衡水市2次沙塵天氣過程對比分析

張玉婷，陳瑞敏，劉炳杰，吳雁，李月英

摘要 利用常規(guī)氣象資料、風廓線雷達、氣溶膠激光雷達等非常規(guī)氣象資料，以及借助HYSPLIT后向軌跡模型和潛在源貢獻分析法（PSCF），對比分析衡水市2021年3月15日與4月15日2次沙塵天氣。結果表明：2次過程均受蒙古氣旋和地面冷鋒的影響，旋移動路徑均為偏東路徑，沙塵爆發(fā)前期200 hPa位于高空急流入口區(qū)左側，輻合下沉運動有利于能量積累。315過程系統(tǒng)比415過程更強，但減弱更快、更偏北，并以回流形勢影響河北省中南部，415過程無回流形勢。2個過程高低層均存在逆溫，415過程高層逆溫層存在時間更長，導致沙塵天氣維持時間較長，315過程低層逆溫更強、維持時間更長。315過程沙源地降水和溫度距平比415過程更大，其沙源地為蒙古大部地區(qū)、內(nèi)蒙古中西部、河北省南部—山西—河南，415過程沙源地為蒙古大部地區(qū)、內(nèi)蒙古中西部。315過程沙塵輸送分為2個階段并伴有沙塵回流，其輸送高度較高，415過程輸送高度較低并無沙塵回流。

關鍵詞 沙塵天氣;天氣實況;環(huán)流形勢;衡水市

中圖分類號：P445.4 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）03–0045–03

1 實況分析

1.1 20210315過程

2021年3月15日，河北省出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，大部地區(qū)最小能見度不足3 km，部分地區(qū)不足1 km（圖1），北部部分地區(qū)伴有8級以上西北風，河北省北部地區(qū)影響較為嚴重（圖3）。衡水市饒陽縣15日14：00水平能見度為811 m，達到最低（圖2）。從石家莊氣溶膠激光雷達數(shù)據(jù)來看（圖4），此次過程影響分為兩個階段：第一階段是3月15日08：00～16日08：00（24 h），高度在1.5 km以下;第二階段是3月16日08：00～18日06：00（46 h），高度在1.5～3 km之間。兩個階段氣溶膠濃度維持1.2 km-1時間較長[1]。

1.2 20210415過程

2021年4月15日，河北省出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，大部地區(qū)最小能見度不足5 km并出現(xiàn)8級西北大風（圖5、圖6），河北省南部地區(qū)影響較為嚴重。衡水市饒陽縣15日18：00水平能見度最低，為1 159 m（圖7）。從石家莊氣溶膠激光雷達數(shù)據(jù)來看（圖8），影響時段為4月15日08：00—16日16：00（32 h），高度在2.6 km以下，濃度維持在1.2 km-1時間較短，即總體來看，污染程度輕于315過程。

2 大尺度環(huán)流背景分析

2.1 20210315過程

3日15日08：00，200 hPa蒙古—內(nèi)蒙

古中西部處于高空急流入口區(qū)右側，為輻散上升運動區(qū)，河北省位于出口區(qū)右側，有輻合下沉運動。500 hPa歐亞大陸為兩槽一脊，東北—內(nèi)蒙古為北渦南槽的天氣形勢，槽前正渦度平流使得地面低壓發(fā)展，槽后負渦度平流使得地面高壓發(fā)展，其溫度槽落后于高度槽，槽后冷平流明顯。700 hPa、850 hPa渦槽系統(tǒng)與500 hPa一致但位置偏東，高低層配置呈后傾結構。低層風場與溫度場夾角接近90°，風力較大，冷平流明顯。850 hPa在河北省有一東北西南向切變。地面圖上，冷高壓位于貝湖西南側，中心強度達1 042.5 hPa，內(nèi)蒙古東部蒙古氣旋東移北上，氣旋中心強度為990 hPa，氣旋中心與500 hPa低渦中心重合或接近，氣旋東移減弱。冷高壓以西北路徑影響河北，冷鋒壓在河北省西北部，高低壓之間氣壓差達52.5 hPa，氣壓梯度較強，西北風較大，沙塵暴開始影響西北部。

15日下午，系統(tǒng)東移減弱，高低壓之間氣壓差減弱至34.5 hPa。河北省北部繼續(xù)維持較大西北風，但由于冷空氣主體在40°N以北移速較快，到達東北地區(qū)后回流南下，南部地區(qū)轉(zhuǎn)為東北風，風力逐漸加大，大部地區(qū)出現(xiàn)沙塵天氣。15日20：00，地面冷鋒推進至山東—河南一帶，河北省轉(zhuǎn)入冷鋒后部、高壓前部，地面風力仍然較大。

