沙尘暴是风将地面尘土、沙粒卷入空中使空气混浊、能见度下降的天气现象，按水平能见度和风力可划分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴（国家气象中心和中国气象局预报与网络司，2017）。其引发的颗粒物浓度升高、空气质量下降及能见度降低，对大气环境、设施农业、交通运输及人类健康构成严重威胁（张文娟等，2019；张璐等，2022；杨梅等，2024；张晨亮等，2024）。多年来，国内外学者围绕沙尘的形成机理（赵琳娜和赵思雄，2004；张强和王胜，2005；Francis et al.，2023）、触发机制（屠妮妮等，2007；努尔比亚·吐尼牙孜等，2018）、传输途径（牛生杰和章澄昌，2002；Alzaid et al.，2024）、数值模式模拟（李耀辉等，2005）等关键科学问题，开展了深入分析。然而以上研究主要依托天气学理论与数值模拟手段剖析沙尘暴的形成机理，在沙尘传输路径刻画、垂直结构解析等关键方向，仍未开展深层次的系统性研究。

2006年CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）卫星发射，其CALIOP激光雷达提供全球沙尘垂直廓线的连续观测，成为沙尘长程输送研究的核心数据源，推动星-地激光雷达联合观测体系形成，此后我国也逐步建立区域激光雷达观测网，激光雷达开始广泛应用于沙尘天气观测研究（Winker et al.，2007；熊亚军等，2017；吴焕波等，2018）。激光雷达中多普勒测风激光雷达作为动力学探测手段，通过发射可见光或红外波段的激光束获取垂直风场和垂直速度，可反演湍流信息并准确识别大气边界层高度（Chanin et al.，1989；Khaykin et al.，2016）。气溶胶激光雷达作为示踪物探测手段，能明确反映固定地点特定高度内沙尘污染分布变化（阴璐璐等，2023），核心探测物理量包括气溶胶颗粒物浓度、消光系数、退偏振比等，其中退偏振比是区分气溶胶颗粒物类型的关键参数（Tian et al.，2019；Yang et al.，2020；廖家艳等，2023）。相较于传统的气象观测及卫星被动遥感监测，激光雷达可获取气溶胶空间分布和垂直演变特征，对远距离输送气溶胶进行连续监测，完整捕捉沙尘暴大气边界层和陆面过程的观测特征，有效弥补沙尘预报在垂直空间上的观测空白（韩璧森，2023）。激光雷达所具备的高时空分辨率、三维结构探测、精准识别与定量反演等突出优势，为沙尘传输路径追溯与污染程度评估等研究提供了有利的条件（李丹华等，2023）。针对2021年3月济南、石家庄两次沙尘天气过程观测发现，在外源沙尘输入时段内，近地面消光系数和退偏振比均明显增大（涂爱琴等，2023）；针对2019年3月26—28日甘肃强沙尘暴过程的研究表明，激光雷达探测不同高度颗粒物的消光系数和退偏振比的变化，既能表征沙尘垂直发展特征，又可有效指示其传输路径（王莉娜等，2021）。

甘肃地处青藏高原东北边缘，西邻塔克拉玛干、库姆塔格和古尔班通古特沙漠，北靠巴丹吉林与腾格里沙漠，其中塔克拉玛干沙漠是亚洲主要沙尘源区和东亚最大的矿物沙尘排放源地（Zhou et al.，2021；买买提艾力·买买提依明等，2022）。特殊的地理位置和复杂的气候使甘肃成为大风沙尘天气高发区域。有研究已针对甘肃沙尘成因及传播机制开展深入分析（段伯隆等，2021；杨晓军等，2021），但对于强沙尘暴过程中沙尘颗粒物源区、传输路径等尚缺乏有效、定量的诊断。一方面，对不同季节、不同强度沙尘天气的形成机制和传输特征差异剖析尚不深入，难以系统把握其演变规律；另一方面，现有沙尘数值模拟和预报预警技术虽构建多模式体系，但在预报精度及复杂地形、气象条件的适应性上仍存短板。本文以2023年春季河西走廊两次（3月20日过程和4月18日过程）大风沙尘天气为例，运用常规气象观测资料、气溶胶激光雷达、风廓线雷达及HYSPLIT后向轨迹模型，全面分析两次过程的环流特征、形成机制、传输路径及垂直结构，以期提升沙尘天气发生区域与强度的预报预警能力，为甘肃省大气污染治理提供科学依据。

