沙尘暴是起源于干旱、半干旱地区的灾害性天气，其长距离传输对下游地区的气候、环境及公共健康构成严重威胁（Aghababaeian et al.，2021），受到国内外学术界的长期关注。现有研究围绕沙尘路径传输（Goudie and Middleton，2006；Zhang et al.，2025）、源解析（Chen et al.，2024）、数值模拟（Meinander et al.， 2023）以及新资料和技术在沙尘预报中的应用（Clauzel et al.，2025）等方面开展。其中，地形对沙尘传输的影响是重点研究方向（姜学恭和陈受钧，2008），相关研究多聚焦复杂地形区域（Basart et al.，2016；Kok et al.，2022；田文君等，2025）。虽然多源观测资料与人工智能的融合应用为沙尘暴监测预警提供了新的研究途径（Zhang et al.，2025；Gui et al.，2026），但沙尘预报难题仍未得到有效解决（Gui et al.，2026）。

近年来，受全球气候变暖等因素影响，沙尘活动频次与强度出现波动（Varga et al.，2023），中国沙尘的影响范围常向南扩张（江鑫等，2024；胡莹莹等，2025），针对长江以南等地区的沙尘过程影响个例研究逐步展开（雷蕾等，2023；盛慧等，2024）。已有研究证实，沙尘南侵过程受到复杂下垫面与局地气象条件的共同影响，其中地形对南方地区沙尘的传输、沉降影响尤为复杂（丁金美等，2025；周德荣等，2026）。湖南省地处中国中部，呈独特的马蹄形地形，地形对湖南的空气质量有较显著影响，也是沙尘南侵至长江以南的关键区域（徐红等，2023），但目前该区域地形对沙尘入侵形成的“通道—滞留”双重作用，尚缺乏系统研究。

2025年4月12—14日，一次强沙尘过程影响湖南全境，造成大范围持续多日的严重大气污染，为研究沙尘向南输送提供了典型案例。因此，本文利用多源观测资料，对此次沙尘事件的三维传输路径开展精细化分析，重点揭示了湖南省特殊的马蹄形地形在沙尘入侵、滞留和清除过程中的“通道—滞留”双模态调控机制，深化沙尘在南方复杂地形区传输机理的认识，并为长江以南同类地形的沙尘预报预警工作提供科学依据。

湖南省位于中国中部、长江中游地区，属于亚热带季风气候。从图1湖南省地形高度分布看出，研究区以山地、丘陵为主，呈马蹄状，开口在东北低平的洞庭湖平原，东、南、西三侧分布有较高山地，春温多变，夏秋多旱，易受北方南下冷空气的侵袭，气温剧变，天气变化剧烈。境内湘江、资水、沅江、澧水四大水系纵贯南北，河谷盆地交错分布。

所用资料：1）中国生态环境部网站发布的湖南省14个城市的实时空气质量监测数据，包括空气质量指数（Air Quality Index，AQI）、PM_2.5和PM₁₀质量浓度，时段为2025年4月11日00：00（北京时，下同）—14日23：00。AQI分级标准参考《环境空气质量（AQI）技术规定：HJ 633—2026》（中国环境监测总站等，2026）。2）天气环流数据为国家气象中心下发的4月11—14日08：00 MICAPS（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System）格式实况资料，此外采用湖南省国家气象观测站、区域气象观测站4月11—12日逐时MICAPS实况大风数据分析风速特征。3）风廓线雷达是一种新型的大气遥感探测系统，具有高时空分辨率、精准监测沙尘天气过程的优势（何敏等，2025）。利用2025年4月12日00：00—14日23：00长沙站L波段风廓线雷达数据，分析水平风速、垂直速度和大气折射率结构常数（${\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{2}$）。4）探空资料来自长沙、郴州、怀化3个气象探空站2025年4月11—14日08：00、20：00的观测数据。5）利用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）提供的全球数据同化系统（Global Data Assimilation System，GDAS）气象数据计算气团传输轨迹，该资料空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为3 h，时段为2025年4月8日00：00—14日23：00。

