利用星载和地基激光雷达分析2019年5月东亚沙尘天气过程

黄悦 陈斌 董莉 张芝娟

1 兰州大学大气科学学院，兰州 730000

2 太原理工大学环境科学与工程学院，太原 030000

1 引言

气溶胶是影响地球辐射收支平衡的主要因子之一，气溶胶通过吸收和散射作用直接改变地表辐射平衡（Twomey, 1977），即“阳伞效应”；另外，气溶胶也可以作为云凝结核参与云微物理过程，间接影响天气过程，称为“间接效应”（Albrecht,1989）。IPCC第五次评估报告指出，气溶胶部分抵消了混合温室气体的辐射强迫，是气候变化中最不确定的部分（张华和黄建平, 2014）。沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，其主要成分为矿物气溶胶（车慧正等, 2005），与颗粒物浓度及空气质量密切相关（王式功等, 2011; 石广玉等,2018）。苏婧（2010）定量计算研究中国西北地区沙尘气溶胶辐射强迫作用，发现在地表沙尘气溶胶的辐射强迫出现很大的负值。张丁玲等（2012）的研究表明，沙尘气溶胶对青藏高原上空的云辐射强迫产生影响。

自1993年甘肃金昌发生特强沙尘暴后，国内关于沙尘天气的研究逐渐增多（钱正安等, 2002）。钱正安等（1997）对比分析了中国、美国和苏丹的强沙尘天气特征，得到中国西北强沙尘天气的爆发是水汽条件差，以及地面冷锋共同作用的结果。西伯利亚上空干冷极地大陆性气团是否造成东西向风经过沙源区是导致中国春季沙尘暴是否多发的主要原因（柳中明等, 2004），影响中国北方特强沙尘暴的环流系统主要包括纯强干冷峰型、蒙古气旋与干冷锋混合型、蒙古冷高压南部倒槽型和干飑线与冷锋混合型四种（刘景涛等, 2004）。除天气系统的影响之外，沙尘暴活动的频发与人类活动也密切相关（王涛等, 2001）。全球变暖的影响下，土地不合理利用导致沙尘天气频发（叶笃正等, 2000; 钱正安等, 2004, 2006）。19世纪中期到20世纪初，中蒙地区的沙尘暴活动呈现波动变化的特征，并且中蒙中、东及西区三区系的变化完全不同，除此之外，沙尘粒子还具有重要的气候和环境效应（石广玉和赵思雄, 2003）。

随着激光雷达技术的日渐成熟，利用激光雷达（包括地基和星载激光雷达）对沙尘气溶胶的研究也逐渐增多。利用星载激光雷达资料，可以反演得到大气中云和气溶胶的信息（Liu et al., 2008, 2014;Chen et al., 2010, 2014; Zhou et al., 2013; Huang et al., 2010, 2015）。有研究表明，大气中气溶胶的光学参数以及颗粒物浓度是边界层高度的函数（Nicolás et al., 2019）。此外，在水平尺度上，星载激光雷达还能够较好地反应沙尘气溶胶传输过程；在垂直方向上，能够反应沙尘气溶胶的辐射特性随高度变化的特征（陈勇航等, 2008, 2009）。如中国西北沙尘气溶胶在青藏高原的抬升作用下，借助西风急流传输至太平洋区域（Huang et al., 2008），夏季传输至中国东部的沙尘气溶胶中，13.4%通过高空跨越至北美地区（王文彩, 2013），从而对全球天气和气候产生影响。而利用日本葵花静止气象卫星发现，对于这种高海拔、远距离的沙尘传输，植树造林对空气质量改善的效果不大（Guo et al.,2019）。另外，基于星载激光雷达数据，结合气象要素和后向轨迹模型，可以有效判别大气中的气溶胶类型（陈晓磊和金莲姬, 2018）。基于卫星数据和土地利用数据，第一次计算得到沙尘气溶胶中的人为排放占25%，沙尘气溶胶的排放受气候变化影响，同时又会影响气候变化（Ginoux et al., 2001,2012）。

