通遼市兩次大風沙塵天氣過程對比分析

劉夢迪，王一冰，于 靜，賈 寧，張 晨

(通遼市氣象局，內(nèi)蒙古通遼 028000)

目前，國內(nèi)外學者對沙塵暴的環(huán)流形勢和動力、熱力特征做了大量的分析研究。從大尺度環(huán)流特征來看，春季冷鋒型沙塵暴區(qū)域上空通常有冷槽向南發(fā)展，形成地面冷鋒，對地面的鋒面東移發(fā)展起主要作用，易造成大風沙塵的形成[1-4]。通遼市地處內(nèi)蒙古東南部，屬于干旱和半干旱季風氣候，全市年降水量在305～485 mm之間變化，年降水的70%集中在6—8月，春季干旱、大風等天氣是影響農(nóng)、牧、林業(yè)生產(chǎn)的主要自然災害[5-6]。2021年春季通遼市頻繁出現(xiàn)大風沙塵天氣，其中以5月6日大風沙塵過程最強(下簡稱“5·6”大風沙塵過程)，該過程影響范圍廣，波及內(nèi)蒙古中部和東南部，4月16日大風沙塵過程(下簡稱“4·16”大風沙塵過程)主要以大風災害為主，沙塵影響范圍相對較小。

本文利用常規(guī)觀測資料及ECMWF ERA-Interim逐小時0.25°×0.25°再分析資料，對通遼市兩次大風沙塵天氣過程從多方面進行對比，分析兩次過程的異同點，研究其形成機制，加強對通遼市大風沙塵天氣過程認識，以期提高大風沙塵過程的預報監(jiān)測水平。

1 大風沙塵天氣概況

2021年4月15日夜間至16日白天，通遼市11個國家氣象站均出現(xiàn)大風沙塵天氣，其中科左中旗、奈曼旗先后出現(xiàn)沙塵暴天氣，科左中旗、奈曼旗最小能見度分別為784 m、852 m，兩站沙塵暴天氣均持續(xù)1 h，其余8個站均出現(xiàn)大風揚沙天氣；冷鋒后西北大風從16日08時開始影響通遼全市，極大風速出現(xiàn)在12—13時青龍山站達25.4 m/s(10級)。

2021年5月6日午后到次日凌晨，通遼市出現(xiàn)了大風沙塵天氣，其中奈曼旗和科左后旗均出現(xiàn)沙塵暴天氣，且奈曼旗本站達到強沙塵暴級別，最小能見度僅為315 m，沙塵暴持續(xù)2 h，青龍山、科左后旗最小能見度分別為792 m、937 m，奈曼旗極大風速達31 m/s(11級)。

兩次大風沙塵過程對通遼市影響均較大，“4·16”大風沙塵過程冷空氣強度雖較“5·6”大風沙塵過程更強，但“5·6”過程的沙塵暴強度、影響范圍以及造成的經(jīng)濟損失對通遼市影響更大。

2 氣候背景

“4·16”大風沙塵天氣發(fā)生前10 d，通遼市氣溫較常年平均氣溫偏高0.5 ℃，降水量較少，全市降水量不足10 mm，西南部地區(qū)不足5 mm；而“5·6”過程前10 d，全市降水較常年明顯偏少，10 d平均日降水量不足1 mm，較常年平均值偏少5～15 mm，但前期氣溫較常年偏低1.5 ℃。兩次過程前期均干旱少雨，土壤水分蒸發(fā)劇烈，導致土壤干燥疏松，且4月和5月初全市植物覆蓋率偏低，同時正值春播，田地翻耕，利于起沙，且通遼市擁有中國最大的科爾沁沙地，這些條件均為兩次過程提供了有利的沙源條件。