参考环境保护部办公厅《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》^①(①环境保护部办公厅, 2017. 受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定(环办监测〔2016〕120号).)及相关文献（Lee et al.， 2004；殷丽娜等，2019；段赛男等，2024）的研究方法，沙尘天气的判定条件为：当监测点首要污染物为PM₁₀，且PM₁₀质量浓度>150 μg·m^-3、AQI>150、PM_2.5与PM₁₀质量浓度比值≤0.4时，即认为该时段受到显著沙尘影响，其中PM_2.5与PM₁₀质量浓度比值可表征污染物颗粒物构成的变化。

拉格朗日混合单粒子轨道模型（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，HYSPLIT）是NOAA开发的广泛应用于大气污染物传输、扩散模拟的工具（Stein et al.， 2015），通过计算气团的三维运动路径追溯污染物来源，可解析沙尘远距离传输路径（Lee et al.， 2004）。为区分本地排放与外来传输，兼顾湖南地形对低空气流的影响（徐红等，2023），追踪高空沙尘输送路径，选取1 000、1 500和5 500 m高度进行分析。

2025年4月10—14日全国强沙尘暴持续向南蔓延，过程由蒙古气旋与地面冷锋共同驱动，于4月12日09：00—14日20：00影响湖南，历时59 h，为湖南2000年以来罕见的全境性沙尘污染事件。从表1看出，本次沙尘过程的核心特征如下：一是影响范围广，全省14个主要城市中13个城市出现严重污染，其中怀化出现轻度和中度污染；10个城市的AQI小时最大值为500，邵阳、永州连续2 d的AQI日均值超过200；二是持续时长差异显著，平均沙尘污染时长超30 h，污染时长总体呈现“东长西短、南长北短”的分布特征，永州、株洲最长（48 h），常德次之（41 h），湘西州受污染时长最短（8 h）；三是污染强度创纪录，湘潭PM₁₀小时质量浓度峰值达1 413 μg·m^-3，长沙、常德也突破1 000 μg·m^-3，湘西州、永州和张家界自2015年以来首次出现严重污染，娄底AQI为500的时长达12 h，污染滞留特征突出。

图2是2025年4月12—14日逐时PM₁₀质量浓度和PM_2.5与PM₁₀质量浓度比的Hovmöller图。可以看出，自西北（张家界）至东南（郴州）方向，沙尘污染呈非均匀的西北—东南向发展。12日09：00，常德等北部城市首先受到沙尘影响，随后污染迅速南下。12日12：00—13日00：00，影响扩展至岳阳、长沙等湘北、湘中区域（沿剖面归一化距离0.4~0.6）；13日12：00—14日00：00，推进至永州等湘南区域；14日12：00后，逐步影响郴州并进入消散阶段。整体呈现“北早南晚”的时序变化，无跨区域跳跃式传输，表明地形通道对沙尘路径具有定向约束作用。污染强度呈现“中部—南部重，东北部—西部轻”的空间格局，PM₁₀质量浓度最大值轨迹表明，湘中长沙一带为沙尘高浓度核心区，PM₁₀质量浓度超过1 000 μg·m^-3，其中长沙、岳阳质量浓度短时维持在800~1 000 μg·m^-3；湘南、永州区域PM₁₀质量浓度回落至600~800 μg·m^-3；郴州质量浓度进一步降低，整体沿剖面由北向南呈递减的趋势[图2（a）]。PM_2.5与PM₁₀质量浓度比值在全剖面范围内普遍低于0.3，形成明显的低值中心轨迹，且低值轨迹随沙尘主体同步南移[图2（b）]，与PM₁₀质量浓度最大值传输路径高度吻合，表明本次污染以北方远距离传输的粗颗粒沙尘为主，本地细颗粒物贡献极弱。

