冀中地區(qū)一次春季沙塵動(dòng)力機(jī)制分析

馬鴻青 王亞婷 張良玉 李海峰

摘要?利用常規(guī)觀測資料和NCEP?1°×1°的逐6?h再分析資料，采用天氣學(xué)原理和天氣學(xué)診斷方法對(duì)2017年5月4—5日冀中強(qiáng)沙塵天氣的天氣形勢以及動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了重點(diǎn)分析。結(jié)果表明，4日下午，冀中天氣靜穩(wěn)，西北部的沙塵通過高空偏西氣流的引導(dǎo)到達(dá)其上空而形成大范圍的浮塵。5日白天隨著冷鋒的臨近，冀中地區(qū)變壓梯度增大，5個(gè)經(jīng)度內(nèi)變壓差達(dá)到5?hPa，冀中地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)、揚(yáng)沙天氣，+ΔP3中心的增強(qiáng)對(duì)沙塵天氣的短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警有很好的指示意義，此次提前量達(dá)到了10～12?h。對(duì)流層頂“超低溫”的出現(xiàn)、垂直風(fēng)場“順滾流”的形成以及上濕冷、下干暖的大氣分布有利于干對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立。高空急流入口區(qū)次級(jí)環(huán)流的形成加速了大氣的上下交換，“漏斗”狀西風(fēng)和北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶向地面伸展，激發(fā)了地面大風(fēng)的出現(xiàn)。氣溫偏高，增加了大氣不穩(wěn)定度，有利于沙塵粒子向高層輸送，形成較大范圍的揚(yáng)沙或沙塵天氣。

關(guān)鍵詞?沙塵;變壓梯度;干對(duì)流;超低溫;次級(jí)環(huán)流

中圖分類號(hào)：X513?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：2095-3305（2020）03-067-03

DOI：?10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.029

氣象學(xué)中將沙塵天氣分為浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴，浮塵是在無風(fēng)或微風(fēng)的氣象條件下形成的天氣現(xiàn)象，而揚(yáng)沙和沙塵暴需要有強(qiáng)勁持久的風(fēng)力、不穩(wěn)定的大氣層結(jié)和沙源[1-4]，三者的產(chǎn)生對(duì)大氣環(huán)境都有很大的不利影響，進(jìn)而影響人類健康。近年來氣象學(xué)家對(duì)沙塵天氣的研究增多，錢莉等[5-7]從大氣環(huán)流和物理量條件等對(duì)沙塵天氣進(jìn)行了個(gè)例分析，彭小桐等[8]應(yīng)用V-3θ建立回歸方程對(duì)沙塵進(jìn)行預(yù)測，但大部分分析重點(diǎn)都集中在西北地區(qū)，針對(duì)華北的沙塵研究還比較少。2017年春季華北的一次較強(qiáng)沙塵天氣給公眾出行和大氣環(huán)境以及人體健康造成很大影響，所以有必要對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析研究，以期尋找短期短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)，更好地做好沙塵預(yù)報(bào)服務(wù)。

1?天氣實(shí)況及環(huán)流形勢

1.1?天氣實(shí)況

2017年5月4—5日冀中地區(qū)出現(xiàn)該年范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)的沙塵天氣。4日有19個(gè)縣（市、區(qū)）氣象觀測站點(diǎn)出現(xiàn)浮塵，5日除了安國、蠡縣外的17個(gè)縣（市、區(qū)）出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣。沙塵天氣使大部分地區(qū)PM10、PM2.5濃度顯著升高，PM10的最大IAQI指數(shù)均超過500，大部分地區(qū)PM2.5的最大IAQI指數(shù)超過250，部分地區(qū)PM2.5的最大IAQI指數(shù)超過350。能見度明顯降低，除高碑店、阜平、順平外，其他縣（市、區(qū)）最小能見度不足2?000?m，東部平原部分地區(qū)能見度不足100?m。

1.2?影響系統(tǒng)