2.2 20210415過程

4日15日08：00，200 hPa烏拉爾山及以東地區(qū)為高壓脊，蒙古—內(nèi)蒙古中西部處于高空急流入口區(qū)左側，為輻合下沉運動區(qū)。500 hPa歐亞大陸為兩脊一槽，在蒙古—河套地區(qū)有一高空槽東移，槽前正渦度平流促使地面氣旋發(fā)展，槽后負渦度平流使地面高壓發(fā)展，其溫度槽落后于高度槽，槽前有暖平流，槽后為冷平流，系統(tǒng)在東移過程中發(fā)展，槽后西北氣流引導冷空氣向東南方向移動影響河北省，河北省位于槽前西南氣流。700 hPa、850 hPa低槽偏前于500 hPa，高低層系統(tǒng)配置呈后傾結構，700 hPa風場與溫度場夾角接近90°，風力較大，冷平流強盛。850 hPa在內(nèi)蒙古東部形成低渦，河北省有一南北向切變。地面圖上，冷高壓位于蒙古西部，中心強度達1 032.5 hPa，中蒙邊界一帶的蒙古氣旋中心強度為997.5 hPa。氣旋前部有暖平流，后部為冷平流，熱力因子使地面氣旋前部減壓，后部加壓，地面氣旋向東移動。氣旋中心位于500 hPa低壓中心前側，氣旋東移減弱不明顯。高低壓之間氣壓差為35 hPa，冷鋒壓在內(nèi)蒙古境內(nèi)，氣壓梯度較強，鋒后西北風較大，在內(nèi)蒙古引發(fā)沙塵暴。

15日20：00，烏拉爾山高壓脊向東北加強，導致槽前西北氣流增強，冷空氣沿強西北氣流東移南下，低槽加強，低層等溫線和風場接近垂直，冷平流強勁，地面冷鋒推進至河北省東部地區(qū)，大部地區(qū)出現(xiàn)大風、沙塵天氣。

從08：00、11：00地面氣壓場與3 h變壓（≥40 hPa）場來看，氣壓梯度和變壓梯度較大的地方均出現(xiàn)在河北省北部地區(qū)，因此在梯度風和變壓風的共同作用下，北部部分地區(qū)出現(xiàn)了8級及以上的大風，而南部并未出現(xiàn)。

3 2次過程異同點分析

3.1 沙源地異同點分析

衡水市2次沙塵過程使用HYS-PLIT后向軌跡模型，選取衡水氣象局觀測站（115.7°E、37.7°N）為坐標點，以500 m、1 500 m、3 000 m為模型起始高度，后向模擬48 h，進行污染方向傳輸和聚類分析[1]。同時，結合PSCF算法并加入權重函數(shù)，選取PM10小時濃度﹥100 μg/m3作為判斷污染軌跡的標準，進行污染潛在源區(qū)數(shù)值模擬?？梢钥闯?，2次過程主要沙源地存在明顯的差別，315過程主要的沙源地為蒙古大部地區(qū)、內(nèi)蒙古中西部，隨著低層轉(zhuǎn)為偏南風，河北省南部—山西—河南一帶沙塵又向北輸送（回流形勢）;415過程主要的沙源地為蒙古大部地區(qū)、內(nèi)蒙古中西部以及山西一帶（無回流形勢）?？梢钥闯觯?15過程沙源地降水距平和氣溫距平明顯大于415過程，即沙源情況更好、沙源地更廣。

3.2 起沙機制異同點分析

3.2.1 200 hPa急流異同點分析 3月13日08：00、4月13日20：00，沙塵暴爆發(fā)前，200 hPa沙源地一直處于高空急流入口區(qū)左側的強輻合下沉區(qū)，下沉運動導致200 hPa附近形成逆溫層，有利于不穩(wěn)地能量在低層積累。沙塵暴爆發(fā)期間，315過程逆溫層在3月14日20：00已經(jīng)逐漸減弱消失，而415過程逆溫層一直存在，減緩了不穩(wěn)定能量的釋放，這使得415過程沙塵天氣的影響時間更長。

3.2.2 不穩(wěn)定層結異同點分析 從沙源地探空圖來看，沙塵暴發(fā)生前，高低層溫差大，中低層溫度垂直遞減率接近干絕熱，為不穩(wěn)定層結，有利于沙塵向上輸送。另外，315過程低層的逆溫層比415過程明顯，更加有利于能量的積累。

