一次強(qiáng)沙塵暴的近地層氣象要素及內(nèi)部熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征

顧潤(rùn)源,陳磊,周偉燦,姜學(xué)恭

(1.青島市氣象局,山東 青島 266003;2.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;3.內(nèi)蒙古氣象臺(tái),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

一次強(qiáng)沙塵暴的近地層氣象要素及內(nèi)部熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征

顧潤(rùn)源1,陳磊2,周偉燦2,姜學(xué)恭3

(1.青島市氣象局,山東 青島 266003;2.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;3.內(nèi)蒙古氣象臺(tái),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

針對(duì)2009年4月23—24日出現(xiàn)在我國(guó)內(nèi)蒙古中西部的一次強(qiáng)沙塵暴天氣過(guò)程,利用專門組織觀測(cè)實(shí)驗(yàn)得到的加密探空資料、地面自動(dòng)觀測(cè)站資料和其他常規(guī)觀測(cè)資料,深入分析研究了此次沙塵暴發(fā)生前后及發(fā)生期間,近地層氣象要素變化及其內(nèi)部熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征變化。結(jié)果表明,1)沙塵暴發(fā)生前,大氣的溫度垂直遞減率大,濕度較大,近地層風(fēng)速小,風(fēng)向偏東;在沙塵暴發(fā)生期間,大氣中出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,大氣濕度很小,各層風(fēng)速明顯增強(qiáng),風(fēng)向偏西且穩(wěn)定;之后,低層溫度顯著下降,大氣濕度迅速增大,各層風(fēng)速減小,沙塵暴天氣結(jié)束。2)沙塵暴發(fā)生前,大氣層結(jié)是條件不穩(wěn)定的,在沙塵暴過(guò)境時(shí),低層大氣層結(jié)是穩(wěn)定的,在800～600 hPa之間大氣層結(jié)是中性的,此時(shí)低層大氣干燥,而在沙塵暴移出測(cè)站后,濕度明顯增大,因此,“3θ”曲線可以為沙塵暴的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供一個(gè)有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。3)沙塵暴爆發(fā)時(shí)的螺旋度是所有觀測(cè)時(shí)次中的最大值,螺旋度與沙塵暴的強(qiáng)度在時(shí)間上具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即螺旋度越大,對(duì)應(yīng)沙塵暴越強(qiáng)。4)此次強(qiáng)沙塵暴的形成與發(fā)展不僅受到環(huán)境風(fēng)速的影響,沙塵暴內(nèi)部的切向旋轉(zhuǎn)速度和垂直運(yùn)動(dòng)速度也對(duì)其起到重要的作用。

沙塵暴;熱力學(xué)參數(shù)“3θ”;相對(duì)風(fēng)暴螺旋度;熱力動(dòng)力結(jié)構(gòu)

0 引言

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)把地表大量沙塵卷入空中,使空氣特別渾濁,水平能見度低于1 000 m的天氣現(xiàn)象。內(nèi)蒙古地區(qū)是中國(guó)北方沙塵暴高發(fā)區(qū)之一,也是主要沙塵暴源地之一,對(duì)這一地區(qū)的沙塵暴進(jìn)行深入研究具有重要意義(葉篤正等,2001;錢正安等,2002;李棟梁等,2003;劉景濤和鄭明倩,2003;韓永翔等,2005;張小玲等,2005,2007;錢正安等,2006;張志剛等,2007;王存忠等,2010;中國(guó)氣象局,2012)。近年來(lái),針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵暴的研究較多。李彰俊等(2007)通過(guò)對(duì)2002年3月18—22日沙塵暴過(guò)程進(jìn)行的數(shù)值模擬及針對(duì)內(nèi)蒙古中西部沙塵源地影響的敏感性試驗(yàn)研究得出,內(nèi)蒙古中西部荒漠化草原生態(tài)的迅速惡化是2001年前后沙塵天氣頻繁發(fā)生的原因之一。姜學(xué)恭和陳受鈞(2008)研究了東亞地形對(duì)中國(guó)沙塵傳輸?shù)挠绊?結(jié)果表明:東亞地區(qū)沙塵天氣多發(fā)區(qū)主要位于中國(guó)南疆盆地和內(nèi)蒙古西部及蒙古南部,蒙古、內(nèi)蒙古西部沙塵天氣主要出現(xiàn)在沙漠腹地。達(dá)布希拉圖和趙春生(2005)等選取內(nèi)蒙古中西部37個(gè)站1961—2000年3—5月氣溫、相對(duì)濕度等地面氣象因子,分析它們對(duì)內(nèi)蒙古中西部沙塵暴發(fā)生頻率的影響以及內(nèi)蒙古中西部單站沙塵暴頻率的變化趨勢(shì)。康玲等(2009)討論了我國(guó)1995—2007年內(nèi)蒙古地區(qū)118個(gè)地面測(cè)站的沙塵暴、能見度、風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)資料,確定了不同范圍、不同強(qiáng)度沙塵暴標(biāo)準(zhǔn),給出了特強(qiáng)、強(qiáng)、次強(qiáng)和弱沙塵暴日的個(gè)例譜。但是以上研究主要集中在天氣氣候特征的統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬與遠(yuǎn)程傳輸?shù)确矫?。因受觀測(cè)資料限制,對(duì)沙塵暴發(fā)生、發(fā)展、消亡過(guò)程中的地面氣象要素變化及其內(nèi)部熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征方面的深入研究較少,僅有的幾次研究是岳平等(2008a)和丁建芳等(2008)對(duì)甘肅民勤站點(diǎn)的沙塵暴天氣過(guò)程進(jìn)行加密探空觀測(cè)的研究分析,而對(duì)于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的沙塵暴而言,這方面的研究工作在國(guó)內(nèi)很少見。

