甘肅民勤“4.24”沙塵暴過程的數(shù)值模擬分析

楊吉萍，胡興才，崔志強

(1. 甘肅省民勤縣氣象局，甘肅　民勤　733300；2.蘭州大學大氣科學學院，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅　蘭州　730000)

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甘肅民勤“4.24”沙塵暴過程的數(shù)值模擬分析

楊吉萍1，胡興才1，崔志強2

(1. 甘肅省民勤縣氣象局，甘肅民勤733300；2.蘭州大學大氣科學學院，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅蘭州730000)

利用2010年4月24—25日民勤基準站地面逐時溫度、相對濕度、風速風向等觀測資料和NCEP/NCAR FNL逐6 h再分析資料(1°×1°)，基于WRF模式對2010年4月24日發(fā)生在甘肅民勤及周邊地區(qū)的一次沙塵暴過程進行數(shù)值模擬試驗，在檢驗模式模擬能力的基礎上，從空間和時間上分析此次沙塵暴發(fā)生發(fā)展機制。結果表明：在沙塵暴發(fā)生前，民勤上游地區(qū)300 hPa高空急流加強，急流前的高空輻散抽吸作用是此次沙塵暴起沙的主要動力機制；阿爾泰山附近的冷氣團沿祁連山脈北側進入民勤，并形成冷鋒系統(tǒng)；在民勤及附近地區(qū)，對流層中下層受冷平流作用，相對濕度持續(xù)增加，而近地面存在一熱低壓系統(tǒng)，地面風速較小，溫度較高。在冷鋒開始過境時，沙塵暴爆發(fā)，高空急流攜帶的高空動量下傳使得地面風速急劇增加，是沙塵暴發(fā)生的直接因素。在沙塵暴過程中，民勤地區(qū)相對濕度在垂直方向上呈上下濕、中間干的“漏斗狀”；近地面鋒前暖空氣和700 hPa冷平流的相互作用，使鋒面逆溫出現(xiàn)時間較晚。

民勤；沙塵暴；WRF模式；高空急流

引　言

沙塵暴是我國北方地區(qū)經常發(fā)生的一種災害性天氣，其危害程度不亞于東部及沿海地區(qū)的暴雨、臺風等自然災害。它是強風將地面大量的沙塵粒子夾卷到空中，使得空氣特別渾濁，水平能見度<1 km的災害性天氣[1]。沙塵暴屬于一中小尺度的干對流天氣，發(fā)生的物理機制相當復雜。沙塵暴的主要研究內容包括沙塵暴的天氣學分析和沙塵天氣的數(shù)值模擬研究，在天氣學角度上已達成大量共識[2-4]。研究認為[4]，東亞大槽是產生沙塵暴的行星尺度大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，沙塵暴多發(fā)生于經緯向環(huán)流調整時期、與冷鋒活動相伴、低空急流、中尺度系統(tǒng)，中低壓或中颮線系統(tǒng)居多。數(shù)值模式對沙塵暴的研究主要包含2方面，一是對引發(fā)沙塵暴的天氣系統(tǒng)而進行的數(shù)值模擬；二是對沙塵起沙、傳輸和沉降過程的模擬，但用于業(yè)務預報的沙塵暴數(shù)值模擬系統(tǒng)還不多見。WRF模式作為最新一代中尺度天氣預報和數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，已被廣泛用于沙塵暴物理過程的解釋[5-8]。王澄海等[7]分析了沙塵暴過程中水汽和水熱特征，指出在沙塵暴發(fā)生過程中，擴散作用和氣溶膠的凝結作用影響水汽的變化，非絕熱加熱對沙塵暴的維持和發(fā)展起著重要作用。劉寧微[8]利用WRF模式模擬了2007年3月30—31日我國北方的一次沙塵暴過程，認為高空氣流的輻散抽吸作用是起沙的動力機制，由蒙古國中部向東南方向延伸至韓國南部的副熱帶西風急流為沙塵暴提供了充足沙源。

