鄂爾多斯市一次沙塵暴天氣過程分析及GRAPES_MESO模式檢驗

楊海迪

鄂爾多斯市一次沙塵暴天氣過程分析及GRAPES_MESO模式檢驗

楊海迪

（內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗氣象局，內(nèi)蒙古 鄂托克旗 016100）

文章利用氣象高空、地面數(shù)據(jù)資料和GRAPES_MESO中尺度模式，對2022年3月13日發(fā)生在鄂爾多斯的一次沙塵天氣過程進行分析。結(jié)果表明：此次沙塵天氣的主要原因是蒙古氣旋的強烈發(fā)展以及冷鋒過境所引起的，在動力因子和熱力因子的共同作用下，使得蒙古氣旋發(fā)展東移，加之前期氣候干燥，降水少，氣溫明顯回升，近地層干燥，地表植被覆蓋率低，裸露地表較多，為沙塵天氣的發(fā)生提供豐富的沙源條件。GRAPES_MESO中尺度模式對此次沙塵天氣形勢預(yù)報偏北，但對大風(fēng)的開始時間和落區(qū)預(yù)報表現(xiàn)較好。

沙塵暴；過程分析；遙感監(jiān)測；GRAPES_MESO

引言

近年來，沙塵天氣引起社會各界普遍關(guān)注，其給交通運輸和公眾生活生產(chǎn)帶來諸多不便。我國大力提倡防沙治理工作，治沙效果顯著。眾多學(xué)者針對沙塵天氣的源地、發(fā)生的季節(jié)特征、傳輸路徑、形成的天氣形勢等方面進行了大量的研究，并取得較大成果，對業(yè)務(wù)人員預(yù)報沙塵暴天氣過程具有很好的指導(dǎo)作用。趙明等[1]利用1960年—2020年遼寧56個地面觀測站資料進行沙塵分析，結(jié)果顯示遼寧地區(qū)因平均風(fēng)速降低、大風(fēng)日數(shù)減少和最低氣溫升高等原因，沙塵強度呈顯著減弱趨勢；段伯隆、張璐等[2,3]針對2021年3月14日至16日我國北方大范圍強沙塵暴成因分析，結(jié)果顯示此次沙塵暴天氣過程主要是蒙古氣旋強烈發(fā)展及冷鋒過境引起的；王伏村等[4]對2010年4月24日發(fā)生在河西走廊的一次特強沙塵暴天氣進行研究，結(jié)果顯示大風(fēng)沙塵暴天氣主要出現(xiàn)在變壓梯度大，即變壓風(fēng)大的區(qū)域；王莉娜等[5]基于多源資料對2019年3月26日至28日的沙塵暴天氣過程進行分析，發(fā)現(xiàn)高空橫槽是引起該次沙塵暴天氣的關(guān)鍵因子，同時地基激光雷達觀測資料對沙塵傳輸路徑及沙塵來源具有很好的指示意義。騰躍等[6]研究得出沙塵暴天氣與前期的氣溫偏高和風(fēng)速偏大具有較好的正相關(guān)性；何光碧等[7]通過GRAPES_MESO模式對一次強降水過程的預(yù)報及誤差分析，結(jié)果表明模式降水預(yù)報能一定程度反映降水實況；袁晨等[8]利用GRAPES_MESO區(qū)域中尺度模式對貴州溫度與降水預(yù)報檢驗評估，結(jié)果表明該模式在高溫預(yù)報方面能力較差，低溫較好。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、衛(wèi)星遙感和GRAPES_MESO資料，根據(jù)環(huán)流特征、動力學(xué)和熱力學(xué)條件，對2022年3月13日出現(xiàn)的沙塵暴天氣進行綜合分析，為今后預(yù)報研究工作提供參考。

1 資料來源及方法

利用氣象高空、地面數(shù)據(jù)資料和GRAPES_MESO中尺度模式對2022年3月13日發(fā)生在鄂爾多斯市的一次沙塵暴天氣過程進行分析。其中，基本資料來源于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市11個國家氣象觀測站，包括風(fēng)速、能見度等氣象要素和東勝站探空資料；GRAPES_MESO中尺度模式采用2022年3月12日20時起報的24 h預(yù)報產(chǎn)品，檢驗該模式在此次沙塵暴過程中的表現(xiàn)；遙感數(shù)據(jù)采用ENVI處理軟件；文中所用的時間均為北京時間。