本文對(duì)2009年4月23—24日發(fā)生在內(nèi)蒙古中西部的一次強(qiáng)沙塵暴天氣過(guò)程,利用常規(guī)觀測(cè)資料和專門組織觀測(cè)實(shí)驗(yàn)得到的探空加密觀測(cè)資料,分析了沙塵暴發(fā)生前后地面氣象要素(溫、壓、濕、風(fēng))變化及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,計(jì)算了大氣熱力參數(shù)“3θ”廓線、相對(duì)風(fēng)暴螺旋度以及沙塵暴對(duì)流體的切向旋轉(zhuǎn)速度和垂直運(yùn)動(dòng)速度,以期深入揭示此次沙塵暴過(guò)程的氣象要素變化及其內(nèi)部熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征。

1 沙塵暴天氣過(guò)程概述

在2009年4月23—24日,我國(guó)出現(xiàn)當(dāng)年以來(lái)第六次、也是最強(qiáng)的一次沙塵天氣過(guò)程。此次強(qiáng)沙塵暴天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)是蒙古氣旋。沙塵天氣過(guò)程首先在蒙古國(guó)西部起沙,在內(nèi)蒙古中西部地區(qū)加強(qiáng),隨著時(shí)間推移逐漸向南、向東擴(kuò)展。2009年4月23日02時(shí)(北京時(shí)間,下同),新疆南疆地區(qū)首先出現(xiàn)揚(yáng)沙;至23日08時(shí),蒙古氣旋發(fā)展最強(qiáng),較強(qiáng)的氣壓梯度導(dǎo)致地面大風(fēng),內(nèi)蒙古中西部大部地區(qū)出現(xiàn)瞬間風(fēng)速為18～21 m·s-1的大風(fēng)區(qū),沙塵天氣自西向東影響內(nèi)蒙古中西部地區(qū),先后有阿右旗、白云鄂博等站出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴(表1);23日14時(shí),蒙古氣旋冷鋒東移,沙塵影響區(qū)域繼續(xù)增大,此時(shí)呼和浩特的能見度僅為400 m。23日夜間,蒙古氣旋強(qiáng)度減弱,同時(shí)沙塵也開始減弱,24日白天,蒙古氣旋逐漸消亡,沙塵暴也逐漸減弱消失。之后,沙塵天氣(主要是揚(yáng)沙和浮塵)開始影響到山西,河北、河南和山東等地區(qū)。此次沙塵天氣覆蓋我國(guó)范圍約有73萬(wàn)平方公里,受影響人口近2 000萬(wàn)人,其中沙塵暴影響的區(qū)域約29.2萬(wàn)平方公里,造成西北地區(qū)空氣污染、農(nóng)業(yè)受損,交通運(yùn)輸受到了影響。

表12009年4月23—24日各測(cè)站沙塵天氣實(shí)況

Table 1 Observation data of the dust storm on 23—24 April 2009 from stations

站名站號(hào)沙塵天氣現(xiàn)象起止時(shí)間最小能見度/m阿右旗52576強(qiáng)沙塵暴23日06時(shí)37分—10時(shí)12分400巴彥諾爾貢52495沙塵暴23日06時(shí)31分—07時(shí)22分700吉蘭太53502沙塵暴23日07時(shí)21分—08時(shí)08分700頭道湖52507沙塵暴23日09時(shí)19分—12時(shí)52分600海力素53231強(qiáng)沙塵暴23日09時(shí)02分—18時(shí)08分200臨河市53513沙塵暴23日12時(shí)13分—15時(shí)12分600烏拉特中旗53336強(qiáng)沙塵暴23日07時(shí)20分—08時(shí)25分300烏拉特前旗53433沙塵暴23日17時(shí)18分—20時(shí)00分800烏后旗53324強(qiáng)沙塵暴23日12時(shí)16分—14時(shí)51分300白云鄂博53343強(qiáng)沙塵暴23日08時(shí)25分—19時(shí)23分100包頭53446沙塵暴23日14時(shí)53分—18時(shí)38分500達(dá)茂旗53352強(qiáng)沙塵暴23日14時(shí)51分—20時(shí)00分300滿都拉53149沙塵暴23日12時(shí)17分—19時(shí)10分800土右旗53455沙塵暴23日15時(shí)04分—20時(shí)00分600伊克烏素53522強(qiáng)沙塵暴23日13時(shí)00分—18時(shí)08分200呼和浩特53463強(qiáng)沙塵暴23日11時(shí)55分—14時(shí)12分400額濟(jì)納旗52267揚(yáng)沙23日21時(shí)25分—24日01時(shí)38分3000

