河西走廊東部一次沙塵暴天氣過(guò)程分析及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

孫占峰，李玲萍，劉明春，曾 婷

（甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威733000）

沙塵暴是中國(guó)西部地區(qū)春季極易發(fā)生的一種災(zāi)害性天氣，具有突發(fā)性、持續(xù)性和危害大的特征，尤其是在河西走廊東部，近年來(lái)冬春連旱頻繁發(fā)生，春季干燥裸露的土地以及豐富的沙源，在河西走廊狹管效應(yīng)的作用下，沙塵暴發(fā)生的強(qiáng)度和頻率較其他季節(jié)更大。相關(guān)學(xué)者對(duì)河西走廊東部的沙塵暴氣候特征、動(dòng)力條件以及物理量的診斷做過(guò)大量詳細(xì)的研究，如李巖瑛等［1］認(rèn)為河西走廊東部的沙塵暴主要集中在3—7月，其中3—5月的沙塵暴強(qiáng)度最強(qiáng)，災(zāi)情嚴(yán)重，而沙塵暴發(fā)生的年度頻率與當(dāng)年是否有ENSO現(xiàn)象發(fā)生有關(guān)；高振榮等［2］認(rèn)為近55年來(lái)河西走廊沙塵暴時(shí)間演變表現(xiàn)為顯著的遞減趨勢(shì)，各區(qū)域沙塵暴月變化表現(xiàn)為單峰型，即4月最多，9月最少；李紅英等［3］認(rèn)為河西走廊出現(xiàn)沙塵暴時(shí)，其上空螺旋度的垂直分布存在著上負(fù)下正的特征，隨著高層螺旋度負(fù)值區(qū)域中心的增大，沙塵暴區(qū)域亦在增大，且與出現(xiàn)區(qū)域沙塵暴的時(shí)間相吻合；狄瀟泓等［4］認(rèn)為沙塵暴是在大尺度有利環(huán)流形勢(shì)條件下由中尺度系統(tǒng)激發(fā)的，而高空急流振蕩合并對(duì)沙塵暴發(fā)生起到重要作用；楊曉玲等［5］認(rèn)為河西走廊東部沙塵暴發(fā)生時(shí)的典型環(huán)流形勢(shì)可以歸納為西北氣流型、西南氣流型和西風(fēng)氣流型3類。

沙塵暴的發(fā)生具有共性，但是每年每次沙塵暴的發(fā)生都有其獨(dú)特性，在沙塵暴逐年減少的趨勢(shì)下，2018年受拉尼娜事件影響，河西走廊地區(qū)氣候異常，沙塵暴出現(xiàn)次數(shù)較近年來(lái)增多，其中5月大風(fēng)沙塵天氣暴發(fā)頻率尤其增多。本研究著重分析了2018年5月18日出現(xiàn)在河西走廊東部的一次局地性大風(fēng)沙塵暴天氣，此次過(guò)程是5月最強(qiáng)的過(guò)程，民勤縣最小能見(jiàn)度一度下降到400 m，極大風(fēng)速達(dá)21.2 m/s，給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)帶來(lái)很大影響，同時(shí)相比以往在河西走廊地區(qū)發(fā)生的沙塵暴過(guò)程來(lái)說(shuō)，此次過(guò)程從開(kāi)始到結(jié)束僅經(jīng)歷4 h，同時(shí)此次沙塵暴也只出現(xiàn)在河西走廊東部的民勤縣，具有歷時(shí)短、范圍小的特點(diǎn)，因此非常有必要對(duì)此次過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析，以期為氣候變化情況下此類天氣的預(yù)報(bào)、預(yù)警服務(wù)工作總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣實(shí)況

民勤縣位于甘肅省河西走廊東部，西北與巴丹吉林沙漠相連，東側(cè)與騰格里沙漠接壤，常年降水稀少，氣候干燥，一年四季均有沙塵暴發(fā)生的記錄，是中國(guó)沙塵暴發(fā)生頻率較高的地區(qū)之一。2018年5月18日，受高緯度強(qiáng)冷空氣分裂東移影響，河西走廊東部民勤縣出現(xiàn)大風(fēng)沙塵暴天氣，平均風(fēng)速為11.5 m/s，最小能見(jiàn)度僅為400 m，相比近年所發(fā)生的大風(fēng)沙塵暴天氣來(lái)說(shuō)，此次過(guò)程具有暴發(fā)迅速、持續(xù)時(shí)間短、影響范圍小的特點(diǎn)。