2 沙塵天氣實況及遙感分析

2.1 天氣實況

2022年3月13日，鄂爾多斯市自西向東出現(xiàn)了一次大范圍的大風(fēng)、沙塵天氣，全市11個國家氣象觀測站中有6個站出現(xiàn)了沙塵暴，其中，達拉特旗和杭錦旗的伊克烏素站出現(xiàn)強沙塵暴，伊克烏素站最小能見度僅為362 m，全市大部地區(qū)均出現(xiàn)了8級以上的大風(fēng)，西北部地區(qū)的極大風(fēng)速在20 m/s以上，最大極大風(fēng)速出現(xiàn)伊克烏素，達28 m/s（表1）。

表1 2021年3月13至14日鄂爾多斯市沙塵天氣實況

2.1 沙塵天氣遙感分析

根據(jù)風(fēng)云四號衛(wèi)星沙塵天氣遙感監(jiān)測顯示，3月13日15時（圖1），鄂爾多斯市上游阿拉善北部有強沙塵氣團向東南移動擴散，杭錦旗能見度開始下降，出現(xiàn)沙塵天氣；16時，強沙塵氣團增強，沙塵范圍進一步擴大，并移入鄂爾多斯市西北部，大部地區(qū)能見度轉(zhuǎn)差，出現(xiàn)揚沙天氣；20時前后（圖2），強沙塵氣團主體完全移入鄂爾多斯市中東部地區(qū)。

圖1 15時風(fēng)云4號衛(wèi)星沙塵天氣遙感監(jiān)測圖

圖2 20時風(fēng)云四號衛(wèi)星沙塵天氣遙感監(jiān)測

3 沙塵天氣過程分析

3.1 環(huán)流形勢分析

分析500 hPa環(huán)流形勢發(fā)現(xiàn)，此次沙塵暴天氣過程是以西北向東南路徑爆發(fā)所致，沙塵暴出現(xiàn)在高空槽前脊后，為低槽型沙塵暴。沙塵暴發(fā)生前，鄂爾多斯大部地區(qū)低層受暖區(qū)控制，升溫明顯，為沙塵暴發(fā)生發(fā)展提供了不穩(wěn)定條件。

圖3 8時500 hPa高度場、風(fēng)場和溫度場疊加圖

圖4 8時700 hPa高度場、風(fēng)場和溫度場疊加圖

圖5 8時850 hPa高度場、風(fēng)場和溫度場疊加圖

圖6 8時海平面氣壓圖

2022年3月13日8時500 hPa高空圖上（圖3），整個歐亞大陸受高空槽影響，中緯度地區(qū)處于平直的緯向環(huán)流控制之下，中西伯利亞地區(qū)有一個冷渦存在，與之配合有-47℃的冷中心。影響鄂爾多斯地區(qū)的低槽位于蒙古國一帶，環(huán)流緯向度較大，延伸至阿拉善、甘肅地區(qū)，槽后具有明顯的冷平流，且溫度槽落后于高度槽，交角約為60o，斜壓性較強。槽底部有26 m/s的強風(fēng)速帶，最大風(fēng)速達34 m/s，為此次沙塵天氣提供了較好的輸送機制。在新疆北部有一弱脊的存在，脊前西北氣流引導(dǎo)冷空氣不斷南下，此時，內(nèi)蒙古西部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)揚沙天氣。20時，高空槽有所加深，轉(zhuǎn)為東北西南向，高度場落后于溫度場，鄂爾多斯市仍處于高空槽前，此時，西部地區(qū)沙塵強度有所減弱，中東部仍較強。23時左右，隨著系統(tǒng)東移以及風(fēng)力的減小，全市沙塵天氣由沙塵暴、揚沙轉(zhuǎn)為浮塵。

13日8時700 hPa上（圖4），西伯利亞地區(qū)有冷渦維持，冷中心為-32℃，鄂爾多斯市處于暖中心頂部，與貝加爾湖的冷中心形成了較為明顯的溫度梯度，造成了強烈的不穩(wěn)定層結(jié)，風(fēng)速為18 m/s。20時，等高線和等溫線反位向疊加，斜壓性強，促使氣旋性渦度不斷發(fā)展，此時風(fēng)速增大至24 m/s。