除星载激光雷达外，利用地基激光雷达资料对于气溶胶的研究也有很多。Shimizu et al.（2004）等利用地基激光雷达在中国和日本的连续观测资料，发现北京地区的沙尘气溶胶多高达4 km，并且部分传输至日本福冈站点。东亚地区的自然沙尘气溶胶来源靠近城市和工业区，也是世界上人为气溶胶浓度最高的地区（Sugimoto et al., 2014）。祝存兄（2015）利用中国气象局南京综合观测基地的微脉冲激光雷达反演得到的消光系数和退偏比数据，监测到南京地区一次沙尘天气的爆发和消散动态。邓梅（2015）对北京地区沙尘天气下的退偏比等气溶胶光学参数进行分析，得到沙尘天气下，北京地区的气溶胶Angstrom指数平均值较小。高兴艾（2018）利用SACOL站点的双偏振激光雷达数据对气溶胶的退偏比等光学参数进行分析，发现沙尘天气期间吸收性气溶胶质量浓度显著增加，峰值出现在08:00和20:00左右（协调世界时，下同）。沙尘气溶胶在地中海西南部的传输过程中，气溶胶的散射特性以及PM10浓度变化，受撒哈拉沙漠的沙尘气溶胶传输影响，在暖季，地中海地区气溶胶浓度较大（Nishizawa et al., 2017）。除固定的地基雷达外，柴文轩等（2019）利用车载激光雷达对京津冀地区的沙尘气溶胶进行走航观测，实现对沙尘天气过程中各颗粒物的实时观测。范仕东（2018）利用船载激光雷达（搭载有一台双波长弹性散射偏振激光雷达）对上海至武汉长江流域上的大气颗粒物的分布进行研究，为多层次理解气溶胶污染提供了帮助。

现有的对于沙尘气溶胶的研究，多集中于单一的星载或地基激光雷达对沙尘天气过程中沙尘气溶胶的光学性质进行分析，本文同时利用了星载和地基激光雷达数据进行综合分析。首先，利用星载激光雷达CALIOP数据，分析了此次沙尘天气过程中气溶胶光学性质的垂直分布特征，以及沙尘气溶胶的时空分布和三维结构特征；并结合亚洲沙尘和气溶胶激光雷达观测网AD-NET的数据对传输至日韩等太平洋地区的沙尘进行分析和定量表述，同时比较和分析了星载激光雷达CALIOP和地基激光雷达的表观散射比；另外，利用欧洲中心提供的气象要素数据分析了沙尘天气成因，利用国家环保局提供的空气质量数据分析了此次沙尘天气过程对空气质量的影响。

2 数据和方法

2.1 数据

2.1.1 卫星数据

1998年，美国宇航局与法国国家空间研究中心合作开始实施“云—气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测”（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，简称CALIPSO）计划，CALIPSO卫星搭载的正交偏振云—气溶胶偏振雷达CALIOP是世界上首个应用型的星载云和气溶胶激光雷达，具有三个接收通道（1064 nm波长、532 nm波长垂直及平行通道）。CALIOP采用Nd:YAG激光器，能够同时发射532 nm波长和1064 nm波长的激光脉冲，其脉冲能量均约为110 mJ，重复频率为20.16 Hz（Winker et al., 2004, 2007）。

本文使用的是CALIOP Level 1提供的532 nm波长总衰减后向散射系数、532 nm波长平行通道的衰减后向散射系数和1064 nm波长衰减后向散射系数，Level 2的垂直特征层分布产品和5 km分辨率的气溶胶廓线产品。其中Level 1数据在海平面至8 km的高度上，水平分辨率均为333 m，532 nm波长和1064 nm波长数据的垂直分辨率分别为30 m和60 m。