2 資料與研究方法

所用資料包括此次沙塵暴天氣過(guò)程中河西走廊東部涼州、民勤、永昌3個(gè)觀測(cè)站逐小時(shí)觀測(cè)資料、MICAPS資料、NECP/NCAR全球再分析資料等，分析范圍以103°00'E、36°48'N（民勤站位置）為中心，診斷分析中物理量時(shí)間-空間剖面圖也以103°00'E、36°48'N為中心進(jìn)行分析。

3 天氣氣候背景

3.1 下墊面溫濕狀況

5月18日大風(fēng)沙塵暴過(guò)程前17 d，河西走廊東部涼州、民勤、永昌3個(gè)站點(diǎn)溫度較高（圖1），其中民勤最高氣溫達(dá)35.8℃，涼州達(dá)36.2℃，而1959—2017年記錄顯示，民勤5月最高溫度為35.2℃，涼州為34.2℃，均低于2018年5月的最高溫度。2018年5月1—17日河西走廊東部各站有效降水量較少，其中涼州有效降水量?jī)H為0.1 mm，民勤為0.9 mm，位于山區(qū)的永昌也僅為2.1 mm，遠(yuǎn)低于歷史同期的平均值?？梢?jiàn)前期河西走廊東部各地溫度明顯偏高、降水稀少，能量在當(dāng)?shù)赜兴邸?/p>

圖1 2018年5月1—17日河西走廊東部3個(gè)站點(diǎn)溫度變化曲線

地面溫度露點(diǎn)差反映了近地面大氣干濕狀況，從5月1日開(kāi)始河西走廊東部各站溫度露點(diǎn)差均較大，最高達(dá)32℃，平均在5℃以上，可見(jiàn)在此次大風(fēng)沙塵暴之前河西走廊東部近地面大氣比較干燥。由于前期溫度偏高、干旱少雨，使得近地面大氣干燥，加劇了土壤水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致地表土質(zhì)干燥、疏松，且沙漠中植被稀少，為沙塵暴提供了豐富的沙塵來(lái)源。

3.2 環(huán)流形勢(shì)分析

從環(huán)流形勢(shì)來(lái)看，此次沙塵暴發(fā)生前，500 hPa高空表現(xiàn)為兩槽一脊形勢(shì)，深厚的冷槽中心位于新西伯利亞地區(qū)，中心溫度達(dá)-36℃，而造成本次沙塵暴天氣的冷空氣來(lái)自這個(gè)深厚槽底端分裂的冷空氣。利用NECP/NCAR每6 h觀測(cè)資料繪制18日2—20時(shí)河西走廊東部上空500 hPa溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)的演變圖，可以清晰地看出此次過(guò)程的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束。

18日2時(shí)500 hPa（圖2a）高緯度深厚冷槽還未進(jìn)入中國(guó)境內(nèi)，而深厚冷槽底部的冷空氣在青海北部形成一個(gè)較深的小槽，影響范圍包括青海北部、甘肅河西走廊西部，與該小槽配合的溫度槽并不明顯，相反槽內(nèi)存在暖平流，未來(lái)該小槽將減弱并東移北抬，這一點(diǎn)在8時(shí)的形勢(shì)場(chǎng)（圖2b）上得到了證明。8時(shí)該小槽北抬至河西走廊東部，開(kāi)始影響永昌縣、民勤縣，但此時(shí)小槽后形成一個(gè)溫度槽，未來(lái)將有冷空氣補(bǔ)充到小槽中，增加小槽的深度和強(qiáng)度，為后續(xù)局地大風(fēng)沙塵暴天氣的產(chǎn)生提供充足的動(dòng)力。14時(shí)（圖2c）河西走廊東部上空等溫線和等高線夾角較2時(shí)和8時(shí)明顯減小，可見(jiàn)此時(shí)該小槽已經(jīng)逐漸發(fā)展到最深階段，未來(lái)將經(jīng)歷穩(wěn)定至減弱的過(guò)程，而本次沙塵暴暴發(fā)時(shí)段為16時(shí)，也與高空形勢(shì)的發(fā)展相匹配。20時(shí)（圖2d）小槽已經(jīng)北抬進(jìn)入內(nèi)蒙古境內(nèi)，高空溫度線與高度線逐漸趨于平行，至此，本次短歷時(shí)沙塵暴過(guò)程也趨于結(jié)束。