民勤位于河西走廊中段，地處巴丹吉林和騰格里2大沙漠的接壤地帶、雅布賴山和龍首山形成的“狹管”口下方，其周邊很小的范圍內集中分布著沙漠(荒漠)、沙漠—綠洲過渡帶和綠洲3種西北干旱區(qū)典型的地表形態(tài)。有利的地形和豐富的沙源，加之又是中國西北路徑冷空氣的必經之地，使其成為河西走廊乃至中國沙塵暴的重點發(fā)生區(qū)[9]。因此，該地區(qū)沙塵暴預報和預警準確性顯得尤為重要。針對2010年4月24日發(fā)生在民勤地區(qū)的特強沙塵暴過程，研究認為在沙塵暴來臨之前，地面受熱低壓控制，過境時和過境后，地面空氣相對濕冷[10]；在沙塵區(qū)上空存在一西風急流中心，由急流中心向地面伸展的最大風速將高空動量向下傳播，引發(fā)了此次沙塵暴天氣過程[11]。本文試圖從以上零散研究基礎上，綜合利用民勤基準站地面逐小時溫度、濕度、風速及風向等觀測資料和NCEP/NCAR逐6 h再分析資料(空間分辨率為1°×1°)和WRF中尺度數(shù)值模式，在時間和空間上再現(xiàn)此次強沙塵暴過程，分析其發(fā)生發(fā)展的內在機制。

1　天氣過程及環(huán)流形勢

2010年4月24日甘肅民勤出現(xiàn)了一次特強沙塵暴天氣，此次過程持續(xù)時間為24日11:09—25日14:13(世界時，下同)。其中，大風從10:56開始，14:38結束，最小能見度僅1 m(“黑風”)，10 min最大風速達18.4 m·s-1(8級)，瞬間極大風速達28.0 m·s-1(10級)，是民勤有氣象記錄以來最強的一次特強沙塵暴天氣過程。與1993年5月5日“黑風”天氣過程相比，這次“黑風”來勢兇猛，風速大，持續(xù)時間長，波及范圍廣，導致當?shù)厝展鉁厥摇⑴锏绒r業(yè)設施遭受嚴重損毀，糧食作物及樹木被風沙埋壓或刮斷，電力、通訊設施不同程度受損，還引發(fā)了火災等次生災害，初步估算直接經濟損失達2億元人民幣左右。

從大尺度環(huán)流背景場來看，4月24日06:00(圖1a)，500 hPa高空歐亞中高緯地區(qū)呈“1槽1脊”的環(huán)流形勢，貝加爾湖到青海西北部被一深厚的低槽控制，槽后等高線和等溫線密集，且溫度槽略落后于高度槽，可以有效引導極地冷空氣南下，并在蒙古中部和中國西部地區(qū)堆積。隨著系統(tǒng)的發(fā)展，25日12:00(圖1b)，在蒙古中北部形成一-40 ℃的冷中心，內蒙古西部和甘肅中部地區(qū)溫度也降到-32 ℃。

圖1　2010年4月24日06:00(a)、25日12:00(b)500 hPa位勢高度場(藍色實線，單位：gpm)、溫度場(紅色虛線，單位：℃)(a，b)和24日(c)、25日(d)06:00 850 hPa 位勢高度場(藍色實線，單位：gpm)、風場(單位：m·s-1)(c，d)

850 hPa圖上，24日06:00(圖1c)，在青海西部和內蒙古西部地區(qū)存在一條風向切變線，部分地區(qū)形成閉合氣旋系統(tǒng)，中心氣壓達1 400 gpm。伴隨著偏西南氣流，上游的高壓系統(tǒng)開始進入并控制河西走廊，此時民勤及周邊地區(qū)處于低壓系統(tǒng)后部、反氣旋前部，為偏西北氣流控制，部分地區(qū)風速達20 m·s-1；25日06:00(圖1d)，民勤整個地區(qū)被高壓系統(tǒng)控制，此時風速減小，沙塵天氣過程結束。

2　數(shù)值模擬方案及參數(shù)設置

試驗使用的模式為WRFV3.5.1，采用3重嵌套方案，模擬區(qū)域中心為38.38°N、103.05°E，格距分別是80、20、5 km(圖2)。其中，第2重區(qū)域覆蓋了模擬時段主要的天氣系統(tǒng)，而第3重區(qū)域覆蓋了民勤及周邊地區(qū)。模式垂直方向共40層，模式層頂為50 hPa；模擬的初始時刻為4月24日00:00，積分24 h，積分步長為128 s。在模式物理過程的參數(shù)選擇上，采用Lin微物理方案、Monin-Obukhov近地面層方案、YSU邊界層方案以及New Grell積云對流方案[12]。結合地面自動站的觀測資料，驗證模式模擬結果的可靠性。

