明 虎，王敏仲，刘新春，杨慧娟

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；3.中国民用航空西北地区空中交通管理局，陕西 西安 710082）

沙尘暴是干旱和半干旱地区常见的一种自然灾害天气，是大气运动和自然地理环境的综合产物[1]。沙尘暴的影响范围不仅是发生地，而是更大的区域甚至扩展到整个地球[2]。沙尘暴发生时，会使能见度下降，从而破坏交通和工业生产[3]。沙尘粒子悬浮在大气中，不但会造成大气质量下降影响人类的生活习惯和身体健康，还会影响太阳辐射平衡和云的生成[4-5]。因此，分析沙尘暴的特征和定量监测沙尘暴对防灾减灾、生态环境保护具有重要的科学和经济意义。

早在20世纪20年代国外就开始对沙尘暴成因、结构以及如何有效地监测和预报进行了研究[6]。Idso等[7]对沙尘暴的气候特征和平均风速等多方面进行了研究。Jauregui[8]对墨西哥城沙尘暴的时空分布也进行了系统研究，指出了沙尘暴在墨西哥的3月出现频率最大。Giannadaki等[9]、Ginoux等[10]先后分析了影响沙尘暴的要素，并将这些要素参数化进而建立了沙尘暴的模型。中国20世纪70年代开始对沙尘暴进行研究[11]，董庆生[12]在90年代系统分析了中国典型沙区中沙尘的物理特征，并得到了沙尘的粒子分布特点。游来光[13]等根据飞机观测的一次沙尘暴资料，分析得到了沙尘暴天气下大气中沙尘粒子空间分布特点及其微结构。虽然近几十年对沙尘暴的建模和预报有了一定的发展，但是由于受沙尘暴监测手段的限制，对沙尘暴定量监测和预报的效果都不是很好[14-15]。

卫星遥感和激光雷达是监测沙尘暴最主要的技术手段[16-17]。卫星遥感可以监测到沙尘暴的起源、空间分布和移动路径，但不能准确地获得沙尘暴的精细垂直结构特征、沙尘粒子浓度和沙尘质量浓度等定量特征[18]。激光雷达虽然可以得到沙尘天气过程中沙尘的空间分布结构和光学特征等信息，但由于发射功率较小，在强沙尘暴期间激光不能穿透整个沙尘暴剖面，无法进行准确探测[19]。

塔克拉玛干沙漠是中国最大的沙漠，也是沙尘暴频发的地区，刘新春[20]、王敏仲[21-22]等利用80 m铁塔资料、风廓线雷达等探测设备对该地区的沙尘暴进行了探测研究，并取得了一定成果，但沙尘暴的定量监测仍然是一个科研问题。为了准确得到塔克拉玛干沙漠沙尘暴期间粒子谱和沙尘质量浓度的实时定量变化特征，本文利用Grimm180粒子仪在2018年5月对发生在塔克拉玛干沙漠的沙尘暴进行了实时观测,并利用Grimm180粒子仪观测的数据，分析PM10、PM2.5的时间变化特征以及沙尘粒子谱和沙尘质量浓度谱的分布特征。这些特征可为以后定量研究沙尘暴提供一定的依据。

1 观测地点和设备

1.1 观测地点

塔克拉玛干沙漠位于北半球中纬度欧亚大陆腹地，坐落于中国新疆塔里木盆地中央，是亚洲最大的流动沙漠，面积达33.76万km2，占我国沙地总面积的1/2；北临天山山脉、南邻昆仑山、西邻帕米尔高原；地理坐标为39°00'N，83°40'E（图1a），海拔高度在1 100 m以上。塔克拉玛干沙漠植被很少，常年干旱少雨，在春季和初夏经常发生沙尘暴，对当地和附近地区的生活和环境造成了严重的影响；沙尘粒子向中、东部移动，到青藏高原后，会影响我国的气候变化。因此，实时定量监测该地区的沙尘暴对我国的防灾减灾和生态保护具有重要意义。本研究的试验地点位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区（图1b），该地区常年干旱少雨，沙尘暴频繁，植被稀疏，具有很好的塔克拉玛干沙漠地貌代表性。

图1 试验位置

1.2 观测设备和数据

本文主要采用的设备是德国GRIMM公司生产的Grimm180型粒子仪。该仪器有31个通道，利用激光散射原理可以精确地测量沙尘质量浓度和沙尘数浓度。Grimm180粒子仪的数据输出周期是1 min。实时输出的数据包括：沙尘质量浓度（PM10、PM2.5），每分钟1 L体积内的沙尘粒子直径＞0.25 μm的总个数和31个通道的粒子数（表1）。

