引言
近年来，激光雷达广泛应用于沙尘气溶胶研究中（Kawai et al.，2018；Sugimoto et al.，2020；包新荣等，2021）。偏振激光雷达探测的体积退偏比（Volume Depolarization Ratio，VDR）（简称“退偏比”）可以识别沙尘（Mamouri and Ansmann，2014；Tian et al.，2019；Yang et al.，2020）。一般来说，沙尘粒子退偏比大（大于0.2），而城市污染物颗粒因近似球形退偏比小（小于0.1）（Liu et al.，2008；Xie et al.，2008），如刘文彬等（2013）分析广州一次浮沉天气时指出气溶胶最大退偏比为0.34，杨昊等（2021）研究发现轻度污染的沙尘型气溶胶退偏比集中在0.18~0.20。
在蒙古气旋和冷高压配合下，2021年3月15—19日和3月27日至4月1日，中国发生两次范围广、强度大的沙尘天气过程，以下分别简称“3·15”过程和“3·27”过程，其中“3·15”过程是近10 a来强度最大的沙尘天气过程（关良等，2021；韩满都拉，2021）。两次过程均起源于蒙古国及中蒙交界的荒漠地区，后随西北气流向东南方向移动，影响中国北方地区。目前针对这两次强沙尘过程已开展诸多研究，如Ke等（2022）研究了两次过程气溶胶的光学、微物理和辐射特征以及沙尘的气象驱动因素，表明这两次强沙尘过程不仅与极端大气环流有关，也与近地表温度异常有关；Filonchyk（2022）研究了“3·15”过程沙尘的起源和传输路径；史忠林等（2022）利用“3·15”沙尘暴期间中国北方7地的降尘样品开展了沙尘来源分析；柳本立等（2022）对“3·15”过程不同时刻地表起尘量进行估算，给出蒙古和中国北方荒漠地区的起尘贡献率；高泽田等（2022）利用FY-4A AGRI红外数据开展沙尘判识研究，并比较了“3·15”和“3·27”两次过程的沙尘影响面积；杨晓军等（2021）指出“3·15”沙尘过程持续时间长是由于沙尘天气维持期，西北东部大气层结稳定且不断有弱锋生发展，不利于沙尘沉降，混合层高度较气候平均值明显偏低，不利于大气湍流发展；段伯隆等（2021）分析认为“3·15”过程前期干旱少雨、气温偏高和蒙古气旋强烈发展是沙尘发生的主要原因，而我国大部分地区起沙条件较弱，沙尘主要为外来输入。
除上述研究外，了解两次过程沙尘输入地区的污染特征对于非尘源地城市沙尘天气的监测预警具有重要意义。济南和石家庄是华北平原主要城市，拥有大量人口，也是两次强沙尘过程的主要影响区域，石家庄位于济南西北约260 km处，分析两地沙尘污染特征，不仅对城市防灾减灾具有参考价值，也能总结沙尘传输过程中沙尘强度变化特征。鉴于此，本文以石家庄和济南为例，使用颗粒物质量浓度数据和激光雷达探测数据对两次过程的颗粒物质量浓度、PM2.5与PM10质量浓度比、消光系数和退偏比等特征进行分析，探究输入性沙尘（非尘源地沙尘）的发展规律和污染特征，以期为此类沙尘天气的预警和精细化管控提供指导。
1 资料和方法
1.1 资料
2021年3月14—19日和3月27日至4月2日城市颗粒物（PM2.5和PM10）小时平均质量浓度数据来源于真气网（https://www.zq12369.com/environment.php）。降水量数据来自于石家庄（114.40°E，38.02°N）和济南（117.01°E，36.60°N）国家级自动气象站。消光系数和退偏比数据来自于激光雷达，石家庄激光雷达安装在国家级自动气象站观测场内；济南激光雷达（116.81°E，36.66°N）安装在济南市槐荫区，距离国家级自动气象站约60 km。两台激光雷达均是偏振-米散射激光雷达，发射波长均为532 nm，工作期间雷达采用垂直向上模式。石家庄和济南雷达水平和垂直通道的增益常数比
1.2 研究方法