3　模式檢驗

為驗證模式模擬結果的可靠性，利用區(qū)域3模擬的地面氣壓、溫度、相對濕度、風速和民勤地面觀測站的觀測值作比較(圖3)。經對比發(fā)現(xiàn)，沙塵暴發(fā)生過程中民勤站實測和模擬的上述氣象要素變化的相關性很好。沙塵暴開始前，近地面氣壓較高，且略有下降，觀測值維持在860 hPa以下，高于模擬值近7 hPa；溫度持續(xù)上升，觀測值高于模擬值，且隨著時間的臨近，二者的差異逐漸增大；相對濕度、風速變化較平穩(wěn)，且觀測值與模擬值相差很小，分別在15%、5 m·s-1左右上下波動。沙塵暴發(fā)生以后(24日12:00)，地面氣壓急劇上升，增幅約10 hPa，而模擬值也呈一致上升趨勢，但較觀測值存在近5 hPa的偏差；觀測站的溫度變化曲線在沙塵暴發(fā)生前24日08:00開始呈劇烈下降趨勢，而模擬降溫開始的時間節(jié)點與沙塵暴發(fā)生時間同步，但模擬值和觀測值下降的趨勢及量級幾乎相當，均表征了沙塵暴發(fā)生后存在明顯的降溫現(xiàn)象；模擬和觀測的相對濕度均在沙塵暴發(fā)生后徑直飆升，相對濕度最高達70%，隨后可能由于沙塵的吸附作用有小幅下降；風速作為沙塵暴起沙的一個重要條件。在沙塵暴發(fā)生前2 h左右，地面風速急劇增加，至24日12:00地面風速達到極大值，觀測和模擬曲線非常吻合，均達15 m·s-1，足以將近地面沙塵物質吹起。綜上所述，近地面的模擬結果很好地抓住了本次沙塵暴發(fā)生前后氣象要素的變化趨勢，可用于下一步的分析。

圖2　模擬試驗的區(qū)域

圖3　2010年4月24日民勤站近地面氣象要素的觀測值和模擬值變化

4　模擬結果與分析

4.1近地面氣象要素

圖4是WRF模式模擬的2010年4月24日民勤及其附近地區(qū)近地層溫度場和風場。從模擬的近地面溫度場分布可知，在沙塵暴發(fā)生前(09:00和10:00)，民勤及其東部大部分地區(qū)溫度在16 ℃以上。結合對流層850 hPa天氣圖(圖1)可看出，民勤東北部近地面受暖低壓控制，暖中心溫度達20 ℃左右，這與趙慶云等[11]觀測得到的結論一致。隨著沙塵暴爆發(fā)時刻的臨近，民勤東北部16 ℃暖區(qū)范圍明顯縮小。沙塵暴發(fā)生1 h后(12:00)，民勤及附近地區(qū)的溫度已降至12 ℃。從模擬的近地面風場可看出，沙塵暴發(fā)生前09:00，在內蒙古西部和甘肅北部地區(qū)存在明顯的冷鋒，鋒后冷性的西北氣流較強，極大值>20 m·s-1，而鋒前的民勤地區(qū)風速較小，為偏西氣流。在沙塵暴爆發(fā)時(11:00)，冷鋒過境，地面風速的極值區(qū)向民勤附近移動，風速逐漸增加。沙塵暴發(fā)生約3 h后(14:00)，民勤及周邊地區(qū)地面開始受強烈的西北氣流控制?？梢?，此次沙塵暴由一次東北—西南向的冷鋒過境引起，在冷鋒過境前，民勤地區(qū)的地面風速較小，溫度較高；在沙塵暴發(fā)生過程中，冷鋒帶來的冷空氣迅速控制該地區(qū)，出現(xiàn)大風和降溫天氣。

4.2風速廓線

由2010年4月24日00:00—25日00:00民勤站的風速垂直廓線可以看出(圖5)，24日00:00地面風速近乎為零，在對流層下層750 hPa為西北氣流，600 hPa為西南氣流，風向隨高度逆時針旋轉，表明民勤地區(qū)對流層下層有冷平流。沙塵暴開始時(24日11:00)，整個對流層中下層風速均為弱的西北風；之后地面風速開始增加，中低層的風速均增至20 m·s-1左右，風向均為西北風。300 hPa的高空風速也存在顯著變化，24日03:00，風速開始增加(>30 m·s-1)，為高空急流控制區(qū)，最大風速達48 m·s-1，一直持續(xù)到24日22:00高空急流移出民勤地區(qū)。

圖4　WRF模式模擬的2010年4月24日民勤及周邊地區(qū)近地層溫度場(上，單位：℃)和風場(下，單位：m·s-1)