圖1 內(nèi)蒙古中西部地區(qū)進(jìn)行加密觀測(cè)的7個(gè)高空探測(cè)氣象站(阿拉善盟額濟(jì)納旗(52267),巴彥諾爾貢(52495),巴彥淖爾市臨河(53513),烏中旗(53336),鄂爾多斯市東勝(53543),呼和浩特(53463),錫林郭勒盟二連浩特(53068))Fig.1 The seven high altitude detection stations in Midwest Inner Mongolia(Ejin Banner(52267),Bayan Noel Gong(52495) in Alxa League,Linhe(53513),Urad Middle Banner(53336) in Bayannor,Dongsheng(53543)in Erdos,Hohhot(53463),Erenhot(53068) in Xilin Gol League)

2 高空溫、濕垂直結(jié)構(gòu)和風(fēng)廓線特征

圖2 呼和浩特站地面氣壓(a;hPa)、溫度(b;℃)、風(fēng)速(c;m·s-1)、風(fēng)向(d;(°))和能見度(e;km)隨時(shí)間的變化Fig.2 Time series of (a)pressure(hPa),(b)temperature(℃),(c)wind speed(m·s-1),(d)wind direction(°) and (e)visibility(km) at Hohhot

本文利用的是內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局在2009年4月23—24日,選取位于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的7個(gè)站點(diǎn)(圖1),所做的一次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)而獲得的加密探空資料和常規(guī)時(shí)次觀測(cè)資料。根據(jù)氣象觀測(cè),該次沙塵暴發(fā)生時(shí)間是2009年4月23日06時(shí)—23日21時(shí),由表1可以看出,呼和浩特站在23日14時(shí)的加密探空實(shí)際上探測(cè)的正好是沙塵暴發(fā)生時(shí)內(nèi)部的大氣層結(jié);此外,一方面,此次觀測(cè)中獲取的呼和浩特站點(diǎn)的數(shù)據(jù)比較充分,另一方面,呼和浩特也位于沙塵暴的重災(zāi)區(qū),因此選取呼和浩特站點(diǎn)進(jìn)行分析具有代表意義。同時(shí),文中還對(duì)比分析未發(fā)生沙塵暴天氣現(xiàn)象的二連浩特的情形,以期用該資料能夠較好地分析沙塵暴過(guò)境前后氣象要素變化以及沙塵暴內(nèi)部的大氣層結(jié)狀況及其演變。以下分析選取的是呼和浩特、二連浩特2站的探空資料,除了在2009年4月23日的08時(shí)和20時(shí)進(jìn)行正點(diǎn)探空之外,為了深入了解沙塵暴內(nèi)部的氣象要素及垂直分布特征,又在4月23日14時(shí)和24日02時(shí)沙塵暴過(guò)境前后進(jìn)行了兩次加密探空觀測(cè),具體探空時(shí)間分別為23日07時(shí)15分(Ⅰ)、14時(shí)06分(Ⅱ)、19時(shí)16分(Ⅲ)和24日02時(shí)01分(Ⅳ),從而給出了4次探空得到的溫度、濕度和風(fēng)的垂直廓線(圖2、3、4)。

2.1 地面氣象要素演變特征

沙塵暴來(lái)臨之前,呼和浩特站的氣壓下降趨勢(shì)十分明顯(圖2a),3 h變壓為負(fù)值;在沙塵暴爆發(fā)期間(23日11時(shí)55分—14時(shí)12分),此時(shí)能見度僅為400 m,站點(diǎn)氣壓達(dá)到最低值,為1 002.9 hPa,之后氣壓開始上升;當(dāng)沙塵暴過(guò)后,能見度自20時(shí)之后開始轉(zhuǎn)好,地面處在高壓的控制之下,氣壓驟升,至24日06時(shí)升至近1 020 hPa;由地面溫度變化(圖2b)可見,沙塵暴來(lái)臨之前的地面溫度較高,一直處于10 ℃以上,并且氣溫處于增溫狀態(tài),在沙塵暴發(fā)生時(shí)達(dá)到最大值達(dá)到16.1 ℃,之后溫度驟降,至24日02時(shí)降至不足6 ℃,降幅達(dá)到10 ℃以上;由地面風(fēng)速、風(fēng)向變化(圖2c、d)可以看出,沙塵暴發(fā)生之前,風(fēng)速較小,23日07時(shí)之前一直低于2 m·s-1,之后開始加大,地面風(fēng)向基本上是偏東風(fēng);至沙塵暴發(fā)生時(shí),風(fēng)速達(dá)到最大值,為9 m·s-1,風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。此后地面風(fēng)速明顯減小,起沙的動(dòng)力條件減弱,沙塵暴天氣開始逐漸消失。綜上所述,沙塵暴過(guò)程前后溫度、氣壓和風(fēng)速風(fēng)向都有劇烈變化。