3 環(huán)流形勢特點

3.1 高空環(huán)流形勢

“4·16”大風沙塵過程屬于冷鋒型[6]。15日08時500 hPa天氣圖上，貝加爾湖北部存在一低槽，蒙古國至我國河套地區(qū)也存在一低槽(稱為北槽、南槽)，北槽對應-40 ℃冷中心，兩個高度槽超前于對應的溫度槽。發(fā)展過程中兩溫度槽逐漸合并，貝加爾湖西北部有極渦東移南下，伴隨鋒區(qū)南壓，16日08時，南槽加深為低渦，溫度槽位于內(nèi)蒙古中部，等高線與等溫線交角近乎90°，大氣斜壓性加強，沙塵暴出現(xiàn)在槽后。700 hPa上，槽線位置較500 hPa偏東，表明斜壓槽隨高度向西北傾斜。16日08時，700 hPa低渦中心移至通遼市東北部，受冷鋒后大風影響，通遼市出現(xiàn)大風沙塵天氣。

“5·6”大風沙塵過程屬于蒙古氣旋型[6]。5日08時，500 hPa上內(nèi)蒙古東部為東北冷渦后部的西北氣流控制，貝加爾湖西北部有冷渦分裂出來的冷槽，配合-36 ℃的冷中心，冷槽經(jīng)向度迅速加強并向東南方向移動，20時，冷槽南壓至貝加爾湖南部。6日08時冷槽在內(nèi)蒙古中部偏北地區(qū)形成一冷渦，配合-28 ℃冷中心緩慢東移，20時移至通遼市西部。6日08時高低空冷渦中心位置近乎重合，20時冷渦減弱為冷槽，有冷平流輸送至通遼中南部地區(qū)。

3.2 地面冷鋒及蒙古氣旋

“4·16”過程前，15日08時地面圖上，蒙古氣旋位于錫林郭勒盟與蒙古國交界處，后部冷高壓在蒙古國西部至里海北部呈帶狀分布，內(nèi)部有多個冷高壓中心，東移發(fā)展過程中，逐漸合并加強。16日08時，冷高壓主體移至貝加爾湖西南地區(qū)，中心強度達1 035 hPa，蒙古氣旋則移至內(nèi)蒙古東部，中心強度為997.5 hPa，冷鋒過境后出現(xiàn)西北大風，通遼市西南部局地出現(xiàn)沙塵暴天氣。

“5·6”過程期間，5日08時，位于貝加爾湖西部的冷高壓前部有兩個閉合的低壓中心，其中位于我國東北地區(qū)的氣旋中心強度為995 hPa，此時通遼市位于東北氣旋底部等壓線密集帶中，而位于蒙古國地區(qū)的低壓中心迅速加強東移。6日08時，蒙古氣旋中心強度達997.5 hPa，氣旋前部出現(xiàn)西南大風，造成內(nèi)蒙古東南部地區(qū)大范圍大風沙塵天氣。20時，蒙古氣旋減弱移出，中心位置位于通遼市東部，鋒面逐漸過境。

4 氣象要素變化

地面氣象要素對冷鋒過境及沙塵暴爆發(fā)有強烈反應, 可以在沙塵暴預報中作為參考依據(jù)[7]，圖1為兩次過程地面氣象要素變化情況?！?·16”大風沙塵過程期間，蒙古氣旋強度較強且移動緩慢，冷鋒后西北大風影響通遼市時間較長，冷空氣主體移動過程中在內(nèi)蒙古西部南下，且強度減弱。由奈曼站氣象要素變化(圖1a)可看出，過程期間，冷鋒過境后，奈曼本站氣壓逐漸上升，速度較緩慢，12 h共上升7.1 hPa。相對濕度在09—12時下降6%，此時段為沙塵暴發(fā)生時段，極大風速在09時后加大，由20.5 m/s上升至24.5 m/s，大風持續(xù)8 h，氣溫變化不明顯，在沙塵暴期間溫度略有升高。

“5·6”過程冷鋒過境前后，奈曼站氣象要素變化劇烈(圖1b)。冷鋒前，氣壓下降，相對濕度很低，氣溫升高，風速不大；冷鋒過境后，風速加大，氣壓急升，濕度增加，氣溫下降。08—14時，氣壓持續(xù)下降，14時下降至948.4 hPa，氣溫在08—13時由23.4 ℃上升至27.2 ℃，相對濕度在13時降至12%，極大風速略有加大，14時為14.2 m/s。沙塵暴發(fā)生時，氣壓急升，14—17時氣壓上升了9.4 hPa，氣溫下降13.7 ℃，此時段奈曼旗發(fā)生了強沙塵暴天氣。

