內(nèi)蒙古西部一次沙塵暴貼地層物理通量研究

邢 彬

阿拉善盟氣象局，內(nèi)蒙古阿拉善盟 750306

沙塵暴是內(nèi)蒙古多發(fā)的一種災(zāi)害性天氣。通過物理通量來研究沙塵暴是一種應(yīng)用廣泛的方法。楊興華等[1]研究了新疆塔中地區(qū)沙塵暴發(fā)生時(shí)2 m高度風(fēng)速與輸沙通量之間的關(guān)系。代亞亞等[2]分析了塔中地區(qū)80米風(fēng)塔沙塵水平通量隨高度的變化特征和沙粒的粒度特征。彭珍等[3]認(rèn)為一次北京沙塵暴在暴發(fā)前和暴發(fā)初期湍流通量特征顯著。王伏村等[4]認(rèn)為沙塵暴的強(qiáng)度變化是感熱加熱增加了大氣不穩(wěn)定性和邊界層厚度而實(shí)現(xiàn)的。姜學(xué)恭等[5]指出地面熱通量影響沙塵暴發(fā)展的一個重要機(jī)制是低層大氣形成混合層。李彰俊等[6]分析了地面感熱通量與沙塵暴之間存在的關(guān)系。王勁松等[7]通過對地面加熱場的研究表明，沙塵暴發(fā)生區(qū)與熱匯熱源密切相關(guān)。袁國波等[8]研究在沙塵暴期間的地面感熱通量的日變化特征和地面與大氣之間熱量轉(zhuǎn)化特征。孫軍等[9]認(rèn)為地面熱通量是沙塵暴發(fā)生發(fā)展的重要因子。借鑒以上論文的研究思路和方法，著眼于陸面與大氣之間的能量交換，研究沙塵暴發(fā)生時(shí)的物理通量特征，為沙塵暴災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)提供新的預(yù)報(bào)思路。

1 天氣實(shí)況

2022年4月20日中午至夜間，在內(nèi)蒙古西部地區(qū)，自西向東，阿拉善盟、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、包頭市、呼和浩特市的14個站點(diǎn)出現(xiàn)了沙塵暴天氣。此次沙塵暴有150個10 min沙塵暴樣本，各站累計(jì)持續(xù)時(shí)間約1 500 min。

2 資料來源與沙塵暴識別

所選氣象數(shù)據(jù)來自Micaps4.5氣象系統(tǒng)、內(nèi)蒙古Cimiss氣象服務(wù)系統(tǒng)和中國氣象信息數(shù)據(jù)網(wǎng)。資料包括能見度、相對濕度、天氣現(xiàn)象、平均風(fēng)速、地表溫度、地面溫度和本站氣壓，共7種。

對2022年4月20日11:50—21日01:50的氣象資料進(jìn)行沙塵暴識別，參考國家氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20480—2006），選擇以下條件作為沙塵暴的識別依據(jù)：

10 min水平能見度：V＜1 000 m

整點(diǎn)相對濕度：U＜60%

10 min平均風(fēng)速:W≥6 m/s

3 分析方法

3.1 沙塵暴的空氣密度和定壓比熱

空氣密度是指在一定的溫度和壓力下，單位體積空氣所具有的質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下有空氣密度ρ：

沙塵暴發(fā)生時(shí)，空氣內(nèi)存在大量沙塵氣溶膠微粒，沙塵暴空氣密度必然大于清潔大氣的空氣密度，則有沙塵暴空氣密度ρs為清潔空氣密度ρ與沙塵暴氣溶膠密度ρa(bǔ)之和：

根據(jù)有學(xué)者對賀蘭山兩側(cè)沙塵暴TSP氣溶膠密度的研究結(jié)果表明，賀蘭山地區(qū)的沙塵暴氣溶膠平均密度為3 212.3 μg/m3。根據(jù)學(xué)者利用1999—2005年地面常規(guī)觀測資料對東亞地區(qū)沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴TSP氣溶膠密度研究得到取值范圍如下：

沙塵暴：3 000 μg/m3≤ρa(bǔ)＜6 000 μg/m3

強(qiáng)沙塵暴：ρa(bǔ)≥6 000 μg/m3

以上可以得到清潔空氣密度比沙塵暴氣溶膠密度大106μg/m3，比強(qiáng)沙塵暴氣溶膠大105～106μg/m3，因此沙塵暴氣溶膠密度可以忽略不計(jì)，沙塵暴空氣密度約等于清潔空氣密度ρs≈ρ。