HYSPLIT（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，HYSPLIT）模型是由美国国家海洋和大气管理局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（Stein et al.，2015） 。该模型可通过实时环境应用与显示系统（Real-time Environmental Applications and Display System，READY）在web上交互运行（Rolph et al.，2017），也可下载可执行文件和全球数据同化系统（Global Data Assimilation System， GDAS）输出的气象数据到单机上运行。为了追踪尘埃来源，选择READY作为计算气团后向轨迹的工具（http://www.ready.noaa.gov），计算后的轨迹使用shapefile格式下载，然后用ArcGIS软件重新绘制。
式中：y0为常数；A为幅值；xc表示峰值对应的自变量值；δ为标准差，即函数图形宽度。拟合结果用决定系数R2衡量，R2越接近1模型拟合效果越好，一般认为R2>0.8的模型更具有拟合优势（王莹，2022）。
文中所用时间为北京时，涉及地图的底图基于中华人民共和国自然资源部标准地图服务网站（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn）下载的标准地图制作，审图号为GS（2019）1822号，底图无修改。
2 天气背景和沙尘起源
2021年3月13日蒙古气旋在阿尔泰山附近开始发展，14日在强气压梯度、强冷平流以及不稳定层结造成的动量下传等共同作用下，蒙古国南部和中国内蒙古中西部交界地区迅速起沙，在西北气流引导下向东南输送，我国北方出现近10 a最强沙尘天气过程。3月下旬环流条件继续有利于蒙古国和内蒙古西部起沙，且冷空气活动较中旬有所加强，26日一个新的蒙古气旋在蒙古高原上初生并快速发展，27日蒙古国中部出现大范围强沙尘天气，并随西北气流向东南方向移动，沙尘主体逐渐进入中国境内。图1是两次过程期间FY-4A卫星观测的真彩合成图，均能看到气旋和扬起的尘羽。
图1
图1
2021年3月15日11：30（a）和27日09：45（b）FY-4A卫星真彩合成图
Fig.1
Synthetic true color map captured by FY-4A satellite at 11：30 on 15 March 2021 （a） and 09：45 on 27 March 2021 （b）
图2是以石家庄（114.54°E，38.04°N）和济南（116.75°E，36.55°N）为研究起点的沙尘初期气团36 h后向轨迹。可见，中国北方这两次沙尘过程初期都是从蒙古国输入，沙尘从蒙古国中南部进入中国境内，在内蒙古中部巴彦淖尔—包头—呼和浩特—乌兰察布一带翻过阴山山脉后向东南方向移动，影响石家庄和济南地区。
图2
图2
2021年3月15日（a、c）和27日（b、d）沙尘过程初期以石家庄（a、b）和济南（c、d）为起点的气团36 h后向轨迹
Fig.2
The 36 h backward trajectories of air mass starting from Shijiazhuang （a， b） and Jinan （c， d） at the initial stage of the dust processes on 15 March （a， c） and 27 March （b， d），2021
3 颗粒物质量浓度变化
图3是两次沙尘过程期间颗粒物质量浓度和降水量逐时变化。可以看出，3月15日13：00、17：00和28日07：00、13：00左右，石家庄和济南的颗粒物质量浓度快速上升，且PM10的增长幅度远超PM2.5。“3·15”过程，石家庄和济南PM10质量浓度分别在15日20：00和21：00达到峰值（2 597 和2 131 µg·m-3）；“3·27”过程两市PM10质量浓度分别在28日10：00和16：00达到峰值（1 765和1 230 µg·m-3）。两次过程济南市PM10质量浓度峰值低于石家庄，表明沙尘传输过程中随着距离增加强度逐渐减弱；两市PM10质量浓度减小到峰值的1/7左右后波动了很长一段时间。两次过程末均有弱降水事件发生，可能是输入的沙尘增加了空气中凝结核所致，同时在湿沉降作用下悬浮的沙尘很快降落，颗粒物质量浓度进一步降低，沙尘天气结束。
图3
图3
“3·15”（a、c）和“3·27”（b、d）强沙尘过程石家庄（a、b）和济南（c、d）颗粒物质量浓度和降水量逐时变化
Fig.3
