中國(guó)北方一次沙塵天氣環(huán)流特征及其強(qiáng)度與感熱通量的關(guān)系

摘要 利用2020年5月2—3日地面常規(guī)觀測(cè)資料，采用天氣學(xué)分析法和分類統(tǒng)計(jì)學(xué)，研究中國(guó)北方大范圍沙塵天氣環(huán)流特征及其強(qiáng)度與感熱通量的關(guān)系。研究結(jié)果表明：高空槽加強(qiáng)為冷渦，冷空氣沿偏西氣流南下，有強(qiáng)冷平流。地面沙塵區(qū)域內(nèi)形成北有冷高壓、南有低壓倒槽對(duì)峙的形式。等壓線密集區(qū)的氣壓梯度力大，形成偏東大風(fēng)，產(chǎn)生沙塵天氣。在蒙古冷高壓底部形成準(zhǔn)靜止鋒，使得天氣系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，沙塵天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；沙塵天氣發(fā)生期間，總體上平均感熱通量大于0，地表放熱，空氣吸熱。從感熱通量絕對(duì)值的平均值看，強(qiáng)沙塵暴是沙塵暴的2～3倍，揚(yáng)沙、浮塵是沙塵暴的2～4倍。在夜間，由于沙塵的保溫作用，使得地表溫度大于地面2 m溫度，感熱通量為正值，沙塵保溫作用對(duì)沙塵天氣發(fā)展起正反饋?zhàn)饔谩?/p>

關(guān)鍵詞 沙塵；環(huán)流特征；強(qiáng)度；感熱通量

中圖分類號(hào)：P425.5+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）03–0077-03

沙塵天氣是中國(guó)北方春秋季節(jié)常見(jiàn)的一種視程障礙天氣現(xiàn)象，按照能見(jiàn)度大小可以分為特強(qiáng)沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵[1]。針對(duì)沙塵天氣的研究在大氣科學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域居多。以天氣學(xué)、大氣物理學(xué)、空氣污染氣象學(xué)、大氣化學(xué)、生態(tài)學(xué)、氣候?qū)W為主要方向。研究方法多為分類統(tǒng)計(jì)學(xué)、相關(guān)性及顯著性檢驗(yàn)、數(shù)值模擬評(píng)估等。如張超等[2]分析了青藏高原中東部感熱通量的時(shí)空分布特征、變化周期和影響因子；黃珊等[3]通過(guò)研究ERA-Interim再分析資料得到中國(guó)西南地區(qū)地表感熱通量、潛熱通量的年代際變化特征；王美蓉等[4]采用CMIP6全球氣候模式對(duì)青藏高原中東部的感熱通量進(jìn)行了數(shù)值模擬評(píng)估；車婧等[5]揭示了夏季渦旋與地面感熱通量強(qiáng)弱的相關(guān)性；謝晉等[6]運(yùn)用Pearson相關(guān)法、曼-肯德?tīng)枡z驗(yàn)、EOF法對(duì)氣候因子與感熱通量進(jìn)行了相關(guān)性研究；張?zhí)裨碌萚7]討論了青藏高原渦旋生成頻率與感熱通量的空間相關(guān)性。從天氣學(xué)角度研究沙塵天氣的環(huán)流形式，從微氣象學(xué)角度研究近地層感熱通量與沙塵天氣強(qiáng)度的關(guān)系，以期為沙塵天氣的預(yù)報(bào)和氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)[8]。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)使用國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的中國(guó)地面氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料。選取地區(qū)有41個(gè)國(guó)家氣象站，分布在甘肅、寧夏、青海和內(nèi)蒙古。氣象要素包括能見(jiàn)度、風(fēng)速、地表溫度、地面溫度、相對(duì)濕度。再分析資料選用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)大學(xué)大氣研究聯(lián)合會(huì)提供的FNL全球?qū)α鲗幽Ｊ紾rib2分析資料，資料范圍90°S～90°N，180°W～180°E，每日02：00、08：00、14：00、20：00 4個(gè)時(shí)次，水平分辨率為1°×1°。

1.2 預(yù)處理

利用Excel 2021統(tǒng)計(jì)逐小時(shí)實(shí)況資料并計(jì)算感熱通量。使用Opengrads2.1.a2.oga.1軟件繪制位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)圖。

