“3·15”北方強(qiáng)沙塵暴天氣成因分析

段伯隆，劉新偉，郭潤(rùn)霞，宋 強(qiáng)，狄瀟泓，段明鏗

(1.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅 蘭州 730020；2.南京信息工程大學(xué),氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044)

引 言

2021年3月14—18日，受蒙古氣旋和地面冷鋒影響，我國(guó)北方地區(qū)遭遇了近10 a來(lái)最強(qiáng)沙塵暴天氣，此次過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，涉及范圍廣，14日夜間開(kāi)始先后影響我國(guó)華北、西北、東北及江淮等地，部分地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴，整個(gè)過(guò)程持續(xù)至18日趨于結(jié)束。這是繼2010年“4·24”特強(qiáng)沙塵暴以后歷年中，西北地區(qū)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、強(qiáng)度最強(qiáng)、影響范圍最廣的一次沙塵暴天氣。

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)從地面卷起大量沙塵，使水平能見(jiàn)度小于1 km的天氣現(xiàn)象，是我國(guó)北方春季常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣。沙塵暴發(fā)生時(shí)伴隨的強(qiáng)風(fēng)、低能見(jiàn)度，使交通運(yùn)輸、農(nóng)牧業(yè)、人民生產(chǎn)生活等受到很大影響。沙塵天氣的形成需要具備3個(gè)基本條件：大風(fēng)、沙塵源地以及不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，其中大風(fēng)和不穩(wěn)定層結(jié)是形成沙塵天氣的動(dòng)力條件，而沙塵源地則是沙塵天氣的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。研究表明，我國(guó)沙塵暴天氣根據(jù)沙源地可分為外源型和內(nèi)源型兩種：影響范圍較大的沙塵暴天氣過(guò)程其沙源均在境外，即外源型；而內(nèi)源型沙塵暴主要沙源地在南疆的塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區(qū)、北疆的準(zhǔn)噶爾盆地南沿、甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古干燥沙漠及青海柴達(dá)木盆地等地，此外，土質(zhì)干燥松散、植被稀疏、地表裸露，即風(fēng)土地帶也最容易形成沙塵暴[2]。春季沙塵暴一般持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大，主要影響系統(tǒng)是高空槽、蒙古冷渦和地面冷鋒；夏季沙塵暴一般出現(xiàn)時(shí)間短、范圍小，影響系統(tǒng)主要是高空小槽、切變線及熱低壓[3-6]。我國(guó)西北地區(qū)沙塵暴多發(fā)于春季，春季冷空氣能否翻越帕米爾高原和天山進(jìn)入南疆是強(qiáng)風(fēng)暴是否產(chǎn)生的關(guān)鍵[7]，西風(fēng)急流也是影響沙塵天氣的動(dòng)力因子，高層天氣系統(tǒng)的季節(jié)性變化導(dǎo)致其位置及強(qiáng)弱變化，從而導(dǎo)致沙塵天氣的季節(jié)性南北移動(dòng)[8]。在大環(huán)流背景形勢(shì)一致的情況下高空引導(dǎo)氣流、低層冷空氣以及局地地形作用是導(dǎo)致沙塵傳輸出現(xiàn)差異的主要影響因素[9]，而回流沙塵主要受大氣中低層偏南風(fēng)輸送帶的影響，且主要傳輸高度在1 km以下[10]。同時(shí)對(duì)流層中層風(fēng)場(chǎng)有大風(fēng)區(qū)且強(qiáng)風(fēng)經(jīng)動(dòng)量下傳入侵到低層也是造成沙塵暴的一個(gè)原因[11]。研究表明大氣層結(jié)不穩(wěn)定，會(huì)加大動(dòng)量下傳和風(fēng)速，對(duì)沙塵暴的發(fā)生發(fā)展有一定貢獻(xiàn)[12-13]。水平螺旋度作為大氣層結(jié)動(dòng)力診斷量是開(kāi)展沙塵暴研究的主要物理量之一[14]，通過(guò)對(duì)螺旋度的診斷表明，沙塵暴區(qū)上空螺旋度垂直分布為高層負(fù)值、低層正值，且高層螺旋度負(fù)值中心大小的演變對(duì)應(yīng)沙塵暴的強(qiáng)弱[15]；低層螺旋度正值中心變化對(duì)強(qiáng)沙塵暴預(yù)報(bào)有一定指示作用，且沙塵暴區(qū)位于低層螺旋度正值中心南側(cè)，沙塵暴爆發(fā)時(shí)，隨著螺旋度中心值增大沙塵暴強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)沙塵暴爆發(fā)區(qū)有較好的指示意義[16]。

