2024年春季河西走廊一次強沙塵暴天氣成因及沙塵傳輸特征分析

摘 要：對2024年春季河西走廊一次強沙塵暴過程的成因和傳輸特征進行分析，結(jié)果表明：前期高溫少雨的氣候條件加劇了下墊面的沙塵化，使得土質(zhì)疏松，地表干土層增厚，為沙塵暴提供了較豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。在“階梯槽”的高空環(huán)流背景下，造成了不穩(wěn)定層結(jié)，低層強的大氣斜壓性和強西北風(fēng)急流及地面冷高壓與熱低壓之間鋒面過境，為強沙塵暴天氣形成提供了有利的動力和熱力條件。此次過程受當(dāng)?shù)厣硥m和外來輸入性沙塵共同影響，沙塵以細小顆粒物為主。過程的傳輸路徑為偏西偏北路徑，經(jīng)新疆、內(nèi)蒙古西部、中部影響河西走廊，古爾班通古特沙漠為主要沙源地，在影響時間段內(nèi)，沙塵隨著西北氣流自西向東傳輸，傳輸過程中由巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠再次補充沙塵源。過程中不斷有沙源的補充，故持續(xù)時間長、強度強。

關(guān)鍵詞：河西走廊春季；強沙塵暴；遙感監(jiān)測；傳輸特征

中圖分類號：P425.55 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

沙塵暴天氣是影響我國北方地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的主要災(zāi)害性天氣，會使得空氣質(zhì)量急劇惡化，能見度降低，給水源地及下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、交通電力、人體健康和生產(chǎn)生活造成重大影響，甚至引發(fā)人員傷亡事故。例如，1993年5月5日河西走廊發(fā)生的特強沙塵暴導(dǎo)致85人死亡、264人受傷、31人失蹤，影響范圍達到100萬km2，牲畜損失12萬頭（只），甚至23萬hm2的耕地因黑風(fēng)暴帶來的沙土掩埋而絕收，造成的直接損失高達7.25億元。沙塵傳輸伴隨的礦物氣溶膠通過與氮氧化物、有機物等污染物排放的相互作用，可加重城市大氣污染程度，導(dǎo)致能見度下降。因此，沙塵的形成與傳輸問題引起了研究者的廣泛關(guān)注[1]。

甘肅河西走廊地處干旱、半干旱的內(nèi)陸地區(qū)，上游有塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠，西與庫姆塔格沙漠接壤，東北部處在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠等的包圍中，甘肅境內(nèi)荒漠化土地嚴重，東西部占60%以上，沙塵源豐富，是我國沙塵暴的高發(fā)區(qū)之一，但目前缺少對該區(qū)沙塵暴天氣過程形成機制、水平傳輸特征，以及激光雷達、遙感等資料在沙塵監(jiān)測中應(yīng)用的研究和探討[2-5]。因此，選取河西走廊地區(qū)2024年春季典型個例，對沙塵暴天氣形成的天氣學(xué)條件、沙塵過程中激光雷達特征、后向軌跡分析及衛(wèi)星沙塵監(jiān)測等進行綜合分析，探討河西走廊地區(qū)沙塵暴的形成、水平傳輸、沉降機制，更好地為預(yù)報服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

河西走廊位于甘肅省西北部，在祁連山以北，合黎山以南，烏鞘嶺以西，甘肅新疆邊界以東，為西北—東南走向的狹長平地。地域上包括甘肅省的河西五市：武威、張掖、金昌、酒泉和嘉峪關(guān)。西部敦煌市與庫木塔格沙漠相連，北部金塔縣與巴丹吉林沙漠接壤，東北部民勤縣被騰格里沙漠所圍。地勢南高北低，其海拔為1 139～3 100 m，年降水量40～410 mm，年蒸發(fā)量

1 500～3 311 mm。氣候干旱少雨，大風(fēng)沙塵暴頻發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

選取2024年3月14—15日河西走廊春季區(qū)域性強沙塵暴過程暴發(fā)前后亞歐范圍內(nèi)MICAPS高空、地面氣象資料，采用天氣學(xué)診斷方法，從沙塵暴水平傳輸路徑、高低空環(huán)流特征入手，對2024年河西走廊春季強沙塵暴的形成及傳輸特征進行診斷分析，為春季強沙塵暴天氣預(yù)報開拓新的思路，以期提高對沙塵重污染天氣機理的認識和沙塵污染天氣的預(yù)報預(yù)警水平，為生態(tài)環(huán)境治理和防災(zāi)減災(zāi)提供決策依據(jù)。以下文字和圖中描述的時間均為北京時間。