2 研究方法

2.1 沙塵天氣強(qiáng)度分類

參考沙塵天氣的能見(jiàn)度分類方法和王宗海等[9]人的揚(yáng)沙起動(dòng)研究成果，由此得出，沙塵天氣按照極大風(fēng)速和能見(jiàn)度可以分為浮塵、無(wú)大風(fēng)揚(yáng)沙、有大風(fēng)揚(yáng)沙、無(wú)大風(fēng)沙塵暴、有大風(fēng)沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴、特強(qiáng)沙塵暴等7類（表1）。

2.2 感熱通量計(jì)算

根據(jù)袁國(guó)波等[10]在沙塵暴感熱通量研究中給出的感熱通量計(jì)算方法，計(jì)算公式如下：

SHF=1.72V | T1－T2 |（1）

計(jì)算公式中，SHF（Sensible Heat Flux）

為近地面感熱通量（單位：W/m2），V為10 min平均風(fēng)速（單位：m/s），T1為0 cm地表溫度（單位：℃），T2為2 m地面溫度（單位：℃）。

3 沙塵天氣的環(huán)流背景

3.1 500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析

5月2日20：00（圖1a），貝加爾湖西北側(cè)有一冷渦發(fā)展，冷渦底部溫度線與位勢(shì)高度線基本平行，冷平流弱，在沙塵天氣發(fā)生區(qū)域上游，外蒙古至新疆東部有短波槽發(fā)展，在短波槽前的弱暖脊中出現(xiàn)沙塵天氣；5月3日02：00（圖1b），冷渦減弱為高空槽，其西側(cè)冷空氣沿西北氣流南下，短波槽位于外蒙古至內(nèi)蒙古西部地區(qū)，沙塵發(fā)生區(qū)域上游溫度線與位勢(shì)高度線有交角，有冷平流；5月3日08：00（圖1c），高空槽原地維持，沙塵天氣發(fā)生區(qū)域的短波槽緩慢東移至內(nèi)蒙古中部地區(qū)；5月3日14：00（圖1d），高空槽加強(qiáng)為冷渦，冷渦附近溫度線垂直于位勢(shì)高度線，有強(qiáng)冷平流，冷空氣沿西風(fēng)氣流繼續(xù)東移南下，外蒙古至沙塵天氣發(fā)生區(qū)域的短波槽移動(dòng)至內(nèi)蒙古東部地區(qū)，溫度槽落后于位勢(shì)高度槽。

3.2 海平面氣壓場(chǎng)分析

5月2日20：00（圖2a），沙塵天氣發(fā)生區(qū)域位于地面倒槽頂部，地面冷高壓位于巴爾克什湖以北，中心為

1 015 hPa；5月3日02：00（圖2b），地面倒槽西伸北抬，新疆北部地面冷空高壓東移加強(qiáng)為1 017.5 hPa；5月3日08：00（圖2c），在沙塵區(qū)域內(nèi)形成“蒙古冷高壓底部倒槽”型的環(huán)流結(jié)構(gòu)，北有蒙古冷高壓，南有河西走廊至河套地區(qū)低壓倒槽，呈“北高南低”的氣壓對(duì)峙，形成穩(wěn)定的準(zhǔn)靜止鋒，在冷高壓與倒槽之間等壓線密集、氣壓梯度力大形成偏東大風(fēng)；5月3日14：00（圖2d），冷高壓繼續(xù)南壓，地面倒槽緩慢南撤[11]。

4 沙塵天氣強(qiáng)度與感熱通量之間的關(guān)系

4.1 不同強(qiáng)度的沙塵天氣持續(xù)時(shí)間與數(shù)值特征

分類統(tǒng)計(jì)了7種沙塵天氣持續(xù)時(shí)間、感熱通量的大小、平均感熱通量和感熱通量絕對(duì)值的平均值。沙塵天氣持續(xù)時(shí)間為156 h，無(wú)大風(fēng)揚(yáng)沙持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，有大風(fēng)沙塵暴持續(xù)時(shí)間最短，未出現(xiàn)特強(qiáng)沙塵暴。沙塵天氣的感熱通量在-82～431 W/m2之間。沙塵天氣發(fā)生期間，總體上平均感熱通量＞0，地表放熱，空氣吸熱，浮塵數(shù)值最大，無(wú)大風(fēng)沙塵暴數(shù)值最小。從感熱通量絕對(duì)值的平均值看，強(qiáng)沙塵暴是沙塵暴的2～3倍，揚(yáng)沙、浮塵是沙塵暴的2～4倍，浮塵與揚(yáng)沙的數(shù)值相對(duì)接近。