圖5　2010年4月24日民勤站風廓線的時間演變(單位：m·s-1)

4.3高空急流

研究表明，高空急流是沙塵暴形成的一個重要因素，主要有單急流、雙急流和三急流[12]。此次沙塵暴過程屬于單急流型，24日05:00，300 hPa高空形成一支西風急流帶，急流中心風速在45 m·s-1以上，橫跨青海北部和甘肅中部偏北地區(qū)。沙塵暴開始發(fā)生時(11:00)，民勤位于急流軸的右前側，存在強烈的偏差風輻散，進而產生的抽吸作用使得沙塵不斷從地面揚起，為此次沙塵暴提供充足的沙源。在沙塵暴發(fā)生約5 h之后(16:00)，民勤地區(qū)開始處于高空急流的左后方，造成高空動量下傳，低層風速增加，形成了24日18:00—22:00的大風天氣(圖6)。

圖6　WRF模式模擬的2010年4月24日05:00、11:00、16:00民勤及周邊地區(qū)300 hPa風場(單位：m·s-1)

4.4垂直速度

為進一步分析沙塵暴的垂直結構特征，沿38.38°N做垂直速度的緯向垂直剖面(圖7)。24日09:00(圖7a)，在高空急流的抽吸作用下，在96.5°E和101°E處出現(xiàn)由地面向高空運動的垂直速度大值區(qū)，這種強烈的上升氣流可促使柴達木盆地西北側和民勤西部地區(qū)的沙塵揚起，將近地面的沙塵向高空輸送。沙塵暴開始時(11:00，圖7b)，在民勤地區(qū)(約103°E)上空5 km以下出現(xiàn)強烈的下沉氣流，高空的沙塵隨著氣流向下播散，形成沙塵暴。由此可見，垂直方向的氣流在此次沙塵暴發(fā)生前后具有一定的觸發(fā)和維持作用。

4.5層結結構演變特征

為研究沙塵暴過程中民勤上空的大氣層結結構，繪制了斜溫曲線(圖8)。24日10:30(圖8a)，在近地面至700 hPa，大氣處于中性狀態(tài)，溫度露點差隨高度逐漸減小，濕度隨高度逐漸增加；在700 hPa以上，大氣溫度廓線近似標準大氣狀態(tài)。在沙塵暴開始時，低層大氣的溫度露點差逐漸減小，即低層持續(xù)變干，溫度逐漸下降，但仍近似中性狀態(tài)。說明在沙塵暴開始時刻民勤低層的冷平流作用并未瞬間產生近地面的鋒面逆溫現(xiàn)象。在沙塵暴持續(xù)過程中，由于沙塵粒子作為氣溶膠的凝結核，使得民勤上空750 hPa附近水汽含量降低；到16:20(圖8b)，由于鋒面系統(tǒng)的存在和700 hPa冷平流的消退，民勤近地面開始出現(xiàn)鋒面逆溫現(xiàn)象，且對流層中除了700 hPa的沙塵暴區(qū)干中心以外均較為濕潤。

4.6變溫場和變壓場

圖9是WRF模式模擬的2010年4月24日民勤及周邊地區(qū)6 h變溫場和變壓場時間演變。可以看出，在沙塵暴開始前06:00，民勤附近為正變溫，變溫中心達4 ℃以上，負變溫中心位于阿爾泰山附近，變溫中心達-6 ℃；地面6 h變壓在民勤附近均為負值，變壓值在-4 hPa。沙塵暴發(fā)生后12:00，負變溫區(qū)域已移經民勤地區(qū)，但強度較弱，對應大風發(fā)生時間。15:00，負變溫中心開始移至民勤上空，黑風過程結束，此時地面6 h變溫為-12 ℃；相應地面開始逐漸形成一正變壓中心，變壓值在10 hPa以上。綜上所述，沙塵暴發(fā)生前，民勤近地面在24日00:00受地面熱低壓控制，其西北部阿爾泰山附近有強冷空氣存在。隨著強冷空氣沿祁連山脈北側向南入侵，24日11:00冷鋒鋒面過境民勤附近，沙塵暴開始，地面氣溫降低，氣壓升高，風速急劇增加。

圖8　WRF模式模擬的2010年4月24日10:30(a)、16:20(b)民勤站的斜溫曲線(藍色線代表露點溫度，黑色線代表層結曲線)