2.2 高空溫濕風(fēng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 溫度的垂直分布特征

圖3所示為呼和浩特、二連浩特站的4次探空的溫度廓線。由圖3a可以看出,在沙塵暴發(fā)生前(Ⅰ),呼和浩特站點(diǎn)的地面氣溫較高,約為13 ℃,而高層的250 hPa附近溫度很低,約為-55 ℃,則大氣溫度垂直遞減率大。在沙塵暴發(fā)生期間(Ⅱ),此時(shí)地面至750 hPa之間,溫度廓線幾乎垂直于地面,這就說(shuō)明溫度垂直變化很小;也可以看到在沙塵暴發(fā)生期間,呼和浩特站點(diǎn)在600 hPa附近有逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)。這可能與空中漂浮的大量沙塵氣溶膠粒子的輻射正、負(fù)反饋效應(yīng)有關(guān),沙塵暴過(guò)程中的強(qiáng)風(fēng)將沙塵帶入空中,而懸浮在空氣中的大量沙塵粒子能夠有效阻止地表向大氣發(fā)射地面長(zhǎng)波輻射;此外,這次沙塵暴過(guò)程中,起初地面沙塵粒子的溫度較高,揚(yáng)起后必定攜帶一定的熱量,進(jìn)入高層后在沙塵暴內(nèi)部發(fā)生熱量交換,有可能提升站點(diǎn)上空的大氣溫度,因此,在大氣的中低層會(huì)形成逆溫現(xiàn)象(胡隱樵和光田寧,1996;岳平等,2008a)。隨著時(shí)間的推移,高層溫度較原先增大,而低層溫度顯著下降,則溫度垂直遞減率依次減小(Ⅳ),沙塵暴天氣逐漸結(jié)束。

圖3 呼和浩特(a)、二連浩特(b)4次探空的溫度廓線Fig.3 The four vertical profiles of temperature at (a)Hohhot and (b)Erenhot

對(duì)比分析二連浩特站點(diǎn)的4月23日溫度的情形(圖3b),當(dāng)天二連浩特為晴天,在沙塵暴發(fā)生前,二連浩特站點(diǎn)的地面氣溫約為10 ℃,而高層的300 hPa附近溫度很低,氣柱中溫度垂直遞減率大;在沙塵暴發(fā)生期間,二連浩特站點(diǎn)在750 hPa附近有逆溫現(xiàn)象出現(xiàn),遠(yuǎn)低于呼和浩特市沙塵暴期間出現(xiàn)逆溫的高度。由此進(jìn)一步說(shuō)明,由于沒(méi)有發(fā)生沙塵暴,則沒(méi)有大量的沙塵粒子進(jìn)入大氣中提升大氣溫度,所以二連浩特站點(diǎn)形成逆溫現(xiàn)象的主要原因有可能是午后大氣受到太陽(yáng)輻射加熱的結(jié)果。還可以看到,在700～300 hPa間二連浩特站點(diǎn)4個(gè)時(shí)次的大氣溫度廓線比較接近,變化并不大,而在呼和浩特上空上午4個(gè)時(shí)次的溫度廓線的間距比較大,有著明顯的變化。綜上,4個(gè)時(shí)次的大氣溫度差異主要表現(xiàn)在地面至600 hPa之間的中低層,且強(qiáng)沙塵暴發(fā)生時(shí)的站點(diǎn)上空會(huì)有逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2.2 相對(duì)濕度的垂直分布特征

圖4 呼和浩特(a)、二連浩特站(b)4次探空的相對(duì)濕度的垂直廓線Fig.4 The four vertical profiles of relative humidity at (a)Hohhot and (b)Erenhot