4.2 夜間沙塵天氣與感熱通量的關(guān)系

在沒(méi)有冷空氣影響且天氣晴好的情況下，白天地表吸收短波輻射，空氣吸收長(zhǎng)波輻射，地表溫度高于地面溫度。夜間，地表和空氣向宇宙空間發(fā)射長(zhǎng)波輻射，地表比空氣降溫更快，地表溫度低于空氣溫度[12]。以巴彥諾日公（52495）為例（表2），在2日22：00和3日04：00有大風(fēng)揚(yáng)沙天氣時(shí)，地表溫度小于地面2 m溫度，感熱通量為負(fù)值。在2日23：00—3日03：00有大風(fēng)揚(yáng)沙或強(qiáng)沙塵暴時(shí)，地表溫度大于地面2 m溫度，感熱通量為正值，因此得出大風(fēng)揚(yáng)沙、強(qiáng)沙塵暴對(duì)地表輻射具有強(qiáng)烈的保溫作用，該作用對(duì)沙塵天氣的發(fā)展具有正反饋?zhàn)饔谩?/p>

5 結(jié)論

（1）在高空，高空槽加強(qiáng)為冷渦，冷空氣沿偏西氣流南下，有強(qiáng)冷平流，冷空氣活躍且深厚；在地面，沙塵區(qū)域內(nèi)形成“蒙古冷高壓底部倒槽”型的環(huán)流結(jié)構(gòu)，北有冷高壓，南有低壓倒槽對(duì)峙的形式，在蒙古冷高壓底部形成準(zhǔn)靜止鋒，使得天氣系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，沙塵天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。高低壓之間等壓線密集、氣壓梯度力大形成偏東大風(fēng)，促使沙塵天氣發(fā)生。

（2）沙塵天氣的感熱通量在-82～431 W/m2之間。沙塵天氣發(fā)生期間，總體上平均感熱通量＞0，地表放熱，空氣吸熱。從感熱通量絕對(duì)值的平均值來(lái)看，強(qiáng)沙塵暴是沙塵暴的2～3倍，揚(yáng)沙、浮塵是沙塵暴的2～4倍，浮塵與揚(yáng)沙的數(shù)值相對(duì)接近。

（3）夜間，由于沙塵的保溫作用，地表溫度＞地面2 m溫度，感熱通量為正值，空氣中的沙塵吸熱、地表放熱，沙塵保溫作用對(duì)沙塵天氣成正反饋。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Characteristics of A Dust Storm Circulation in Northern China and Its Relationship with Sensible Heat Flux

Xing Bin （Alxa League Meteorological Bureau， Alxa League， Inner Mongolia 750306）

Abstract Based on the conventional ground observation data from May 2 to 3， 2020， the synoptic analysis method and classified statistics were used to study the circulation characteristics and the relationship between the intensity and sensible heat flux of large scale dust weather in northern China. The results show that the high trough was strengthened into a cold vortex， and the cold air flows southward along the westerly flow， with a strong cold advection. In the surface sand dust area， there was a cold high in the north and a low pressure trough in the south. The pressure gradient force in the concentrated area of isobars was large， forming a strong wind to the east， resulting in dust weather. A quasi-static front was formed at the bottom of Mongolia cold high， which makes the weather system move slowly and the dust weather lasts longer; During the sand dust weather， the average sensible heat flux was greater than 0 on the whole， the surface emits heat and the air absorbs heat. From the average value of the absolute value of sensible heat flux， the strong sandstorm was 2～3 times of the sandstorm， and the blowing sand and floating dust were 2～4 times of the sandstorm. At night， due to the heat preservation effect of sand dust， the surface temperature was 2m higher than the ground temperature， and the sensible heat flux was positive. The heat preservation effect of sand dust has a positive feedback effect on the development of sand dust weather.

Key words Sand dust; Circulation characteristic; Intensity; Sensible heat flux

作者簡(jiǎn)介 邢彬（1983—），男，內(nèi)蒙古阿拉善盟人，工程師，主要從事天氣氣候預(yù)報(bào)與災(zāi)害天氣相關(guān)研究。

收稿日期 2023-01-08