依据沙尘传输的时空变化特征，选取张家界、岳阳、长沙和永州4个代表城市，给出PM₁₀质量浓度最大值、PM_2.5与PM₁₀质量浓度比为最小值的逐时变化（图3）。可以看出，所有城市受沙尘影响后，PM₁₀质量浓度最大值迅速跃升，可超过500 μg·m^-3，同时PM_2.5与PM₁₀质量浓度比从污染前的0.6~0.8降至0.2~0.3，污染峰值自北向南依次出现，符合外源性沙尘污染以粗颗粒物为主、自北向南传输的典型特征。受湖南省“三面环山、北部开口”的马蹄形地形影响，4城市污染特征存在显著差异：湘北的岳阳地处沙尘入湘前沿通道，地形开阔无阻挡，最早受沙尘影响，PM₁₀质量浓度峰值达1 000 μg·m^-3，之后PM₁₀质量浓度快速回落，消散速度快；紧邻岳阳的长沙整体地势平缓，无明显地形屏障，污染峰值超过1 000 μg·m^-3，同样符合开阔地形的污染特征；张家界位于武陵山地，受西部地形屏障的阻挡，是4个城市中污染程度最轻、峰值到达最晚的城市；湘南永州地处马蹄形地形的南部，南倚南岭山脉，沙尘气团输入后受地形阻挡难以扩散排出，尽管PM₁₀质量浓度峰值小于800 μg·m^-3，但截至14日凌晨，PM₁₀质量浓度最大值仍维持在400 μg·m^-3左右的偏高水平，污染持续时间显著高于其他城市，体现出明显的地形滞留效应。

综上所述，地形是调控本次沙尘传输、滞留与消散的核心因素。首先，南北向河谷形成了天然传输通道，引导沙尘沿固定剖面快速过境，限制了其向东西两侧扩散，保证了传输的方向性。其次，湘北、湘中一带因地势平缓，受到污染影响早；湘南受三面山脉阻挡，形成滞留效应。

大风是沙尘产生和长距离输送的动力条件（徐红等，2023）。湖南省境内在2025年4月11—12日出现大范围8级以上大风，共有68个气象站的风速超过10级，株洲渌口区、湘潭韶山和岳阳君山区风速达12级，君山区幸福水库站最大风速为39.2 m·s^-1（相当于13级）。图4是沙尘过程中长沙站风廓线雷达风速、垂直速度和${\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{2}$的时间-高度剖面。由图4（a）可见，4月11日夜间至12日凌晨、13日白天至14日凌晨两个时段，0.5~1.5 km高度层出现了风速大于10 m·s^-1的大风速区，表明研究时段内存在两次低空急流过程。12日近地面（小于0.5 km）由偏西风或西北风主导，随高度增加逐渐转为偏北风，表明存在温度平流。12日凌晨在1.0~3.0 km高度出现风速超过24 m·s^-1的强风区，3.5~4.0 km出现4~8 m·s^-1的弱风层，4.0~6.0 km再度出现大风区。12日上午至13日上午，近地面层风速整体偏弱，中高层为偏北风。该风场配置与长沙PM₁₀质量浓度最大值自09：00起陡增，12：00达1 080 μg·m^-3有较好的一致性（图3）。14日近地层主要为偏南风，风的消除作用增强，沙尘逐渐清除。图4（b）显示，12日06：00前后出现了长时间的下沉气流，大气污染物以沉降为主，与当日长沙污染物浓度急剧升高相对应。13日垂直方向以弱上升和下沉运动为主，大气层结稳定，扩散条件差，导致沙尘持续滞留，PM₁₀小时质量浓度维持高值并呈阶段性波动。14日垂直速度以上升运动为主，利于沙尘向外扩散。图4（c）显示，12日12：00前${\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{2}$高值区位于2.5~3.5 km，顶部边界位于3.0~6.0 km，表明湍流活跃。12日12：00—13日12：00 ${\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{2}$无明显高值区，湍流层高度低且顶部边界清晰，表明近地面层存在较厚的稳定层结或受浮尘沉降的影响。13日12：00—20：00 $\mathrm{ }{\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{2}$高值区集中在0.5~1.5 km，下沉气流增强并伴随逆温层发展，与PM₁₀小时质量浓度又超过250 μg·m^-3相对应。13日夜间至14日上午${\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{2}$无明显高值区，但顶部边界波动大，频繁出现向上的突起，表明边界层顶部存在瞬时强湍流。14日12：00—18：00 $\mathrm{ }{\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{2}$高值区集中2.0 km以下，湍流增强，过程趋于结束。