亞歐中高緯為兩槽兩脊型，5月4日甘肅到華北（40°?N附近）為寬槽底部的偏西氣流控制（圖1a），高空冷空氣以偏西路徑東移，隨著烏拉爾山高壓脊的加強(qiáng)，脊前西北氣流所攜冷空氣在貝湖附近堆積并形成-44℃的冷中心，河套到貝湖之間冷平流增強(qiáng)，形成北支高空鋒區(qū)，地面氣旋（氣旋最大強(qiáng)度992.5?hPa）冷鋒后部系統(tǒng)性偏北風(fēng)加大，此時(shí)，冀中上游出現(xiàn)揚(yáng)沙或沙塵暴天氣。位于高空寬槽底部的冀中地區(qū)天氣形勢靜穩(wěn)，4日上午出現(xiàn)大范圍霧霾，下午西北部的沙塵通過高空偏西氣流的引導(dǎo)到達(dá)冀中地區(qū)上空，從而給冀中帶來明顯的浮塵天氣。5日貝湖東部冷平流的加強(qiáng)使高空槽發(fā)展加深（圖1b），同時(shí)，槽前正渦度加速了地面蒙古氣旋的生成發(fā)展，華北上空鋒區(qū)斜壓性增強(qiáng)，5日白天冀中出現(xiàn)鋒面大風(fēng)。由于前10?d平均氣溫比歷史同期偏高2℃左右，降水比同期偏少90%以上，大部分地區(qū)10?d累計(jì)降水量0～1.0?mm，大氣不穩(wěn)定度增加，所以隨著大風(fēng)的出現(xiàn)冀中出現(xiàn)大范圍揚(yáng)沙天氣。

2?動(dòng)力機(jī)制

2.1?地面3?h變壓特征

分析此次過程3?h變壓分布：2017年5月4日14：00（圖2a）蒙古國東部和中西部各有一個(gè)明顯的正變壓中心，最大正變壓分別達(dá)到5和2?hPa，正變壓中心前側(cè)較大的變壓梯度使中蒙交界處的風(fēng)力增大，出現(xiàn)揚(yáng)沙或沙塵暴天氣。4日白天冀中地區(qū)受均勻的負(fù)變壓控制，天氣形勢靜穩(wěn)，地面風(fēng)力維持在1～2?m/s，西北部的沙塵通過高空偏西氣流的引導(dǎo)到達(dá)冀中地區(qū)上空，從而給冀中帶來明顯的浮塵天氣。4日20：00（圖2b），蒙古中西部的正變壓中心東移加強(qiáng)，5日02：00（圖2c）正變壓區(qū)到達(dá)河套地區(qū)，其中心值加強(qiáng)為5?hPa，冀西出現(xiàn)3?h強(qiáng)變壓梯度，5個(gè)經(jīng)度內(nèi)變壓差達(dá)到5?hPa，5日白天冀中地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)、沙塵天氣。+ΔP3中心的增強(qiáng)對(duì)沙塵天氣的短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警有很好的指示意義，此次提前量達(dá)到了10～12?h。

2.2?V3θ預(yù)測沙塵

V3θ圖中的V是探空資料中直接觀測的風(fēng)向、風(fēng)速信息，由于熱量分布不均和變化是引起大氣運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)性原因，所以選擇能夠體現(xiàn)熱量垂直分布的位溫，3θ分別為位溫（θ）、假相當(dāng)位溫（θsed）、飽和假相當(dāng)位溫（θ*）。5月4日08：00（圖3a）3θ線均隨高度向右傾斜，上空未出現(xiàn)對(duì)流層超低溫，說明大氣層結(jié)較穩(wěn)定。低層為偏北風(fēng)，高空為西到西南風(fēng)，垂直方向形成風(fēng)矢逆滾流，預(yù)示4日白天天氣平穩(wěn)少變。4日20：00（圖3b）350～500?hPa?3條θ線與橫坐標(biāo)T近似垂直，構(gòu)成上冷下暖的大氣垂直結(jié)構(gòu)。對(duì)流層中下層位溫θ和假相當(dāng)位溫θsed線靠近，對(duì)流層上層θsed和θ*線靠近，說明上濕、下干，有利于干對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立。低層為西南風(fēng)，高層偏西風(fēng)，整層表現(xiàn)為順滾流，預(yù)示天氣將轉(zhuǎn)壞。5日08：00（圖3c）300～400?hPa?3條θ線陡然左傾，說明層結(jié)極不穩(wěn)定。偏西風(fēng)隨高度的升高而增大，風(fēng)速的不均勻形成順滾流[9-10]，對(duì)流層頂“超低溫”的出現(xiàn)和“順滾流”的形成預(yù)示著某種災(zāi)害天氣極有可能要發(fā)生。上濕、下干的水汽分布有利于沙塵揚(yáng)起。300?hPa高空風(fēng)速達(dá)到60?m/s，高空急流的抽吸作用更加強(qiáng)了整層的垂直運(yùn)動(dòng)。