近40 a來(lái)中國(guó)北方沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)出一致減少趨勢(shì)[17]，自2001年開(kāi)始我國(guó)降水格局出現(xiàn)了年代尺度的轉(zhuǎn)折性變化，南旱北澇的格局基本形成，西北地區(qū)氣候暖濕化轉(zhuǎn)變、生態(tài)環(huán)境逐步轉(zhuǎn)好且沙塵暴日趨減少的氣候背景不利于大范圍強(qiáng)沙塵暴的產(chǎn)生[18]。但2021年3月14—18日我國(guó)北方地區(qū)出現(xiàn)了近10 a來(lái)最強(qiáng)的沙塵暴天氣，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、涉及范圍廣，造成的影響巨大，其影響機(jī)制明顯有別于以往的沙塵暴過(guò)程，因此有必要對(duì)此次天氣進(jìn)行分析，以期對(duì)北方沙塵天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作提供支撐。

1 資料和方法

1.1 資 料

(1)美國(guó)國(guó)家航天航空局(NASA)地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃發(fā)布的MODIS植被覆蓋產(chǎn)品集(MOD13)，其空間分辨率為50 km，時(shí)間分辨率為30 d，時(shí)間序列為2000—2021年，用于此次沙塵過(guò)程前期地表狀況分析。

(2)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)為2021年3月14—18日逐小時(shí)自動(dòng)觀測(cè)站資料及2011—2021年2月逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)、PM10質(zhì)量濃度資料，用于地面要素對(duì)比分析。

(3)風(fēng)云4A多通道合成圖像，用于天氣實(shí)況分析。

(4)再分析資料采用NCEP FNL(National Center for Environmental Prediction, global final analysis)，空間分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為6 h，用于環(huán)流場(chǎng)及物理量場(chǎng)分析。

文中圖1和圖6底圖由中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心定制生成，中華人民共和國(guó)自然資源部審核批準(zhǔn)，審圖號(hào)為GS(2019)3082號(hào)，地圖內(nèi)容審查意見(jiàn)書(shū)為國(guó)審字(2019)第3488號(hào)；其余涉及地圖的附圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2017)3320號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。文中標(biāo)注時(shí)間均為北京時(shí)。

1.2 方 法

螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特征物理量，其嚴(yán)格定義為風(fēng)場(chǎng)與渦度點(diǎn)乘的體積分[19-21]。

螺旋度的大小反映流體旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度，其單位為m2·s-2。通常所說(shuō)的螺旋度是局地螺旋度h，其計(jì)算公式如下：

(1)

公式(1)右邊3項(xiàng)分別與x,y,z方向的風(fēng)速和渦度的分量聯(lián)系在一起，其中x和y方向合稱為水平螺旋度，z方向稱為垂直螺旋度。文中采用水平螺旋度分析沙塵暴移動(dòng)方向及沙塵暴發(fā)生區(qū)域。

2 天氣實(shí)況

2021年3月14—18日受蒙古氣旋影響，我國(guó)北方地區(qū)發(fā)生了一次大范圍的強(qiáng)沙塵天氣。此次天氣過(guò)程呈現(xiàn)3個(gè)特點(diǎn)：影響范圍廣，波及西北、華北、東北等地共10多個(gè)省市，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西、山西、河北、北京、天津等地均位于明顯的沙塵影響之中；沙塵強(qiáng)度強(qiáng)，西北和華北出現(xiàn)揚(yáng)沙和沙塵暴的站數(shù)占其總站數(shù)的75%以上，且分別出現(xiàn)26站次、22站次強(qiáng)沙塵暴(能見(jiàn)度小于500 m)；第三是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，自14日20:00出現(xiàn)大范圍的沙塵天氣到18日08:00基本結(jié)束，沙塵持續(xù)時(shí)間超過(guò)80 h。