表1 Grimm180粒子仪31个粒子通道

将Grimm180粒子仪安装在距地面高度1.5 m处，在5月20日15：40—16：30和5月24日14：50—17：30两次沙尘暴过程进行了连续观测。本文利用Grimm180探测的数据对沙尘粒子和沙尘质量浓度的变化特征进行分析。

2 结果分析

2.1 天气背景概括

塔克拉玛干沙漠沙尘暴的天气背景基本相同。从5月18日（图2a）和23日（图2c）08时500 hPa高度场风场图中可以得到，在西西伯利亚地区出现了低槽，其后部有较强的冷空气。随着时间的推移，槽线延西—东移动，并进一步发展加强，到20日（图2b）和24日（图2d）08时，在500 hPa的高度场可以看到槽线进入了塔中地区，高空主导风向也逐渐由西北转向西南，由于受到槽线东移的影响，地面风速增大，塔克拉玛干沙漠出现了沙尘暴。

图2 沙尘暴过程500 hPa风场和高度

为了进一步分析沙尘暴期间的大气结构特征，利用距离塔中最近的民丰探空站（代码51839，距离塔中约200 km，位于塔克拉玛干沙漠的南缘）2018年5月20和24日的探空资料得到T-logP图和风矢位温（V-3θ）图[23]。

由图3a可知，在5月20日20时，700 hPa以下大气较干，不稳定能量稍强，700~400 hPa水汽接近饱和，地面气温为20℃。从图3b的V-3θ也可以看出，在700 hPa以下大气较干，不稳定能量明显，700~400 hPa水汽接近饱和；200 hPa高空风速达40 m/s，强的高空急流对地面的水汽和沙尘有很强的抽吸作用，促进对流上升。所以，5月20日沙尘暴的形成原因是动力抬升为主，热力不稳定为辅。5月24日08时，热力不稳定层高达500 hPa，500 hPa以下很干，地面气温高达25℃，水汽层在500~300 hPa，高空风速＜20 m/s（图3c，3d）。所以，24日的沙尘暴主要形成原因是热力不稳定为主，动力抬升为辅。

图3 民丰探空资料

根据地面风速（图4）和能见度的不同，塔中气象站人工观测记录为：5月20日16：15—16：30和24日17：20—19：00为浮尘（风速＜6 m/s，能见度＞1 km），20日16：08—16：15、24日14：40—16：05和17：00—17：20为扬沙（6 m/s＜风速＜8 m/s，能见度＞1 km），20日15：40—16：08和24日16：05—17：00为沙尘暴（风速＞8 m/s，能见度＜1 km）。

图4 人工观测地面风速

2.2 PM10和PM2.5

PM10和PM2.5分别为粒子直径＜10 μm和＜2.5 μm的沙尘质量浓度。图5是Grimm180粒子仪观测的PM10和PM2.5质量浓度随时间的变化特征。结合地面风速（图4）可知：整体上，PM10的浓度值在不同阶段变化比较明显，并且数值分布在2 000~6 000 μg·m-3，而PM2.5的浓度值随时间变化不大，一般＜1 500 μg·m-3。在浮尘和扬沙期间（风速＜8 m/s），PM10的浓度值一般＜3 000 μg·m-3，由于沙尘粒子主要由小直径粒子组成，PM2.5/PM10＞25%。在沙尘暴期间（风速＞8 m/s），PM10的浓度值一般＞4 000 μg·m-3，PM2.5/PM10＜15%。

图5 PM10和PM2.5随时间变化

2.3 沙尘粒子分布特征

2.3.1 沙尘粒子总数特征

利用Grimm180实时观测的沙尘粒子总数绘制出图6。结合图4和图5可以得到，沙尘粒子总数和PM10随时间变化的趋势是一致的。在浮尘和扬沙期（风速＜8 m/s），每分钟1 L体积内的沙尘粒子总数一般在4×105左右；在沙尘暴期，当风速＞8 m/s时，每分钟1 L体积内的沙尘粒子总数＞5×105，最大可以超过10×105。

图6 沙尘粒子总数的时间变化特征

2.3.2 沙尘粒子谱

沙尘粒子谱是指沙尘粒子个数随粒子直径的分布。利用Grimm180粒子仪31个通道测量的沙尘粒子个数，通过式（1）计算得到表2中30个粒子直径区间的个数。

式中，Ni表示第i个粒子区间的粒子个数，ni表示Grimm180第i个通道测量的粒子个数。

选取5月20日16：25浮尘期、5月24日15：20扬沙期和5月24日16：30沙尘暴期，通过公式（1）计算得到沙尘粒子谱（图7，30个粒子区间粒子分布）。由图7可知，在浮尘、扬沙和沙尘暴期间，沙尘粒子谱的分布形状变化不大。当粒子直径为0.35 μm左右时，粒子数浓度达到最大值，在浮尘和扬沙期，每分钟1 L的体积内粒子数为5×104，在沙尘暴期，每分钟1 L体积内粒子数＞10×104；当粒子直径＞0.35 μm时，粒子数浓度随直径增大的曲线近似符合M-P分布。