2.1.2 空气质量数据

2013年起，国家环保部在实施《环境空气质量标准》（GB3095-2012）后，在其官方网站公布了90余城市的包括PM2.5、PM10在内的空气质量数据。

本文采用了O3、NO2、PM2.5、PM10、SO2、AQI、CO等七个指标的空气质量数据。

2.1.3 中国地面气象站逐小时观测资料

中国国家级地面站小时观测数据包括包括气温、气压、相对湿度、水汽压、风、降水量等要素，所有数据均经过质量控制。

本文使用的是国家气象信息中心提供的小时天气现象观测数据。

2.1.4 ERA-Interim数据

基于2006年发布的集成预报系统IFS（Integrated Forecasting System），发展了生成ERA-Interim数据的资料同化系统。ERA-Interim数据提供了1979年至2019年8月31日的全球大气数据，数据分为再分析数据和预测数据，其中前者时间间隔为6小时，后者为3小时。

本文采用的数据为海平面、850 hPa和500 hPa高度的全球再分析大气数据，数据空间分辨率为0.25°×0.25°。

2.1.5 AD-Net数据

激光雷达网（AD-Net）是世界气象组织WMO（World Meteorological Organization）全球大气观测计划（Global Atmosphere Watch Implementation Plan，简称GAWIP）的亚洲观测部分（Sugimoto et al., 2008）。其主要目的是实现对亚洲沙尘气溶胶和其他类型气溶胶的连续观测，用于研究气溶胶对东亚环境的影响。观测网的激光雷达主要采用Nd：YAG激光器，其脉冲能量为20 mJ，重复频率为10 Hz。

本文采用了AD-NET提供的532 nm波长和1064 nm波长后向散射系数数据和气溶胶消光数据，用于分析地基站点沙尘气溶胶的垂直分布特征以及与星载激光雷达数据的对比验证。

2.2 HYSPLIT轨迹模型

HYSPLIT模型是由美国国家大气海洋管理局开发的用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。模型主要通过输入气象要素场以获取污染物在全球的输送和扩散方式。

本文使用HYSPLIT输入的初始场为美国国家环境预报中心的全球资料同化系统的小时气象要素数据。

3 结果与分析

3.1 CALIOP激光雷达数据分析

CALIOP Level 1B数据中提供了532 nm波长总衰减后向散射系数β532total、532 nm波长垂直衰减后向散射系数β532⊥、1064 nm波长衰减后向散射系数β1064，β532total、β532⊥、β1064的单位均为km-1sr-1，通过公式：

可以计算得到532 nm波长平行通道的衰减后向散射系数β532//以及表征气溶胶粒子光学特性的体积退偏比和色比。上述式中，VDR（532 Volume Depolarization Ratio）表示532 nm波长退偏比，CR（Color Ratio）表示色比，一般来说，将衰减后向散射系数位于0.0008～0.0045 km-1sr-1的颗粒判断为气溶胶（Omar et al., 2009; Mielonen et al.,2009）；体积退偏比用于表征粒子的非球形程度，体积退偏比较大的粒子通常认为是沙尘、海盐气溶胶以及冰云，因此，通常将位于内陆地区，存在的高度较低且退偏比较大的气溶胶判断为沙尘；色比则用于表示粒子大小，其值越大，粒子越大

对CALIOP数据进行水平方向3 km、垂直方向1 km的平滑处理以减小星载激光雷达的信号噪声。通过处理后的532 nm波长衰减后向散射系数、体积退偏比和色比，可以对此次沙尘天气中气溶胶的光学特性以及垂直分布进行分析。如图1，给出了2019年5月10日、5月12～16日532 nm波长总衰减后向散射系数、体积退偏比和色比的分布图。5月10日，在新疆哈密、甘肃敦煌和青海省中部地区，有明显的高浓度沙尘气溶胶粒子存在，主要存在于地表至6 km的较低高度上，衰减后向散射系数平均值为0.0024 km-1sr-1，体积退偏比平均值为0.22，色比平均值为1.30；12日，沙尘气溶胶进一步向东传输，在内蒙古西部和甘肃省北部地区，探测到少量沙尘气溶胶，在传输过程中，退偏比和色比值分别减小31.59%和2.35%。13日至16日为第二次东向传输过程，13日，在新疆、甘肃北部和青海东部地区地面到7 km的高度上探测到更深厚的沙尘气溶胶粒子，532 nm波长衰减后向散射系数、体积退偏比和色比平均值分别为0.0023 km-1sr-1、0.25、1.31；14日，内蒙古中部探测到的沙尘气溶胶粒子的体积退偏比减少5.65%，色比减小5.58%；15日，在地面至4 km高度的东北地区探测到的沙尘气溶胶粒子的退偏比和色比值与13日相比分别增加了20.18%和5.51%；16日在日本中部地区，显示出较高浓度的沙尘气溶胶粒子，退偏比在0.1～0.3之间，平均值为0.14；色比在0.6～2.0之间，平均值为1.29。可以看到，这些沙尘气溶胶粒子有明显的向东传输。

