王學強 董慧杰

(1.錫林郭勒盟氣象局,內蒙古 錫林浩特 026000；2.南京信息工程大學，江蘇 南京 210000)

引言

中國將沙塵天氣分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5級。其中，強沙塵暴是指強風將大量沙塵顆粒吹起，使空氣非常渾濁,水平能見度小于500 m的天氣現象[1]。沙塵天氣是中國西北部地區(qū)主要災害性天氣之一，其中沙塵暴，特別是強沙塵暴的危害性極大。隨著氣象業(yè)務現代化和觀測手段的不斷改進，氣象學者對沙塵暴天氣進行了大量的研究，取得了較多的成果[2-6]。仇會民等[7]對塔里木盆地東緣的一次典型區(qū)域性沙塵天氣過程進行分析，并探討其滯空原因及傳輸特征。楊雪艷等[8]對中國東北地區(qū)春季沙塵天氣變化特征及其與大氣環(huán)流變化進行了深入分析。有研究表明[9-12],低空急流的位置及強度可作為沙塵暴強度及沙塵暴發(fā)生和影響區(qū)的預報指標，沙塵暴爆發(fā)區(qū)對應高空低層螺旋度強梯度區(qū)內。程海霞等[13]則認為與沙塵暴相伴隨的高空急流可分為單急流型和雙急流型。有學者對北京及內蒙古地區(qū)的強沙塵天氣過程的微氣象學特征進行了研究，并確定科爾沁沙地臨界起沙的閾值[14-15]。范俊紅等[16]研究了河北省中南部一次沙塵暴的動力條件，3 h變壓中心沿500 hPa急流快速南下，造成局地大風，產生了較強的沙塵天氣。

內蒙古錫林郭勒盟(簡稱錫盟)位于中國北方，與蒙古國接壤，地處111°59′—120°07′E、42°32′—46°41′N，屬北部溫帶大陸性氣候，其主要氣候特點是風大、干旱、寒冷。錫盟地區(qū)頻繁受到沙塵天氣影響，在沙塵天氣的形成過程中，大風為主要動力[17]。錫盟地區(qū)的大風主要分為非對流性大風和對流性大風。非對流性大風主要由天氣尺度系統(tǒng)引起，多發(fā)于冬春季節(jié)，具有明顯的季節(jié)性特征。對流性大風則為中小尺度系統(tǒng)作用下形成的局地性大風，常引發(fā)局地災害，主要出現在夏季[18]。由于突發(fā)性強，對流性大風給預報預警帶來較大的難度。2018年6月11日錫盟地區(qū)出現了一次典型的由強對流風暴造成的局地、短時沙塵天氣。本文將利用多種觀測和再分析資料對這次天氣過程進行分析，為該類型天氣的短時臨近預報提供參考。

1 資料與方法

天氣形勢分析資料為2018年6月11日08：00至12日08：00(北京時間，下同)中國氣象局的常規(guī)地面、高空氣象觀測資料、自動站觀測資料。采用同時段美國國家環(huán)境預報中心(Nationnal Center for Environmental Prediction，NCEP)逐6 h的1°×1°全球再分析資料(Final Operational Global Analysis，FNL),垂直層數為26層，其中26層物理量(溫度、相對濕度、緯向風、經向風、垂直速度)；紅外云圖和雷達回波分別選用中國氣象局國家氣象信息中心下發(fā)的FY-2E在IR1通道上的相當黑體溫度和錫林浩特714天氣雷達監(jiān)測資料。大氣污染物PM2.5、PM10質量濃度資料源于錫林浩特環(huán)境監(jiān)測站。

短時沙塵定義的標準按照2006年最新頒布的《沙塵暴天氣等級》國家標準，沙塵天氣分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴[1]。本文研究的區(qū)域范圍為111°—120°E、41°—47°N；研究時段為2018年6月11日08：00—20：00；短時沙塵發(fā)生的時段為2018年6月11日16：00—18：00，出現的位置位于阿巴嘎旗(115.01°E、44.01°N)、錫林浩特(116.117°E、43.95°N)、錫林浩特環(huán)境監(jiān)測站(位于市區(qū)東南方向，距錫林浩特市區(qū)約9 km處)。