2.3?高空急流與風(fēng)的垂直剖面分析

分析300?hPa高空急流（圖4a），5日08：00高空偏西急流穿過河北上空，最大急流核達(dá)到60?m/s，冀中地區(qū)處在急流核的右后側(cè)，右后側(cè)對(duì)應(yīng)著大片的水平輻散場（圖4b），高空輻散上升有利于垂直運(yùn)動(dòng)的形成與加強(qiáng)。高空急流入口區(qū)36°～39°?N有次級(jí)環(huán)流（圖3c）形成，這與劉景濤等[3-4，11-12]的結(jié)論相一致，急流南側(cè)輻散，形成一支上升氣流，其北側(cè)輻合，對(duì)應(yīng)著氣流下沉支，高空動(dòng)量得以下傳，使近地面層風(fēng)速增大，形成大風(fēng)天氣。5日08：00高空為一致的西風(fēng)氣流（圖4d），200～300?hPa存在一支西風(fēng)急流，最大急流核在250?hPa的116°～118°?E，中心最大風(fēng)速70?m/s，115°?E附近有“漏斗”狀強(qiáng)風(fēng)速帶向近地面伸展，15?m/s的等風(fēng)速線到達(dá)近地面層900?hPa以下，同時(shí)，北風(fēng)（105°～116°?E）向低層擴(kuò)展（圖4e），900?hPa的北風(fēng)風(fēng)速達(dá)到10?m/s，北風(fēng)中心將南風(fēng)中心向上抬起，高空動(dòng)量傳播到地面，激發(fā)冀中的大風(fēng)沙塵天氣。

3?小結(jié)

（1）5月4日華北上游出現(xiàn)揚(yáng)沙或沙塵暴天氣，位于高空寬槽底部的冀中地區(qū)天氣形勢靜穩(wěn)，地面風(fēng)力維持在1～2?m/s，下午西北部的沙塵通過高空偏西氣流的引導(dǎo)到達(dá)冀中上空，從而給冀中帶來明顯的浮塵天氣。

（2）5月4日夜間由于高空槽后冷空氣相對(duì)應(yīng)的地面冷高壓與蒙古氣旋相配合，在冀中地區(qū)形成較大的氣壓梯度，變壓差增大，5個(gè)經(jīng)度內(nèi)變壓差達(dá)到5?hPa，5日白天冀中地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)、沙塵天氣。+ΔP3中心的增強(qiáng)對(duì)沙塵天氣的短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警有很好的指示意義，此次提前量達(dá)到了10～12?h。

（3）對(duì)流層頂“超低溫”的出現(xiàn)和垂直風(fēng)場“順滾流”的形成預(yù)示著某種災(zāi)害天氣極有可能要發(fā)生。上濕冷、下干暖的大氣分布有利于干對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立。300?hPa高空風(fēng)速達(dá)到60?m/s，高空急流的抽吸作用更加強(qiáng)了整層的垂直運(yùn)動(dòng)。高空急流入口區(qū)次級(jí)環(huán)流的形成加速了大氣的上下交換，“漏斗”狀西風(fēng)和北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶向地面伸展，激發(fā)了地面大風(fēng)的出現(xiàn)。由于前10?d平均氣溫比歷史同期偏高2℃左右，降水比同期偏少90%以上，大部分地區(qū)10?d累計(jì)降水量0～1.0?mm，大氣不穩(wěn)定度增加，有利于沙塵粒子往高層輸送，形成較大范圍的揚(yáng)沙或沙塵天氣。

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責(zé)任編輯：黃艷飛