图1 2019年5月10日（第一行）、5月12日至16日（第二至六行），星载激光雷达CALIOP的532 nm波长总衰减后向散射系数（左列）、体积退偏比（中间列）和色比（右列）的垂直剖面图。黑色实线代表地表高度，图中矩形框圈出的区域：新疆哈密（第一行）；敦煌和青海中部（第二行）；内蒙古西部和甘肃省北部（第三行）；新疆、青海东部和甘肃北部（第四行）；内蒙古中部（第五行）；太平洋地区（第六行）Fig. 1 Vertical distributions of the 532 nm total attenuation backscatter coefficient (left column), volume depolarization ratio (middle column), and color ratio (right column) from CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) on May 10th (first line) and May 12th to 16th in 2019(second line to sixth line). Black line shows the surface elevation, and the areas in the black rectangles: Hami, Xinjiang Province (top line); Dunhuang and the central Qinghai Province (second line); western Inner Mongolia and northern Gansu Province (third line); Xinjiang Province, northern Gansu Province and eastern Qinghai Province (fourth line); central Inner Mongolia (fifth line); the Pacific Ocean (bottom line)

在10～12日有第一次小范围东向传输，在内蒙古中部和甘肃省地区探测到沙尘气溶胶，沙尘气溶胶在传输过程中体积减小；13～16日的东向传输过程中，14日，在内蒙古中部探测到沙尘气溶胶，15日，沙尘气溶胶在经过沙源蒙古中部戈壁后，在东北地区探测到的沙尘气溶胶粒子变大，与14日相比，色比值增加5.51%。16日，在太平洋地区的日本中部，探测到明显沙尘气溶胶。

图2给出了图1对应地区的垂直剖面。5月10日，在新疆北部区域2～6 km的高度上以纯沙尘气溶胶为主，在青海省中部地表至6 km的高度上存在显著沙尘气溶胶，同时均伴随有少量的污染沙尘气溶胶；而12日，蒙古西侧、甘肃省北部至青海中东部地区，探测到大范围纯沙尘气溶胶，其高度仍然分布在地表至6 km范围内；在13日至16日，气溶胶进一步向东传输。在13日，内蒙古呼伦贝尔地区自地表至6 km有显著沙尘气溶胶存在，同时，在内蒙古锡林郭勒至山西区域，地表至4 km高度有明显沙尘气溶胶存在，其高度较低；14日，探测到的沙尘气溶胶显著减少，在吉林延边区域低层探测到多种类型气溶胶的混合物，在高层，则以纯沙尘气溶胶为主，低层则以污染沙尘气溶胶为主；15日，甘肃北部酒泉至青海东部地区，地表至8 km高度上均存在大量纯沙尘气溶胶，同时在东北吉林地区近地面也探测到显著沙尘气溶胶；16日，在西风急流的带动下，日本北海道西侧海洋，日本海至冈山区域2～6 km的高度上有显著沙尘气溶胶，而在地表至2 km的高度，主要以清洁海洋型气溶胶为主，清洁大陆型和其他类型的混合物次之。与图2得到的结论一致。