13日8時850 hPa上（圖5），隨著高度下降，輻合中心逐漸加強，該層形成了明顯的切斷低渦，位于阿拉善盟一帶，同時，溫度場落后于高度場，鄂爾多斯西部受低渦影響，在其后部為冷平流，前部為暖脊。在內(nèi)蒙古錫林郭盟地區(qū)有一個高壓的存在，高低壓共同作用下，使得鄂爾多斯市輻合上升作用明顯；隨著系統(tǒng)不斷東移發(fā)展，加之高空急流出口區(qū)左側(cè)強輻合上升區(qū)的抽吸作用和低層暖平流加熱上升的共同影響下，導(dǎo)致地面氣旋加強，地面風(fēng)速不斷加大，引起大范圍的大風(fēng)、沙塵天氣。20時，隨著系統(tǒng)的東移，低渦移至錫林郭勒盟一帶，鄂爾多斯處于高壓前部，風(fēng)力有所減小，沙塵天氣趨于結(jié)束。

3.2 地面分析

3月13日5時鋒面位于甘肅一帶，鋒前為熱低壓，中心值為1002 hPa，位于阿拉善一帶，此時鋒面附近出現(xiàn)了沙塵天氣；8時（圖6），從蒙古國至鄂爾多斯一帶處于低壓控制，鄂爾多斯處于氣旋底部，由于其前部溫度升高，氣壓降低，后部溫度降低，氣壓升高，形成了明顯的變壓梯度，利于出現(xiàn)大風(fēng)沙塵天氣，且后部還伴隨有冷鋒東移南壓，強大的冷空氣促使地面起沙；11時，低壓維持少動，冷鋒已經(jīng)移入鄂爾多斯市境內(nèi)，西部地區(qū)風(fēng)力開始逐漸增大，能見度轉(zhuǎn)差；14時，隨著冷鋒逐漸東移，太陽輻射受沙塵阻擋，冷鋒前后溫度梯度加大，鋒面加強，沙塵天氣逐漸加強；20時，氣旋移出鄂爾多斯境內(nèi)，該市受高壓前部控制，風(fēng)力減小，能見度逐漸轉(zhuǎn)好。

3.3 大氣層結(jié)分析

影響沙塵暴發(fā)生發(fā)展的主要熱力因素是大氣層結(jié)條件。通過對位溫、飽和假相當(dāng)位溫和假相當(dāng)位溫的垂直分布特征進行分析，得出沙塵暴天氣發(fā)生前后的大氣層結(jié)穩(wěn)定度變化。本文選取東勝站探空資料。

13日8時T-lnP圖（圖略）顯示，700 hPa附近有逆溫層，整層大氣表現(xiàn)較為干燥，上下層風(fēng)垂直切變明顯，低層850 hPa為西南風(fēng)，700 hPa以上為西北風(fēng)，有利于垂直運動發(fā)展，滿足潛在動力不穩(wěn)定條件。13日20時東勝站垂直位溫分析圖（圖7）顯示，垂直物理場在500 hPa以下，位溫和假相當(dāng)位溫之間距離較小，飽和假相當(dāng)位溫與假相當(dāng)位溫之間距離較大，表明大氣在低層較為干燥。位溫和假相當(dāng)位溫在500 hPa以下與橫坐標(biāo)近似垂直，表明大氣層結(jié)幾乎為絕熱狀態(tài)，反映出沙塵暴發(fā)生在干燥的環(huán)境條件下。地面至700 hPa風(fēng)向由8時順時針轉(zhuǎn)為逆時針，隨著干冷空氣的侵入，導(dǎo)致對流強度增大以及不穩(wěn)定能量釋放，但由于空氣中水汽含量較低，無水汽輸送，因此以干對流為主，利于產(chǎn)生沙塵天氣。

圖7 2022年3月13日20時東勝站（53543）及垂直位溫分析圖

3.4 沙塵條件及地形分析

通過觀測站數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)為此次沙塵天氣提供了足夠的水平驅(qū)動力，而鄂爾多斯北部陰山和西部賀蘭山下坡俯沖作用，配合高低空環(huán)流形勢，使得地面風(fēng)速進一步增大。鄂爾多斯沙塵來源一部分為外來沙塵，根據(jù)地形分布可知，鄂爾多斯市上游地區(qū)阿拉善盟北部、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠等為此次沙塵暴的發(fā)生提供了豐富的沙源條件，大風(fēng)將這些沙塵輸送至下游地區(qū)。一部分為本地沙源（庫布齊沙漠）。加之前期氣候干燥、降水少、近地層干燥、氣溫回升明顯、地表植被覆蓋率低等因素，大風(fēng)將塵土揚起，導(dǎo)致空氣中懸浮顆粒物增多。

