基于環(huán)流形勢(shì)及地面要素分析不同類型沙塵特征

紀(jì)源 白雪 婁芳蕾

摘要? ? 應(yīng)用2006—2015年地面觀測(cè)資料、micaps常規(guī)天氣圖資料對(duì)遼寧西部錦州地區(qū)偏南大風(fēng)和偏北大風(fēng)型沙塵天氣的環(huán)流形勢(shì)及地面要素特征進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，錦州市沙塵天氣以揚(yáng)沙為主，根據(jù)風(fēng)向可分為偏南大風(fēng)型和偏北大風(fēng)型，偏北大風(fēng)型沙塵發(fā)生時(shí)均受冷空氣東移南下影響，850 hPa鋒區(qū)迅速東移南壓，偏北風(fēng)風(fēng)速20 m/s以上，冷平流顯著;偏南大風(fēng)型500 hPa錦州地區(qū)受高空槽前西南氣流或中緯度較為平直的偏西氣流控制，850 hPa受溫度脊控制，暖平流明顯，對(duì)流層低層干燥且升溫顯著，風(fēng)力加大，大氣層結(jié)為中性或弱不穩(wěn)定;偏南大風(fēng)型沙塵風(fēng)力和相對(duì)濕度明顯大于偏北大風(fēng)型，伴隨強(qiáng)烈的正變溫和負(fù)變壓，偏北大風(fēng)型以負(fù)變溫和正變壓為主。

關(guān)鍵詞? ? 沙塵;蒙古氣旋;環(huán)流形勢(shì);地面要素

中圖分類號(hào)? ? P445.41? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）14-0181-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract? ? Based on the ground observation data from 2006 to 2015 and the regular weather map data of micaps，the circulation situation and characteristics of ground elements of the southerly winds and northerly winds in the Jinzhou area of western Liaoning were compared and analyzed.The results showed that the dusty weather in Jinzhou City was dominated by sand，and it can be divided into southerly wind type and northerly wind type according to wind direction.When the northerly wind-type sand dust occurred，it was affected by the cold air moving eastward and southward.The 850hPa frontal area was rapidly moving eastward and southward.The northerly wind speed was above 20 m/s，and the cold advection was significant.The southerly windy type 500 hPa Jinzhou area was subject to high altitude.The southwest airflow in front of the trough or the relatively flat mid-latitude airflow control，the 850 hPa was controlled by the temperature ridge，the warm advection was obvious，the lower troposphere was dry and the temperature rose significantly，the wind was increased，the atmospheric layer was neutral or weakly unstable.The wind speed and relative humidity of south gale type dust were obviously greater than those of north gale type.South gale type dust was accompanied by a strong positive temperature change and a strong negative pressure change，when the north gale type dust was accompanied by a negative temperature change and a positive pressure change mainly.

Key words? ? sand dust;Mongolia cyclone;circulation situation;ground factor

沙塵是影響我國北方地區(qū)的主要災(zāi)害性天氣之一，每年會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。沙塵暴作為一種氣象災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題早已引起世界各國科學(xué)家和有關(guān)部門的關(guān)注。隨著沙塵天氣研究的不斷深化，目前的科學(xué)研究已逐步明確了沙塵天氣的時(shí)空分布特征、沙塵源地和傳輸路徑、沙塵天氣日變化特征以及沙塵起沙機(jī)制[1-6]。基于上述研究，沙塵天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警[7-9]和防治措施等方面也取得很大的進(jìn)展。張任建等[10]指出，2000年以來中國沙塵暴天氣呈現(xiàn)頻次高、發(fā)生期時(shí)間長、強(qiáng)度大等新特征。王? 濤等[11]將中國北方沙區(qū)劃分出4個(gè)主要沙塵暴中心或源區(qū)。李一平等[12]對(duì)內(nèi)蒙古沙塵天氣少發(fā)季節(jié)的沙塵天氣預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行分析。遼寧地處于沙塵易發(fā)地區(qū)，研究表明，遼寧沙塵天氣的沙塵源地有2處：外來沙源（分為西北、偏北、偏西、西南路徑）與本地沙源（分布在遼寧西北部以及中部部分地區(qū)）[13]。遼寧西部地區(qū)由于與內(nèi)蒙古毗鄰，且春季干旱少雨，西南、西北大風(fēng)頻發(fā)[14]，所以更易受沙塵天氣侵襲，而目前遼西地區(qū)關(guān)于沙塵天氣的研究分析還不夠全面，大多以沙塵天氣過程分析為主。本文從時(shí)空分布、環(huán)流形勢(shì)和地面要素特征3個(gè)方面對(duì)2006—2015年錦州地區(qū)偏北大風(fēng)和偏南大風(fēng)型沙塵進(jìn)行對(duì)比分析，明確錦州地區(qū)沙塵天氣的演變趨勢(shì)、概念模型，為錦州地區(qū)的沙塵天氣預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