圖4a為呼和浩特站4次探空得到的相對(duì)濕度垂直分布廓線,可見,相對(duì)濕度在500 hPa以上變化不大,而在中低層500 hPa以下,相對(duì)濕度在沙塵暴發(fā)生前后的變化趨勢(shì)明顯。具體說(shuō)來(lái),在沙塵暴發(fā)生前期(Ⅰ),低層700 hPa以下相對(duì)濕度較大,800 hPa附近達(dá)到了90%,自700 hPa到550 hPa下降迅速,至550 hPa左右僅為5%左右,變化顯著;這種上干下濕的配置,使得大氣層結(jié)極不穩(wěn)定,容易造成劇烈天氣現(xiàn)象。在沙塵暴爆發(fā)期間(Ⅱ),相對(duì)濕度迅速減小,下降幅度明顯,相對(duì)濕度降到15%以下。比濕此時(shí)也為最小值,而溫度露點(diǎn)差為最大值(圖略),這就說(shuō)明,在沙塵暴發(fā)生期間,大氣的濕度是很小的,空氣十分干燥。這是因?yàn)?一方面,此次強(qiáng)沙塵暴發(fā)生在午后,是一天中太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)候,而太陽(yáng)輻射的加熱作用使得地表溫度及大氣溫度升高;另一方面,此時(shí)大氣中沙塵濃度較大,由地表卷入空中的沙塵粒子原本的溫度較高,加熱了大氣。沙塵暴移過(guò)測(cè)站后,此時(shí)在600 hPa附近中層大氣的相對(duì)濕度顯著增大,最大達(dá)到90%,之后500 hPa以下的大氣濕度仍然保持較大值(Ⅲ、Ⅳ),所以,隨著時(shí)間的推移,大氣的濕度經(jīng)歷了先由大至小,而后又增大的過(guò)程,對(duì)應(yīng)著沙塵暴由弱增強(qiáng),再減弱的過(guò)程。

對(duì)比分析二連浩特站點(diǎn)的4月23日的濕度參數(shù)的情形(圖4b),該站當(dāng)天的相對(duì)濕度在中低層600 hPa以下都在20%以上,最高的接近90%,而且自地面至300 hPa之間相對(duì)濕度都較大,沒(méi)有明顯的濕度減小或增大的現(xiàn)象出現(xiàn),所以當(dāng)天該站點(diǎn)的濕度較大,不同于呼和浩特站點(diǎn)的情形,這是因?yàn)樯硥m暴天氣并未影響到二連浩特。通過(guò)分析四次探空資料的濕度參量的變化以及站點(diǎn)對(duì)比分析,表明沙塵暴發(fā)生前到結(jié)束后的各個(gè)時(shí)期,相對(duì)濕度存在明顯的差異。

2.2.3 風(fēng)的垂直分布特征

圖5a、b為4次探空得到的呼和浩特站的風(fēng)垂直廓線。沙塵暴來(lái)臨之前(Ⅰ),該站在近地層的風(fēng)速很小,隨高度的升高而增大,在250 hPa附近為高空急流,風(fēng)速最大值為52 m·s-1,再往上風(fēng)速逐漸減小;地面至800 hPa附近風(fēng)向基本上為偏東方向,再往上風(fēng)向逐漸變?yōu)槠鞣较?。在沙塵暴爆發(fā)時(shí)(Ⅱ),各層的風(fēng)速迅速增大,除850 hPa附近風(fēng)速變化較小外,其他均是4個(gè)時(shí)次中最大的,而在300 hPa等壓面風(fēng)速增加到了64 m·s-1,比上一時(shí)次增加了12 m·s-1。這也是沙塵暴發(fā)生期間高空風(fēng)速的最大值。需要指出的是,沙塵暴的爆發(fā),使得500 hPa等壓面以下的風(fēng)速較沙塵暴發(fā)生前顯著增大,在700 hPa表現(xiàn)最為明顯,該層風(fēng)速由23日07時(shí)15分的8 m·s-1增加至23日14時(shí)06分的16 m·s-1。近地層風(fēng)速的增加,為起沙過(guò)程提供了必要的動(dòng)力條件;整層為偏西氣流,900 hPa附近的近地層風(fēng)向明顯由偏東風(fēng)急轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。沙塵暴過(guò)后(Ⅲ、Ⅳ),各層風(fēng)速減小,風(fēng)向以西北風(fēng)為主,起沙的動(dòng)力條件減弱。

對(duì)比分析二連浩特的4月23日的情形(圖5c、d),該站點(diǎn)低層風(fēng)速在07時(shí)至15時(shí)有所增大,從4 m·s-1增大到15 m·s-1,之后到19時(shí)又減弱至5 m·s-1,而且從低層到高層的風(fēng)速增大趨勢(shì)對(duì)比呼和浩特站點(diǎn)而言并不明顯,高層最大風(fēng)速位于500 hPa附近,為35 m·s-1,遠(yuǎn)低于呼和浩特高層的最大風(fēng)速值(64 m·s-1);除了15時(shí)地面至700 hPa間的風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)外,該站在23日基本上是偏東風(fēng);此外,觀察高層風(fēng)速分布趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn),呼和浩特正好位于高空急流的下方,而二連浩特站點(diǎn)上空沒(méi)有高空急流。綜上,沙塵暴發(fā)生期間,大氣的中低層風(fēng)速增強(qiáng)的趨勢(shì)十分明顯,且風(fēng)向穩(wěn)定少變。

圖5 呼和浩特(a,b)、二連浩特(c,d)的4次探空的風(fēng)速(a,c)、風(fēng)向(b,d)的垂直廓線Fig.5 The four vertical profiles of (a,c)wind speed and (b,d)wind direction at (a,b)Hohhot and (c,d)Erenhot