Hourly variation of particulate mass concentration and precipitation in Shijiazhuang （a， b） and Jinan （c， d） during the strong dust processes on 15 March （a， c） and 27 March （b， d），2021
另外发现，PM10质量浓度数据趋近于高斯分布，因此选择高斯函数进行拟合（图4）。可以看出，“3·15”过程石家庄和济南PM10质量浓度数据拟合的决定系数（R2）分别为0.92和0.76，“3·27”过程分别为0.83和0.89。可见，模型拟合效果较好，下文基于该规律对沙尘爆发期结束时间进行判定。
图4
图4
“3·15”（a、c）和“3·27”（b、d）强沙尘过程石家庄（a、b）和济南（c、d）PM10小时质量浓度分布拟合曲线
Fig.4
Fitting curves of PM10 hourly mass concentration in Shijiazhuang （a， b） and Jinan （c， d） during the strong dust processes on 15 March （a， c） and 27 March （b， d），2021
图5为两次过程石家庄和济南PM2.5与PM10质量浓度比变化。可以看出，3月15日12：00、17：00和28日07：00、12：00，石家庄和济南PM2.5与PM10质量浓度比先后迅速减小，与颗粒物质量浓度快速上升时间基本一致。此前，PM2.5与PM10质量浓度比约0.6~0.8，之后2~3 h减小到0.2以下。“3·15”过程石家庄和济南PM2.5与PM10质量浓度比分别在15日21：00和23：00达到极小值（0.095和0.118），比PM10质量浓度峰值时间分别延后1、2 h；“3·27”过程两市PM2.5与PM10质量浓度比分别在28日10：00和16：00达到极小值（0.165和0.173），与PM10质量浓度峰值时间一致。综上所述，PM10质量浓度及PM2.5与PM10质量浓度比两个参数在沙尘监测和沙尘影响时间判定中有重要指示作用。沙尘天气影响期间，两市PM2.5与PM10质量浓度比达到极低值后缓慢增加，沙尘天气影响结束时，其值又回到或接近沙尘入境前水平。
图5
图5
“3·15”（a）和“3·27”（b）强沙尘过程期间PM2.5与PM10质量浓度比逐时变化
Fig.5
Hourly variation of mass concentration ratio of PM2.5 to PM10 during the strong dust processes on 15 March （a） and 27 March （b），2021
4 沙尘时空演变和光学特性
4.1 沙尘时空演变
激光雷达能够很好地探测沙尘垂直分布和时间演变。以“3·15”过程石家庄为例（图6），15日08：00之前，1.0 km以下消光系数大（1.2~2.0 km-1）而退偏比小（约0.03），表明污染以城市气溶胶为主，地面PM2.5和PM10平均质量浓度分别为129、188 µg·m-3；约09：00，1.0 km高度附近退偏比开始增大，至10：20增至约0.3，而近地面200 m高度附近退偏比依然在0.03左右，表明沙尘已到达，但地面还未受影响；由于沙尘入侵前有污染，沙尘到达时消光系数变化不明显；约12：00，近地面退偏比增大，表明沙尘开始沉降，与地面观测的12：00—13：00 PM10质量浓度开始快速上升一致；16日约07：40，消光系数明显减小（小于0.5 km-1），退偏比小幅降低（约0.2），表明沙尘特征仍明显但强度变弱。
图6
图6
2021年3月15—17日石家庄激光雷达消光系数（左）和退偏比（右）的时间-高度演变
（白色线条处数据缺失。下同）
Fig.6
The time-height evolution of extinction coefficient （the left） and depolarization ratio （the right） of Shijiazhuang lidar from 15 to 17 March 2021
（The data missed at the white line. The same as below ）