图2 2019年5月（a）10日、（b-f）12日至16日，CALIOP雷达气溶胶类型的垂直剖面（图例中图例中1=未确定，2=清洁海洋型，3=沙尘，4=污染大陆型/烟尘，5=清洁大陆型，6=污染沙尘，7=抬升烟尘，8=海洋性沙尘，黑色实线代表地表高度）Fig. 2 Vertical distribution of aerosol type from CALIOP on (a) May 10th and (b-f) May 12th to 16th in 2019 (1=not determined, 2=clean marine,3=dust, 4=polluted continental/smoke, 5=clean continental, 6=polluted dust, 7=elevated smoke, 8=dusty marine, black lines shows the surface elevation)

3.2 地基激光雷达数据分析与对比

AD-NET地基激光雷达数据垂直分辨率为6 m，时间分辨率为15 min，探测高度为地面至18 km。主要数据包括1064 nm波长和532 nm波长处的衰减后向散射系数和532 nm波长的体积退偏比，衍生数据还包括球形粒子以及沙尘气溶胶的消光系数。

为比较AD-NET数据和CALIOP数据对于特征层识别的准确性，通过筛选，在沙尘天气前后，得到一条距离AD-NET地基激光雷达站点仅33 km的一条轨迹（图3），过境时间为5月10日04:17（协调世界时，下同），该地基激光雷达站点为日本长崎站点。同时，选取了距离长崎站点较近的韩国济州岛站点，站点距离为358 km，以比较两个站点沙尘气溶胶对总的气溶胶贡献的差异。

CALIOP数据在白天信噪比较低，因此对CALIOP观测得到的532 nm波长衰减后向散射系数进行水平方向10点平滑，即3 km平均，和垂直方向上1 km的平滑处理。由于地基激光雷达数据本身为15 min的平均值，因此，仅对其在水平方向上三点平滑，即45 min平均，垂直方向上做1 km平滑处理。

为消除星载和地基激光雷达之间不同的大气分子透射效应带来的差异，利用Kim et al.（2008）提出的表观散射比Rapp（Apparent scattering ratio）进行比较，公式表示为

式中，β(z)为高度z上大气的后向散射系数，zref为瑞利散射高度，即Rapp(zref)＝1，αaer为气溶胶和云粒子的消光系数。Rapp只与大气气溶胶和云粒子有关，可以消除星载和地基激光雷达之间不同的大气分子透射效应带来的差异。

图3 CALIPSO卫星经过日本地基雷达站点长崎的轨迹（五角星标记为长崎站点，实心圆标记为匹配到的最近的韩国站点）Fig. 3 Tracks of CALIPSO satellite passing over the Nagasaki groundbased lidar stations in Japan (the star represents the Nagasaki station,and the filled circle shows the nearest station in Korea to Nagasaki)

气溶胶和云层约束的时空变异性使CALIOP产品的验证与地面站仪器的直接比较变得非常复杂。通过公式（3）计算得到只与气溶胶和云粒子有关的表观散射比Rapp，以在比较两种数据时，消除星载和地基激光雷达之间不同的大气分子透射效应带来的差异。

图4显示了CALIPSO卫星与长崎站点地基激光雷达的532 nm波长退偏比值以及表观散射比的对比。2019年5月10日，CALIPSO在地面的轨迹距离长崎站点最近距离为33 km。CALIOP数据和地基激光雷达的衰减后向散射数据廓线均在6 km高度上均探测到云的存在，如图4a、b，同时CALIOP探测到的云顶高度更高，AD-NET地基激光雷达探测到的云底高度更低。图4c中的衰减后向散射系数廓线同样显示出这一信息。地基激光雷达在卫星过境前8～9 km的高度上，探测到气溶胶粒子或薄云，在计算得到的表观散射比数据中，可以在8～9 km高度看到数据峰值。