圖9　WRF模式模擬的2010年4月24日6 h變溫場(上，單位：℃)和變壓場(下，單位：hPa)演變

5　結　論

(1)此次沙塵暴發(fā)生前，民勤近地面風速較小，溫度較高，相對濕度持續(xù)增加；在阿爾泰山附近的冷氣團沿祁連山脈北側進入民勤地區(qū)的過程中，形成冷鋒系統(tǒng)并控制民勤地區(qū)，出現(xiàn)沙塵暴天氣，并伴隨大風和降溫，此時在700 hPa附近濕度開始減小，出現(xiàn)干區(qū)，垂直方向上呈現(xiàn)上下濕、中間干的“漏斗狀”。由于沙塵暴前后700 hPa上受強烈的冷平流控制，溫度廓線在對流層低層由干絕熱遞減向鋒面逆溫過渡的時間起點落后于沙塵暴發(fā)生時刻。

(2)在沙塵暴爆發(fā)前，青海北部和甘肅中部的西風急流由于右前側的輻散抽吸作用，在民勤上游地區(qū)激發(fā)強烈的垂直運動，促使柴達木盆地和民勤一帶的沙塵揚起，并不斷向民勤高空輸送，為此次民勤沙塵暴提供了充足沙源。沙塵暴發(fā)生后，高空急流產生的高空動量下傳使得地面風速增大，是維持沙塵暴的重要因素。

(3)沙塵暴發(fā)生前后，民勤近地面6 h變溫場由正變溫轉為負變溫，變溫幅度在16 ℃以上；6 h變壓場由負變壓轉為正變壓，變壓幅度在14 hPa。近地面的控制系統(tǒng)由發(fā)生前的暖性低壓演變?yōu)榘l(fā)生后的冷性高壓。

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Numerical Simulation Analysis of a Dust Storm on 24 April 2010 in Minqin of Gansu

YANG Jiping1, HU Xingcai1, CUI Zhiqiang2

(1．MinqinMeteorologicalBureauofGansuProvince，Minqin733300，China；2.CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity，KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince，Lanzhou730000，China)

Based on the hourly temperature, relative humidity, pressure, wind direction and wind speed in Minqin station of Gans Province and 6-hourly NCEP/NCAR FNL reanalysis data with 1°×1° spatial resolution from 24 to 25 April 2010, the sandstorm weather process occurring in Minqin and surrounding areas from 24 to 25 April 2010 was simulated by Weather Research and Forecast (WRF) model. On the basis of testing the performance of WRF model in simulating the hourly change of meteorological elements before and after the sandstorm process, the basic characteristics and its occurrence and development mechanism were discussed in time and space. The results showed that the hourly temperature, pressure, relative humidity and wind speed simulated by WRF were close to the observation in Minqin before and after the sandstorm process, and their change trends were more consistent. Before the sandstom, the jet stream on 300 hPa over Minqin and surrounding area strengthened, and the upper divergence pumping action in the right side of the front area of upper level jet stream was main dynamical mechanism of the dust emission. The cold air mass near the Altai Mountains invaded Minqin region along the north of Qilian mountains, and formed cold front system. The relative humidity continuously rose due to the effect of cold advection at the middle and low troposphere, while the wind speed was smaller and temperature was higher due to the near ground thermal low pressure system over Minqin and surronding areas. The sandstorm erupted when the cold front began to transit in Minqin, and the surface wind speed increased dramatically due to the momentum down from the upper level jet stream, which was direct factor of the sandstorm occurrence. In the process of sandstorm, the virtical structure of relative humidity over Minqin and surrounding areas showed the funnel shape with wet in upper and lower level and dry in middle level. The near ground warm air in front of the cold front and cold advection on 700 hPa interacted in Minqin, which leaded to the late occurrence of frontal temperature inversion.

Minqin; sandstorm; WRF model; upper level jet streams

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0718

2015-11-03；改回日期：2016-02-17

國家自然科學基金(41471034、41661144017)、公益性行業(yè)(氣象)科研專項“我國北方干旱致災過程及機理”(GYHY201506001)和“西北干旱半干旱區(qū)域氣候模式發(fā)展”(CCSF2014)共同資助

楊吉萍(1978- )，女，工程師，主要從事天氣預報工作.

1006-7639(2016)-04-0718-07DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0718

P445+4

A

楊吉萍，胡興才，崔志強.甘肅民勤“4.24”沙塵暴過程的數(shù)值模擬分析[J].干旱氣象，2016，34(4)：718-724, [YANG Jiping, HU Xingcai, CUI Zhiqiang. Numerical Simulation Analysis of a Dust Storm on 24 April 2010 in Minqin of Gansu[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):718-724],