ERA-Interim是ECMWF继ERA40之后推出的一套新的再分析资料，在已有资料的时间段上有部分和 ERA40 重叠（1989～2002年），但是在资料的处理上有很大的进步：第一是由三维同化系统（3DVAR）转变成四维同化系统（4DVAR）；第二是更改了模型参数；第三是增加了资料精度，水平分辨率加强；第四是应用了更多的卫星和地面观测资料。NCL(The NCAR Command Language)是一种专门为科学数据处理以及数据可视化设计的高级语言，很适合用在气象数据的处理和可视化上。NCL包含了现代编程语言的许多常见功能：条件语句、循环和数组运算等。此外，NCL还包括许多有用的内置函数和过程用来进行处理和操作数据，其中包括统计函数、插值、EOF 分析和波谱分析等。

本文选用ERA-interim再分析资料提供的2016年7月2日0:00、6:00、12:00和18:00的单日资料以及2018年3月15～20日0:00、6:00、12:00和18:00的逐日资料，包含气压、温度、风速和风向等气象要素，污染数据为兰州市以及兰州地区各个国控点的污染物观测数据，包含AQI指数及PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂、O₃和CO实时质量浓度，以及各污染物的24 h的平均质量浓度，利用各个时间节点的再分析数据资料对影响兰州地区的风场、垂直温度场、环流场及层结稳定度判据K值进行分析，并结合相同时刻下的兰州市及各站点的各污染物质量浓度数据及AQI指数进行对比分析，运用NCL处理再分析资料得出的可视化气象场图形资料，研究兰州地区的两次典型的沙尘污染过程。

兰州市2018年3月15日AQI指数接近200达到中度污染水平，其中3月16、17日达到重度污染水平，17日AQI指数日峰值超过300为严重污染，污染趋势呈现15～17日不断加重，17～20日污染逐渐减轻；污染物PM₁₀、PM_2.5质量浓度较高，其日均值峰值也出现在17日，分别达到434、90 μg/m³，且总体变化趋势与AQI指数的变化趋势保持高度一致，因此可以判定本次污染的主要污染物为 PM₁₀和PM_2.5。17日兰州主要污染物PM₁₀、PM_2.5质量浓度全天处于较高水平，在当天19:00开始缓慢下降变化趋势，见图1。

3月15日地面，见图2a上蒙古冷高压与新疆地区低压、长江中下游地区低压形成强大的气压梯度，并伴有冷锋过境，在兰州地区自北向南迁移，受此冷锋过境影响，兰州与内蒙古交界处有大风速区，风速达到6～7级。而甘肃与内蒙古交界处沙漠广泛分布，是我国重要的沙尘源地，提供了丰富的沙源，受大风影响，大风区形成沙尘并随冷锋南下，输送到兰州地区。15日500 hPa ，见图2b上西藏西部有一低压中心，东北地区有一大槽，甘肃地区上空没有明显槽脊，因此沙尘主要为低层输送。我国地形为西高东低，此次沙尘天气由2个方向南下影响我国，见图2a红色箭头所指方向），一支在蒙古地区发展，继而向地势平坦的华北平原扩散输送，一支在蒙古地区由东北风输送至河西走廊，并受其地形狭长的影响，使沙尘颗粒物在此区域扩展，进而影响甘肃省以南。

（1）局地风场分析。3月15日兰州地区14:00为东风，冷锋尚未经过兰州地区，见图3a；16日风向变化为南风，沙尘自甘肃与内蒙古交界的源地输送至兰州地区，且16日兰州地区周边风向呈回旋状，兰州处于涡旋中心，风速极小，为静稳天气，有利于沙尘在该地区的沉降积累，见图3b；至17日北风经过兰州地区后转为东北风，而兰州地区为典型的河谷地形，受两侧高大山脉的阻挡作用，此时不易于沙尘颗粒物的扩散，污染物沉积到河谷，见图3c；18日兰州地区维持为东北风，污染物继续沉积到河谷，见图3d；19日局地风向转为西北风，此时水平气流不受地形阻挡，将兰州地区的部分污染物输送出河谷，见图3e；20日局地风向转为东南风，污染物持续输送出河谷，见图3f。

（2）垂直温度场分析。垂直温度场可以很好地反应所分析地区垂直温度的变化，根据温度随高度的上升或者下降，判断所研究区域的边界层内是否存在逆温层结，研究不同污染类型的特点。沙尘天气3月14～15日输送至兰州地区，3月16日兰州地区风速极小，呈现静稳天气，3月16日后静稳天气持续，分析16、17和18日3 d的103°E经线上的垂直温度剖面图，见图4。

