2021年4月內(nèi)蒙古西中部一次沙塵天氣過程成因分析

霍志麗

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

沙塵是發(fā)生在干旱、半干旱、沙漠及其臨近地區(qū)的危害極大的災(zāi)害性天氣。強(qiáng)風(fēng)攜卷沙粒來襲時(shí)，會(huì)對(duì)農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)、電力、通訊、交通、人民生命財(cái)產(chǎn)安全等造成重大的危害。目前，對(duì)于沙塵暴的研究主要集中于沙塵冰雹的氣候?qū)W特征、沙塵天氣影響系統(tǒng)特征、沙塵暴發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制、沙塵氣溶膠物理化學(xué)特征、人類活動(dòng)對(duì)沙塵影響等諸多方面。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國沙塵的高發(fā)區(qū)，是我國北方主要的沙源地。王汝佛等[1]認(rèn)為大部分沙塵天氣與大氣環(huán)流的短期變化密切相關(guān)，劉景濤[2]等將中國北方引起沙塵暴的天氣系統(tǒng)劃分為冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型及干颮線與冷鋒混合型4種類型，而冷鋒和氣旋型是最為常見的天氣尺度系統(tǒng)，氣旋型沙塵暴主要出現(xiàn)在氣旋冷鋒后部。顧潤源等[3]針對(duì)2009年4月23日—24日出現(xiàn)在我國內(nèi)蒙古中西部的一次強(qiáng)沙塵暴天氣過程，分析沙塵暴發(fā)生前后及發(fā)生期間，近地層氣象要素變化及其內(nèi)部熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征變化，沙塵暴發(fā)生前，大氣層結(jié)是條件不穩(wěn)定的，在沙塵暴過境時(shí)，低層大氣層結(jié)是穩(wěn)定的。進(jìn)一步分析其形成機(jī)理發(fā)現(xiàn)，降水和溫度則影響著地表環(huán)境與氣候變化，進(jìn)而改變沙源與熱力條件，持續(xù)強(qiáng)勁的風(fēng)力、豐富松散的塵粒及不穩(wěn)定的熱力層結(jié)是沙塵暴產(chǎn)生的3個(gè)必要條件[5-7]。

筆者對(duì)2021年4月15日—16日內(nèi)蒙古大部分地區(qū)發(fā)生的一次沙塵過程進(jìn)行了分析，利用2021年4月14日—17日全區(qū)119個(gè)國家氣象站地面觀測資料、高空觀測資料以及NECP的FNL(1°×1°)逐6 h再分析資料。以期深入揭示此次沙塵過程的氣象要素變化及其動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征。筆者采用的地圖是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2016)2884號(hào)的中國地圖(世界地圖)制作。

1 天氣形勢分析

2021年4月15日—17日，內(nèi)蒙古出現(xiàn)了范圍廣、強(qiáng)度強(qiáng)的一次沙塵天氣過程。此次過程共11個(gè)盟市的95個(gè)國家站出現(xiàn)了沙塵天氣，阿拉善盟、巴彥淖爾市、烏海市、鄂爾多斯市、包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟和赤峰市出現(xiàn)了強(qiáng)沙塵暴，能見度不足300 m，空氣污染嚴(yán)重；通遼市、興安盟出現(xiàn)了揚(yáng)沙和浮塵天氣(圖1a)。衛(wèi)星云圖上也可以反應(yīng)此次過程沙塵強(qiáng)度大、影響范圍廣(圖1b)。

2021年4月14日20時(shí)，高空500 hPa歐亞中高緯地區(qū)表現(xiàn)為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(見圖2)，兩槽位于95°E和135°E，一脊位于115°E，溫度槽落后于高度槽，極地寒冷空氣在新疆北部高壓脊一側(cè)偏北氣流迫使下不斷向南移動(dòng)，內(nèi)蒙古位于高壓脊底部，偏西氣流控制下。隨著“兩槽一脊”形勢東移南壓，15日08時(shí)，位于95°E的高空槽開始影響內(nèi)蒙古。

2021年4月14日20時(shí)，700 hPa貝加爾湖至新疆形成閉合低渦(圖略)，內(nèi)蒙古西中部地區(qū)受西北氣流影響。不同于500 hPa溫度場，700 hPa等溫線更密集，內(nèi)蒙古地區(qū)受溫度脊控制，為大范圍強(qiáng)沙塵暴天氣提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。