依据沙尘层所在高度将其分为近地面沙尘层、低空沙尘层和高空沙尘层。近地面沙尘层指最低高度到距地100 m的沙尘层，常延伸到地面并持续整个沙尘过程，如3月15日16：00石家庄（图6）和济南（图7）激光雷达在0.1~1.0 km高度探测到的沙尘层；低空沙尘层指最低高度在100 m以上，且中心高度在4.0 km以下的沙尘层，常见的有2 km和3 km沙尘层，即中心高度在2.0 km附近和3.0 km附近的沙尘层，如3月16日10：00至17日12：00济南（图7）激光雷达在2.0~3.0 km高度探测到的沙尘层；高空沙尘层指中心高度在4.0 km以上的沙尘层，如3月29日石家庄（图8）和济南（图9）激光雷达在4.0~5.0 km高度探测到的沙尘层。每个沙尘层持续时间长短不同，其中近地面沙尘层持续时间最长。结合颗粒物质量浓度数据，发现近地面层沙尘和地面颗粒物密切相关，近地面沙尘层出现时间和地面颗粒物质量浓度急剧上升时间基本一致。在近地面沙尘层出现前，一般有一个空中沙尘层（低空或高空）出现，此时距地面沙尘影响还有几个到十几个小时，可结合风力等气象条件发布沙尘预警。雷达图上可以看出空中沙尘层有时平行传输，有时向地面传递，这可能和对应高度的垂直速度有关。
图7
图7
2021年3月15—17日济南激光雷达消光系数（左）和退偏比（右）的时间-高度演变
Fig.7
The time-height evolution of extinction coefficient （the left） and depolarization ratio （the right） of Jinan lidar from 15 to 17 March 2021
图8
图8
2021年3月28—30日石家庄激光雷达消光系数（左）和退偏比（右）的时间-高度演变
Fig.8
The time-height evolution of extinction coefficient （the left） and depolarization ratio （the right） of Shijiazhuang lidar from 28 March to 30 March 2021
图9
图9
2021年3月28—30日济南激光雷达消光系数（左）和退偏比（右）的时间-高度演变
Fig.9
The time-height evolution of extinction coefficient （the left） and depolarization ratio （the right） of Jinan lidar from 28 to 30 March 2021
4.2 沙尘分层原因
3月17日00：00，石家庄上空有2个沙尘层，分别是0.1~1.0 km高度的近地面沙尘层和1.0~3.0 km高度的低空沙尘层，两层退偏比大小相当，但低空沙尘层的消光系数远大于近地面沙尘层（图6）。计算石家庄上空1 000、2 000 m高度气团的48 h后向轨迹[图10（a）]，发现近地面沙尘来源于内蒙古东部，而低空沙尘来源于西南方的延安（16日05：00延安PM10质量浓度为4 248 µg·m-3）。17日00：00，济南上空有3个沙尘层，分别是0.1~1.3 km高度的近地面沙尘层及1.6~2.5、2.5~3.0 km高度的低空沙尘层，前两层的消光系数和退偏比数值相当，而2.5~3.0 km高度沙尘层很弱，仅退偏比有体现（图7）。因此，选取1 000、2 000、3 000 m高度计算济南上空气团48 h后向轨迹[图10（c）]，发现从低到高的3层沙尘分别来源于蒙古国东部、中部和陕西榆林（15日18：00榆林PM10质量浓度为4 756 µg·m-3）。29日00：00，石家庄（图8）和济南（图9）上空都有近地面、低空和高空3个沙尘层，其中高空沙尘最强，低空沙尘最弱。选取1 000、2 000、4 000 m高度计算石家庄[图10（b）]和济南[图10（d）]上空气团的48 h后向轨迹，发现近地面和低空沙尘来源于蒙古国，而高空沙尘来源于中国西北。上述追踪结果与柳本立等（2022）研究结论“2021年3月15日中国北方的强沙尘暴75%的沙尘来源于14日蒙古国的起尘，而16、17日更大范围的沙尘有84%来自15日中国北方的沙尘源地”一致。另外，同一源地的沙尘随着时间推移逐渐沉降也呈现分层特征，且上空沙尘也逐渐变弱。