为了更好地分析不同阶段沙尘谱的区别，设定粒子直径D≤1 μm为小粒子区、粒子直径1 μm＜D≤10 μm为中粒子区、粒子直径D＞10 μm为大粒子区。表3为不同阶段的沙尘谱（图7）在不同区间的粒子数和占比。从浮尘—扬沙—沙尘暴，小粒子区的占比越来越小，中粒子区和大粒子区的粒子数越来越多并且占比越来越大，这是由于不同阶段地面风速不同（V浮尘＜V扬沙＜V沙尘暴）导致的。

表3 浮尘期、扬沙和沙尘暴不同粒子直径范围粒子数和占比

图7 沙尘粒子谱

2.4 沙尘质量浓度谱

沙尘质量浓度谱指沙尘质量浓度随不同直径的分布。由于沙尘粒子的直径非常小，沙尘粒子可以近似为球形，所以单个直径为Di的沙尘粒子的质量（mi0）可以表示为：

式中，ρ为沙尘粒子密度，根据王敏仲等人[21-22]对塔克拉玛干沙漠的研究ρ=2.65×103kg·m-3。利用沙尘粒子谱N（Di）和单粒子质量mi0得到沙尘质量浓度谱M（Di）为：

选取5月20日16：25浮尘期、5月24日15：20扬沙期和5月24日16：30沙尘暴期的沙尘粒子谱，利用公式（3）计算得到相应时刻的沙尘质量浓度谱（图8）。

图8 沙尘质量浓度谱

由图8可知，在浮尘、扬沙和沙尘暴期间，沙尘质量浓度的分布形状基本相同。当沙尘粒子直径为25～32 μm时，沙尘质量浓度达到最大值。浮尘阶段每分钟最大沙尘质量浓度＜15 μg·L-1，扬沙阶段每分钟最大沙尘质量浓度在20 μg·L-1左右，沙尘暴阶段每分钟最大沙尘质量浓度＞25 μg·L-1。当粒子直径＞1.6 μm时，沙尘暴阶段的沙尘质量浓度大于扬沙阶段，并且扬沙阶段大于浮尘阶段，因此沙尘暴期间，大直径的沙尘粒子所占比重更大。

3 结论

通过分析Grimm180粒子仪在塔中气象站2018年5月20和24日沙尘暴过程中实时观测的数据，得到了以下结论：

（1）在沙尘暴过程中，PM2.5的质量浓度值随时间变化不大，一般＜1 500 μg·m-3；而PM10在不同阶段的变化比较明显，数值在2 000~6 000 μg·m-3。

（2）在浮尘和扬沙阶段，由于沙尘粒子比较小，PM2.5/PM10＞25%；在沙尘暴阶段，PM2.5/PM10＜15%。

（3）在浮尘和扬沙期，每分钟1 L体积内的沙尘粒子总数一般在4×105左右；在沙尘暴期，每分钟1 L体积内的沙尘粒子总数＞5×105，最大可超过10×105。

（4）在浮尘、扬沙和沙尘暴期间，沙尘粒子谱的分布形状变化不大。当粒子直径为0.35 μm左右时，粒子数浓度达到最大值；当粒子直径＞0.35 μm时，粒子数浓度随直径的增大近似符合M-P分布。

（5）在浮尘、扬沙和沙尘暴期间，沙尘质量浓度的分布形状基本相同。粒子直径在25～32 μm时，沙尘质量浓度的值最大。

根据霍文[24]利用80 m铁塔资料对10次塔克拉玛干沙漠沙尘暴的沙尘粒子谱研究得到，沙尘暴期间近地面的沙尘谱分布和沙尘数浓度变化不大。本文得到的沙尘暴期间PM2.5、PM10、沙尘粒子谱和沙尘质量浓度对塔克拉玛干沙漠沙尘暴具有一定的普遍性，可为以后定量研究该地区的沙尘暴提供事实依据。但由于Grimm180粒子仪只能探测到粒子直径＜32 μm的分布特征，而实际的粒子谱范围要更大，所以本文的结论更适合小直径粒子的特征。