1? ? 資料與樣本

根據(jù)2006—2015年錦州地區(qū)5個(gè)常規(guī)觀測(cè)站（錦州市區(qū)、凌海市、義縣、北鎮(zhèn)、黑山）的地面觀測(cè)資料，確定沙塵天氣樣本。若某日中有≥1個(gè)站出現(xiàn)沙塵暴、揚(yáng)沙或浮塵，則將該日定為1個(gè)沙塵日。在1個(gè)沙塵日內(nèi)有≥3個(gè)站出現(xiàn)沙塵，為區(qū)域性沙塵過程;有≤2個(gè)站出現(xiàn)沙塵，為局地性沙塵過程。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2006—2015年錦州地區(qū)共有70個(gè)沙塵日，其中揚(yáng)沙59 d，浮塵4 d，1日中出現(xiàn)揚(yáng)沙和浮塵有6 d，1日中出現(xiàn)揚(yáng)沙和沙塵暴有1 d，可知錦州市的沙塵天氣以揚(yáng)沙為主，其次為浮塵，沙塵暴鮮少出現(xiàn)。造成錦州沙塵天氣的大風(fēng)以SSW風(fēng)最多，占全部沙塵過程的46.0%;其次為NNW風(fēng)，占16.0%;再次為NW、WNW、N、NNE和S風(fēng)，分別占12.9%、10.0%、8.6%、4.3%和2.8%，由此將錦州沙塵天氣分為偏南大風(fēng)和偏北大風(fēng)2種類型。利用micaps常規(guī)高空和地面天氣圖對(duì)偏南大風(fēng)型和偏北大風(fēng)型沙塵日的大尺度環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分析，并利用常規(guī)地面觀測(cè)資料對(duì)沙塵發(fā)生期間地面氣象要素進(jìn)行對(duì)比分析。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 環(huán)流形勢(shì)分析

2.1.1? ? 偏北大風(fēng)型。根據(jù)地面天氣形勢(shì)偏北大風(fēng)型可分為冷鋒型、蒙古氣旋—冷鋒后部型。冷鋒型偏北大風(fēng)沙塵發(fā)生前期，500 hPa 中高緯度地區(qū)一般為兩脊一槽型，在貝加爾湖及其以西地區(qū)和鄂霍次克海附近為高壓脊控制，我國東部以北地區(qū)受深厚的低壓槽或冷性低渦控制，環(huán)流經(jīng)向度較大，貝湖脊前冷空氣沿偏北或西北氣流迅速東移南下，到達(dá)遼寧省;850 hPa 受南北向切變或低渦系統(tǒng)控制，低層鋒區(qū)明顯，已經(jīng)南移到華北一帶，切變前后冷暖平流顯著，錦州地區(qū)受槽后西北或偏北風(fēng)影響，風(fēng)速可達(dá)20 m/s以上，850 hPa降溫明顯;地面圖表現(xiàn)為蒙古氣旋后部或南部倒槽后部冷高壓南下，冷鋒過境，北風(fēng)風(fēng)力較大，錦州發(fā)生偏北大風(fēng)沙塵天氣（圖1）。

蒙古氣旋—冷鋒后部型沙塵發(fā)生在高空槽伴隨較強(qiáng)冷空氣東移南下或高空橫槽轉(zhuǎn)豎后，遼寧轉(zhuǎn)為高空槽前控制（圖2）。850 hPa鋒區(qū)隨著高空槽東移迅速南壓到錦州地區(qū)，偏北風(fēng)風(fēng)速20 m/s以上，冷平流較強(qiáng)。地面圖上蒙古氣旋冷鋒掃過，錦州地區(qū)轉(zhuǎn)為鋒后西北大風(fēng)伴有沙塵天氣出現(xiàn)。這2種類型的不同之處在于地面冷鋒是否經(jīng)過低壓中心。

