阿拉善盟一次區(qū)域性強(qiáng)沙塵暴天氣過程成因分析

丁 可

阿拉善盟氣象局，內(nèi)蒙古阿拉善盟 750306

沙塵暴是干旱半干旱地區(qū)發(fā)生的一種重要災(zāi)害性天氣，主要是大風(fēng)吹起地面塵土，空氣變得渾濁，能見度低于1 km的天氣現(xiàn)象，可對(duì)人們的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生巨大影響。阿拉善是我國(guó)荒漠化最典型的地區(qū)之一，也是全國(guó)沙塵暴影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一。沙塵暴是不容忽視的大氣問題之一，也是對(duì)其形成過程和成因分析尤為重要的環(huán)境問題[1-2]。

筆者主要采用大尺度參考和中尺度研究方法，根據(jù)沙塵暴地面氣象條件、環(huán)流特性、動(dòng)力條件和熱條件的變化，對(duì)2021年3月14—15日阿拉善發(fā)生的次區(qū)域天氣條件進(jìn)行分析，總結(jié)其發(fā)生變化的規(guī)律，并探討了潛在原因。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

研究采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析資料小時(shí)數(shù)據(jù)（0.25°×0.25°）和2021年3月14—15日地面自動(dòng)站資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，重點(diǎn)分析出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴的雅布賴氣象站2021年3月14日17:00～15日20:00地面自動(dòng)站1 h加密地面觀測(cè)資料。高空氣象探測(cè)數(shù)據(jù)源于選取巴彥諾爾公探空資料，氣象站使用雷達(dá)技術(shù)和氣象觀測(cè)設(shè)備結(jié)合追蹤沙塵暴，主要測(cè)量沙塵暴的構(gòu)成條件，如氣壓強(qiáng)度和大氣溫度、風(fēng)速的大小數(shù)值、風(fēng)向和發(fā)展趨勢(shì)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙塵暴實(shí)況及其特征分析

2021年3月14日下午—15日，阿拉善盟出現(xiàn)大范圍沙塵暴天氣，其中阿拉善高新區(qū)、巴彥浩特出現(xiàn)沙塵暴，其余地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴，最小能見度出現(xiàn)在額濟(jì)納旗達(dá)來呼布，為139 m，隨后又出現(xiàn)連續(xù)4 d的浮塵天氣。整個(gè)過程自3月14日開始，至3月19日結(jié)束，共持續(xù)6 d，為近10年來阿拉善盟影響范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)的一次沙塵天氣過程。本次重點(diǎn)選取14日下午—15日沙塵暴天氣過程作為研究。

2.2 地面氣象要素的變化特征

自2021年1月以來，阿拉善盟降水持續(xù)偏少，土壤干燥，加之近期氣溫回升較快，2月平均氣溫突破歷史極值，3月平均氣溫為歷史第2位，偏干偏暖，導(dǎo)致土壤疏松，容易起沙；再加上高層冷空氣入侵與低層暖空氣形成不穩(wěn)定層結(jié)，同時(shí)冷鋒強(qiáng)度、地面風(fēng)速增強(qiáng)，以上因素均有利于沙塵上揚(yáng)，造成沙塵暴天氣。

此次沙塵暴天氣起源于蒙古國(guó)，于3月14日20:00侵入阿拉善盟，其中沙塵暴最強(qiáng)時(shí)段為14日23:00至15日11:00，在15日11:00后大部地區(qū)逐漸減弱。地面要素變化特征直接反映塵暴的開始或結(jié)束[4]。

選取出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴的雅布賴站點(diǎn)為代表站作地面氣象要素變化圖（圖1），該站點(diǎn)前期受氣旋控制，15日00:00本站氣壓為869.9 hPa，于10:00升高至876.7 hPa，隨后氣壓減小，沙塵暴有減弱趨勢(shì)；氣溫與氣壓變化則相反，15日00:00～03:00氣溫驟降至8.0℃，表明此時(shí)冷鋒過境，氣溫下降；極大風(fēng)速在15日02:00～03:00驟增至15.0 m/s，而后保持在16 m/s左右，為沙塵暴的發(fā)生提供了強(qiáng)大的動(dòng)力；最小能見度在15日03:00驟降至145 m，至06:00持續(xù)在200 m以下。

圖1 2021年3月14日17:00～15日20:00雅布賴地面氣象要素變化，其中主坐標(biāo)軸為氣溫（℃）、極大風(fēng)速（m/s）、最小能見度（km），副坐標(biāo)軸為本站氣壓（hPa）

綜上分析，雅布賴沙塵暴最強(qiáng)時(shí)段為15日凌晨，后期15日15:00風(fēng)力迅速減小，氣壓再次升高，整層大氣趨于穩(wěn)定，沙塵無法散去，致使阿拉善盟南部地區(qū)連續(xù)4 d出現(xiàn)浮塵天氣。本次研究?jī)H針對(duì)過程前期強(qiáng)沙塵暴過程。