14日05:00開(kāi)始(圖略)，蒙古國(guó)西部開(kāi)始出現(xiàn)沙塵天氣，部分站點(diǎn)出現(xiàn)沙塵暴，之后逐漸東移，11:00—20:00蒙古國(guó)中南部區(qū)域幾乎全部出現(xiàn)沙塵暴；20:00開(kāi)始[圖1(a)]，蒙古國(guó)境內(nèi)沙塵天氣維持，我國(guó)內(nèi)蒙古北部邊境開(kāi)始出現(xiàn)沙塵天氣，二連浩特最低能見(jiàn)度400 m；之后沙塵天氣東移南壓。15日08:00[圖1(b)]，沙塵區(qū)域已經(jīng)明顯南壓入侵我國(guó)北方地區(qū)，內(nèi)蒙古中西部、甘肅河西、寧夏、陜西北部及華北北部籠罩在沙塵中，能見(jiàn)度迅速降低，其中北京市能見(jiàn)度降至400 m，出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴天氣；20:00[圖1(c)]，內(nèi)蒙古東部及東北大部出現(xiàn)降水天氣,華北北部能見(jiàn)度迅速轉(zhuǎn)好，沙塵南壓至華北南部，以揚(yáng)沙和浮塵為主，能見(jiàn)度在3～6 km，而西北地區(qū)沙塵范圍反而增大，向西擴(kuò)展至南疆盆地，向南擴(kuò)散至陜西中部。16日08:00[圖1(d)]，華北地區(qū)沙塵天氣影響減弱，除山西省中南部、河北省南部受浮塵、揚(yáng)沙影響，其余地方能見(jiàn)度均在16 km以上，而西北地區(qū)能見(jiàn)度進(jìn)一步降低，由揚(yáng)沙浮塵增強(qiáng)為沙塵暴；20:00[圖1(e)]，華北地區(qū)沙塵天氣過(guò)程已經(jīng)完全結(jié)束，西北地區(qū)能見(jiàn)度雖有好轉(zhuǎn)，但仍以揚(yáng)沙和浮塵為主。17日08:00[圖1(f)]，西北地區(qū)沙塵范圍略微南壓，北部沙塵邊界收縮至寧夏、陜西境內(nèi)，能見(jiàn)度上升至4～6 km。18日08:00[圖1(h)]，只有南疆盆地小部分地方及河西走廊東段受浮塵揚(yáng)沙影響，其余地區(qū)能見(jiàn)度上升至10 km以上，影響西北地區(qū)的沙塵天氣基本趨于結(jié)束。

圖1 2021年3月14日20:00至18日08:00地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)及能見(jiàn)度(數(shù)值，單位：km)(陰影為揚(yáng)沙、沙塵暴區(qū)域)

3 前期氣象條件

3.1 中國(guó)境內(nèi)站點(diǎn)前期氣溫及降水情況

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析沙塵發(fā)生前一個(gè)月我國(guó)北方平均氣溫與近10 a同期差值[圖2(a)]發(fā)現(xiàn)，2021年2月12日至3月12日西北、華北及東北地區(qū)平均氣溫較往年明顯偏高，其中新疆東部、甘肅河西走廊、寧夏、陜西北部及河北北部平均氣溫偏高4～6 ℃，內(nèi)蒙古中西部大部平均氣溫異常偏高6～8 ℃。累計(jì)降水量與近10 a同期差值的空間分布[圖2(b)]顯示，西北地區(qū)大部降水量較歷年同期平均明顯偏少，大部分地方偏少1～3 mm。如酒泉站、銀川站10 a平均累計(jì)降水量分別為1.4、1.5 mm，而2021年此時(shí)段累計(jì)降水量均為0 mm；內(nèi)蒙古中部、河北北部及北京大部地區(qū)降水較往年偏多2～4 mm，但是3月1日后整個(gè)華北地區(qū)無(wú)降水產(chǎn)生。

圖2 2021年2月12日至3月12日平均氣溫(a，單位：℃)及累計(jì)降水(b，單位：mm)與10 a(2010—2020年)同期差值分布

3.2 植被覆蓋情況

由于無(wú)法獲取蒙古國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列的實(shí)況資料，文中利用NASA的MODIS植被覆蓋產(chǎn)品代替前期氣象條件的分析。