700 hPa溫度場(chǎng)（圖略）也充分地反映了本次過(guò)程的特殊性，18日8時(shí)之前河西走廊東部上空一直維持弱的暖平流，不利于槽加深和鋒生，在14時(shí)河西走廊東部上空轉(zhuǎn)為弱冷平流控制，到20時(shí)影響槽完全北抬移至內(nèi)蒙古境內(nèi)，弱冷平流再次轉(zhuǎn)為暖平流，可見(jiàn)從500～700 hPa造成此次沙塵暴的系統(tǒng)發(fā)展演變速度都非?？?。

圖2 2018年5月18日2—20時(shí)河西走廊東部上空500 hPa溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)演變

而在地面圖（圖略）上，強(qiáng)大的冷高壓位于西西伯利亞地區(qū)，中心強(qiáng)度達(dá)1 055 hPa，冷高壓影響范圍偏北，高壓前側(cè)有一冷鋒，冷鋒鋒面主要影響的地區(qū)是民勤縣北面的內(nèi)蒙古地區(qū)，冷鋒對(duì)河西走廊以及其東部地區(qū)的影響不大。從18日17時(shí)地面3 h變壓的分布圖（圖3）上可以發(fā)現(xiàn)，除河西走廊東部民勤、永昌、武威3 h變壓為正以外，河西走廊其余站點(diǎn)3 h變壓幾乎全部為負(fù)，其中民勤變壓中心也僅為4.6 hPa，強(qiáng)度并不大，因此本次沙塵暴過(guò)程僅出現(xiàn)在偏北的河西走廊東部民勤，其他市縣均未出現(xiàn)沙塵暴。

4 物理機(jī)制分析

4.1 高空急流演變

圖3 2018年5月18日17時(shí)河西走廊東部地面3 h變壓分布

沙塵暴的發(fā)生需要強(qiáng)風(fēng)、沙源和熱力不穩(wěn)定3個(gè)條件同時(shí)滿足，高空急流則是反映強(qiáng)風(fēng)的重要指標(biāo)之一。在沙塵暴來(lái)臨之前，近地層的風(fēng)速很小，隨高度的升高而增大。由沙塵暴發(fā)生前及結(jié)束后17日8時(shí)至19日8時(shí)民勤上空500、400、300、200 hPa高度的風(fēng)速演變圖（圖4）可以看出，在此次小范圍沙塵暴發(fā)生前期高空各層風(fēng)速都有一個(gè)明顯的先減小后增大的過(guò)程，500 hPa的轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn)在17日20時(shí)，400 hPa在18日0時(shí)，300 hPa在18日8時(shí)，而200 hPa則在18日14時(shí)，對(duì)應(yīng)沙塵暴發(fā)生的時(shí)間是18日16—20時(shí)，可以看出前期各層風(fēng)速增加的轉(zhuǎn)折點(diǎn)都在沙塵暴發(fā)生之前，且200 hPa一直有高空急流存在。

在沙塵暴結(jié)束以后，200 hPa的高空急流繼續(xù)存在且仍然保持增加的趨勢(shì)，最大風(fēng)速在19日0時(shí)出現(xiàn)，風(fēng)速達(dá)45 m/s以上，而300、400、500 hPa的風(fēng)速則在18日20時(shí)以后逐漸減小，這也反映出高空冷空氣移速較快，造成此次沙塵暴的主要影響系統(tǒng)快速過(guò)境，而低層風(fēng)速又不能持續(xù)維持較大速度或增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此這次過(guò)程僅維持了4 h左右就趨于結(jié)束。