沙尘过程期间，对湖南省长沙、郴州、怀化3个探空站08：00和20：00的温度层结分布统计（图略）表明，4月14日08：00 3个站点同时出现贴地逆温，其中郴州站逆温层最高达850 hPa；长沙站在13日08：00、14日08：00和14日20：00的逆温层高度均位于地面至925 hPa之间；怀化站的逆温层高度主要在925 hPa以下。逆温出现时，PM_2.5与PM₁₀质量浓度比值在0.3左右，逆温越强，PM_2.5与PM₁₀质量浓度比值越小，PM₁₀质量浓度升高越明显。逆温层高度越低，浮尘越严重，例如怀化站在13日20：00，逆温层高度在950 hPa（约700 m），PM₁₀质量浓度为257 μg·m^-3；14日08：00逆温层高度升至850 hPa（约1 500 m），PM₁₀质量浓度为161 μg·m^-3；14日20：00，逆温层高度降至925 hPa（约800 m），PM₁₀质量浓度为175 μg·m^-3。总体而言，沙尘过程中未出现强逆温。

2024年12月—2025年2月中国平均气温较常年同期偏高0.4 ℃，平均降水量较常年同期偏少41.1%，长江以南地区降水持续偏少（赵玉衡和丁婷，2025），这种气候背景导致2025年4月湖南及周边区域的空气质量整体偏差。4月上旬，新疆东部、内蒙古大部、西北地区东部等地累计降水量不足10 mm，平均气温较常年同期持续偏高2~4 ℃，大部地区地表湿度偏低且土质疏松，为此次强沙尘暴事件提供了有利的起沙条件（胡莹莹等，2025）。

从图5给出的高空及地面环流形势看出，11日08：00，500 hPa低压槽逐渐建立并引导冷空气南下[图5（a）]，850 hPa及地面在华北至华中一带存在低压系统[图5（b）、（c）]。大陆内部相应区域有冷高压发展，中心气压约1 040~1 045 hPa，属于春季冷空气过程中较强的冷高压系统。12日08：00，500 hPa出现多个低压中心[图5（d）]，850 hPa内陆高压南扩[图5（e）]，冷空气逐渐减弱，地面冷高压形态发生调整，主体趋于分散，在22°N—42°N、90°E—110°E范围内出现多个高压中心，湖南地区受冷高压控制[图5（f）]。13日08：00，冷高压继续减弱，湖南处于高压后部均压场中，气压梯度趋于平缓（图略）。14日08：00，500 hPa低压槽东移出海[图5（g）]，湖南上空转为槽后西北气流控制，850 hPa及地面偏北气流相应减弱[图5（h）、（i）]，本轮冷空气过程趋于结束。