环境气象数据服务平台是一个专为环境影响评价领域提供详尽气象数据支持与咨询的综合性服务平台。该平台不仅能提供精准的气象观测数据，还提供空气质量数据。其中空气质量数据来源于中国环境监测总站，具有权威性和准确性。选取该平台中嘉峪关、酒泉、金昌、武威4个地区2023年3月19日14：00（北京时，下同）—3月21日14：00、4月18日14：00—4月20日14：00的PM₁₀质量浓度监测数据，用于分析并评估上述区域的空气质量状况。

酒泉国家基准气候站（海拔1 477 m）地基遥感垂直观测系统包括风廓线雷达、GNSS/MET、毫米波测云仪、微波辐射计、气溶胶激光雷达等5类观测设备，可提供测站上空10 km以下风、水汽、云、温度、湿度和气溶胶等要素的分钟级实时数据，实现区域全天候、高分辨率的业务化精密监测，上传30余种数据产品。本文主要采用该系统中气溶胶激光雷达和风廓线雷达数据，选取时段为2023年3月20日00：00—3月21日00：00、4月18日16：00—4月19日16：00。

气溶胶激光雷达为拉曼和米散射气溶胶激光雷达YLJ1型（三波长八通道），其发射高能量激光脉冲（波长1 064、532、355 nm），通过接收大气气溶胶与分子对激光的后向散射信号实现10 km范围内遥感探测。受几何重叠因子限制，其有效探测起始高度为0.1 km，本文选取532 nm通道（垂直分辨率30 m）数据。通过解析消光系数、后向散射系数和退偏振比等参数，获取沙尘事件的强度、持续时间、沙尘云厚度以及污染特征等。其中，退偏振比可用于区分气溶胶颗粒物类型，沙尘粒子退偏振比通常大于0.2，城市污染物颗粒因近似球形小于0.1（Liu et al.，2008；Xie et al.，2008）。本文通过分析波长为532 nm的退偏振比变化，研究沙尘气溶胶不同阶段的特征和传输情况。

风廓线雷达为YKD2型L波段增强型边界层风廓线雷达，是一种以大气湍流为探测目标的晴空探测脉冲多普勒雷达（陈立波等，2024），该雷达时空分辨率高（时间分辨率6 min，垂直分辨率120 m），可连续提供150~6 000 m（最大有效探测高度）高度范围内的大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素的垂直分布（徐金波等，2023），对中小尺度天气分析预报、大风及大气湍流研究起着重要作用。本文基于该雷达观测数据，分析不同高度风向、风速及垂直速度的变化特征，探究沙尘的垂直传输与扩散机制。

HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory，HYSPLIT）模型是由美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）空气资源实验室（Air Resources Laboratory，ARL）开发的一种用于计算气团轨迹、模拟污染物扩散和沉降过程的拉格朗日-欧拉混合型模型。该模型能够较准确地计算和分析大气颗粒物的输送、扩散轨迹（Stein et al.，2015；杜筱筱等，2024），被广泛应用于大气环境监测、污染物追踪和沙尘输送路径分析等领域。本文以酒泉站（39.77°N，98.49°E）为起始点，以2023年3月21日02：00、4月19日12：00为起始时间，采用HYSPLIT模型进行30 h后向轨迹追踪，模拟轨迹代表沙尘颗粒的移动路径。

欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）发布的第五代全球气候再分析资料（ERA5）的逐小时数据，空间分辨率0.25°×0.25°，选取2023年3月20日08：00、4月19日08：00的500 hPa位势高度、温度、水平风场以及2 m温度、10 m水平风场、海平面气压场等分析沙尘天气高空及地面形势。该资料是目前气象部门天气分析和机理研究常用的再分析资料（王子昕，2021）。

2023年1—4月，我国共发生沙尘天气10次（含强沙尘暴2次，沙尘暴1次），为近8 a同期最多（数据来源于中国气象局沙尘天气监测报告）。当年春季蒙古国和我国西北地区沙尘源区气温偏高，局地较常年偏高4~6 ℃，导致土壤冻土层融化，地表土壤干燥疏松；同时，沙尘源区降水稀少、持续干旱、植被长势较差，利于起沙。加之该时段大风频发，为沙尘起沙和传输提供了动力条件。此外，3—4月气温异常偏高，尤其4月平均气温较历史同期偏高1~2 ℃。异常高温进一步加剧地表土质疏松与抗风蚀能力下降，对大风沙尘天气的发生发展十分有利。