2.3 環(huán)流特征

2.3.1 高空環(huán)流形勢(shì)演變 2021年3月14日08:00，500 hPa高空?qǐng)D上（圖2a），歐亞中高緯度為兩脊一槽型，低壓槽在貝加爾湖周圍分布，兩脊分別在西西伯利亞和東北三省，極地冷空氣在新疆東北部高壓脊一側(cè)偏北氣流迫使下不斷向南移動(dòng)，同時(shí)受冷中心（-36℃）影響，低壓槽在貝加爾湖地區(qū)堆積形成并伴隨有較強(qiáng)的冷平流，其中低壓槽底前部阿拉善盟為西北氣流控制。直至14日20:00（圖2b），低壓槽發(fā)展東移南壓，高空鋒區(qū)隨著加強(qiáng)向南移動(dòng)，冷平流強(qiáng)度增大。

14日08:00，700 hPa高空?qǐng)D上（圖2c），由圖可見新疆維吾爾自治區(qū)附近的風(fēng)壓強(qiáng)度，但是這個(gè)風(fēng)壓不太穩(wěn)定，接近地面地氣流比較急速，在新疆東部地區(qū)至阿拉善盟出現(xiàn)，值得關(guān)注的是，溫度場(chǎng)上阿拉善盟處于暖脊控制，同時(shí)上空-36℃冷中心南壓，為沙塵暴天氣提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。

14日20:00（圖2d），在該區(qū)域的上空，趨勢(shì)是向著東南方向的，到了蒙古的邊界區(qū)域，風(fēng)速風(fēng)壓明顯變得更快、更強(qiáng)，由圖2可知：邊界處的風(fēng)壓強(qiáng)度與地面的夾角也較小，因此持續(xù)地強(qiáng)度上升，空氣溫度較低，持續(xù)一段時(shí)間可發(fā)展為沙塵暴。

圖2 2021年3月14日08:00（左）、14日20:00（右）高空環(huán)流形勢(shì)圖

如上所述，因?yàn)闅饬骼淇諝獾膶?duì)流原因，山谷地勢(shì)中存了大量的冷氣，長(zhǎng)久擠壓后發(fā)生爆發(fā)性的沙塵暴，這種情況不可控，地勢(shì)原因的沙塵暴聲勢(shì)比較浩大。且山谷中存在越久，越容易發(fā)生嚴(yán)重的沙塵暴現(xiàn)象。

2.3.2 地面環(huán)流形勢(shì)演變及沙塵輸送路徑地面系統(tǒng)性的鋒面過境是造成本次沙塵天氣的直接原因[3-4]。14日傍晚至夜間隨著蒙古氣旋東移加強(qiáng)，阿拉善地區(qū)地面鋒生作用明顯，由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東大風(fēng)，氣壓梯度、變壓風(fēng)加大。14日20:00（圖3a），蒙古氣旋繼續(xù)東移加強(qiáng)，阿拉善地區(qū)地面鋒生作用明顯，致使冷鋒迅速增強(qiáng)，其后部的額濟(jì)納旗冷鋒后3 h變壓為+27 hPa。

23:00（圖3b），冷鋒繼續(xù)南壓，呈西北—東南向，額濟(jì)納旗冷鋒后3 h變壓強(qiáng)度增加至+52 hPa，諾日公增加至+39 hPa，氣壓梯度和正變壓增強(qiáng)。與此同時(shí)，整個(gè)阿拉善盟逐漸由東北風(fēng)控制，沙塵暴席卷整個(gè)阿拉善盟。隨后15日上午高空系統(tǒng)東移減弱，槽后的冷平流逐漸減弱，阿拉善盟大部處于鋒消區(qū)，沙塵暴天氣逐漸減弱為浮塵天氣。

阿拉善盟沙源豐富，境內(nèi)有巴丹吉林、騰格里和烏蘭布和三大沙漠，阿拉善西北部先受冷鋒后西北風(fēng)的影響，發(fā)生揚(yáng)沙、沙塵暴，冷鋒過境之后，阿拉善盟又受地面冷高壓底部偏東風(fēng)的影響，沙塵粒子自蒙古國(guó)隨偏東、東北大風(fēng)向西南方向傳輸，2條路徑在阿拉善盟匯合，從而造成大區(qū)域強(qiáng)沙塵暴天氣。

綜上，阿拉善盟前期受蒙古氣旋控制，隨著冷鋒東移南壓，鋒后降溫增壓，形成強(qiáng)烈的變壓梯度，變壓風(fēng)大，加之蒙古國(guó)強(qiáng)沙塵暴隨高壓底部偏東氣流侵入阿盟，致使阿拉善盟出現(xiàn)此次 大范圍強(qiáng)沙塵暴天氣。