4 GRAPES_MESO模式檢驗

為分析GRAPES_MESO中尺度模式在此次沙塵暴過程中的預(yù)報效果，本文利用該模式2022年3月12日20時起報的未來24小時預(yù)報，簡要分析此次天氣過程，該模式預(yù)報20時500 hPa高度場（圖8）位置偏北。分析8時模式預(yù)報海平面氣壓與實況對比（圖9）可知，模式預(yù)報低壓與實況較為吻合。700 hPa，高度場和溫度場反位向疊加，斜壓性較好，8時850 hPa（圖10），寧夏一帶到鄂爾多斯市西南部有切變線存在，輻合上升作用明顯，隨著形勢演變，17時以后（圖11），切變線已移出鄂爾多斯市，低層轉(zhuǎn)為西北氣流控制，風(fēng)力開始增大，10 m陣風(fēng)預(yù)報表明，11時，鄂爾多斯西部風(fēng)力開始增大，17時，杭錦旗北部風(fēng)力增大至14 m/s，20時后，風(fēng)力開始減小，此次沙塵暴天氣實況和GRAPES_MESO模式對比表明，GRAPES_MESO模式表現(xiàn)較差，500 hPa高度場位置偏北，700 hPa未存在明顯的風(fēng)切變，輻合作用較弱，850 hPa存在明顯的切變，但整體偏西，移動速度較快。值得關(guān)注的是該模式大風(fēng)出現(xiàn)時間和出現(xiàn)區(qū)域的預(yù)報表現(xiàn)較好。

圖8 20時模式500 hPa高度場與實況對比圖

圖9 8時模式海平面氣壓與實況對比圖

圖10 8時模式850 hPa風(fēng)場預(yù)報圖

圖11 17時850 hPa風(fēng)場預(yù)報圖

5 結(jié)束語

2022年3月13日，鄂爾多斯地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的沙塵天氣，局部地區(qū)出現(xiàn)了強沙塵暴，全市均出現(xiàn)了7級以上的大風(fēng)，部分地區(qū)達到10級以上，通過對此次天氣過程研究分析表明：

（1）此次沙塵天氣的主要原因是由于蒙古氣旋的強烈發(fā)展以及冷鋒過境所引起的，隨著蒙古氣旋的發(fā)展東移，冷鋒也跟隨東移南下，大風(fēng)和輻合上升運動使得上游的沙塵輸送至下游，冷鋒后出現(xiàn)了強沙塵暴天氣。

（2）分析500 hPa、700 hPa、850 hPa溫壓場表明，隨著高度的降低，等壓線與等溫線夾角越大，斜壓性越強，冷平流越強；500 hPa高空槽前正渦度平流區(qū)、低層700 hPa和850 hPa冷暖平流的共同作用下，促使地面氣旋不斷加深發(fā)展東移。

（3）鄂爾多斯上游地區(qū)前期氣候干燥，降水少，氣溫明顯回升，近地層干燥，土壤干土層較厚，加之地表植被覆蓋率低，裸露地表較多，為沙塵天氣的發(fā)生提供豐富的沙源條件。

（4）利用GRAPES_MESO中尺度模式2022年3月12日20時起報的24 h預(yù)報產(chǎn)品和實況對比，結(jié)果表明：該模式預(yù)報此次沙塵天氣形勢偏北，但對于大風(fēng)的開始時間和落區(qū)預(yù)報表現(xiàn)較好。

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Analysis of a Sandstorm Weather Process and GRAPES_MESO Model Test in Ordos City

Using meteorological high altitude and ground data and GRAPES_MESO mesoscale model to analyze a dust weather process in Ordos on March 13, 2022. The results show that the main cause of the sand and dust weather is the strong development of Mongolian cyclone and the transit of cold front. Under the joint action of dynamic factors and thermal factors, the development of Mongolian cyclone moves eastward. In addition, the climate in the early stage is dry, the precipitation is less, the temperature rises significantly, the near ground layer is dry, the surface vegetation coverage is low, and the exposed surface is more, which provides rich sand source conditions for the occurrence of sand and dust weather. GRAPES_MESO mesoscale model predicts the dust weather situation in the north, but the forcast of the start time and falling area of strong wind is better.

sandstorm; process analysis; remote sensing is monitoring; GRAPES_MESO

P45

A

1008-1151(2022)10-0048-04

2022-08-30

楊海迪（1994－），女，寧夏平羅人，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗氣象局助理工程師，從事天氣觀測預(yù)報方面的研究工作。