2023年3月20日清晨至21日白天，甘肃省自西向东出现一次大范围大风沙尘天气，主要影响时段为20日07：00—20日20：00。全省大部出现扬沙或浮尘，河西走廊5市（武威市、金昌市、张掖市、酒泉市和嘉峪关市）局部地区出现沙尘暴，最强时段为20日13：00—15：00。结合河西走廊不同地区PM₁₀质量浓度与能见度逐时变化（图1）分析，嘉峪关PM₁₀质量浓度在20日11：00达到峰值（3 374 ug·m^-3）；酒泉受沙尘影响较晚，PM₁₀质量浓度在20日14：00达到峰值（7 382 ug·m^-3），能见度降为1.2 km；金昌20日18：00 PM₁₀质量浓度为5 000 ug·m^-3，最低能见度为1.3 km；20日19：00武威最低能见度为0.6 km，出现沙尘暴。本次沙尘过程强度大、持续时间长、影响范围广，为2000年以来3月出现的第3强沙尘事件。

2023年4月18日夜间至19日白天，甘肃省出现大风沙尘、降温、降水、强对流等多种灾害性天气叠加过程，大风沙尘主要影响时段为18日22：00—19日11：00。除甘南西部和陇南外，其余地方均出现沙尘天气，酒泉、武威、兰州3市城区出现沙尘暴，较低能见度出现在民勤、永昌、皋兰、兰州，分别为0.1、0.5、0.5、0.6 km。18日22：00，嘉峪关、酒泉能见度开始下降（图2），酒泉能见度由21：00的29.3 km骤降至1.4 km，23：00 PM₁₀质量浓度达9 878 ug·m^-3，能见度0.9 km，19日00：00能见度降至0.6 km（过程中嘉峪关、酒泉部分时段PM₁₀质量浓度超观测阈值，无记录数据）；金昌PM₁₀质量浓度最高5 373 ug·m^-3，19日05：00最低能见度1.4 km；武威19日06：00最低能见度0.2 km，达强沙尘暴等级。此次沙尘过程的强度和影响范围为近10 a最强。

3月20日沙尘过程前期500 hPa欧亚大陆呈“一脊一槽”的形势，里海北部高压脊发展加强，脊前偏北气流引导冷空气南下。北地群岛冷槽分裂冷空气向巴尔喀什湖冷涡补充，使其快速东移至新疆西北部。20日08：00[图3（a）]，巴尔喀什湖冷涡填塞转为冷槽并南压，槽后分裂冷空气影响酒泉西北部，沙尘天气开始。20日20：00—21日08：00，北地群岛冷槽加深东移（冷中心强度-40 ℃），冷槽主体位于蒙古地区，其底部新一轮冷空气分裂南下，与东移至甘肃中北部的低槽同位相叠加。地面形势上，20日08：00[图3（c）]冷高压主体（中心强度1 040.0 hPa）位于乌拉尔山地区稳定少动，分裂高压（中心强度1 022.5 hPa）前沿梯度扩大东移，冷空气分散南下影响河西走廊地区。20日17：00，分裂高压梯度前沿延伸至甘肃中部，乌拉尔山冷高压与蒙古气旋形成对峙，冷锋位于蒙古北部。综上，3月20日沙尘过程的影响因子为蒙古气旋后部冷空气分裂南下。

4月18日沙尘过程前期500 hPa欧亚大陆呈“两槽一脊”的环流形势，18日08：00西西伯利亚有冷涡发展东移，冷中心强度为-44 ℃，温度槽落后于高度槽，新疆北部位于槽前偏西气流中。18日20：00冷涡继续东移，冷中心强度为-49 ℃，西南端分裂小槽影响新疆北部，甘肃省大部受暖脊控制。18日夜间冷涡东移，槽后强冷空气补充使分裂小槽加速东移南压，河西走廊沙尘过程开始；19日08：00[图3（b）]，冷涡中心移至内蒙古北部，酒泉南部等温线密集，冷锋锋区清晰可见；19日20：00冷涡底部冷槽与分裂小槽同位相合并为大槽，东移南压影响甘肃省中部。地面形势上，18日23：00，新疆北部冷高压稳定（中心强度1 037.5 hPa），与甘肃中北部和酒泉西部的热低压形成对峙，酒泉北部气压梯度力大，冷锋南压至酒泉一带并维持；19日08：00[图3（d）]，热低压东移南下，冷锋南移影响至武威一带，中部风向风速辐合、等压线密集，冷锋强盛。综上，4月18日沙尘过程主要影响因素为蒙古气旋及冷锋南下。