图10
图10
2021年3月17日00：00（a、c）和29日00：00（b、d）石家庄（a、b）与济南（c、d）上空气团48 h后向轨迹
Fig.10
The 48 h backward trajectories of air mass starting from Shijiazhuang （a， b） and Jinan （c， d） at 00：00 on 17 （a， c） and 00：00 on 29 （b， d） March 2021
图11
图11
“3·15”（a、c）和“3·27”（b、d）强沙尘过程济南与石家庄195 m高度退偏比（a、b）与消光系数（c、d）随时间变化
Fig.11
The temporal variation of depolarization ratio （a， b） and extinction coefficient （c， d） at 195 m height over Jinan and Shijiazhuang during the strong dust processes from 14 to 19 March （a， c） and from 27 March to 2 April （b， d），2021
4.3 沙尘气溶胶光学特性
近地面沙尘层的影响时间最长且影响程度最大，有必要进一步分析近地面沙尘气溶胶的光学特性。高度越低的沙尘和地面颗粒物质量浓度的关系越紧密，但高度太低，雷达数据质量不可靠，因此选取195 m高度进行分析。从图11可见，“3·15”过程石家庄和济南雷达探测的退偏比分别在15日12：00和16：00左右开始快速上升，并很快达到峰值（0.29和0.23）；“3·27”过程退偏比两地分别在28日06：00和12：00左右开始快速上升且很快达峰值（0.28和0.20）。基于195 m高度退偏比特征识别的沙尘入境时间要比基于地面颗粒物质量浓度识别的早1 h左右。沙尘入境后，消光系数呈单峰分布，“3·15”过程石家庄和济南消光系数均在15日18：00左右达最大（3.94和3.84 km-1），“3·27”过程两地分别在28日07：00和13：00左右达最大（3.10和1.83 km-1）。值得注意的是，沙尘入境前济南退偏比大于石家庄，而沙尘期间则小于石家庄，表明沙尘在传输过程中随着距离增加大沙砾不断减少。
5 沙尘天气发展过程
5.1 沙尘影响时间判定
准确判断沙尘影响时间，将其造成的环境污染从污染天数统计中扣除，对于科学评估大气污染防治成效具有重要意义（张哲等，2021）。《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》（中华人民共和国生态环境部，2017）中指出，城市受沙尘天气影响起始时间为城市PM10小时平均质量浓度大于等于前6 h平均质量浓度2倍且大于150 µg·m-3的时次；城市受沙尘天气影响结束时间为城市PM10小时平均质量浓度首次降至与沙尘天气前6 h平均质量浓度相对偏差小于等于10%的时次。依据该判定标准，“3·15”过程，沙尘影响石家庄和济南的时间分别为15日13：00至18日05：00和15日17：00至18日04：00；“3·27”过程影响两地的时间分别为28日07：00—19：00和28日13：00至29日23：00（表1）。结合退偏比发现，“3·27”过程上述石家庄和济南沙尘影响结束时间判定并不准确。
表1 沙尘影响石家庄和济南的起止时间判识
Tab.1
| 城市 | “3·15”过程 | “3·27”过程 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 开始前6 h PM10平均质量浓度/（µg·m-3） | 开始时PM10质量浓度/（µg·m-3） | 开始 时间 | 结束时PM10质量浓度/（µg·m-3） | 结束 时间 | 开始前6 h PM10平均质量浓度/（µg·m-3） | 开始时PM10质量浓度/（µg·m-3） | 开始 时间 | 结束时PM10质量浓度/（µg·m-3） | 结束 时间 | ||
| 石家庄 | 222 | 471 | 15日 13：00 | 236 | 18日 05：00 | 231 | 648 | 28日 07：00 | 230 | 28日 19：00 | |