2.1.2? ? 偏南大風(fēng)型。偏南大風(fēng)型根據(jù)地面天氣形勢(shì)可分為蒙古氣旋—冷鋒前部型、東高西低型和南高北低型。蒙古氣旋—冷鋒結(jié)合型沙塵發(fā)生在鋒前暖區(qū)時(shí)的高空形勢(shì)，500 hPa中高緯度為兩脊一槽型，槽位于貝加爾湖附近且位置偏北，錦州地區(qū)受高空槽底前部弱高壓脊控制（圖3）。冷空氣落后于高空槽，錦州地區(qū)位于槽前暖脊中。850 hPa鋒區(qū)明顯，但位置偏北壓在蒙古一帶，錦州地區(qū)位于鋒前暖脊中，暖平流較強(qiáng)。地面蒙古氣旋位置偏北，我區(qū)位于蒙古氣旋冷鋒前部，偏南風(fēng)較大。

南高北低型和東高西低型500 hPa上冷空氣主體偏北，中緯度地區(qū)環(huán)流比較平直，錦州地區(qū)受高壓脊控制或?qū)拸V的低渦底部偏西或西北氣流影響;850 hPa東北地區(qū)受溫度脊控制，暖平流明顯;地面圖上遼寧處于低壓前部，高壓后部或低壓底部高壓頂部，午后由于太陽輻射，地面明顯升溫，負(fù)變壓明顯，氣壓梯度加大，加之遼寧地形的影響，西南或偏南風(fēng)風(fēng)力明顯加大，對(duì)流層低層干燥且升溫顯著，大氣層結(jié)為中性或弱不穩(wěn)定，混合層加深，使遼寧本地沙源升空，加重沙塵天氣危害（圖4）。有時(shí)南高北低型和東高西低型很難界定，多數(shù)情況下為東南高西北低。此種類型與蒙古氣旋—冷鋒結(jié)合型沙塵均位于低壓前部，但前者海上高壓強(qiáng)盛并穩(wěn)定維持，沙塵產(chǎn)生在高低壓之間的強(qiáng)氣壓梯度帶內(nèi)。

2.2? ? 地面氣象要素對(duì)比分析

沙塵天氣與地面風(fēng)向風(fēng)速、變壓、變溫、濕度等要素緊密相關(guān)，選取2006—2015年56個(gè)典型沙塵個(gè)例，按不同風(fēng)向?qū)ζ渖硥m發(fā)生期間地面最大風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速、地面極大風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速、24h變溫、6 h變溫、24 h變壓、3 h變壓、6 h變壓、相對(duì)濕度等10個(gè)地面氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

錦州市偏北大風(fēng)型沙塵地面最大風(fēng)風(fēng)向以NW風(fēng)和WNW風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，各占30.8%。80%以上個(gè)例最大風(fēng)力 >5級(jí)，最大值14.9 m/s，最小值5 m/s，平均值10.5 m/s;80%以上個(gè)例極大風(fēng)力>7級(jí)，最大值為23.2 m/s，最小值6.3 m/s，平均值16.5 m/s。24 h變溫正負(fù)均有，但以負(fù)變溫居多，占70%以上，且負(fù)變溫絕對(duì)值明顯大于正變溫;出現(xiàn)正變溫時(shí)以蒙古氣旋冷鋒型沙塵天氣居多，其主要原因?yàn)槔滗h過境，地面剛轉(zhuǎn)北風(fēng)時(shí)，冷空氣下沉增溫，導(dǎo)致氣溫上升，另外出現(xiàn)正變溫還受到天空狀況和冷高壓強(qiáng)度影響;6 h變溫正變溫和負(fù)變溫各占50%，其主要受沙塵出現(xiàn)時(shí)間、氣溫日變化和冷空氣強(qiáng)度影響。80%以上個(gè)例24 h變壓為正值，最大為11 hPa，最小為-6 hPa;3 h變壓幾乎均為正值，最大值為7 hPa;6 h變壓90%以上為正變壓，最大值為12 hPa，最小值為-3 hPa。沙塵期間相對(duì)濕度最小值在8%～50%之間，80%以上個(gè)例最小相對(duì)濕度<30%，沙塵天氣發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度明顯下降。