借鑒趙軍等[22]植被覆蓋劃分標(biāo)準(zhǔn)：植被覆蓋度小于等于0.1，相當(dāng)于高強(qiáng)度沙漠化土地、裸巖、裸土、水域；植被覆蓋度介于0.1與0.3，相當(dāng)于中度沙漠化土地、低產(chǎn)草地及疏林地；植被覆蓋度介于0.3與0.5，相當(dāng)于輕度沙漠化土地、中產(chǎn)草地、低郁閉林地、耕地；植被覆蓋度介于0.5與0.7，相當(dāng)于中高產(chǎn)草地、林地、耕地；植被覆蓋度大于0.7，相當(dāng)于高產(chǎn)草地、林地、耕地。從圖3(a)可以看出，蒙古國(guó)大部分地區(qū)植被覆蓋度低于0.1，尤其在中西部和東部與我國(guó)接壤的地區(qū)植被覆蓋度低于0.05，甚至出現(xiàn)負(fù)值，參照植被覆蓋劃分表明其土地沙化嚴(yán)重；我國(guó)境內(nèi)除內(nèi)蒙古中西部和甘肅省酒泉、民勤等地植被覆蓋度低于0.1外，其余地方植被覆蓋度都高于0.1，其中華北西北部植被覆蓋度超過(guò)0.2。為了進(jìn)一步分析此次過(guò)程的沙源，對(duì)蒙古國(guó)和中國(guó)北方的植被覆蓋度進(jìn)行區(qū)域平均，可以看出中國(guó)北方的植被覆蓋度平均為0.12，明顯高于蒙古國(guó)(0.07)，從線性趨勢(shì)可以了解到中國(guó)北方植被增長(zhǎng)率同樣高于蒙古國(guó)，且植被覆蓋度在逐年穩(wěn)步上升，而蒙古國(guó)植被覆蓋度增長(zhǎng)波動(dòng)區(qū)間大，其中2013年植被覆蓋度僅為0.056，甚至低于2001年的0.058，可見(jiàn)其植被治理效果收效甚微[圖3(b)]。對(duì)于我國(guó)境內(nèi)而言,國(guó)家自2000年開(kāi)始大力實(shí)施部署生態(tài)建設(shè)工程，在近21 a的時(shí)間里大部分區(qū)域植被覆蓋度在逐年上升，內(nèi)蒙古植被覆蓋改善面積達(dá)32.82%[23]。

圖3 2021年2月植被覆蓋狀況(a)及蒙古國(guó)與中國(guó)北方植被覆蓋度逐年變化及線性趨勢(shì)(b)(矩形1代表蒙古國(guó)，矩形2代表中國(guó)北方)

綜上所述，此次沙塵暴天氣過(guò)程發(fā)生前，蒙古國(guó)及中國(guó)北方地區(qū)大范圍的氣溫異常偏高、降水偏少，且處于土壤逐漸解凍時(shí)期，為沙塵天氣的發(fā)生提供了良好的沙源。

4 環(huán)流形勢(shì)及云圖特征

4.1 環(huán)流形勢(shì)

2021年3月14日08:00[圖4(a)]，500 hPa高度場(chǎng)上，歐亞大陸整體呈“兩脊一槽”形勢(shì)，極渦位于泰梅爾半島附近，其底部東移的短波槽位于貝加爾湖以西，中心(508 dagpm)位于98°E、52°N，槽前最大風(fēng)速達(dá)42 m·s-1，中緯度地區(qū)基本處于平直的緯向環(huán)流控制下；20:00[圖4(b)]，短波槽東移南壓，中心移至110°E、48°N，中心強(qiáng)度基本不變，等高線密集度顯著增大(約為5 dagpm/緯度)，槽前最大風(fēng)速達(dá)42 m·s-1，對(duì)應(yīng)地面蒙古國(guó)出現(xiàn)大范圍的沙塵天氣。15日08:00[圖4(c)]，短波槽進(jìn)一步加強(qiáng)形成蒙古氣旋，中心強(qiáng)度達(dá)到504 dagpm，且東移南壓，中心移至120°E、48°N，等高線密集度仍保持在5 dagpm/緯度，槽底及槽前最大風(fēng)速達(dá)40 m·s-1；20:00[圖4(d)]，蒙古氣旋繼續(xù)東移且有所南壓，中心移至126°E、47°N，等高線密集度繼續(xù)保持，受其影響，東北地區(qū)風(fēng)速增大，之后其對(duì)我國(guó)的影響逐漸結(jié)束。