2021年4月14日地面圖上(見圖1)，內(nèi)蒙古受位于蒙古國的低壓系統(tǒng)控制，低壓中心強(qiáng)度達(dá)872 hPa，冷鋒后部的高壓位于新疆北部地區(qū)。隨著蒙古氣旋的加強(qiáng)東移，15日鋒面系統(tǒng)開始影響內(nèi)蒙古，變壓梯度達(dá)7 hPa。高空槽與地面鋒面之間水平距離較小，斜壓作用不明顯，使得內(nèi)蒙古西中部地區(qū)在垂直方向上收到強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)與上升運(yùn)動(dòng)的作用，沙塵天氣出現(xiàn)在冷鋒附近。

(a)2021年4月15日08時(shí) (b)2021年4月16日08時(shí)

(c)2021年4月15日08時(shí) (d)2021年4月16日08時(shí)

圖2 2021年4月14日21時(shí)—15日20時(shí)雅布賴站(52575)

2 沙塵觀測特征

2.1 地面氣象要素演變特征

為了進(jìn)一步了解此次沙塵過程，對(duì)單站各氣象要素的變化進(jìn)行了分析，選取出現(xiàn)沙塵暴的雅布賴站點(diǎn)作為代表，由于該站點(diǎn)在2021年4月14日20時(shí)之前受氣旋控制，氣壓較低，為872.8 hPa。隨著氣旋逐漸東移，該站氣壓逐漸升高至1 016 hPa，沙塵暴趨于結(jié)束后，氣壓又略降。從溫度來看，沙塵暴發(fā)生時(shí)，氣溫明顯下降，這是由于西北氣流下的冷平流將蒙古國的冷空氣帶入內(nèi)蒙古西中部地區(qū)。從風(fēng)速來看，風(fēng)速在能見度明顯下降的區(qū)域又突增，在14日22時(shí)能見度為1.5 km，此時(shí)逐時(shí)最大風(fēng)速明顯增大為14 m/s，在15日09時(shí)，能見度為2.8 km，逐時(shí)最大風(fēng)速明顯增大到11.5 m/s。風(fēng)速的明顯增加，為沙塵暴的發(fā)生和發(fā)展提供了動(dòng)力條件。在15日16時(shí)左右，能見度增大到10 km以上，此時(shí)氣溫明顯升高，風(fēng)速明顯下降，氣壓也明顯下降，沙塵暴過程趨于結(jié)束。說明強(qiáng)沙塵過程往往伴隨著風(fēng)速的增加、溫度的降低、氣壓的升高。

2.2 高空探測特征

分析2021年4月15日14時(shí)垂直位溫圖可知(見圖3)，500 hPa以下θ和θse與x軸夾角近似為90°，說明此時(shí)大氣層結(jié)為絕熱狀態(tài)。同時(shí)，可以說明在500 hPa以下是較為深厚的混合層，氣塊在上升過程中減少所需能量，有利于促進(jìn)對(duì)流的形成和發(fā)展。從垂直廓線中可知，500 hPa以下相對(duì)濕度上垂直方向上較小，水汽含量較少的層結(jié)，有利于沙塵天氣的發(fā)展和維持。4月16日后，θ和θse斜率明顯減小，大氣層結(jié)逐步趨于穩(wěn)定，沙塵暴天氣過程結(jié)束。深厚混合層的存在，對(duì)此次沙塵過程的維持和發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

圖3 2021年4月15日14時(shí)呼和浩特站高空V-3θ圖

(a)2021年4月15日02時(shí)溫度平流(填色，單位：10-5 ℃·s-1)(等值線，單位：℃)

2.3 物理量場分析

進(jìn)一步分析此次過程中溫度平流的變化特點(diǎn)(見圖4a)，在2021年4月14日20時(shí)850 hPa溫度平流可知，隨著高空槽東移南壓，西北氣流將蒙古國的冷空氣輸送至內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，在阿拉善盟北部形成了冷平流中心，冷平流中心強(qiáng)度達(dá)-60×10-5℃·s-1。直至4月15日02時(shí)850hPa冷平流中心移入內(nèi)蒙古西部地區(qū)，強(qiáng)度很強(qiáng)，且范圍較大，冷平流的入侵在沙塵暴形成過程中起重要作用。