圖4 2018年5月17日8時(shí)至19日8時(shí) 民勤 上空500～200 hPa高空風(fēng)速演變

4.2 垂直螺旋度

螺旋度可以很好地衡量風(fēng)暴入流強(qiáng)弱以及沿其流入方向的水平渦度分量大小的參數(shù)，相比于渦度而言，螺旋度包含了更多輻散風(fēng)效應(yīng)，可以更好地體現(xiàn)大氣的運(yùn)動(dòng)狀況［6-10］，其值的正負(fù)情況反映了渦度和速度的配合程度。螺旋度還與大氣的垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)，對(duì)定常的大氣大尺度運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定層結(jié)下的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)正螺旋度，下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)負(fù)螺旋度，同時(shí)，螺旋度也緊密地與溫度平流有關(guān)，暖平流對(duì)應(yīng)正螺旋度，冷平流對(duì)應(yīng)負(fù)螺旋度。垂直螺旋度是垂直渦度和垂直速度的積，反映了2個(gè)與沙塵天氣緊密聯(lián)系的物理量的配合情況，不僅能反映系統(tǒng)的維持狀況，還能反映系統(tǒng)發(fā)展、沙塵天氣的劇烈程度。利用NCEP資料繪制18日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)河西走廊地區(qū)上空850～200 hPa垂直螺旋度變化剖面圖（圖5）可以看出，18日2時(shí)（圖5a），河西走廊東部民勤上空螺旋度自上往下表現(xiàn)為負(fù)，而上游的酒泉、張掖則表現(xiàn)為整層的正螺旋度，且大值中心在700 hPa，中心值為8×104m/s2，輻合上升運(yùn)動(dòng)裹挾上游地面的沙塵上升到空中，為本次沙塵暴發(fā)生提供了豐富的沙源。18日14時(shí)（圖5c），河西走廊東部上空螺旋度由前期的負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，且中心值增加?×104m/s2，對(duì)應(yīng)此時(shí)河西走廊東部民勤測(cè)站出現(xiàn)沙塵暴天氣。到18日20時(shí)（圖5d），河西走廊東部上空螺旋度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，河西走廊東部此次沙塵暴天氣過(guò)程也逐漸趨于結(jié)束。在本次過(guò)程中，沙塵暴區(qū)上空螺旋度的垂直分布為中高層負(fù)值、低層正值，這與相關(guān)研究［11-14］所得出的結(jié)論一致，并且高層負(fù)螺旋度的演變與沙塵暴發(fā)生的時(shí)間保持一致。

4.3 熱力結(jié)構(gòu)分析

除了沙源和動(dòng)力條件以外，沙塵暴的暴發(fā)還需要滿足熱力不穩(wěn)定條件，研究使用位溫（θ）、假相當(dāng)位溫（θse）和飽和假相當(dāng)位溫（θe）的垂直分布來(lái)表征大氣層結(jié)的熱力結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定度。從民勤站3θ線來(lái)看，17日20時(shí)（圖6a）θe達(dá)100℃，同時(shí)θe隨氣壓上升迅速減小，表明垂直方向的溫度遞減率非常大，θ和θe在500 hPa高度層以上距離快速接近，低層θse和θe之間距離非常大，表明低層大氣極其干燥，有利于低層起沙。250 hPa等壓面高度層以下θ和θse幾乎垂直于橫坐標(biāo)軸，表明大氣層結(jié)非常接近絕熱狀態(tài)，并且不穩(wěn)定層結(jié)到達(dá)250 hPa等壓面高度，可見(jiàn)溫度層結(jié)促進(jìn)高空動(dòng)量下傳，而且高低空巨大的溫度梯度還將使水平方向風(fēng)力顯著加大，從而誘發(fā)沙塵暴天氣。至18日20時(shí)（圖6b），民勤站地面溫度迅速減小，θe隨氣壓上升幾乎保持不變，表明高低層溫度梯度減小，低層θse和θe之間距離縮小，低層大氣濕度增加，而大氣層結(jié)的穩(wěn)定度增加，沙塵暴發(fā)展和維持的動(dòng)力和熱力機(jī)制被阻斷，因此此次沙塵暴天氣過(guò)程也接近結(jié)束。

