况及预报 1.1 沙尘概况

受较强冷空气影响，2015年3月27—30日内蒙古中东部、黑龙江南部、北京、天津、河北、河南、山东、江苏等11省(区、市)出现了沙尘天气过程，沙尘影响面积达110万km², 其中华北、黄淮等地能见度普遍低于8 km。这次沙尘天气过程具有沙尘范围广、能见度偏低、空气污染等级高、沙尘与霾交替、沙尘粒子在过程后期自南向北回流传输出现等特点。27日，内蒙古中部地区出现扬沙浮尘天气，但PM₁₀浓度较低(图 1a)。28日，受偏北气流影响，随上升气流进入高空的沙尘向南输送后出现沉降，导致华北、黄淮等地出现大范围沙尘天气, 部分地区PM₁₀浓度超过350 μg·m^-3(图 1b)；而后，东北地区中南部、华北、黄淮等地出现大范围能见度不足5 km的霾。29—30日受偏南风影响，传输至华北南部、黄淮、江淮东部等地的沙尘出现了罕见的回流输送现象，北京、河北等地在出现霾的同时再次经历沙尘天气，首要污染物为PM₁₀(图 1c和1d)。本次沙尘天气过程起源于蒙古国和我国内蒙古中部以及东北地区西部等地，受偏北气流引导，影响西北地区东部、华北大部、东北地区南部、黄淮和江淮东部等地，属于偏北路径型沙尘天气过程。

从京津冀主要城市PM₁₀浓度时间序列图来看，北京沙尘浓度的最高时段在3月28日07—14时，PM₁₀峰值浓度接近1000 μg·m^-3，28日18时至29日06时，PM₁₀稳定在约100 μg·m^-3，29日08时开始，PM₁₀浓度再次突然上升，在29日12时，PM₁₀浓度达到531 μg·m^-3，这是由于偏南风将华北南部、黄淮等地的沙尘向北回流传输再次经过北京造成的。天津的PM₁₀峰值浓度出现时间较北京晚约2 h，但从28日13时至29日03时天津的PM₁₀浓度持续在500 μg·m^-3以上，持续时间比北京长很多，PM₁₀浓度于29日05时下降至250 μg·m^-3附近后，在12时开始回升，至16时再次达到峰值350 μg·m^-3，可见天津受沙尘回流影响比北京小(图 2a)。徐州、连云港、淮安、盐城、宿迁等地PM₁₀浓度突然上升的时间比较一致，3月29日10时附近上述五城市的PM₁₀浓度突然上升，于13时附近达到峰值，浓度为400~800 μg·m^-3，这些城市的PM₁₀峰值浓度较北京、天津要小很多(图 2b)。

1.2 实时预报结果

本次过程从3月26日开始进行重点预报，预报结果不断被调整，直至4月1日过程结束。3月26日，中国气象局上报的《重大气象信息专报》第11期中明确预报出“27日夜间至28日白天北京将有扬沙或浮尘”。3月26日18时，中央气象台发布沙尘暴蓝色预警，此后持续发布沙尘暴蓝色预警直至27日18时解除沙尘暴蓝色预警。3月30日18时，中央气象台再次发布沙尘暴蓝色预警。至4月1日06时解除。北京的预报服务情况是，3月27日17时，北京市气象台向公众发布预报指出：27日夜间到28日有沙尘天气；28日10时，北京市气象台发布沙尘蓝色预警信号，下午16时解除沙尘蓝色预警；29日11时，北京市气象台再次发布沙尘蓝色预警信号，在30日08时解除沙尘蓝色预警。

3月26日对本次沙尘过程的预报结论是：26—28日，受冷空气和蒙古气旋共同影响，西北及华北北部将有一次大风沙尘天气过程。新疆南疆盆地、内蒙古中西部、甘肃河西、宁夏北部、陕西北部、华北北部将有扬沙或浮尘，其中新疆南疆盆地东部、内蒙古西部局地有沙尘暴。可见，在本次过程最初的预报中，只考虑了内蒙古中西部、甘肃河西、宁夏北部等地的沙尘天气向华北、黄淮等地的输送，而实况显示这一路径的沙尘对华北、黄淮等地后几天的沙尘天气影响非常小(图 3a)。3月27日的预报将27日08时至29日08时的沙尘暴和扬沙浮尘的落区向西调整，但对华北、黄淮等地的沙尘天气预报不够准确(图 3b)。