2 天氣實況及前期氣候概況

2.1 天氣實況

2024年3月14日16：30～17：12，敦煌出現(xiàn)沙塵暴，

平均最大風(fēng)速達10.2 m/s，瞬間最大風(fēng)速19.1 m/s（7級），最小能見度為900 m；17：41～17：55，瓜州出現(xiàn)沙塵暴，平均最大風(fēng)速達9.5 m/s，瞬間最大風(fēng)速17.9 m/s

（7級），最小能見度為600 m；3月15日04：27～06：25，民勤出現(xiàn)強沙塵暴天氣，平均最大風(fēng)速達11.6 m/s，瞬間最大風(fēng)速19.0 m/s（7級），最小能見度為368 m。河西走廊自西向東沙塵暴強度逐漸增大，持續(xù)時間顯著延長。

2.2 前期氣候狀況

3月5—15日，河西走廊持續(xù)偏暖，較常年平均氣溫偏高1 ℃以上（圖1a），大部地方降水偏少（圖1b），達25%。持續(xù)偏暖的大氣加上降水異常偏少與蒸發(fā)偏強產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，引起土壤快速失墑，土質(zhì)變得極為疏松，使得原本就裸露的地表產(chǎn)生了大量干燥松散的沙礫。一般沙漠地區(qū)的表面沙粒已經(jīng)過沙塵暴天氣無數(shù)次的篩刷，能夠被大氣動力過程遠距離輸送的沙粒并不多。干旱導(dǎo)致的荒漠化地帶細沙塵豐富，是沙塵天氣能夠?qū)崿F(xiàn)起沙的主要源地。為此次起沙及沙塵污染傳輸提供了有利的氣候條件和豐富的物質(zhì)

基礎(chǔ)。

圖1" 3月5—15日河西走廊平均氣溫（a）、降水（b）距平

3 高低空環(huán)流特征對比分析

在2024年3月14日08：00的500 hPa高空圖上（圖2a），中亞范圍內(nèi)為“一槽一脊”型，脊位于烏拉爾山西側(cè)，烏拉爾山高壓脊后有暖平流向脊區(qū)輸送，脊的經(jīng)向度加大，高壓脊前西北風(fēng)風(fēng)速加大，形成了西北風(fēng)急流（最大風(fēng)速達34 m/s），引導(dǎo)極地冷空氣快速南下補充至位于巴爾喀什湖西北部附近的低壓槽處，低壓槽發(fā)展，冷空氣堆積，形成了-44 ℃的冷溫度中心，槽前新疆東部到河西走廊形成階梯槽形勢，有明顯的冷平流輸送。3月14日20：00 500 hPa（圖2b），巴爾喀什湖西北部附近的低壓槽略東移南壓，低壓槽底部形成了西北風(fēng)中空急流，最大風(fēng)速≥24 m/s，河西走廊東部地區(qū)存在短波槽，槽前無西南暖濕氣流，過程干冷，不伴隨降水天氣。

a.08：00 500 hPa；b.20：00 500 hPa；c.08：00 700 hPa；d.20：00 700 hPa

圖2" 2024年3月14日08：00、20：00環(huán)流場

3月14日08：00的700 hPa高空圖上（圖2c），巴爾喀

什湖西北部附近有低壓槽，伴隨-32 ℃冷中心，系統(tǒng)深厚，冷空氣強度強，等溫線與等壓線交角接近90°。

大氣具有強斜壓性，河西走廊地區(qū)有熱低壓盤踞，伴隨4 ℃的暖中心，加大了高空鋒區(qū)的強度，形成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于沙塵天氣暴發(fā)。3月14日20：00 700 hPa（圖2d），巴爾喀什湖西北部附近有低壓槽快速東移南壓，槽底部形成一條中心強度達

16 m/s的強西北風(fēng)低空急流，青?！游髯呃葻岬蛪杭訌?，暖中心增強至12 ℃，高空鋒區(qū)強度增強，層結(jié)更不穩(wěn)定，河西走廊西部3月14日下午至傍晚出現(xiàn)沙塵暴天氣。

4 激光雷達特征參量

此次沙塵過程由于沙塵粒徑較小，因此在355 nm波長上的特征比532 nm波長明顯。沙塵天氣持續(xù)時間較長，即3月15日00：00～12：00。3月15日00：00～03：00，