圖4 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20：00(d)500 hPa位勢(shì)高度(黑實(shí)線，單位：dagpm)、溫度(紅虛線，單位：℃)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

16日08:00以后，500 hPa高度上，除東北地區(qū)仍受蒙古氣旋影響外，歐亞大陸基本處于平直的緯向環(huán)流控制下，風(fēng)速在20 m·s-1左右，直至18日08:00，新疆南部、甘肅北部、內(nèi)蒙古中西部等地風(fēng)速均小于20 m·s-1。700 hPa的環(huán)流形勢(shì)(圖5)也同樣類似，華北地區(qū)主要受蒙古氣旋后部的西北大風(fēng)影響，風(fēng)速基本在24 m·s-1以上，低渦影響結(jié)束后風(fēng)速明顯減小，同時(shí)沙塵影響也趨于結(jié)束；西北地區(qū)主要受偏北風(fēng)和回流東風(fēng)影響，且風(fēng)速(8～10 m·s-1)明顯小于華北地區(qū)，并隨著時(shí)間推移減小至4～6 m·s-1，但沙塵天氣持續(xù)至18日。

圖5 2021年3月14日20:00(a)、15日08:00(b)及16日08;00(c)、20:00(d)700 hPa溫度場(chǎng)(實(shí)線，單位：℃)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

4.2 衛(wèi)星云圖特征

風(fēng)云4A真彩色圖像為國(guó)家衛(wèi)星氣象中心采用改進(jìn)的AGRI真彩色算法將波長(zhǎng)為0.47、0.65和0.82 μm通道進(jìn)行合成后的RGB真彩色圖[24]，符合人眼觀察世界的規(guī)律，能夠很好地觀察地表目標(biāo)類型[25]。從3月14日16:15的云圖[圖6(a)]可以看出，對(duì)應(yīng)高空的蒙古氣旋，蒙古國(guó)上空形成一個(gè)明顯的鋒面云系，云系下方隱約呈現(xiàn)出黃色沙帶，正好對(duì)應(yīng)蒙古國(guó)地面產(chǎn)生的大范圍沙塵暴天氣。15日15:34[圖6(b)]，鋒面云系東移，鋒后風(fēng)速減小，我國(guó)北方大部上空形成一條明顯的沙帶，南北寬度約300～700 km，且沙塵帶較為密實(shí)，表明上游的大風(fēng)天氣將沙塵裹挾至高空，華北及其以東的沙帶隨著大風(fēng)減弱消散，但是西北地區(qū)上空并沒(méi)有消散。16日12:53[圖6(c)]，沙塵帶不再密實(shí)，華北大部上空已經(jīng)消散，而西北地區(qū)的沙塵帶有所南壓，主要維持在甘肅中東部、內(nèi)蒙古中部及寧夏一帶。17日12:30[圖6(d)]，蒙古國(guó)南部出現(xiàn)浮塵天氣，合成圖上沙塵帶的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，蒙古南部、內(nèi)蒙古中西部、甘肅大部及南疆均處于沙塵覆蓋之下。

圖6 2021年3月14日16:15(a)、15日15:34(b)、16日12:53(c)及17日12:30(d)風(fēng)云4A真彩圖像

可以看出，極渦底部的短波槽東移加強(qiáng)，促使蒙古氣旋強(qiáng)烈發(fā)展，是造成此次大風(fēng)沙塵天氣的主要原因。此次沙塵天氣可分為兩個(gè)階段：第一階段是15日20:00之前，蒙古國(guó)、內(nèi)蒙古中東部、華北地區(qū)伴隨冷鋒過(guò)境時(shí)的大風(fēng)，出現(xiàn)沙塵天氣；第二階段是15日20:00之后，北方大部風(fēng)速減小，不具備產(chǎn)生沙塵天氣的條件，但受前期大風(fēng)吹起沙塵向南移動(dòng)的影響，西北大部雖然風(fēng)速較小，仍然出現(xiàn)了沙塵天氣。