2.4 動(dòng)力條件和熱力條件

2.4.1 鋒生函數(shù)利用鋒生函數(shù)進(jìn)一步分析冷鋒過境的變化特征：F＜0為鋒消，預(yù)示未來鋒區(qū)將減弱；F＞0為鋒生，預(yù)示未來鋒區(qū)將加強(qiáng)。由于該過程是無降水的干過程，因此根據(jù)位溫在干過程中的保守性來計(jì)算鋒生函數(shù)F。從850 hPa鋒生函數(shù)分布來看，14日20:00東西向鋒生區(qū)移至阿拉善盟南部地區(qū)，高空鋒區(qū)達(dá)到最強(qiáng)，期間阿拉善盟大風(fēng)沙塵天氣最為強(qiáng)盛。15日08:00，阿拉善盟大部地區(qū)F＜0，已開始鋒消，內(nèi)含的沙塵運(yùn)動(dòng)力慢慢減小。根據(jù)這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，鋒生現(xiàn)象是在沙塵暴中的常見狀況，也能夠決定沙塵暴的強(qiáng)弱等級(jí)，是正比于影響沙塵暴的，如果鋒生的統(tǒng)計(jì)數(shù)值很大，說明此次沙塵暴的破壞等級(jí)較高；相反地，探測(cè)到的鋒生數(shù)值很小，說明此次沙塵暴的破壞等級(jí)較低[5-6]。

2.4.2 大氣層結(jié) 大氣層結(jié)條件是影響沙塵暴發(fā)生發(fā)展的主要熱力因素[7]，沙塵暴發(fā)生時(shí)，大氣層結(jié)多表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)[8]。通過對(duì)位溫（θ）、飽和假相當(dāng)位溫（θ*）與假相當(dāng)位溫（θse）的垂直分布特征進(jìn)行表征分析，以此得出大氣層結(jié)穩(wěn)定度在沙塵暴天氣發(fā)生前后的變化。

由于探空觀測(cè)時(shí)次的限制，筆者僅對(duì)巴彥諾爾公14日20:00和15日20:00探空資料進(jìn)行分析和探討。14日20:00 V-3θ曲線圖（圖略）顯示，在出現(xiàn)沙塵暴前，θse和θ*相距較遠(yuǎn)，說明此時(shí)大氣較為干燥，且θ與θse線在500 hPa以下與橫坐標(biāo)近似垂直，大氣層結(jié)幾乎為絕熱狀態(tài)，這一層結(jié)延伸至400～300 hPa之間，形成深厚混合層，隨后冷平流不斷入侵，導(dǎo)致不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)，且由于在大氣濕度較差，因此產(chǎn)生以干對(duì)流為主的沙塵暴天氣。15日20時(shí)，θ與θse線斜率減小，大氣層結(jié)趨于平穩(wěn)，沙塵暴天氣結(jié)束。

綜上，500 hPa形成的較深厚混合層以及冷平流的入侵在沙塵暴形成過程中起重要作用。

3 結(jié)論與討論

（1）沙塵暴的出現(xiàn)可以通過氣象觀測(cè)儀器探測(cè)到，也能夠分析到具體的風(fēng)速大小和風(fēng)壓大小。如果探測(cè)到的風(fēng)壓和風(fēng)速數(shù)值很大，就說明此次沙塵暴的破壞等級(jí)較高，相反地，探測(cè)到的風(fēng)壓和風(fēng)速數(shù)值很小，說明此次沙塵暴的破壞等級(jí)較低。

（2）沙塵暴持續(xù)時(shí)間和破壞等級(jí)都會(huì)因?yàn)椴煌牡匦翁攸c(diǎn)改變，具體有冷空氣、大氣的氣壓強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、大氣層結(jié)這些因素。前期阿拉善盟西北部先受冷鋒后西北風(fēng)的影響，發(fā)生揚(yáng)沙、沙塵暴，在冷鋒過境之后，阿拉善盟又受地面冷高壓底部偏東風(fēng)的影響，沙塵粒子自蒙古國(guó)隨偏東、東北大風(fēng)向西南方向傳輸，與阿拉善盟本地沙源匯合，從而造成全盟大部地區(qū)強(qiáng)沙塵暴天氣。

（3）沙塵暴的強(qiáng)度和地勢(shì)特點(diǎn)有關(guān)，不同的地勢(shì)條件會(huì)給沙塵暴的發(fā)生打造不同的基礎(chǔ)條件，但沙塵暴產(chǎn)生的一個(gè)必要條件就是冷空氣，大陸上高溫是不會(huì)產(chǎn)生沙塵暴的。如果是在沙漠里，沙塵暴現(xiàn)象是很常見的，如今發(fā)生率最高的區(qū)域就是沙漠里，除了這些，還有的地勢(shì)特點(diǎn)比較不穩(wěn)定也會(huì)造成沙塵暴的發(fā)生。單純的大風(fēng)不能構(gòu)成沙塵暴。

（4）大多數(shù)沙塵暴普遍發(fā)生在午后，在其發(fā)生后產(chǎn)生輻射效應(yīng)，使得沙塵暴在正反饋效應(yīng)下加速發(fā)展。然而此次過程因前期溫度偏高，變壓風(fēng)、冷鋒強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于阿拉善盟近10年的其他沙塵過程，再加上蒙古國(guó)東北大風(fēng)的沙塵輸送，導(dǎo)致夜間大規(guī)模暴發(fā)強(qiáng)沙塵暴。沙塵暴夜間的發(fā)生機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。