以酒泉站为起始点，选择100、1 000、2 000 m 3个高度采用HYSPLIT模型进行逐6 h后向轨迹模拟（图4），每条轨迹模拟时长30 h，起始时间分别选择3月21日02：00、4月19日12：00。

东亚沙尘天气主要有西北、偏西和偏北3种传输路径，其中偏西路径沙尘污染性粒子多于西北路径（白冰等，2018）。沙尘发展阶段，3月20日沙尘过程为偏西路径[图4（a）]，经新疆阿克苏市、库尔勒市南部、敦煌南部等地影响酒泉，外源输入污染物主要由塔克拉玛干沙漠、库木塔格沙漠、河西走廊西北部戈壁进入甘肃；4月18日沙尘过程为西北路径[图4（b）]，经乌鲁木齐市北部、哈密市东部影响酒泉北部，外源输入污染物主要由古尔班通古特沙漠、河西走廊西北部戈壁进入甘肃。两次过程影响路径、污染物来源不同，4月18日过程的后向模拟轨迹更长，表明相同时段内4月18日过程沙尘输送距离更远、气团移动更快。

高空气团携带大量的沙尘颗粒经气流的抬升输送进入酒泉境内沉降，两次过程传输路径与天气形势演变特征基本一致，模拟过程中均存在明显污染物远距离输送。3月20日过程沙尘团主体高度约3.0 km，4月18日过程沙尘团在5.0 km和2.5 km均有明显影响。两次过程均有本地沙尘源补充，4月18日过程2.5 km高度气团在18日23：00至次日04：00为贴地传输。

刘东等（2003）采用偏振激光雷达研究沙尘退偏振比特性，得到沙尘气溶胶的退偏振比为0.2~0.3，强烈沙尘条件下气溶胶退偏振比能达0.4。该参数在云与沙尘气溶胶探测中作用显著，既能捕捉弱气溶胶层时空变化及精细分层，又可作为重要辅助参数提升反演精度、优化分类结果，为气溶胶类型判别提供关键依据。

我国西北沙尘源区大气颗粒物常年以粗模态的沙尘气溶胶为主，大气边界层高度影响了气溶胶颗粒物的排放和输送。大气边界层的发展，促使不同粒径的气溶胶颗粒发生垂直方向的输送，细模态颗粒留在高空并通过自由大气水平输送，粗模态粒子最终沉降至地表（Kandler et al.，2009）。

3月20日00：00—07：00[图5（a）]，残留层（稳定大气边界层上方具有简单结构的气溶胶层，也称为中性边界层）从起初的2.5 km下降至1.0 km左右，其底部颗粒物混合相对均匀，退偏振比由0.08升至0.16左右。20日03：00—06：00，1.5~4.0 km高度出现与残留层显著分离的外来沙尘输送层且厚度增大，退偏振比增至0.24；至07：00上游沙尘气溶胶颗粒已输送至酒泉上空，但PM₁₀质量浓度仅为108 ug·m^-3，表明近地面暂未受沙尘影响；07：00后，混合层发展突破残留层高度，酒泉近地面风速加大，沙尘气溶胶浓度激增，激光雷达波束在1.0 km高度附近迅速衰减，气溶胶层可探测厚度随之降低。13：00和15：00雷达波束有效探测高度降至700~800 m左右，退偏振比超过0.40，沙尘浓度进一步升高，同期酒泉站能见度降至1.2 km，PM₁₀质量浓度峰值达7 382 ug·m^-3；15：00后，颗粒物沉降导致沙尘气溶胶浓度降低，气溶胶层可探测厚度回升；18：00后，退偏振比降至0.32以下，气溶胶层可探测厚度超3.0 km，沙尘浓度降低，以扬沙浮尘天气持续一段时间。

4月18日18：00至21：00，1.5 km处退偏振比有模糊分层[图5（b）]，1.5 km以上退偏振比为0.16~0.24，以下为0.08~0.16，残留层较弱，外源沙尘输入较弱。21：30，激光雷达波束在1.0 km高度处衰减，气溶胶层退偏振比超过0.40，近地面起沙，底部可探测高度由200 m降至100 m左右，19日00：00降至最低，同期能见度亦达低值。02：00后近地面沙尘气溶胶浓度降低，100~500 m高度退偏振比降低至0.08~0.16，能见度逐步回升；500~2 500 m处退偏振比超过0.40且激光雷达探测高度增大，表明此时沙尘气溶胶浓度降低并向高空输送，地面颗粒物补充作用显著。03：00—06：00，5.0~7.0 km高度上有强回波反映，退偏振比最大超过0.40，反映上升运动导致沙尘向上输送并堆积。05：00—11：00，1.0~3.0 km之间出现分层，抬升沙尘层和残留层边界清晰；11：00后两层逐渐混合，3.0 km以下气溶胶颗粒分布趋于均匀，退偏振比降至0.32以下，PM₁₀质量浓度同步减小，沙尘扩散。