3 沙塵暴內(nèi)部熱力結(jié)構(gòu)特征分析

大氣層結(jié)穩(wěn)定度可以使用位溫(θ)、假相當(dāng)位溫(θse)與飽和假相當(dāng)位溫(θe)的垂直分布來(lái)表征。根據(jù)雷雨順(1986)的算法,計(jì)算了沙塵暴發(fā)生前后呼和浩特站和二連浩特站的“3θ”垂直分布廓線(圖6a—d)。通過(guò)分析沙塵暴過(guò)程中的熱力因子(位溫θ、假相當(dāng)位溫θse與飽和假相當(dāng)位溫θe),來(lái)探討沙塵暴內(nèi)部的熱力結(jié)構(gòu)特征,具體分析如下。

圖6 2009年4月23日07時(shí)15分(a)、14時(shí)06分(b)、19時(shí)16分(c)和24日02時(shí)01分(d)呼和浩特站的位溫(θ)、假相當(dāng)位溫(θse)及飽和假相當(dāng)位溫(θe)的垂直廓線Fig.6 Vertical profiles of potential temperature(θ),potential equivalent temperature(θse) and saturation equivalent temperature(θe) at Hohhot at (a)07:15 BST,(b)14:06 BST,(c)19:16 BST on 23 April and (d)02:01 BST on 24 April 2009

4 沙塵暴內(nèi)部動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征分析

引入相對(duì)風(fēng)暴螺旋度、切向旋轉(zhuǎn)速度、垂直運(yùn)動(dòng)速度這3個(gè)具有代表性的物理量來(lái)定量分析強(qiáng)沙塵暴內(nèi)部的動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征,以期為日后沙塵暴的預(yù)報(bào)預(yù)防和數(shù)值模擬提供有益的參考指標(biāo)。

4.1 相對(duì)風(fēng)暴螺旋度

螺旋度是表征流體沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)特征的物理量,是對(duì)流發(fā)展程度的一個(gè)重要指標(biāo)。參考岳平等(2008b)使用的計(jì)算方法,利用4次探空資料,計(jì)算了呼和浩特站、巴彥諾爾貢站和二連浩特站的相對(duì)風(fēng)暴螺旋度。

表2給出了由呼和浩特站的4次探空資料計(jì)算得到的相對(duì)風(fēng)暴螺旋度與探空臨近時(shí)刻的地面正點(diǎn)觀測(cè)水平風(fēng)速和水平能見度。沙塵暴發(fā)生前,此時(shí)的螺旋度為347.5 m2·s-2,風(fēng)速較小,能見度為20 000 m;到沙塵暴爆發(fā)時(shí),螺旋度激增為613.5 m2·s-2,是4個(gè)時(shí)次中的最大值。前2次探空之間的時(shí)間間隔僅為6 h,但螺旋度值增加了將近300 m2·s-2,表明此時(shí)是處于對(duì)流發(fā)展旺盛階段。而且此時(shí)地面水平風(fēng)速達(dá)到8.6 m·s-1,水平能見度最低僅為400 m。隨著時(shí)間的推移,至23日19時(shí),螺旋度減弱到238.7 m2·s-2,處于對(duì)流發(fā)展減弱階段,沙塵暴也隨之減弱。到24日02時(shí),螺旋度銳減到15.1 m2·s-2,對(duì)流基本消失,沙塵暴過(guò)程結(jié)束。

圖7 2009年4月23日07時(shí)15分(a)、14時(shí)06分(b)、19時(shí)16(c)和24日02時(shí)01分(d)二連浩特站的位溫(θ)、假相當(dāng)位溫(θse)及飽和假相當(dāng)位溫(θe)的垂直廓線Fig.7 Vertical profiles of potential temperature(θ),potential equivalent temperature(θse) and saturation equivalent temperature(θe) at Erenhot at (a)07:15 BST,(b)14:06 BST,(c)19:16 BST on 23 April and (d)02:01 BST on 24 April 2009

表2呼和浩特站和二連浩特站的相對(duì)風(fēng)暴螺旋度及其對(duì)應(yīng)地面風(fēng)速和能見度

Table 2 RSH,its corresponding surface wind velocity and visibility at Hohhot and Erenhot

北京時(shí)間呼和浩特二連浩特螺旋度值/(m2·s-2)水平風(fēng)速/(m·s-1)能見度/m螺旋度值/(m2·s-2)水平風(fēng)速/(m·s-1)能見度/m23日07時(shí)15分347.22.020000157.24.03000023日14時(shí)06分613.58.6400125.36.01200023日19時(shí)16分238.74.41200192.43.02000024日02時(shí)01分15.14.88000168.67.020000

由此表明,螺旋度與沙塵暴的強(qiáng)度在時(shí)間上具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即螺旋度越大,對(duì)應(yīng)沙塵暴越強(qiáng)。再分析二連浩特站點(diǎn)情形,因?yàn)槎B浩特站為晴天,所以各個(gè)時(shí)次的螺旋度的變化不大。由此再次證實(shí),螺旋度與沙塵暴的強(qiáng)度在時(shí)間上具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.2 沙塵暴的切向旋轉(zhuǎn)速度和垂直運(yùn)動(dòng)速度