沙塵暴空氣的定壓比熱Cps是在壓強(qiáng)不變的情況下，溫度升高1 ℃所需要的熱量。由于清潔大氣空氣密度遠(yuǎn)大于沙塵暴氣溶膠密度，則單位體積內(nèi)空氣質(zhì)量遠(yuǎn)大于沙塵暴氣溶膠質(zhì)量，沙塵暴氣溶膠質(zhì)量可以忽略不計(jì)，可以得到沙塵暴空氣定壓比熱Cps約等于標(biāo)準(zhǔn)大氣下的空氣定壓比熱Cps≈Cp。

3.2 物理通量計(jì)算方法

物理通量研究的是感熱通量、潛熱通量和動量通量，從熱力學(xué)和動力學(xué)兩個方面揭示沙塵暴發(fā)生時(shí)的物理特征。根據(jù)丁一匯[10]在空氣動力學(xué)方面的研究，通量計(jì)算公式如下:

其中，Cp為定壓比熱，ρs為地面空氣密度，CH、Cq和CD為無量綱交換系數(shù)，Va為10 m地 面 風(fēng) 速，Tw為0 cm地表溫度，Ta為地面2 m空氣溫度，qw為0 m地表飽和比濕，qa為地面2 m飽和比濕，H為相對濕度，L為蒸發(fā)潛熱，取Cp=1.004×103J·℃/kg，CH=1.4×10-3，Cq=1.6×10-3。當(dāng)Va＜5.8 m/s時(shí)，CD=1.1×10-3，當(dāng)5.8 m/s＜Va＜16.8 m/s時(shí)，CD=1.1×10-3（0.74+0.46V），Va＞1.68 m/s時(shí)，CD=1.1×10-3，（0.94+0.034Va）。

4 貼地層中沙塵暴物理通量變化特征

4.1 感熱通量、潛熱通量變化特征

感熱通量是指由于溫度變化而引起的陸面與大氣之間發(fā)生的熱量交換。內(nèi)蒙古西部發(fā)生沙塵暴期間的感熱通量為-63.10～208.77 W/m2。在2022年4月20日17:00前，感熱通量均為正值，18:00后其均為負(fù)值，17:00～18:00感熱通量在0值附近波動振蕩，最大波動振幅為50.53 W/m2，最小波動振幅為0 W/m2。

潛熱通量是指由于溫度變化引起陸面與大氣之間水汽的熱量交換，內(nèi)蒙古西部發(fā)生沙塵暴期間的潛熱通量為-3～10.02 W/m2。與感熱通量相同，在在2022年4月20日17:00～18:00，潛熱通量也存波動振蕩的特征，最大波動振幅為1.5 W/m2，最小波動振幅為0 W/m2。

4.2 動量通量變化特征

動量通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳輸?shù)膭恿?。?nèi)蒙古西部發(fā)生沙塵暴期間動量通量為0.14～5.33 N/m2。在2022年4月20日20:00前，各站平均動量通量為0.96 N/m2，在20:00后，各站平均動量通量為0.29 N/m2?？梢悦鞔_在貼地層中，白天沙塵暴的動量通量明顯大于夜間的動量通量，那么白天湍流對沙塵暴輸送能力比夜間強(qiáng)。

5 感熱通量、潛熱通量的地氣熱交換特征

取貫穿感熱通量和潛熱通量0值，將復(fù)雜且具有代表性的烏拉特后旗（53324）作為研究對象，對其感熱通量、潛熱通量進(jìn)行特征分析（圖1）：在2022年4月20日17:00～17:08、17:21～18:03，PH、Fq＞0，Tw＞Ta，則 地 表 釋放能量，空氣吸收能量，沙塵暴獲得能量，同時(shí)qw＞qa，則地表水汽釋放能量，2 m空氣中水汽吸收能量，沙塵暴獲得能量；在2022年4月20日17:09、17:20、18:04，F(xiàn)H、Fq=0，則Tw=Ta、qw=qa，沙塵暴能量不變，2 m高度至地面溫度不隨高度變化，接近絕熱狀態(tài)，出現(xiàn)3個混合層。在2022年4月20日17:10～17:19、18:05～20:30，F(xiàn)H、Fq＜0、Tw＜Ta，則地表吸收能量，空氣釋放能量，沙塵暴失去能量，同時(shí)qw＜qa，則地表水汽吸收能量，2 m空氣中水汽釋放能量，沙塵暴失去能量。