图4 2019年5月10日（a）CALIOP雷达和（b）日本长崎地基激光雷达数据的532 nm衰减后向散射系数的垂直分布，及CALIOP雷达和日本长崎地基激光雷达数据的（c）衰减后向散射系数和（d）表观散射比的比较。（a）中的竖实线表示CALIPSO卫星轨迹距离长崎站点最近的位置，（b）中的竖实线表示CALIPSO卫星过境时间，（c、d）中黑色和红色实线分别表示地基和星载激光雷达数据Fig. 4 The vertical distribution of the attenuated backscatter coefficient from (a) the CALIOP and (b) the ground-based lidar at Nagasaki station, the comparison of the 532 nm (c) attenuated backscatter coefficient and (d) the apparent scattering ratio between CALIOP and the ground-based lidar at Nagasaki station on May 14, 2019. The solid black line in (a) shows the nearest position against the Nagasaki station. The solid line in (b) shows the closest time to the CALIPSO transit time. The black and red solid lines in (c) and (d) represent AD-NET (Asian Dust and aerosol lidar observation NETwork) and CALIOP, respectively

总之，CALIOP和地基激光雷达在探测到特征层，如气溶胶、云时，会显示出较为一致的结果，同时，两种数据在比较只与气溶胶粒子和云有关的表观散射比时，都很好的探测到了特征层，地基激光雷达探测到的特征层底部高度更低，星载激光雷达探测到的特征层顶部高度更高。

图5为2019年5月13日至5月19日在济州岛站点和日本长崎站点的气溶胶光学参数时间变化序列，包括532 nm波长衰减后向散射系数、1064 nm波长衰减后向散射系数、体积退偏比、沙尘消光系数和球形粒子消光系数。左列表示日本长崎站点，右列为行济州岛站点，两个站点相距358 km，站点海拔高度接近。图5左列也可以明显看出，5月15日和5月16日，在日本长崎站点，探测到较大的衰减后向散射系数和体积退偏比，而其二级产品沙尘和球形粒子消光系数，也显示出较大值，即探测到了沙尘气溶胶的存在。济州岛站点除5月16日为部分数据缺测外，可以看到，5月13日和15日期间，济州岛站点532 nm波长和1064 nm波长衰减后向散射系数较大，并且高度也较高，位于5～9 km。16日之后，大值区域的高度逐渐降低。图5c2也显示，在13日和14日济州岛站点的6～9 km高度，532 nm波长体积退偏比较大，对应球形粒子的消光系数也较大，同时反演得到的图5d2中的沙尘消光系数，在13日3～5 km高度，也明显高于前后日期的消光系数。

图5 2019年5月13～19日地基激光雷达站点长崎（左列）和济州岛（右列）的（a1、a2）532 nm波长衰减后向散射系数、（b1、b2）1064 nm波长衰减后向散射系数、（c1、c2）532 nm波长体积退偏比、（d1、d2）沙尘粒子消光系数和（e1、e2）球形粒子消光系数的垂直分布。日本长崎站点海拔高度为0.206 km，韩国济州岛站点海拔高度为0.035 kmFig. 5 Vertical distributions of (a1, a2) the attenuated backscatter coefficient at 532 nm, (b1, b2) the attenuation coefficient at 1064 nm, (c1, c2) the volume depolarization ratio at 532 nm, (d1, d2) the dust extinction coefficient, and (e1, e2) the sphere extinction coefficient at the Nagasaki station in Japan (left column) and Jeju station in Korea (right column). The altitudes of Nagasaki station and Jeju station are 0.206 km and 0.035 km, respectively

图6的5月15日的由风向风速计算得到的96 h气团的后向轨迹显示，在5～6 km的高度，影响日本长崎站点和韩国济州岛站点的气团主要经过新疆、甘肃以及内蒙古等沙尘源地，与图5中得到的，这两个站点在5 km及以上的高度上均探测到沙尘气溶胶的存在相一致。而影响这两个站点1 km一下的气团主要源于其周边的太平洋海域，同时图5e1、e2显示，在0～1 km球形粒子消光系数较大，即在长崎和济州岛站点较低层为海洋性气溶胶。

图6 2019年5月15日1～6 km长崎（右侧的星标）和2019年5月15日1～6 km济州岛（左侧星标）站点气团的后向轨迹分布Fig. 6 Distribution of the air mass’sback trajectories from 1 km to 6 km at the Nagasaki (the left star) and Jeju (the right star) stations on May 15, 2019