5 物理量對(duì)比

5.1 水平螺旋度

螺旋度是表征大氣邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特征物理量。它比渦度包含了更多輻散風(fēng)效應(yīng)，更能體現(xiàn)大氣的運(yùn)動(dòng)狀況[26]。王錫穩(wěn)等[6]研究表明，螺旋度對(duì)沙塵暴有較好的指示意義，螺旋度正值越大，大氣不穩(wěn)定性越強(qiáng)，出現(xiàn)沙塵暴的可能性越大。3月14—18日，北方大部分區(qū)域均處于水平螺旋度正值區(qū)，14日08:00[圖7(a)]，水平螺旋度大值區(qū)位于蒙古國(guó)西部，中心數(shù)值達(dá)5×10-1m2·s-2，700 hPa與500 hPa溫度差等值線密集度在此區(qū)域達(dá)到最大，而溫度差等值線越密集大氣不穩(wěn)定度越大；14日20:00[圖7(b)]，水平螺旋度大值區(qū)東移，范圍擴(kuò)大，700 hPa與500 hPa溫度差等值線密集區(qū)東移，位于蒙古國(guó)東部，與發(fā)生沙塵區(qū)域相對(duì)應(yīng)；15日08:00[圖7(c)]，水平螺旋度大值區(qū)東移進(jìn)入我國(guó)華北地區(qū)，中心數(shù)值為4×10-1m2·s-2，此時(shí)沙塵已控制華北大部分地區(qū)，華中和西北地區(qū)北部，溫差等值線密集區(qū)南壓；15日20:00[圖7(d)]，水平螺旋度大值區(qū)已從華北轉(zhuǎn)移至西北地區(qū)，大值中心位于寧夏回族自治區(qū)，中心數(shù)值為4×10-1m2·s-2，溫差等值線密集區(qū)與水平螺旋度大值區(qū)變化一致。結(jié)合實(shí)況沙塵天氣出現(xiàn)范圍可以看出，螺旋度大值區(qū)與700 hPa與500 hPa溫度差等值線密集帶正對(duì)應(yīng)沙塵暴最強(qiáng)區(qū)域。結(jié)合強(qiáng)螺旋度演變來(lái)看，大范圍沙塵天氣的發(fā)生從蒙古國(guó)開(kāi)始，之后逐漸東移南壓，15日08:00南壓的沙塵在華北達(dá)到最強(qiáng)，之后逐漸減弱，對(duì)應(yīng)沙塵天氣發(fā)生的第一階段。而沙塵天氣的第二階段，螺旋度值均較小，大氣不穩(wěn)定性較弱，本地起沙條件能力較弱。

圖7 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20:00(d)水平螺旋度(填色，單位：10-1 m2·s-2)及700 hPa與500 hPa溫差(實(shí)線，單位：℃)