沙塵粒子集中在0～2 km的高度，主要為本地沙塵在強烈的上升運動作用下抬升至空中，PM10濃度升高至

1 958 μg/m3。03：00～06：00，沙塵粒子集中在5～9 km，5～9 km退偏振比小于0.2，以外來輸入的細小顆粒物為主。06：00～09：00，伴隨下沉運動的增強，空中沙塵向下擴散至1～3 km。

5 沙塵傳輸特征

5.1 軌跡模擬

以民勤氣象站（103.0886°E，38.6319°N）為起始點，

選擇50、500、1 000 m作為起始高度，采用HYSPLIT模式進行逐6 h后向軌跡模擬，每條軌跡模擬時長48 h。模擬時段為3月14日06：00—15日24：00。

從模擬結(jié)果可以看出，沙塵發(fā)展階段，過程的傳輸路徑為偏西偏北路徑，經(jīng)新疆、內(nèi)蒙古西部、中部影響河西走廊。古爾班通古特沙漠為主要沙源地，影響時間段內(nèi)沙塵隨著西北氣流自西向東傳輸，傳輸過程中由巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠再次補充沙塵源。過程中不斷有沙源的補充，故持續(xù)時間長、強度強。由3月15日08：00風(fēng)向污染圖進一步證實，此次過程以新疆古爾班通古特沙漠為沙源地，由巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠再次補充沙塵源，隨著槽后西北氣流逐漸自西向東傳輸，形成一次沙塵污染傳輸過程，整個甘肅省中西部達到重污染天氣程度。

5.2 FY-4B衛(wèi)星沙塵檢測

FY-4B/AGRI根據(jù)沙塵在各光譜中展示的與云、地表和晴空大氣的獨特差異性，提供了將沙塵和煙塵從云和晴空水體陸地中區(qū)分開的沙塵檢測產(chǎn)品（DSD），能在無云天氣下有效識別沙塵，但無法準確探測到云下沙塵。在3月14—15日沙塵暴過程中，DSD很好地識別出河西走廊地區(qū)出現(xiàn)的沙塵暴天氣，14日14：00，沙塵天氣開始進入河西走廊西部的敦煌地區(qū)，15：00～16：00，酒泉西南部為沙塵區(qū)，沙塵范圍擴大，17：00沙塵開始進入瓜州，瓜州出現(xiàn)沙塵暴天氣，3月14日19：00—15日09：00由于夜間沒有識別出沙塵區(qū)，10：00沙塵進入河西走廊東部地區(qū)。

6 結(jié)論

通過對2024年春季河西走廊一次強沙塵暴過程的成因進行分析，得出河西走廊春季沙塵暴發(fā)生傳輸規(guī)律。

（1）前期高溫少雨的氣候條件加劇了下墊面的沙塵化，使得土質(zhì)疏松，地表干土層增厚，為沙塵暴提供了較豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）在“階梯槽”的高空環(huán)流背景下，形成了不穩(wěn)定層結(jié)，低層強的大氣斜壓性和強西北風(fēng)急流及地面冷高壓和熱低壓之間鋒面過境，為強沙塵暴天氣形成提供了有利的動力和熱力條件。

（3）當(dāng)500 hPa冷中心強度≤-44 ℃、700 hPa冷中心強度≤-32 ℃、500 hPa中空急流≥24 m/s、700 hPa低空急流≥16 m/s時，春季河西走廊中東部有發(fā)生沙塵暴天氣的可能。

（4）此次過程受當(dāng)?shù)厣硥m和外來輸入性沙塵共同影響，沙塵以細小顆粒物為主。過程的傳輸路徑為偏西偏北路徑，經(jīng)新疆、內(nèi)蒙古西部、中部影響河西走廊；古爾班通古特沙漠為主要沙源地，影響時間段內(nèi)沙塵隨著西北氣流自西向東傳輸，傳輸過程中由巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠再次補充沙塵源。過程中不斷有沙源的補充，故持續(xù)時間長、強度強。

參考文獻

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[5] 阿不力米提江·阿布力克木，李娜，趙克明，等.塔里木盆地一次“東灌”沙塵暴大氣邊界層特征[J].沙漠與綠洲氣象，2019，13（5）：55-61.

收稿日期：2024-07-19

作者簡介：趙瑾（1987—），女，甘肅武威人，助理工程師，研究方向為應(yīng)用氣象氣候。#通信作者：張春燕（1990—），女，甘肅白銀人，工程師，研究方向為短期天氣及災(zāi)害性天氣，E-mail：1325086269@qq.com。