3月28日预报28日08时至29日08时沙尘天气影响华北北部地区，之后逐渐减弱消失。从实况来看，对沙尘天气的范围预报严重偏小。并且，预报员对29日之后的沙尘天气回流现象，没有做出准确预报(图 4)。

2 地面形式演变特征

从2015年3月28日08时地面天气图(图 5a)可以看到，较弱的东北气旋快速东移，带下一股冷空气，从东北地区中南部到华北、黄淮西部有一明显冷锋，等压线密集，气压梯度大，冷锋后部有较强西北风，是沙尘天气侵袭华北、黄淮地区的主要原因。该冷锋移动和减弱的速度很快；28日20时上述范围气压梯度减弱，地面风速同时减弱(图 5b)。29日原东北气旋快速东移减弱，在偏北地区又生成一个新的蒙古气旋且东移速度也很快，气旋后部的冷高压快速东移，同时北缩减弱(图 5c)，位于河套地区的低压发展加强，表明这里的暖空气活跃，低压前部到出海高压后部盛行一支较强的南风(图 5d)，导致华北南部、黄淮等地的沙尘向北回流传输再次影响河北中部、北京、天津等地。预报员对这种天气形势的快速变化预计不力，加之受数值预报结果的影响，致使对天气形势特别是地面风速的快速转变没有较好把握。

3 数值预报结果分析 3.1 EC模式对10 m风场的预报分析

由EC模式3月26日08和20时及27日08时分别起报的28日08时10 m风场(图 6)对比可以看到，内蒙古中部有比较一致的较强西北风，但进入河北北部后风速迅速减小，预报员考虑从内蒙古西部和蒙古西部输送的沙尘颗粒，经过长距离的传输和沉降，沙尘浓度会有大幅度的降低，加之到河北北部后风速减小传输作用减弱，由此路径而来的沙尘对华北、黄淮的影响会较小，故对28日华北、黄淮可能产生沙尘天气的可能性没有引起足够重视。但是，在内蒙古中部偏东和河北北部的位置，EC模式3月26日08时起报的28日08时10 m风场风速较小，而26日20时和27日08时起报的28日08时10 m风场向偏强方向调整，从27日20时起报的28日08时10 m风场中看到，此处的10 m风速并没有达到非常强的情况(图 6d)。28日影响华北、黄淮等地的沙尘天气主要是经过高空传输经过此区域到华北、黄淮等地突然“空降”的沙尘。

3.2 CUACE/Dust对沙尘天气的预报分析

CUACE/Dust是中国气象局环境气象中心对沙尘天气预报业务的一个重要参考，该模式综合了排放，干、湿沉降和其他大气动力过程建立分粒径多组分气溶胶模型，并使用中国气象局地面观测数据和中国地球同步卫星数据结合的同化系统(Gong and Zhang, 2008)，每日两次提供24、48和72 h的亚洲区域沙尘天气预测，在与地面气象观测资料的检验后，24 h预报的TS评分可以达到0.31，48和72 h分别为0.23和0.21(Zhou et al，2008)。由亚洲沙尘模式2016年3月25日20时起报(3月26日早间使用)的地面沙尘浓度分布图(图 7)可以看到，27日下午至夜间，内蒙古西部出现的较大范围的沙尘浓度高值区(图 7a)，至28日早上影响甘肃东部、宁夏北部、陕西北部、山西、北京、天津、河北、河南北部等地。经过程结束后的检验，此时次起报的28日沙尘浓度考虑了对华北地区的影响，但是与实况的影响路径有误，对黄淮等地的沙尘天气也无有效的预报结果(图 7b)。

CUACE/Dust2016年3月26日20时起报(3月27日早间使用)的地面沙尘浓度分布图显示，亚洲沙尘模式对27日下午至夜间内蒙古西部的沙尘浓度向低的方向调整，相应地对28日华北、黄淮等地的沙尘天气调整为影响很小(图 8)。这样的模式调整对预报员造成一种错觉，认为沙尘天气不会在28日对华北、黄淮等地产生较为明显的影响。但是模式对正北路径沙尘的漏报，引导预报员忽略了对此路径沙尘影响的考虑，致使对28日华北、黄淮等地大面积沙尘天气预报偏弱。