图6、图7分别为两次沙尘过程中酒泉站风廓线雷达垂直速度和风场的时间-高度剖面。可以看出，3月20日07：00酒泉1.0 km以上高度有4 m·s^-1偏西风，且随时间增大，此时高空沙尘已输送至酒泉上空。至08：00强西北风随槽后冷空气下沉至地面，地面转为西北风，高空远程输送沙尘颗粒物随下沉气流向地面扩散传播，能见度骤降，PM₁₀质量浓度激增，随后风速逐渐减小。09：00—12：00高空间断性下沉运动持续向地面输送外源颗粒物，配合本地沙尘补充，PM₁₀质量浓度继续增大。14：00，酒泉上空1.0 km处出现正速度大值中心（强下沉运动），风速达16 m·s^-1，地面风速为8~10 m·s^-1，高空动量下传增强垂直扰动，既促进高空沙尘沉降，又带动近地面沙尘上扬，监测显示该时刻PM₁₀质量浓度达到峰值。17：00后低层有上升气流，低空沙尘扩散，PM₁₀质量浓度降低，天气逐渐转好。

4月18日21：00，酒泉近地面东北风逐渐增强。22：00冷锋压至酒泉地区，动量下传至近地面，高空外源沙尘沉降叠加本地起沙，PM₁₀质量浓度上升、能见度迅速下降。23：00冷锋过境，东北风转为西北风，近地面风速加大，1.0 km处出现正速度大值中心，PM₁₀质量浓度升至9 878 ug·m^-3，能见度骤降达沙尘暴级别。此后近地面风速减弱，沙尘颗粒悬浮于空中。19日00：00—02：00，高空沙尘颗粒在1.5 km高度处扩散，一部分向高空输送、另一部分向低层沉降；03：00酒泉上空有上升运动，沙尘颗粒在2.0 km处辐合堆积，部分颗粒物向上传输扩散，高度突破4.5 km正负速度交界处，并在4.5~6.0 km处堆积，气溶胶层厚度与退偏振比增大。04：00—05：00，2.5 km高度有正负速度分界，沙尘层稳定于该高度附近；06：00—11：00，2.5 km高度出现正速度大值中心，2.0 km以下的6 m·s^-1及地西北风促进粗沙尘颗粒沉降，3.0 km以上受弱西南风和西风影响，少量沙尘向下游输送，2.5 km高度处风速减小，抬升沙尘层和残留层分层显著、边界清晰。11：00后酒泉上空风速减小，沙尘颗粒物混合均匀，在偏北风作用下向下游传输。

本文基于气象分析资料、HYSPLIT模型及激光雷达、风廓线雷达资料，对比分析2023年春季河西走廊两次大风沙尘天气过程的环流特征、形成机制、传输特征等，得到以下主要结论。

（1）3月20日沙尘过程由蒙古气旋后部冷空气分裂南下所致；4月18日沙尘过程受蒙古气旋与冷锋共同作用，具有强度更强、影响范围更广、持续时间更长的特征。

（2）两次过程均存在沙尘颗粒物远距离输送特征，但传输路径与沙尘来源不同：3月20日沙尘过程为偏西输送路径，以外源输入颗粒物为主、本地起沙为补充；4月18日沙尘过程为西北输送路径，本地沙尘颗粒物为主要沙尘源。

（3）两次过程中天气系统影响时段与PM₁₀质量浓度和能见度变化具有较好的时间一致性，天气系统演变与激光雷达退偏振比、风廓线雷达垂直速度和风场特征匹配度高。相同模拟时段内，4月18日过程沙尘颗粒物输送距离比3月20日过程更长、输送速度更快，但大粒径沙砾随输送距离增加而减少，因而初始外源沙尘输送阶段，3月20日过程退偏振比整体高于4月18日过程，但在沙尘爆发阶段，4月18日过程近地面沙尘颗粒物补充更明显。