为定量描述此次沙尘天气对太平洋地区的影响，利用地基激光雷达数据中的沙尘气溶胶消光系数和总的气溶胶消光系数，计算沙尘气溶胶占总气溶胶的比例。如图7，在5月13～17日，从整体趋势来看，日本长崎站点和韩国济州岛站点沙尘气溶胶所占比重的变化具有相同的趋势，而5月17日对应为此次沙尘天气过程基本结束的日期。对比两个站点，从整体趋势和日平均比值来看，长崎站点沙尘气溶胶所占比重更大，其均值为42.16%，韩国济州岛站点为39.25%。受此次沙尘天气过程影响，在5月16日、17日，长崎站点沙尘比重显著增大。

图7 2019年5月地基激光雷达站点长崎（矩形虚线）和济州岛（三角形实线）探测到的沙尘占总气溶胶的比值，虚线代表对应站点的日平均占比Fig. 7 Percentages of dust detected by the ground-based lidar at the Nagasaki (square dotted line) and Jeju (triangle solid line) stations. The dashed lines show the daily mean dust percentages respectively at these two stations

3.3 沙尘天气对空气质量的影响

此次沙尘天气爆发原因，主要是受地面冷锋和蒙古气旋的共同影响。沙尘源区主要是蒙古国南部和南疆盆地。此次沙尘天气对中国西北、华北和东北等地的空气质量影响很大，颗粒物浓度，尤其是PM10浓度显著增加。5月9日，在新疆库尔勒地区的PM10浓度达到420 μg m-3，10日，兰州市气象台发布霜冻蓝色预警；11日，内蒙古中部、宁夏、甘肃省东北部、山西北部、河北省西北部等地均出现了7～8级阵风，局地9～10级，并且新疆北部、甘肃中东部和内蒙古中西部降温均超过6°C，最高降温16°C。

从PM10的浓度分布（图8）也可以看出，5月10日，PM10浓度在甘肃省大部分地区以及新疆吐鲁番、哈密等地区浓度达到400 μg m-3以上；11日，PM10浓度显著增长，在甘肃省临夏市突破1000，达到1148 μg m-3，全国PM10大值出现在甘肃省、青海省和宁夏，且均超过600 μg m-3；12日，PM10浓度最大值仍然在甘肃省临夏市，为673 μg m-3；次大值出现在青海省海东市和西宁市，分别为611 μg m-3和579 μg m-3；13日，PM10浓度在全国范围内有所下降，最大值仍在甘肃省境内。酒泉市最大值332 μg m-3；14日，西北地区PM10浓度又开始增加，最大值出现在甘肃省武威市，1596 μg m-3，是此次沙尘天气过程中出现的最大值；另外，甘肃省白银市达到1375 μg m-3；甘肃省金昌市达到1366 μg m-3；甘肃省张掖市1181μg m-3，均超过1000。15日，PM10浓度在全国范围内再一次下降，最大值依旧位于甘肃省境内。甘肃省金昌市PM10浓度最大，为461 μg m-3。

图8 2019年5月（a-f）10～15日PM10浓度的分布Fig. 8 Spatial distribution of PM2.5 concentration from (a-f) 10 May to 15 May, 2019

PM10浓度与PM2.5浓度的比值C(PM10)/C(PM2.5)可以用于表示颗粒物中粗粒子所占比例。由图9可知，5月10日，C(PM10)/C(PM2.5)比值在甘肃省酒泉市达到最大值9.5，新疆塔城、克拉玛依和甘肃嘉峪关的浓度达到6.5以上；11日和12日，C(PM10)/C(PM2.5)最大值均出现在新疆塔城；13日，甘肃省酒泉市C(PM10)/C(PM2.5)比值最大，达到6.14；14日，新疆博州比值最大，为7.89；15日，大值逐渐东移，在内蒙古呼伦贝尔获得最大值7.45。5月10日至15日，大气中粗粒子占比较高，即大气污染物主要是沙尘气溶胶。

图9 2019年5月（a-f）10～15日PM10浓度与PM2.5浓度的比值C(PM10)/ C(PM2.5)的分布Fig. 9 Spatial distribution of the ratio between the PM10 concentration and the PM2.5 concentration,C(PM10)/ C(PM2.5) from (a-f) 10 May to 15 May,2019