4 拉格朗日混合单粒子轨道模型后向轨迹分析

拉格朗日混合单粒子轨道模型(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory model，HYSPLIT)是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式, 已经被广泛地应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散的研究中。使用HYSPLIT-4模型分别对3月28日13时和29日13时100、500和1000 m高度的污染物进行后向轨迹分析(图 9)，其中气象数据使用的是NCEP GDAS再分析资料。

北京第一次PM₁₀峰值对应的时次在3月28日13时，使用HYSPLIT模型对该时次的污染物进行后向轨迹分析，可以看到这个时次的沙尘主要是在27日08时附近从蒙古国东南部近地面大风吹起的沙尘，随着上升气流升至高空，输送至我国境内，经过内蒙古中部和河北北部，沙尘在28日08时之后随着下沉气流，沉降至北京(图 9a)；而北京第二次PM₁₀浓度峰值对应的时次在29日13时使用HYSPLIT模型对该时次的污染物进行后向轨迹分析，可以看到这个时次的沙尘主要是在28日上午近地面开始传输而来(图 9b)。

5 沙尘回流和混合污染

29日早晨，沙尘污染物已经传输至华北东南部、黄淮东部和江淮东部等地，此时上述大部分地区10 m风速小于2 m·s^-1, 处于静风状态，霾天气开始有所发展。29日中午上述地区出现持续的偏南风，沙尘等污染物向北传输至华北中南部，出现了罕见的沙尘回流输送现象(图 10)。

华北中南部的主要沙尘天气出现在28日白天，夜间随着沙尘颗粒物的向南输送，PM₁₀浓度和PM_2.5浓度均有明显下降，空气质量以优或良为主。29日上午华北中南部污染物浓度再次上升，在PM_2.5上升的同时，PM₁₀浓度上升也尤为明显，特别是在29日12时，PM₁₀浓度达到531 μg·m^-3，PM_2.5浓度为139 μg·m^-3，可见粒径较大的沙尘颗粒物在总颗粒物中占的比例更大一些。29日首要污染物为PM₁₀，所以在这一沙尘和霾的混合型污染天气中，沙尘污染占主要地位(图 11)。

6 结论与讨论

通过对2015年3月27—30日华北、黄淮等地沙尘天气过程的分析，可得到以下主要结论和启示：

(1) 在沙尘天气的预报中，要密切关注数值模式对风场、沙尘落区、强度和输送路径的预报结果调整的缘由。在本次沙尘天气的预报过程中，数值模式对西北路径沙尘输送的动力条件向减弱调整，则使沙尘对华北、黄淮等地影响较小；但不能忽略北方路径沙尘的动力传输条件，否则对北方路径的沙尘天气过程容易漏报。

(2) 在此次沙尘天气过程中，源于蒙古国东南部戈壁沙漠的沙尘被大风扬向空中，并沿空中偏北大风经内蒙古中部偏东地区及河北北部地区顺势南下，而后沉降在华北、黄淮等地区。因高空、地面风场的差异，导致地面观测的沙尘天气沿路径方向有不连续性，易于造成对沙尘天气在地面观测中中断的现象，误以为沙尘天气结束了。故在沙尘天气的预报中，应注重于对近地层风场、沙源地和重点服务保障区域之间的高空风场进行分析和监测，同时分析逐层大气的垂直运动状况，了解沙尘的动力传输条件。

(3) 在偏北大风携带沙尘东移南下时，要关注风场的突然变化，尤其是春季的偏南大风会造成沙尘向北回流输送，致使沙尘天气再现。此外，PM₁₀浓度是区分沙尘和霾的一个好的辨识量，首要污染物指示出污染物中的主要成分，对污染源的分析及污染预报可提供一些参考依据。特别是在霾天气的同步发展时更容易造成对沙尘天气的忽略，所以春季应通过PM₁₀和PM_2.5浓度的同时检测来辨识沙尘、霾及混合型天气，通过首要污染物是否为PM₁₀来判断主要污染类型。

另外，由于本文着重分析了沙尘天气对华北、黄淮等地影响的传输路径、沙尘回流等特征，总结了沙尘天气对非沙源地区域影响的预报预警经验，而对沙源地的起沙环境、起沙机制等分析不够深入，所以在今后的沙尘天气过程预报预警和总结分析中还应加强对我国西北地区、蒙古国等沙源地气象条件的分析。