5.2 混合層高度

混合層高度是表征污染物在垂直方向被熱力和動(dòng)力湍流輸送所能到達(dá)的高度，是影響污染物擴(kuò)散的重要參數(shù)[27]?；旌蠈痈叨仍降?，越不利于污染物在垂直方向的擴(kuò)散，容易造成污染物堆積，反之混合層高度越高，越有利于污染物擴(kuò)散[28]。文中混合層高度取自NCEP FNL中的HPBLsfc(surface planetary boundary layer height, https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/index.html#sfol-wl-/data/ds083.2?g=22021)。一般情況下，混合層高度有明顯的日變化，白天大氣湍流作用不斷增強(qiáng)，混合層高度不斷增高；夜間湍流作用下降，混合層高度隨之降低?；旌蠈痈叨韧瑯涌梢员碚魃硥m天氣的影響，3月14日08:00[圖8(a)]，蒙古國(guó)沙塵天氣發(fā)生時(shí)，其大部分地方混合層高度低于300 m，大風(fēng)將沙塵吹起后不易擴(kuò)散，更容易在其上空造成堆積，這可能是沙塵暴天氣發(fā)生時(shí)容易形成沙墻的原因；14:00到15日02:00[圖8(b)、圖8(c)、圖8(d)]，蒙古國(guó)上空混合層高度基本維持在1000 m以上，此時(shí)段利于沙塵粒子的擴(kuò)散，一方面容易把沙塵粒子吹到更高的高度，另一方面也容易隨大風(fēng)將沙塵粒子向下游傳播；14日20:00至15日08:00[圖8(c)、圖8(d)]，甘肅以東38°N—42°N區(qū)域逐漸形成一條混合層高度在50～500 m的低值帶，受蒙古國(guó)向南傳輸?shù)纳硥m及15日02:00內(nèi)蒙古再次增強(qiáng)的沙塵影響，沙塵粒子在此范圍集聚，形成一條明顯的沙帶；15日14:00[圖8(e)]，北方大部混合層高度超過(guò)1000 m，華北東北受偏北大風(fēng)影響，沙塵進(jìn)一步向東南方向擴(kuò)散，而地處西北地區(qū)的甘肅、寧夏大部處于槽后反氣旋環(huán)流的底部，受偏南風(fēng)影響，北方的沙帶穩(wěn)定少動(dòng)，混合層高度條件利于沙塵向高空擴(kuò)散；20:00以后[圖8(f)]，西北地區(qū)混合層高度大多低于300 m，不利于沙塵粒子的擴(kuò)散，并一直持續(xù)至18日。

圖8 2021年3月14日08:00(a)、14:00(b)、20:00(c)與15日02:00(d)、14:00(e)及16日02:00(f)混合層高度(等值線，單位：m)和700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

5.3 垂直速度

為了分析沙塵自西北向東南的發(fā)展趨勢(shì)，自蒙古國(guó)肯特省溫都爾汗西部(47°N、110°E)至中國(guó)河北廊坊三河市(40°N,117°E)做垂直速度剖面?？梢钥闯?，14日08:00—14:00[圖9(a)、圖9(b)]，44°N以北有明顯的上升運(yùn)動(dòng)，且一直延伸至300 hPa以上，700 hPa最大上升速度達(dá)2 Pa·s-1，表明此時(shí)大風(fēng)將沙塵吹起，并向高空輸送；14日20:00至15日08:00[圖9(c)、圖9(d)]，44°N以南區(qū)域基本以下沉氣流為主，上升運(yùn)動(dòng)不明顯，表明44°N以南區(qū)域基本上受上游沙塵輸送影響，本地沙塵貢獻(xiàn)很小。同時(shí)為了揭示西北地區(qū)沙塵由北向南的發(fā)展過(guò)程，沿104°E做垂直速度剖面?？梢钥闯觯?4日08:00至15日02:00[圖10(a)、圖10(b)]，42°N以北區(qū)域有明顯上升運(yùn)動(dòng)，中心最大上升速度為2 Pa·s-1，且一直延伸至300 hPa以上，對(duì)應(yīng)此時(shí)段的蒙古國(guó)沙塵暴，強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)將沙塵向高層輸送；15日08:00—20:00[圖10(c)、圖10(d)]，42°N以南區(qū)域低層表現(xiàn)為弱上升運(yùn)動(dòng)，中高層為下沉運(yùn)動(dòng)，這為沙塵沉降提供了條件，16日02:00以后[圖10(e)、圖10(f)]，42°N以南區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)，更利于沙塵沉降，充分說(shuō)明本地沙塵的貢獻(xiàn)很小。

圖9 2021年3月14日08:00(a)、14:00(b)、20:00(c)及15日08:00(d)華北地區(qū)垂直速度斜剖面(陰影為地形；垂直速度為等值線，單位: Pa·s-1)

圖10 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20:00(d)以及16日08:00(e)、20:00(f)西北地區(qū)垂直速度沿104°E的經(jīng)向剖面 (陰影為地形；等值線為垂直速度，單位: Pa·s-1)