Sinclair(1966)和Stull(1988)先后給出了理想的沙塵暴的結(jié)構(gòu)圖,并指出:當(dāng)近地層的氣塊從地表獲得熱量后,被卷入向前移動(dòng)的沙塵暴對(duì)流體之中并且做螺旋式上升運(yùn)動(dòng)。岳平等(2008b)指出:沙塵暴內(nèi)部存在垂直環(huán)流非常明顯的多個(gè)對(duì)流體,類似雷暴結(jié)構(gòu)的中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)。為了研究發(fā)生在內(nèi)蒙古中西部的這次沙塵暴內(nèi)部的動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu),采用Rennó and Ingersoll(1996)提出的熱機(jī)自然對(duì)流理論,根據(jù)他們提出的公式分析沙塵暴中類似雷暴結(jié)構(gòu)的中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng),計(jì)算沙塵暴對(duì)流體的切向旋轉(zhuǎn)速度和垂直運(yùn)動(dòng)速度,計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(1)式中:R為比氣體常數(shù);Ts為周圍環(huán)境平均氣溫;λ為熱源附近的機(jī)械能耗散率(本文取0.15);η、ηh分別表示熱機(jī)垂直和水平方向的熱力效率。式(1)表明,沙塵暴對(duì)流體的切向旋轉(zhuǎn)速度的大小與其自身的水平尺度是表示為氣壓梯度的函數(shù),而氣壓梯度也可以看作是溫度的函數(shù)。

(2)式給出了沙塵暴對(duì)流體的對(duì)流速度,也就是垂直速度。其中:cp是單位質(zhì)量定壓比熱;ε=0.7,是大氣邊界層的發(fā)射率;σR是Stefan-Blotz-mann常數(shù);Tc是射出紅外輻射層熵加權(quán)平均溫度,對(duì)非降水邊界層對(duì)流大多混合發(fā)生在對(duì)流氣旋頂部,這里取計(jì)算的沙塵暴對(duì)流體頂部的溫度值;μ=25,是湍流機(jī)械能耗散系數(shù);η與式(1)相同;Fin是輸入沙塵暴對(duì)流體的感熱通量。

對(duì)此次強(qiáng)沙塵暴天氣事件,根據(jù)式(1)、(2)可以計(jì)算沙塵暴對(duì)流體經(jīng)過(guò)呼和浩特測(cè)站時(shí)的最大切向旋轉(zhuǎn)速度、垂直運(yùn)動(dòng)速度(表3)。

根據(jù)呼和浩特市自動(dòng)氣象站記錄的沙塵暴過(guò)境前后的風(fēng)速演變情況,將計(jì)算得到的切向速度和垂直速度與自動(dòng)站探測(cè)到的環(huán)境風(fēng)速相比,可以發(fā)現(xiàn):水平環(huán)境平均風(fēng)速明顯小于計(jì)算得到的沙塵暴內(nèi)部氣旋自身的切向旋轉(zhuǎn)風(fēng)速,不到切向旋轉(zhuǎn)風(fēng)速的1/2,計(jì)算得到的經(jīng)過(guò)呼和浩特站的垂直運(yùn)動(dòng)速度是三種速度中的最大的一項(xiàng),近乎水平平均風(fēng)速的3倍。這就可以表明:對(duì)于此次強(qiáng)沙塵暴的形成與發(fā)展,不僅環(huán)境風(fēng)速有重要作用,更重要的是,沙塵暴內(nèi)部中小尺度氣旋自身的切向旋轉(zhuǎn)速度和垂直運(yùn)動(dòng)速度對(duì)沙塵的輸送起到重要的作用,強(qiáng)的水平旋轉(zhuǎn)和旺盛的垂直環(huán)流有利于沙塵粒子的垂直輸送,從而使沙塵天氣發(fā)生或向強(qiáng)沙塵暴發(fā)展(岳平等,2008b)。

表32009年4月23日11時(shí)55分—14時(shí)12分呼和浩特和二連浩特站的對(duì)流體速度

Table 3 Fluid velocity at Hohhot and Erenhot from 11:55 BST to 14:12 BST on 23 April

站點(diǎn)沙塵天氣現(xiàn)象能見度/m切向旋轉(zhuǎn)速度/(m·s-1)垂直運(yùn)動(dòng)速度/(m·s-1)瞬時(shí)最大水平風(fēng)速/(m·s-1)水平平均風(fēng)速/(m·s-1)呼和浩特強(qiáng)沙塵暴40010.512.09.04.2二連浩特?zé)o沙塵暴200007.03.8

5 結(jié)論

利用內(nèi)蒙古中西部的7個(gè)站點(diǎn)的加密探空資料、全國(guó)地面自動(dòng)觀測(cè)站逐時(shí)加密觀測(cè)資料和其他的常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)2009年4月23—24日出現(xiàn)在我國(guó)內(nèi)蒙古中西部的一次強(qiáng)沙塵暴天氣過(guò)程,在沙塵暴天氣現(xiàn)象發(fā)生時(shí)近地層氣象要素變化及其內(nèi)部動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:

1)通過(guò)分析垂直廓線及地面氣象要素發(fā)現(xiàn):沙塵暴發(fā)生前,地面氣溫較高,溫度垂直遞減率大,大氣的相對(duì)濕度較大,風(fēng)速小,風(fēng)向偏東;當(dāng)沙塵暴過(guò)境時(shí),大氣中出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,整層大氣相對(duì)濕度很小,中低層大氣干燥,與沙塵暴發(fā)生前后具有很明顯的不同;大氣的各層風(fēng)速增強(qiáng)的趨勢(shì)十分明顯,風(fēng)向偏西且穩(wěn)定少變,高空200 hPa附近風(fēng)速較大,地面風(fēng)速加大;沙塵暴移出測(cè)站之后,低層溫度顯著下降,大氣的濕度迅速增大,各層風(fēng)速減小。

2)利用雷雨順提出的計(jì)算公式,計(jì)算并分析“3θ”曲線,結(jié)果表明:在沙塵暴發(fā)生之前,大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài),沙塵暴爆發(fā)時(shí)低層大氣極為干燥,有利于沙塵暴的發(fā)展;而在沙塵暴過(guò)境后,大氣層結(jié)穩(wěn)定,濕度較大。所以,“3θ”曲線可以為沙塵暴的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供一個(gè)有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

3)計(jì)算分析相對(duì)風(fēng)暴螺旋度的結(jié)果表明:沙塵暴爆發(fā)時(shí),相對(duì)風(fēng)暴螺旋度的數(shù)值激增,且是4個(gè)時(shí)次中的最大值;而且此時(shí)地面水平風(fēng)速達(dá)到8.6 m·s-1,水平能見度最低僅為400 m。因此可以說(shuō)明,螺旋度與沙塵暴的強(qiáng)度在時(shí)間上具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4)沙塵暴經(jīng)過(guò)呼和浩特測(cè)站時(shí)沙塵暴內(nèi)部氣旋的最大切向速度為10.5 m·s-1,垂直運(yùn)動(dòng)速度為12 m·s-1;地面沙塵暴觀測(cè)系統(tǒng)記錄的環(huán)境風(fēng)速僅為4.2 m·s-1,瞬間最大也僅為9.0 m·s-1。說(shuō)明強(qiáng)沙塵暴的形成與發(fā)展不僅與環(huán)境風(fēng)速有關(guān),更重要的是,沙塵暴內(nèi)部中小尺度氣旋自身的切向旋轉(zhuǎn)速度和垂直運(yùn)動(dòng)速度對(duì)沙塵暴的發(fā)展以及沙塵的輸送起到重要的作用。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

Thesurfacelayermeteorologicalparametersandthethermo-dynamicalstructureofaseveresandstorm

GU Run-yuan1,CHEN Lei2,ZHOU Wei-can2,JIANG Xue-gong3

(1.Qingdao Meteorological Bureau,Qingdao 266003,China;2.Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;3.Inner Mongolia Meteorological Station,Huhhot 010051,China)

Based on the encryption sounding data,the automatic meteorological observing data and other conventional observing data,we analyzed a severe sandstorm occurring in the Midwest Inner Mongolia autonomous region on 23—24 April 2009.The ground meteorological elements and its internal dynamical and thermal changes in the process were studied.The result showed that:1)Before the sandstorm,the temperature lapse rate was big,the relative humidity was large,the wind speed near the ground was small and the wind direction was easterly;when the dust storm occurred,there was an inversion in the atmosphere temperature,the relative humidity was small,the wind speed increased obviously and the wind direction was westerly and stable;when the sandstorm ended,the temperature decreased,the relative humidity increased fast and the wind velocity reduced rapidly in all layers;2)The atmospheric stratification had been conditionally unstable before the sandstorm took place and turned to be stable in the low layer and neutral between 800 hPa and 600 hPa when the dust storm occurred,and the low layer atmosphere was extremely dry at the time.Then the humidity became large when the sandstorm ended.So “3θ”curve could provide a valuable reference for the monitoring and forecast of dust storms;3) The relative storm helicity(RSH),which was available when the dust storm occurred,was of the maximum value compared with all the other observation times,and it had a good correlation with the sandstorms in intensity.That was to say,the bigger the RSH was,the severer the sandstorm would be;4) The intensity of the sandstorm was not only closely related to the surrounding velocity,but also to the values of the tangential and vertical velocities in the sandstorm.

sandstorm;“3θ” thermal parameter;relative storm helicity;thermo-dynamical structure

2011-12-26;改回日期2012-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40965005)

顧潤(rùn)源,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樯硥m暴與氣候變化,gry0202@sina.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111226002.

1674-7097(2014)04-0414-11

P445.4

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111226002

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