5 對(duì)農(nóng)業(yè)的不利影響

此次沙塵暴天氣發(fā)生時(shí)狂風(fēng)裹著沙石，浮塵到處彌漫，空氣渾濁，監(jiān)測(cè)到的室外空氣含塵量為1 016 mg/cm3、室內(nèi)為80 mg/cm3，超過(guò)國(guó)家規(guī)定的生活區(qū)內(nèi)空氣含塵量標(biāo)準(zhǔn)的近40倍，植物葉面上覆蓋著厚厚的沙塵，影響正常的光合作用。

西北地區(qū)4月、5月是瓜果、蔬菜、甜菜、棉花等經(jīng)濟(jì)作物出苗，子葉生長(zhǎng)或真葉期和果樹(shù)開(kāi)花期，嚴(yán)重影響了作物產(chǎn)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，此次受災(zāi)農(nóng)田700 hm2，撕毀農(nóng)民塑料溫室大棚11座及農(nóng)田地膜等，使得冷空氣迅速進(jìn)入，影響大棚內(nèi)蔬菜的正常生長(zhǎng)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)236萬(wàn)余元。

圖5 2018年5月18日2—20時(shí)民勤上空螺旋度剖面

圖6 2018年5月17日20時(shí)（a）、18日20時(shí)（b）民勤3θ線垂直剖面

大風(fēng)沙塵暴天氣對(duì)影響區(qū)土地的平均風(fēng)蝕深度為0.7 cm，不僅刮走土壤中細(xì)小的黏土和有機(jī)質(zhì)，而且還把帶來(lái)的沙子積在土壤中，降低了土壤肥力，對(duì)土地生產(chǎn)力造成破壞，對(duì)荒漠區(qū)植物的萌芽返青也產(chǎn)生了不利影響。

6 小結(jié)與建議

在前期降水偏少、氣溫異常偏高的氣候背景下，500 hPa深厚冷槽底部分裂的冷空氣、700 hPa弱冷平流和地面冷高壓前側(cè)偏北的地面冷鋒共同作用造成了此次河西走廊東部歷時(shí)短、范圍小的沙塵暴天氣過(guò)程。500～200 hPa先減小后迅速增大的高空急流為此次沙塵暴過(guò)程提供了充足的動(dòng)力，而500、400、300 hPa急流經(jīng)歷迅速增加和減小，200 hPa急流持續(xù)增加，致使沙塵暴過(guò)程快速發(fā)生、快速結(jié)束。沙塵暴區(qū)上空螺旋度的垂直分布為中高層負(fù)值、低層正值，前期上游正的螺旋度表明上升運(yùn)動(dòng)將上游的沙塵裹挾到空中，5月18日14時(shí)民勤站上空也表現(xiàn)為正的垂直螺旋度，說(shuō)明沙塵在本地又進(jìn)一步得到補(bǔ)充，從而增加了沙塵暴的強(qiáng)度。沙塵暴發(fā)生前，民勤站上空表現(xiàn)為極其干燥的不穩(wěn)定層結(jié)，高低空巨大的溫度梯度促進(jìn)高空動(dòng)量下傳，同時(shí)增大水平方向風(fēng)力，從而誘發(fā)沙塵暴發(fā)生，而后期大氣濕度增加，穩(wěn)定度增加，沙塵暴發(fā)展和維持的動(dòng)力和熱力機(jī)制不能得到補(bǔ)充，此次沙塵暴天氣過(guò)程也接近結(jié)束。

因此，氣象部門(mén)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)大風(fēng)沙塵暴天氣的預(yù)報(bào)，并可通過(guò)村村通大喇叭等形式第一時(shí)間將預(yù)報(bào)結(jié)果通知到影響區(qū)農(nóng)戶，使每戶種植戶提前覆蓋草簾等，減輕對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的不利影響。應(yīng)進(jìn)一步加大防沙治沙，開(kāi)展植樹(shù)造林，大力開(kāi)展人工增雨雪作業(yè)，最大限度增加荒漠區(qū)降水量，改善土壤墑情，努力提高植被覆蓋率，改善生態(tài)環(huán)境。