| 济南 | 149 | 578 | 15日 17：00 | 158 | 18日 04：00 | 169 | 594 | 28日 13：00 | 178 | 29日 23：00 | |
表2 改进后的沙尘影响石家庄和济南起止时间判识
Tab.2
| 城市 | “3·15”过程 | “3·27”过程 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 开始 | 结束 | 开始 | 结束 | ||||||||||
| 浓度 比 | 时间 | PM10质量浓度/ （µg·m-3） | 浓度 比 | 时间 | 浓度 比 | 时间 | PM10质量浓度/ （µg·m-3） | 浓度比 | 时间 | ||||
| 石家庄 | 0.26 | 15日13：00 | 108 | 0.43 | 18日08：00 | 0.31 | 28日07：00 | 244 | 0.45 | 4月1日07：00 | |||
| 济南 | 0.25 | 15日17：00 | 139 | 0.47 | 18日11：00 | 0.25 | 28日13：00 | 131 | 0.40 | 3月31日22：00 | |||
5.2 沙尘发展阶段
综上，两次过程沙尘影响时间均很长，根据污染特征将沙尘天气发展分为前期、爆发期、维持期和后期4个阶段。沙尘前期，空中沙尘入境，地面颗粒物质量浓度不变或缓慢上升；爆发期，颗粒物质量浓度急剧上升，在很短时间内达到峰值后下降，结合颗粒物质量浓度分布，定义PM10质量浓度首次降至小于峰值1/3的时次为爆发期结束时次（“3·15”过程，石家庄和济南爆发期分别为15日13：00至16日08：00和15日17：00至16日14：00；“3·27”过程，石家庄和济南爆发期分别为28日07：00—14：00和28日13：00至29日08：00）；维持期，PM10质量浓度明显低于峰值，但沙尘特征依然明显，如大的退偏比和小的颗粒物质量浓度比（PM2.5/PM10）；后期，仅有少量沙尘残留，PM10质量浓度较维持期更小，退偏比介于前期和维持期之间。
5.3 沙尘分阶段特征
图12为两次强沙尘过程各阶段颗粒物质量浓度及其比值和退偏比等要素变化。可见，颗粒物质量浓度和退偏比都是先增后减，一般在沙尘爆发期达最大，而PM2.5和PM10质量浓度比则是先减后增，爆发期最小。值得注意的是，沙尘后期PM2.5小时平均质量浓度比沙尘前期小，表明沙尘对空气具有一定的净化作用，沙尘降落时会裹挟空气内的有害物质一起降落至地面。
图12
图12
两次强沙尘过程不同阶段石家庄与济南PM2.5（a）、PM10（b）质量浓度及其比值（c）、退偏比（d）变化
Fig.12
Variation of mass concentration of PM2.5 （a） and PM10 （b） as well as their ratio （c）， and depolarization ratio （d） at different stages of two strong dust processes in Shijiazhuang and Jinan
6 结论
（1）沙尘入境时，PM10质量浓度急剧上升，PM2.5与PM10质量浓度比快速下降，激光雷达探测的退偏比急剧上升，三者均可用来识别沙尘。基于距地195 m高度退偏比数据识别的沙尘开始时间比颗粒物质量浓度识别的早约1 h。
（2）沙尘传输过程中的分层现象可能是沙尘本身沉降结果，也可能是沙尘来源于不同源地。
（3）根据污染特征将两次沙尘过程分为前期、爆发期、维持期和后期4个阶段。前期空中开始有沙尘入侵；爆发期和维持期地面受沙尘影响明显；后期空气在沙尘作用下有所净化，常有降水发生。
（4）两次过程期间，石家庄和济南PM10质量浓度符合正态分布，“3·15”过程石家庄和济南PM10质量浓度高斯拟合的决定系数分别为0.92和0.76，“3·27”过程分别为0.83和0.89。利用这一规律，可以对沙尘爆发期进行监测。
（5）“3·15”过程和“3·27”过程中，石家庄受沙尘影响开始时间比济南分别早4、6 h，颗粒物质量浓度峰值分别大802和901 µg·m-3。
参考文献
沙尘天气对西安市环境空气质量的影响
[J].