图4可知，兰州地区温度在垂直方向上减小，在静稳天气的时间段内的边界层中没有出现温度反向升高的情况，即在兰州地区边界层中没有出现逆温层现象。

（3）层结稳定度分析。层结稳定度判据K指数可以反映大气的层结稳定情况，见式（1）。

式（1）中，(T₈₅₀−T₅₀₀)表示温度直减率，T_d850表示低层水汽条件，(T₇₀₀−T_d700)表示中层饱和程度。K指数越大，表示层结越不稳定。

分析 K 指数相对大小的变化情况可以判定层结稳定度的变化情况，见图5。15日沙尘输送开始南下，随锋面过境兰州，因此15日兰州地区的层结稳定度较高，层结不稳定，沙尘输入；至16～18日层结稳定度判据 K 值有所回落，没有较大波幅，层结趋于稳定，分析锋面已经过境，且层结稳定，没有强烈的对流运动，有利于污染物的沉降，导致16、17和18日3 d的AQI指数与PM₁₀的质量浓度连续攀升；19日层结稳定度判据K指数再次升高，至20日下降，再结合图1（PM₁₀逐日质量浓度变化图）和图3（19日风场图）可知，19～20日PM₁₀质量浓度持平且19日局地风向为西北风，可进一步推定1～20日时段内仍有一次沙尘输送过程，即19～20日兰州地区沙尘颗粒物污染仍为受环流场影响，由内蒙古和甘肃交界地区的沙尘源地2次输送过程而导致。

在甘肃北部靠近内蒙古地区上空有极大风速区，甘肃南部包括兰州地区在低压控制下，15日甘肃北部的蒙古高压与东移高压汇合加强，位于甘肃西北部，因此大风区沙尘将借助河西走廊向甘肃南部低压区偏移，形成兰州地区19～20日的污染过程，见图6。

兰州市12月2日AQI指数达到500，为严重污染，且PM₁₀质量浓度峰值接近800 μg/m³，AQI指数与PM₁₀变化趋势保持一致，均在早晨6:00开始增加，至8:00到15:00达到一天的峰值水平，而后在15:00开始快速下降，至 17:00后缓慢下降，见图7a，据此变化趋势的一致性可以判断本次污染过程的主要污染物为PM₁₀。当天其他污染物的浓度变化情况，见图7b，其中 PM_2.5、O₃的质量浓度变化情况与主要污染物PM₁₀及AQI指数变化趋势相近，但O₃全天质量浓度处在较低水平，而PM_2.5质量浓度水平处在较高水平，则PM_2.5也是当天主要的污染物。

（1）污染发生过程分析。2018年12月2日发生在兰州市的沙尘污染天气的发生发展过程与春季3月15日过程相似，均为蒙古冷高压与新疆地区低压配合形成强大的气压差，导致冷锋过境，在兰州地区自北向南迁移，使兰州与内蒙古交界处产生大风速区，大风区形成沙尘并随冷锋南下，由蒙古地区输送至河西走廊，并受其地形狭长的影响，使沙尘颗粒物在此区域扩展，进而影响甘肃省以南地区。

（2）局地气象场分析。2018年12月2日8:00，兰州地区上空700～850 hPa之间的高度上出现了逆温层，沙尘输送至兰州地区后开始沉降，在逆温层作用下，污染物不易扩散，见图8。

2018年12月2日4个时段内兰州地区层结稳定度判据K值的变化情况，见图9。

图9可知，12月2日2:00时层结相对不稳定，其主要成因是污染物的输送导致的层结稳定度降低，到早晨8:00时层结恢复稳定，在下午14:00、20:00时达到当天层结稳定度判据K值的最低值，层结达到最稳定水平。

利用污染资料对兰州地区发生的两次沙尘污染过程进行污染物质量浓度及变化趋势的研究，以及结合欧洲中期天气预报中心的 ERA-interim 再分析资料，对污染时段内的气象场加以分析，得出以下结论。

（1）通过分析环流场、风场、垂直温度场以及层结稳定度判据K值等气象场因素，结合当时污染天气发生时段内的污染质量浓度指标以及变化趋势，得出兰州春季沙尘颗粒物的污染，在污染指标上体现为PM₁₀、PM_2.5质量浓度大幅度超出限值，且在当天的AQI指数贡献上占主导作用；在结合气象场分析后，得出沙尘颗粒物源地在甘肃省北部及内蒙古地区的沙漠地带，在蒙古高压发生发展旺盛以及甘肃及周边区域被低压控制后，被强烈水平气流携带的沙尘颗粒物易借助于河西走廊的狭长地带扩散到甘肃南部的部分区域；在污染物输送到兰州地区后，由于兰州地区的河谷地形导致本地易出现层结稳定、风速极小的静稳天气，而导致颗粒物难于消散，易于沉降累积，因此，兰州地区的春季沙尘污染天气的特点呈现出污染周期长、污染物成分单一的特点。

　　（2）冬季兰州沙尘污染的发生发展过程以及输送路线及方式与春季沙尘污染相似，但是由于兰州地区河谷地形的作用且冬季产生的逆温层结，对比春季3月15日无逆温层结影响的污染过程，12月2日冬季沙尘污染过程比较春季沙尘污染过程，其主要污染物PM₁₀的峰值质量浓度要高，其主要原因为逆温层产生后，近地面暖而轻的空气位于冷而重的空气之上，形成极其稳定的大气层结，阻碍空气的垂直对流运动，因此输送到兰州地区近地层空气中的沙尘悬浮在逆温层下的近地面层中，无法借助对流运动进行扩散，造成此次冬季沙尘污染过程中颗粒物质量浓度出现极大值。