通過(guò)對(duì)螺旋度、穩(wěn)定層高度及垂直速度的分析表明，第一階段的沙塵由蒙古國(guó)吹起，在其國(guó)內(nèi)集聚，之后隨大風(fēng)向東南方向擴(kuò)散，14日20:00與內(nèi)蒙古中部吹起的沙塵疊加，共同影響華北及東北地區(qū)；而第二階段沙塵是第一階段的延續(xù)，吹起的沙塵受穩(wěn)定層高度影響，在甘肅以東38°N—42°N區(qū)域形成一條沙帶，之后緩慢東移南壓，造成西北地區(qū)大范圍沙塵天氣持續(xù)。

5.4 沙塵溯源

為了說(shuō)明此次沙塵來(lái)源及其在不同高度的傳輸軌跡，利用美國(guó)大氣海洋局研制的HYSPLIT軌跡模式分別計(jì)算沙塵到達(dá)北京的24 h后向軌跡和到達(dá)蘭州的48 h后向軌跡。每天計(jì)算4個(gè)時(shí)次，間隔6 h。軌跡的起始高度分別為距離地面100、500和1000 m。北京[圖11(a)]沙塵軌跡的路線和方向表示氣團(tuán)到達(dá)北京以前所經(jīng)過(guò)的地區(qū)，根據(jù)其長(zhǎng)短可以判斷氣團(tuán)移動(dòng)速度，長(zhǎng)軌跡對(duì)應(yīng)移動(dòng)快的氣團(tuán)，短軌跡表示移動(dòng)緩慢的氣團(tuán)，3條不同高度的軌跡其來(lái)源都為西北方向，且移動(dòng)速度較快，移動(dòng)過(guò)程中氣團(tuán)下沉，攜帶的沙塵也隨軌跡不斷沉降，對(duì)應(yīng)蒙古氣旋和地面冷鋒快速移動(dòng)及低層下沉運(yùn)動(dòng)，氣團(tuán)從俄羅斯北部快速移動(dòng)進(jìn)入蒙古國(guó)境內(nèi)，夾卷蒙古國(guó)沙塵進(jìn)入我國(guó)內(nèi)蒙古、河北直至北京。蘭州市3條不同高度沙塵傳播軌跡明顯不同于北京[圖11(b)]，其移動(dòng)方向和移動(dòng)速度與天氣系統(tǒng)的影響密切相關(guān)，距離地面100 m沙塵移動(dòng)速度慢，其沙塵來(lái)源于寧夏地區(qū)，自東至西受高壓下部回流東風(fēng)影響，隨后受偏北風(fēng)影響南下進(jìn)入蘭州，同時(shí)受低層弱上升運(yùn)動(dòng)影響，沙塵不易沉降，距離地面500、1000 m的沙塵傳播軌跡相似，前期受高壓前部偏北風(fēng)影響快速南下，之后受高壓下部偏東風(fēng)影響向西傳播，隨后在偏北風(fēng)影響下南下影響蘭州，在西進(jìn)和南下過(guò)程中風(fēng)速明顯小于高壓前偏北風(fēng)，移速較慢。

圖11 北京(a)和蘭州(b)沙塵后向軌跡聚類分布(紅色、藍(lán)色、綠色實(shí)線分別為距離地面100、500及1000 m 沙塵軌跡)

6 結(jié) 論

(1)前期干旱少雨、氣溫偏高是造成此次沙塵天氣過(guò)程的重要原因，植被覆蓋度偏低的蒙古國(guó)中南部為強(qiáng)沙塵天氣的發(fā)生提供了很好的沙源。

(2)此次我國(guó)沙塵暴天氣的主要成因是蒙古氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展，其底部偏北大風(fēng)攜帶上游沙塵一路南下。

(3)沙塵過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段由地面冷鋒后部的大風(fēng)過(guò)境造成，集中發(fā)生在華北、東北等地；第二階段是第一階段的延續(xù)，主要受前期沒(méi)有消散的高空沙塵南壓擴(kuò)散及回流造成，集中發(fā)生在西北地區(qū)。

(4)水平螺旋度、邊界層高度、垂直速度及沙塵后向軌跡分析表明，我國(guó)大部分地區(qū)的起沙條件較弱，沙塵主要為外來(lái)輸入。我國(guó)東部地區(qū)沙塵主要由蒙古國(guó)南部區(qū)域起沙貢獻(xiàn)；而西北地區(qū)沙塵主要是蒙古國(guó)及其自身產(chǎn)生的沙塵貢獻(xiàn)。