沙塵暴發(fā)生后，河北省上空一直維持高空急流，急流中心下方不斷有動量下傳。另外，河北省高低層位于槽后負渦度平流區(qū)，有明顯的下沉運動，更加有利于高空動量下傳，使得高空沙塵沉降并引起地面大風。

3.3 輸送與沉降異同點分析

從衡水市地面沙塵來源的模擬結果來看，315過程第一階段來自蒙古的2支氣流，高度在2 km以上運行，攜帶沙塵向衡水市輸送，而來自內(nèi)蒙古的氣流高度較低，在沙源地一直維持在1 km以下，隨后有所上升。3支氣流在越過太行山進入河北省以后軌跡匯合到一起，高度降至600 m左右，隨后以東北風回流的形式向中南部輸送，15日08：00左右迅速沉降。第二階段，偏南氣流在山西—河南省內(nèi)一直維持較低高度，攜帶沙塵向衡水市回流輸送，在靠近河北省時，低層切變系統(tǒng)的抬升作用，軌跡有所上升，被抬升至2 km左右的高度，對衡水市造成影響，而此時衡水市2 km以下的低層受東北風影響，對沙塵起到清除作用，空氣相對潔凈，這與激光雷達的觀測結果相符。

415過程氣流從沙源地一直維持較低的高度向河北省輸送，高度在500 m以下，這可能與415過程中低層一直有逆溫層維持有關。進入山西后，受太行山脈影響，輸送軌跡升高至800～1 500 m，越過太行山以后氣流又降至500 m左右，16日08：00左右快速沉降，這與氣溶膠激光雷達消光系數(shù)的觀測結果相符。而對退偏比的觀測結果來說，16日08：00前后，中層退偏比值較大，結合云量觀測結果，此處為中云（表1）。

4 結論

（1）2次過程均受蒙古氣旋和地面冷鋒的影響，沙塵發(fā)生前期200 hPa位于高空急流入口區(qū)左側，輻合下沉運動有利于能量積累。

（2）2次過程氣旋移動路徑均為偏東路徑，315過程系統(tǒng)比415過程更強，但減弱更快、更偏北，并以回流形勢影響河北省中南部，415過程無回流形勢。

（3）2次過程高低層均存在逆溫，

415過程高層逆溫層存在時間更長，導致沙塵天氣維持時間較長。315過程低層逆溫更強、維持時間更長。

（4）315過程沙源地降水和溫度距平比415過程更大，其沙源地為蒙古大部地區(qū)、內(nèi)蒙古中西部、河北省南部—山西—河南，415過程沙源地為蒙古大部地區(qū)、內(nèi)蒙古中西部。

（5）315過程沙塵輸送分為2個階段并伴有沙塵回流，其輸送高度較高，415過程輸送高度較低并無沙塵回流。

參考文獻

[1] 劉娜，余曄，陳晉北，等.蘭州春季沙塵過程PM10輸送路徑及其潛在源區(qū)[J].大氣科學學報，2012，35（4）：477-486.

責任編輯：黃艷飛

Comparative Analysis of Two Sand-dust Weather Processes in Hengshui City

ZHANG Yuting et al（Meteorological Bureau of Hengshui City， Hengshui， Hebei 053000）

Abstract By using conventional meteoro-logical data， wind profile radar， aerosol lidar and other unconventional meteorological data， as well as HYSPLIT backward trajectory model and potential source contribution analysis （PSCF）， the dust weather on March 15 and April 15， 2021 in Hengshui city was compared and analyzed. The results show that the two processes are affected by the Mongolian cyclone and the surface cold front， and the rotational movement path is east. 200 hPa is located at the left side of the upper jet inlet area in the early stage of dust eruption， and the convergence and subsidence movement is beneficial to energy accumulation. The 315 process system was stronger than the 415 process， but weakened faster and more northward， and affected the central and southern Hebei province as a backflow situation. 415 process had no backflow situation. There were temperature inversions in both upper and lower layers of the two processes. In 415 process， the upper inversion layer existed for a longer time， resulting in a longer duration of sand-dust weather; in 315 process， the lower inversion was stronger and lasted longer. The precipitation and temperature anomalies of 315 process were larger than that of 415 process， and the sand sources of 315 process were most of Mongolia， central and western Inner Mongolia， southern Hebei province， Shanxi province and Henan province， while 415 process was most of Mongolia and central and western Inner Mongolia. The dust transport in 315 process was divided into two stages and accompanied by dust backflow， which had a high transport height. In 415 process， the transport height was low and there was no dust backflow.

Key words Sand and dust weather; Actual weather; Circulation situation; Hengshui city