结合湖南省主要城市地理位置分布与空气污染的小时演变特征，选取岳阳、长沙、永州、湘西州4个代表城市，利用HYSPLIT后向轨迹模型模拟追踪本次沙尘过程3个不同高度层的72 h气团输送轨迹（图6），探究沙尘影响湖南的远距离传输机制。结果表明，不同高度层污染物的传输路径有明显差异。5 500 m高度层的后向传输轨迹受大地形调控作用明显，气流分为南、北两支绕行青藏高原[图6（a）]，南支气流沿雅鲁藏布江河谷、柴达木盆地、四川盆地完成长距离传输，最终影响永州；北支气流沿青藏高原北缘东移，途径河西走廊与四川盆地后向东、向南输送，进而影响湘西州。1 500 m高度层气团的传输以远距离输送为主导，受洞庭湖平原地形影响，岳阳污染物传输路径偏东；其余三条路径偏西北，沿青藏高原北麓至四川盆地东侧山谷及河谷的复杂路径传输，到四川盆地后转为向东、向南侵入湖南[图6（b）]。1 000 m高度层的后向轨迹受污染源区影响，分为两类输送通道：岳阳、永州的沙尘气团源自蒙古高原北部区域，路径平直、呈长距离南下输送特征；长沙、湘西州的污染物则源自青藏高原与黄土高原交界区域，输送路径短、地形曲折[图6（c）]。4个城市的污染物传输以低层为主，尤其是湘西州非常明显，污染物以区域传输为主；4月12—13日永州在4~6 km存在较强输送，有独特的“双层”结构[图6（d）]，这与地形的“滞留”影响和13日PM₁₀质量浓度波动性反弹有较好的对应。总体来看，4月11日20：00前后，污染物开始自西北向东南方向传输，在抵达湖南之前，约1 500 m高空已积累大量污染物，为持续3 d的沙尘过程提供了充足的物质基础。

本次影响湖南的沙尘事件，沙尘起源于新疆南疆盆地和蒙古国等地，传输路径为偏西北路径，途经河西走廊和四川盆地，这与影响南方地区的主要沙尘过程高度一致（赵碧云等，2023；周德荣等，2026），但与北方干旱区沙尘的自西向东传输路径不同（王蕾等，2023），与湖南省污染物经偏东北路径输入及本地积累叠加所致的重污染过程存在本质差异（李蔚等，2022）。沙尘南侵特殊路径的实现得益于特定的动力条件。春季欧亚中高纬“西高东低”的环流配置，驱动蒙古气旋与冷锋南下，产生了大范围强劲的偏北风是沙尘得以超远距离输送至湖南的关键动力（江鑫等，2024；盛慧等，2024）。值得注意的是，湖南作为沙尘“汇区”，沙尘过境期间的偏北风主要起累积作用，这与北方沙尘源区的大风主要起清除作用的机制截然不同（雷蕾等，2023），这种动力角色的转换，是导致沙尘能够在湖南形成显著污染并持续多日的根本原因之一。

地形强迫是沙尘空间分异的关键因子（Di Tomaso et al.，2022）。在大尺度上，青藏高原的动力强迫使河西走廊成为风速增强的输送通道（沈建国等，2007），为沙尘南侵提供持续动力；沙尘传输至四川盆地因低涡等天气系统易出现滞留（姜学恭和陈受钧，2008）。与之不同的是，本次沙尘过程对湖南的污染格局主要体现了中尺度地形的“通道—滞留”作用。

山地缺口、河谷走廊和坡面地形在强风背景下会产生显著狭管加速效应（Heisel et al.， 2021），使北方沙尘快速沿湘江河谷等地势平缓及低洼处传输，形成沙尘传输“通道”，河谷两侧的城市迅速出现重污染。南方地区地形复杂，传输“通道”受当地地形的影响有所不同，湖南的通道呈单一的由北向南走向，而湖北的通道则为双分支结构（赵碧云等，2023），四川受盆地限制，仅从川北输入（谢娜和徐栋夫，2025）。

受东部和南部山地的阻挡，河谷盆地、山间洼地及城市内部易造成污染滞留，由于未出现明显的沙尘绕流，污染物主要依赖本地沉降清除，导致沙尘滞留时长达45~48 h（如株洲、永州），明显高于北方干旱区盆地滞留时长（何敏，2025）。在湖北、浙江、四川以及珠江三角洲等地，都存在地形导致污染物滞留（马井会等，2013；赵碧云等，2023；丁金美等，2025；谢娜和徐栋夫，2025）。此外，衡邵盆地等地形引发的局地回流，造成细颗粒物吸湿积聚，形成污染物质量浓度次高峰（如邵阳），此现象与已有研究结果（殷丽娜等，2019）一致。