3.4 天气形势分析

从海平面气压场来看（图10），在5月10～12日，中国北部盛行西风，污染物主要在西风作用下向东传输。11日，内蒙古中部地区有一地面风场辐合线，在辐合线南侧的甘肃北部、内蒙古西部地区，出现沙尘暴天气。12～13日，中国北部地区地面风速逐渐降低，在蒙古地区出现低压。14日，低压中心南下，并且东移，中国北部在西北气流的影响下，再一次爆发沙尘天气，此次沙尘源地是新疆、宁夏地区。15日，低压中心移动到东北地区，地面较大风速与之配合，使得来自内蒙的沙尘南下，在东北爆发沙尘暴天气。

图10 2019年5月（a-f）10～15日12:00的海平面气压场（填色）、风场（矢量箭头）分布以及中国气象局观测到的沙尘天气（白色三叉标记）Fig. 10 Distribution of surface pressure field (shaded) and wind field (arrows) at 1200 UTC from (a-f) 10 May to 15 May, 2019, and the sandstorm weather (the white tri-left marker) observed by the Chinese Meteorology Agency (CMA)

图10中的沙尘天气显示，5月10～12日，第一次沙尘东移过程显著，从新疆地区经北部路线传输至内蒙古中部和东部地区。5月13～15日，第二次沙尘爆发，此次传输路径偏南，影响中国甘肃、陕西等地。

从12:00 750 hPa位势高度场和风场来看（图11），10日，在新疆北部、甘肃等地区风速达到30 m s-1，有利于将沙尘气溶胶从沙尘源地传输至下游地区；11日，沙尘气溶胶传输到达内蒙古、东北区域；12日至13日，在750 hPa位势高度场上，中国北方大部分地区盛行西风，使得沙尘气溶胶进一步向东传输，影响太平洋地区，同时在13日，在新疆、甘肃和内蒙交界处，出现一个小的低压中心；14日开始，低压中心加深东移，在内蒙古北部形成一更深厚的低压中心，从新疆西部向甘肃省北部、内蒙古中部逐渐东移，直至15日转移至黑龙江省西部，在整个过程中，主导冷空气逐步南下，使得甘肃省北部、内蒙古西部爆发沙尘暴天气。

图11 2019年5月（a-f）10～15日12:00的750 hPa位势高度场（填色）和风场（箭头）分布Fig. 11 Distribution of air pressure field (shaded) and wind field (arrows) at 750 hPa at 1200 UTC from (a-f) 10 May to 15 May, 2019

4 结论

通过CALIOP星载激光雷达观测到，在2019年5月10～16日，有两次沙尘天气过程。第一次为10～12日的小范围东向传输过程，从新疆地区传输至内蒙古中部地区，沙尘气溶胶在传输过程中退偏比和色比值分别减小31.59%和2.35%；13日至16日为第二次东向传输过程，从新疆地区、内蒙古中部，至东北吉林地区，最后到达日本中部，退偏比和色比平均值分别达到0.31和1.39。

星载激光雷达和AD-NET地基激光雷达数据的对比显示，两种数据在特征层识别方面具有一致性。通过亚洲沙尘观测网AD-NET地基激光雷达探测到的数据，证明沙尘气溶胶存在于日本和韩国的多个站点。通过日本长崎站点和韩国济州岛站点地基激光雷达数据，计算得到沙尘气溶胶消光系数对总气溶胶消光系数的贡献分别为42.16%和39.25%。

此次沙尘天气过程对我国北方空气质量，特别是PM10和PM2.5，产生很大的影响。特别是对甘肃省地区，临夏市在5月11日，PM10和PM2.5浓度分别超过国家一级浓度标准的11倍和4倍；之后内蒙古西部的小槽的加深以及南压，使得西北冷空气稳定南下，14日不稳定层结加深导致沙尘天气再一次爆发，甘肃境内最大PM10浓度和PM2.5浓度分别达到国家一级标准的32倍和9倍。