圖1 2022年4月20日17:00～20:30烏拉特后旗的感熱通量和潛熱通量演變

由此可知，在2022年4月20日17:00前沙塵暴獲得能量有利于沙塵暴的發(fā)展，17:00～18:00沙塵暴存在獲得能量或失去能量的波動，18:00后沙塵暴失去能量，不利于沙塵暴的發(fā)展。單從熱力學(xué)角度看，在白天（20:00前），沙塵暴先獲得能量，感熱通量、潛熱通量對沙塵暴產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔?，然后沙塵暴失去能量，其對沙塵暴產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔?；在夜間，沙塵暴失去能量，感熱通量、潛熱通量對沙塵暴產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔?。由此可知，在白天，感熱通量和潛熱通量對沙塵暴先有正反饋?zhàn)饔茫缓笤诟袩嵬亢蜐摕嵬?值附近，可能不會出現(xiàn)負(fù)反饋?zhàn)饔?，也有可能出現(xiàn)1次或多次負(fù)正反饋?zhàn)饔醚h(huán)，在夜間，感熱通量和潛熱通量對沙塵暴有負(fù)反饋?zhàn)饔茫▓D1）。

6 感熱通量、潛熱通量與熱通量之間的數(shù)值關(guān)系

陸地與大氣存在著熱量交換，以介質(zhì)表面的高溫介質(zhì)對低溫介質(zhì)加熱傳導(dǎo)而實(shí)現(xiàn)。熱通量是表征單位時(shí)間單位面積加熱傳導(dǎo)熱量多少的物理量，是感熱通量和潛熱通量之和。介質(zhì)表面加熱是感熱加熱和潛熱加熱。當(dāng)感熱通量為0時(shí)，則潛熱通量為0，熱通量也為0。分析10 min感熱通量與潛熱通量的比值特征：海力素17:30和17:40、烏拉特后旗17:20的感熱通量和潛熱通量均為0，比值不存在。20:00之前，比值為21～41，平均比值為30；20:00之后，比值為32～56，平均比值為37。沙塵暴期間，平均比值為33。

由此可見，沙塵暴發(fā)生時(shí)感熱通量遠(yuǎn)大于潛熱通量。從熱傳導(dǎo)看，感熱加熱的作用遠(yuǎn)大于潛熱加熱的作用。相對于感熱加熱，潛熱加熱在夜間對沙塵暴的加熱作用比白天更小。在白天，潛熱通量占熱通量的2.3%～4.5%；在夜間，潛熱通量占熱通量的1.8%～3.0%，沙塵暴期間，潛熱通量僅占熱通量的3%。

7 水平能見度與感熱通量絕對值、潛熱通量絕對值關(guān)系

選取存在感熱通量和潛熱通量0值的3個站，烏拉特后旗、杭錦后旗（53420）、海力素（53231），對其進(jìn)行對比分析（圖2）：烏拉特后旗感熱通量的絕對值、潛熱通量的絕對值、水平能見度的線性回歸方程分別為y=1.06x+6.8、y=0.03x+0.3、y=7.4x+683，杭錦后旗的線性回歸方程分別為y=1.4x+3.9、y=0.04x+0.17、y=5.87x+721,海力素的線性回歸方程分別為y=-3.49x+88.39、y=-0.13+3.1、y=-1.6x+774，三線隨著時(shí)間的變化同時(shí)遞增或遞減，水平能見度隨著感熱通量絕對值和潛熱通量絕對值的增加而增大或減少而減小，呈正相關(guān)。

圖2 2022年4月20日17:00～20:30，烏拉特后旗的感熱通量的絕對值、潛熱通量絕對值和水平能見度的變化

8 結(jié)束語

（1）沙塵暴在感熱通量和潛熱通量第一個0值之前為正值，其在最后一個0值之后為負(fù)值，中間會出現(xiàn)1次或多次感熱通量、潛熱通量在0值附近波動振蕩。

（2）白天的動量通量明顯大于夜間的動量通量，白天湍流對沙塵暴輸送能力比夜間強(qiáng)。

（3）在白天，感熱通量和潛熱通量對沙塵暴先有正反饋?zhàn)饔?，然后在感熱通量和潛熱通?值附近，可能不會出現(xiàn)負(fù)反饋?zhàn)饔?，也有可能出現(xiàn)1次或多次負(fù)正反饋?zhàn)饔醚h(huán)；在夜間，感熱通量和潛熱通量對沙塵暴有負(fù)反饋?zhàn)饔谩?/p>

（4）沙塵暴期間，感熱通量遠(yuǎn)大于潛熱通量，感熱加熱的作用遠(yuǎn)大于潛熱加熱的作用，相對于感熱加熱，潛熱加熱在夜間對沙塵暴的加熱作用比白天更小，潛熱通量僅占熱通量的3%。

（5）在感熱通量和潛熱通量0值附近，感熱通量的最大波動振幅大于潛熱通量的最大波動振幅，沙塵暴的水平能見度與感熱通量絕對值、潛熱通量絕對值呈正相關(guān)，其隨著感熱通量絕對值、潛熱通量絕對值的增加而增大或減少而減小。