利用2013—2018年陕西省环境空气质量自动站监测数据，分析沙尘天气对西安市环境空气质量的影响。结果表明：（1）大气颗粒物是影响西安市空气质量的首要污染物。（2）西安市沙尘天污染主要在春季和冬季，期间可吸入颗粒物（PM<sub>10</sub>）的污染强度明显增加。（3）2013—2018年，西安市冬季PM<sub>2.5</sub>/PM<sub>10</sub>比值（0.48~0.66）最高，春季最低（0.43~0.49）且细颗粒物（PM<sub>2.5</sub>）和PM<sub>10</sub>浓度相关性最弱；西安市空气质量在春季受沙尘污染影响大于冬季。（4）不同沙尘源的远距离传输对西安市空气质量的影响程度不同，提前采取防沙抑尘措施能有效削减沙尘过境时本地颗粒物源的叠加污染。（5）尽管沙尘天气导致了颗粒物浓度升高，但与之伴随的大风气象条件，有利于城市区域累积污染物的扩散清除，从而降低SO<sub>2</sub>和NO<sub>2</sub>等气态污染物浓度。在采暖期，沙尘天气除了降低气态污染物浓度之外，还有利于扩散稀释雾霾污染累积的高浓度PM<sub>2.5</sub>。
2021年3月中旬东亚中部沙尘天气地面起尘量及源区贡献率估算
[J].2021年3月中旬，东亚中部包括中国北方大部分地区，爆发了持续性的沙尘天气，引发了人们对于沙尘源区、防风固沙生态建设工程效益的高度关注。提出了一个新的地表起尘量估算方法，使用高精度、大范围的气象数据，计算了这次沙尘天气的地面起沙条件、大风过程中的输沙状况，估算了不同时刻的起尘量，获得了14、15日蒙古和中国北方荒漠地区的起尘贡献率。结果表明：相比过去10年，中国北方总体不容易起尘，而蒙古中东部的荒漠地区由于增温显著、降水减少，更容易扬尘；3月15日覆盖中国北方的强沙尘暴，有75%的沙尘是由于14日在蒙古的起尘，随后16、17日更大范围的沙尘天气，有84%是15日起源于中国北方和西北。两日境内外的起尘总量基本相同。
2021年“3·15”沙尘暴沙尘来源核素示踪研究
[J].沙尘暴对大气环境和人类健康造成严重影响，查明沙尘来源对防沙治沙具有重要意义。选择中国北方7地2021年“3·15”沙尘暴期间降尘样品，分析粒度组成和核素（<sup>235</sup>U、<sup>232</sup>Th、<sup>226</sup>Ra、<sup>137</sup>Cs）含量差异。结果表明：西宁、兰州、西安、北京、济南和临沂6地降尘以粉粒为主，核素含量特征表明降尘是远距离搬运的风尘沉积或吹蚀起的附近黄土。除中卫和西安外，其余5地沙尘的<sup>137</sup>Cs比活度远高于农耕地，低于植被覆盖度高的草地，沙尘的主要来源应不是农耕地，而是覆盖度低的侵蚀草地。西安沙尘的<sup>137</sup>Cs比活度与农耕地相近，农耕地可能是沙尘的主要来源。中卫沙尘粒度粗，<sup>137</sup>Cs比活度极低，沙尘来源于毗邻的腾格里沙漠。
一次强沙尘天气过程及其对PM10时空分布的影响
[J].2017年5月3—6日内蒙古出现了一次强沙尘天气，内蒙古各城市AQI值达到500。利用常规气象资料和MICAPS资料，结合HYSPLIT（hybrid single particle lagrangian integrated trajectory）模式分析本次沙尘天气成因。利用PM10小时监测值和AQI资料，从时空两方面评估沙尘天气对途经各城市PM10质量浓度分布的影响程度。结果表明：地面受冷高压和蒙古气旋影响，冷锋快速东移，高空槽和低涡东移发展，使高空强冷空气南下东移，配合有利的层结条件和外来沙尘的长距离输送，导致沙尘天气爆发；沙尘天气对PM10质量浓度的影响表现为前期主要影响西部和东部，中期对全区均有影响，后期主要对东部有影响。另外，中期为污染最严重时段。空间影响可划分为西部、中部、东部和通辽市4类，且从西到东、从北到南有一定的滞后性，滞后时间为1~10 h。
中国北方2021年3月中旬持续性沙尘天气的特征及其成因
[J].沙尘天气是多发于中国北方春季的灾害性天气，严重危害农业生产、交通运输、空气质量和人民的生命财产安全，长期受到社会各界的广泛关注。利用多源多尺度数据，采用天气学分析、物理量诊断、轨迹分析等方法对2021年3月中旬西北地区东部一次持续性沙尘重污染天气的成因进行了深入分析。结果表明：（1）受强烈发展的蒙古气旋影响，蒙古国南部及中国内蒙古中西部地区于3月14日首先出现强沙尘暴天气，并将沙尘传输至中国西北、华北、东北一带，西北东部的沙尘天气维持达到5 d。（2）沙尘天气维持期，西北东部中低层以弱上升运动为主，大气层结稳定，且西北东部不断有弱锋生发展，不利于沙尘的沉降；自北向南分布的银川、中卫、兰州3站的垂直螺旋度的波动与污染浓度的变化基本一致；混合层高度较其气候平均值明显偏低，不利于大气湍流发展。（3）此次影响西北东部的沙尘主要由蒙古国输入，近20年中蒙边境、蒙古国南部的植被减少可能是此次沙尘天气的沙源主要来自蒙古国南部的原因。
Characteristics of the severe March 2021 Gobi Desert dust storm and its impact on air pollution in China
[J].
Lidar network observation of dust layer development over the Gobi Desert in association with a cold frontal system on 22-23 May 2013
[J].
Record-breaking dust loading during two mega dust storm events over northern China in March 2021: aerosol optical and radiative properties and meteorological drivers
[J].
A height resolved global view of dust aerosols from the first year CALIPSO lidar measurements
[J].