5 高低空急流配置

分析300 hPa高空急流演變發(fā)現(xiàn)：4月15日20時，我國中部地區(qū)存在西風急流核，核區(qū)最大風速達58 m/s；16日08時，大風核區(qū)北移至華北至渤海東部，核區(qū)最大風速加強至80 m/s，通遼市位于西風急流北側正渦度平流區(qū)，其下部產(chǎn)生輻合上升運動，造成地面氣旋增強。700 hPa西北風急流和切變線逐漸東移，16日08時，通遼市開始受大風影響，最大風速超過20 m/s，且高低空風向均在通遼市南部地區(qū)呈氣旋式彎曲，沙塵暴出現(xiàn)在高空西風急流左側和低空西北風急流入口區(qū)左側。

分析“5·6”過程高空300 hPa和低層700 hPa的急流形勢演變發(fā)現(xiàn)：沙塵暴發(fā)生前期，5日08時，高空西風急流發(fā)展強盛，大風核區(qū)位于渤海一帶，核區(qū)最大風速達70 m/s，通遼市位于急流核左側，東部存在氣旋式切變；低層對應西北急流，最大風速達26 m/s。6日20時，高空西風急流轉為西南急流，且大風速核明顯北抬至山東西部，最大風速62 m/s；700 hPa轉為西南急流，急流核位置向北移動，風速加大，最大風速達30 m/s，通遼市位于低空西南急流左側。

以上分析可看出，“4·16”過程高空到低空為強西風和西北風，“5·6”過程高、低空為強西南風，“4·16過程”的高空急流較“5·6”過程更強，但低空急流位置偏南，故造成沙塵暴區(qū)域較小，“5·6”過程高低空急流位置更靠近內(nèi)蒙古東南部，所以造成沙塵暴區(qū)域更大，強度更強[8]。

6 垂直速度和大氣層結穩(wěn)定度

6.1 垂直速度

4月16日11時沿43°N垂直速度剖面圖(圖2a)上，在124°E以東整層大氣幾乎全部為上升氣流區(qū)，最大上升速度在600 hPa附近，達到-12×10-3hPa/s。124°E以西基本為下沉氣流區(qū)，最大下沉速度在奈曼旗以西上空700 hPa附近，為9×10-3hPa/s。14時(圖2b)，下沉氣流區(qū)迅速東移至125°E，上升氣流區(qū)收縮至400 hPa以下，最大上升速度也明顯減弱。表明此時冷空氣在東移過程中迅速減弱，預示大風沙塵過程趨于結束。

5月6日14時沿43°N垂直速度剖面圖(圖2c)上，120°E附近上空存在強烈上升氣流，上升高度達300 hPa以上，最大上升速度達到-4×10-2hPa/s。118°E以西下沉氣流區(qū)隨高度向西北傾斜，但下沉速度最大為1×10-2hPa/s。上升速度和下沉速度均比“4·16”過程強。17時最強上升氣流區(qū)位置略有東移，但上升速度明顯減小(圖2d)，表明14—17時地面氣旋維持少動，導致大風沙塵天氣持續(xù)影響通遼市。

從上述分析可知，兩次大風沙塵天氣過程均存在鋒區(qū)后冷空氣較強且下沉氣流區(qū)隨高度向西北傾斜。冷鋒后冷空氣下沉，高空動量下傳，抬升前部暖空氣，從而造成冷鋒后部大風；而鋒區(qū)前強烈的上升運動可以使地面氣旋發(fā)展，使鋒后冷高壓和氣旋之間的氣壓梯度加大，造成近地面大風加強。兩次過程的區(qū)別是“4·16”過程冷空氣迅速東移造成冷鋒后部西北大風，而“5·6”過程蒙古氣旋維持少動，引起氣旋前部偏南大風。