偏南大風(fēng)型沙塵地面風(fēng)向以SSW為主，最大風(fēng)風(fēng)力均在5級(jí)以上，最大值為17.2 m/s，最小值為7.8 m/s，平均值12.4 m/s。85%以上個(gè)例極大風(fēng)力>7級(jí)，最大值為24.6 m/s，平均值17.9 m/s。24 h變溫70%以上為正變溫，均值為2.4 ℃，24 h負(fù)變溫多出現(xiàn)在春季4月、5月，與天空狀況、風(fēng)力大小有關(guān);其主要原因?yàn)榇杭?月、5月，冷空氣活動(dòng)較弱，沙塵前一日若天空晴朗則升溫迅速，而沙塵日天空狀況為多云，風(fēng)力較大升溫緩慢，雖然850 hPa暖平流明顯仍會(huì)出現(xiàn)24 h負(fù)變溫;6 h變溫均為正值。24 h變壓變化幅度為-20～4 hPa，僅1次個(gè)例出現(xiàn)正變壓，其天氣背景為受高壓后部低壓前部強(qiáng)氣壓梯度帶控制，北鎮(zhèn)市連續(xù)2 d出現(xiàn)偏南大風(fēng)型沙塵天氣，由于前一日降壓幅度較大，后一日氣壓出現(xiàn)小幅上升，導(dǎo)致24 h正變壓;6 h和3 h變壓90%個(gè)例為負(fù)值。沙塵期間相對(duì)濕度最小值在14%～71%之間，80%以上個(gè)例最小相對(duì)濕度>30%。

綜上所述，偏南大風(fēng)型沙塵風(fēng)速最大值和極大值均大于偏北大風(fēng)型，可將平均風(fēng)5級(jí)以上，陣風(fēng)7級(jí)以上作為出現(xiàn)沙塵天氣的風(fēng)力判別指標(biāo);偏南大風(fēng)型相對(duì)濕度明顯大于偏北大風(fēng)型;2種類型沙塵天氣正負(fù)變壓和正負(fù)變溫均可出現(xiàn)，但偏南大風(fēng)型以正變溫和負(fù)變壓為主，而偏北大風(fēng)型以負(fù)變溫和正變壓為主。

3? ? 結(jié)論

（1）錦州市沙塵以揚(yáng)沙為主，根據(jù)沙塵天氣出現(xiàn)時(shí)地面風(fēng)向分為偏北大風(fēng)型和偏南大風(fēng)型。

（2）根據(jù)地面形勢(shì)偏北大風(fēng)型分為冷鋒型和蒙古氣旋—冷鋒后部型。兩者均受冷空氣東移南下影響，850 hPa鋒區(qū)隨著高空槽東移迅速南壓到錦州地區(qū)，偏北風(fēng)風(fēng)速20 m/s以上，冷平流顯著，地面冷鋒過境，沙塵天氣伴隨偏北大風(fēng)出現(xiàn)。這2種類型的不同之處在于地面冷鋒是否經(jīng)過低壓中心。

（3）偏南大風(fēng)型根據(jù)地面天氣形勢(shì)分為蒙古氣旋—冷鋒前部型、東高西低型和南高北低型。此3種類型500 hPa錦州地區(qū)受高空槽前西南氣流或中緯度較為平直的偏西氣流控制;850 hPa受溫度脊控制，暖平流明顯;地面午后由于太陽輻射升溫顯著，西南或偏南風(fēng)明顯加大，大氣層結(jié)為中性或弱不穩(wěn)定，混合層加深，使遼寧本地沙源升空，加重沙塵天氣危害。

（4）偏北大風(fēng)型沙塵地面風(fēng)向以NNW-WNW為主，偏南大風(fēng)型以SSW為主。偏南大風(fēng)型沙塵風(fēng)力和相對(duì)濕度明顯大于偏北大風(fēng)型，伴隨強(qiáng)烈的正變溫和負(fù)變壓，偏北大風(fēng)型以負(fù)變溫和正變壓為主。

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