地形波的下沉支可对污染物产生强迫沉降，复杂地形容易导致静稳天气（沈建国等，2007），而湖南的丘陵地形易形成局部静风或小风区，使污染物扩散缓慢。探空资料显示，沙尘期间湖南未出现大范围强逆温，但夜间至早晨存在的弱贴地逆温层（如怀化、长沙）仍抑制了污染物的垂直扩散，再与山地阻滞作用相结合共同延长了污染持续时间（张强，2001）。地形“滞留”作用是本次沙尘过程长时间持续的重要原因，该现象在南方地区具有普遍性（丁金美等，2025；谢娜和徐栋夫，2025）。

地形的“通道—滞留”效应共同作用于本次沙尘事件，调控了湖南的沙尘天气过程，本文将其概括为地形的“通道—滞留”双模态效应。Basart等（2016）在对西亚地区的沙尘模拟中亦发现类似现象，虽尺度不同，但内在机制具有一致性。Heisel等（2021）在微观尺度的分析中证实了这一效应的动力学机制。Gui等（2026）在沙尘预报的研究中指出，准确刻画湖南这类复杂下垫面地形的“通道—滞留”效应，是提升区域沙尘传输与污染预报精度的关键。

基于上述地形影响机制分析，图7构建了沙尘入侵湖南省的“通道—滞留”双模态地形作用概念图，可为业务预报提供参考，并对南方复杂地形区的沙尘预报给出3点启示：

（1）预报着眼点需向上游关键区和沙尘传输通道前移。预报预警不能只关注本地气象条件，当蒙古气旋与冷锋耦合，并在上游关键区（如河西走廊）形成持续偏北大风时，应高度警惕沙尘远距离南侵的可能性（江鑫等，2024）。这要求预报员建立“源区—通道—受体”的联动预警思维。

（2）地形是预报污染物空间分异与持续时间的核心因子，预报中需重点分析地形对输送路径的引导与变形。沙尘进入南方复杂地形区后，需预判：沙尘主力将沿何种地形通道（如河谷）快速输送，导致何处出现浓度峰值；又将在哪些山地背风坡或盆地因阻滞产生滞留，导致污染延长（徐冉等，2023）。同时，本地风场和大气层结的分析要与此预判相结合。

（3）清除条件的关键在于大尺度环流转向与本地地形共同作用。污染物的彻底清除，不仅需要本地扩散条件转好，更依赖于引导气流由偏北转为偏南，即从上游截断输送。预报中需捕捉500 hPa或850 hPa风向系统性转为南风的信号，并结合地形分析其对不同区域清除速度的影响差异。

本文选取2025年4月12—14日影响湖南省的沙尘污染事件，利用多源观测数据与HYSPLIT轨迹模型，分析沙尘输送特征、地形作用及环流驱动机制，得到以下主要结论。

（1）湖南可遭受北方沙尘远距离输送影响。本次沙尘源自蒙古国、新疆南疆，经河西走廊、四川盆地西北路径南下，48~72 h抵达湖南，是2000年以来首个覆盖全省的沙尘事件。沙尘过程中PM_2.5与PM₁₀质量浓度比值普遍低于0.3，外来污染物以粗颗粒沙尘为主，表明特定环流条件下沙尘可长距离南侵长江以南湿润区域。

（2）湖南马蹄形地形存在“通道—滞留”双模态调控效应。北部河谷、洞庭湖平原形成传输通道，狭管效应推动沙尘快速自北向南扩散，湘北、湘中快速出现高PM₁₀质量浓度峰值；东、南、西三面山地形成屏障，湘南盆地阻滞气流，永州、株洲污染时长达48 h；夜间弱逆温与地形叠加，进一步延长沙尘滞留时间，该机制在南方复杂地形区具有普遍性。

（3）构建沙尘入侵湖南区域的预报预警模型，确定了其中的关键指标。当西北地区出现持续2 d以上的沙尘暴，且蒙古气旋与冷锋耦合、大范围5级以上西北风持续时，沙尘可自西北向湖南输送。在沙尘影响期间，当500 hPa或850 hPa风向系统性转为南风时，沙尘过程趋于结束。