6.2 大氣穩(wěn)定度

動力因子滿足的條件下，熱力因子是判斷能否出現(xiàn)沙塵暴的敏感因子[9]，沙塵暴通常發(fā)生在不穩(wěn)定大氣層結中[10]。從兩次大風沙塵過程前43°N假相當位溫(θse)垂直剖面圖和奈曼站的假相當位溫垂直變化(?θse/?p)圖可以看出(圖3)：4月16日125°E以西，400 hPa以下θse是低值區(qū)，呈東西向長條狀，最低值達284 K，表明鋒后干冷空氣已經(jīng)侵入；而在110°E～125°E，700～500 hPa等θse線密集，表明中低空鋒區(qū)強盛；在125°E附近600～400 hPa，有θse高能舌向上凸起，表明中空層結不穩(wěn)定(圖3a)；奈曼站的假相當位溫垂直變化(?θse/?p)圖(圖3b)上，近地層有?θse/?p>0，900～700 hPa有?θse/?p≈0，表明此時低層大氣層結呈現(xiàn)弱不穩(wěn)定或中性狀態(tài)。

5月6日14時43°N假相當位溫垂直剖面圖(圖3c)上：120°E以西400 hPa以下為θse低值區(qū)，最低值達290 K，干冷空氣延伸至400 hPa，冷空氣向上擴展，向上凸起呈舌狀；120°E附近等θse線密集，1個經(jīng)度內(nèi)約有5根等θse線，表明鋒區(qū)發(fā)展強盛；120°E東側為θse高值區(qū)，最大值為312 K。奈曼站的假相當位溫垂直變化(?θse/?p)圖(圖3d)上，近地層?θse/?p>0，近地面層也呈現(xiàn)出弱不穩(wěn)定層結，900～600 hPa，假相當位溫值隨高度變化不大，層結狀態(tài)基本為中性。

以上分析表明，兩次大風過程發(fā)生前大氣層結條件有所差別，“4·16”過程發(fā)生在冷鋒過境后，冷空氣較“5·6”過程強度更強，但由于冷鋒已過境，大氣層結趨于中性或弱不穩(wěn)定。雖然通遼市全市均出現(xiàn)大風沙塵天氣，但沙塵暴發(fā)生范圍較小。而“5·6”過程中，基礎氣溫比“4·16”過程高，能量也更高，大氣層結為弱不穩(wěn)定或中性，同時冷鋒強度更強，故造成沙塵暴范圍更廣。

7 結論

(1)兩次過程前期均干旱少雨，植物覆蓋率低，正值田地翻耕，同時存在本地沙源，這些條件均為兩次過程提供了充分的沙源條件。

(2)兩次過程高空和地面形勢類似，高空存在較強鋒區(qū)，大氣斜壓性強，地面雖均受蒙古氣旋影響，但“4·16”過程主要受冷鋒后的西北大風影響，“5·6”過程是受冷鋒過境前后的西南大風和偏西大風共同影響。兩次過程發(fā)生前后氣壓、相對濕度等氣象要素均出現(xiàn)明顯變化，“5·6”過程氣象要素變化更為劇烈。

(3)兩次過程中高低空急流配置有區(qū)別?！?·16”過程高空到低空為強西風和西北風?！?·6”過程高空到低空為強西南風，高空急流較“4·16”位置偏南，但低空急流位置偏北；因此造成“5·6”過程沙塵暴區(qū)域更大，強度更強。

(4)兩次過程均存在鋒區(qū)后較強冷空氣下沉，高空動量下傳，而鋒區(qū)前存在強烈的上升運動，從而使鋒后冷高壓和氣旋之間的氣壓梯度加大；但“4·16”過程冷空氣迅速東移造成冷鋒后部西北大風，而“5·6”過程蒙古氣旋維持少動，引起氣旋前部偏南大風和冷鋒后偏西大風。

(5)兩次大風過程發(fā)生前大氣層結條件有差別。“4·16”過程中，由于冷鋒已經(jīng)過境，大氣層結處于中性或弱不穩(wěn)定狀態(tài)，沙塵暴發(fā)生范圍較?。弧?·6”過程中，基礎氣溫比“4·16”過程高，能量也更高，大氣層結為弱不穩(wěn)定或中性，同時冷鋒強度更強，故造成沙塵暴范圍更廣。