在垂直運(yùn)動(dòng)和散度圖上可知(見圖4b)，在14日20時(shí)左右，700 hPa以下散度場均為負(fù)值，為輻合上升運(yùn)動(dòng)，大值中心達(dá)-2.5×10-6s-1，這與此時(shí)低壓控制沙塵區(qū)域有關(guān)，上升運(yùn)動(dòng)有利于沙塵在700 hPa以下混合均勻，形成較厚的混合層，不利于沙塵污染物的擴(kuò)散，有利于沙塵天氣的維持。700 hPa以上為較弱的下沉運(yùn)動(dòng)，下沉運(yùn)動(dòng)與其下層的上升運(yùn)動(dòng)相比較弱，中心強(qiáng)度達(dá)0.5×10-6s-1，較弱的下沉運(yùn)動(dòng)不利于混合層中的污染物向更高層擴(kuò)散。隨著低壓中心逐漸東移南壓，上升運(yùn)動(dòng)減弱，800 hPa下層為上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度明顯減小至-0.5×10-6s-1，其上層下沉運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，為2.5×10-6s-1。此后能見度明顯增加，沙塵天氣趨于結(jié)束，此時(shí)上升運(yùn)動(dòng)的大值中心明顯減小，高層下沉運(yùn)動(dòng)明顯增加。

對(duì)垂直速度而言，散度輻合明顯的區(qū)域垂直速度為正值，為上升運(yùn)動(dòng)，中心值達(dá)1.0×10-3Pa/s，這與14日20時(shí)地面受低壓系統(tǒng)控制相吻合。隨著低壓中心逐漸東移，低壓中心移出42°N和122°E，此時(shí)垂直速度為負(fù)值，為下沉運(yùn)動(dòng)，下沉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較小，為-0.2×10-3Pa/s。

總之，700 hPa以下的上升運(yùn)動(dòng)有利于沙塵污染物在混合層內(nèi)混合均勻，700 hPa以上的下沉運(yùn)動(dòng)不利于沙塵污染物向更高層擴(kuò)散，兩者結(jié)合，有利于沙塵過程的維持。

3 結(jié)束語

利用常規(guī)觀測資料、地面自動(dòng)站資料、高空資料及NCEP 1°× 1°再分析資料等多源資料對(duì) 2021年4月15日—16日發(fā)生在內(nèi)蒙古西中部地區(qū)的一次沙塵天氣過程的成因進(jìn)行分析。得出以下結(jié)論：①此次沙塵過程，高空表現(xiàn)為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，極地寒冷空氣在新疆北部高壓脊一側(cè)偏北氣流迫使下不斷向南移動(dòng)，內(nèi)蒙古受偏西氣流控制。700 hPa等溫線密集，為大范圍強(qiáng)沙塵暴天氣提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。高空槽與地面鋒面之間水平距離較小，斜壓作用不明顯，使得內(nèi)蒙古西中部地區(qū)在垂直方向上收到強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)與上升運(yùn)動(dòng)的作用，沙塵天氣出現(xiàn)在冷鋒附近，冷平流的入侵對(duì)沙塵暴的發(fā)生起到了至關(guān)重要的作用。②沙塵暴發(fā)生過程中與逐時(shí)氣壓、逐時(shí)氣溫、逐時(shí)最大風(fēng)速以及大氣能見度具有明顯的波動(dòng)變化，逐時(shí)最大風(fēng)速、氣壓與沙塵暴強(qiáng)度明顯呈正相關(guān)，逐時(shí)氣溫、逐時(shí)大氣能見度呈明顯負(fù)相關(guān)。③沙塵暴發(fā)生時(shí)，大氣層結(jié)為絕熱狀態(tài)，在500 hPa形成較為深厚的混合層，有利于促進(jìn)對(duì)流的形成和發(fā)展。水汽含量較少的層結(jié)，有利于沙塵天氣的發(fā)展和維持。④下沉運(yùn)動(dòng)與其下層的上升運(yùn)動(dòng)相比較弱，較弱的下沉運(yùn)動(dòng)不利于混合層中的污染物向更高層擴(kuò)散，700 hPa以下的上升運(yùn)動(dòng)有利于沙塵污染物在混合層內(nèi)混合均勻，700 hPa以上的下沉運(yùn)動(dòng)不利于沙塵污染物向更高層擴(kuò)散，兩者結(jié)合，有利于沙塵過程的維持。