Fine and coarse dust separation with polarization lidar
[J].
Real-time Environmental Applications and Display system: READY
[J].
NOAA’s HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system
[J].The Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model (HYSPLIT), developed by NOAA’s Air Resources Laboratory, is one of the most widely used models for atmospheric trajectory and dispersion calculations. We present the model’s historical evolution over the last 30 years from simple hand-drawn back trajectories to very sophisticated computations of transport, mixing, chemical transformation, and deposition of pollutants and hazardous materials. We highlight recent applications of the HYSPLIT modeling system, including the simulation of atmospheric tracer release experiments, radionuclides, smoke originated from wild fires, volcanic ash, mercury, and wind-blown dust.
Long-range-transported mineral dust from Africa and middle east to east Asia observed with the Asian dust and aerosol lidar observation network (AD-Net)
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Characterization of spring air pollution of Beijing in 2019 using active and passive remote sensing instruments
[J].. As the capital of China, the Beijing area needs to be paid special attention to its air quality. We used active remote sensing instrument (ground-based lidar), combined with passive remote sensing instrument (VIIRS onboard the NPP spacecraft), to study the serious pollution event over Beijing in spring of 2019. At the same time, the ground-based particulate matter (PM) data and the meteorological element data were analyzed. It is found that the ratio of concentrations of PM2.5 to PM10 is very large during the pollution period. The mean value of ratio is 0.75464, indicated it is fine particulate matter pollution. The Range correction signal (RCS) of lidar is very large in the layer below 0.5 km. But the volume depolarization ratio (VDR) is much less than 0.05. It indicated it is anthropogenic urban aerosols. The change in the aerosol optical depth (AOD) of VIIRS during pollution is consistent with the change in optical properties observed by lidar. The backward trajectory model of HYSPLIT shows that the pollutant came from the Hebei area where industrial pollution is serious, and the local meteorological conditions in Beijing are conducive to the continuous accumulation of pollutants. This work can deepen the understanding of the mechanism of haze formation and can help and support pollution prevention work.\n
Characteristics of aerosol optical properties in pollution and Asian dust episodes over Beijing, China
[J].