2 結果分析

2.1 天氣實況

2018年6月11日16：00—18：00，受中尺度強對流風暴的影響，阿巴嘎旗(距錫林浩特市90 km)及錫林浩特市先后出現了短時大風、沙塵天氣，最大風速分別為24.2 m·s-1和22.6 m·s-1,最小能見度分別為5966 m和1314 m(錫林浩特觀測站)。短時沙塵發(fā)生時，能見度瞬間下降到不足50 m，對交通及環(huán)境造成極大危害。而在距錫林浩特市周邊的其他區(qū)域未監(jiān)測到沙塵天氣，可見，由中尺度強對流風暴造成的此次沙塵天氣與錫盟地區(qū)常見的由大尺度系統(tǒng)造成的沙塵天氣不同，其主要特點為影響范圍小、局地性強、持續(xù)時間短、影響強度大。

從圖1可知，錫林浩特沙塵天氣發(fā)生前(11日17：00前)，PM10和PM2.5質量濃度分別為0.012—0.028 mg·m-3和0.005—0.008 mg·m-3，平均能見度為49 km。17:20 開始出現揚沙天氣，17:30 能見度達到最小(1.3 km)。沙塵天氣發(fā)生的最強時段分別對應PM10和PM2.5質量濃度較小，而短時沙塵天氣減弱結束時(18:00)PM10和PM2.5有一個明顯的增加，PM10和PM2.5質量濃度分別達到了0.534—1.041 mg·m-3和0.020—0.095 mg·m-3。這與系統(tǒng)性沙塵天氣造成的質量濃度變化不同，此次短時沙塵天氣發(fā)生前和發(fā)生時監(jiān)測到的PM10和PM2.5質量濃度較小，相反，在短時沙塵減弱結束時，PM10和PM2.5質量濃度有一個明顯的躍增。其主要原因是短時間內劇烈的下沉運動使得風力達到最大，地面的沙塵瞬間上揚，能見度下降，由于沙塵天氣局地性較強，環(huán)境監(jiān)測站位于市區(qū)下游，此時還未影響到環(huán)境監(jiān)測站，所以監(jiān)測到的顆粒物濃度非常小。另外PM10和PM2.5質量濃度匯聚增加需要一個過程，而當風力減小時，大顆粒物逐漸降到地表，能見度提升，但是對于PM10以及PM2.5這些能夠在空氣中漂浮的小顆粒物仍能在空氣中持續(xù)漂浮一段時間，此時該時段的平均風速約為6 m·s-1，風向從東北風突變?yōu)槲鞅憋L，吹向下游東南方向的環(huán)境監(jiān)測站，兩個測站距離約為9 km，根據風速的線性外推，PM10向下游傳輸到環(huán)境監(jiān)測站大約需要25—30 min，這與圖1所監(jiān)測數據的時間較為吻合，即從17:30能見度降至最低(1.3 km)，到18:00 PM10質量濃度躍增，時間間隔大約為 30 min。由于懸浮在空中沙塵粒子的傳輸，在短時沙塵結束后使得環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測到的PM2.5和PM10質量濃度有一個明顯的躍增。

圖1 2018年6月11日14：00—21：00錫林浩特市PM10、PM2.5、能見度逐5 min變化

2.2 成因分析

2.2.1 氣候背景

2018年入春以來(3月1日至5月31日)，錫盟西北部及中部地區(qū)(錫林浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、二連浩特市)沙塵天氣明顯增多，平均揚沙日數為14次左右(圖2)，較常年同期值偏多5次。沙塵天氣增多主要由于前期降水量較少，春季回溫較快。2017年冬季錫盟大部地區(qū)積雪深度不足5 cm，截止2018年2月底錫盟中西部地區(qū)基本已無積雪。錫盟地區(qū)為典型草原地貌，前期積雪較少，導致土壤含水量偏低，影響植被返青，從而加大了裸土面積，造成土壤表層結構松散，增大沙塵發(fā)生幾率。其次，2018年春季錫盟地區(qū)平均氣溫為7.7 ℃，較歷年同期偏高3.3 ℃。尤其3月氣溫迅速回升，平均氣溫為0.4 ℃，較歷年偏高5.4 ℃，創(chuàng)下了有氣象記錄以來的同期最高值(圖2)。春季氣溫異常偏高導致沙源地地表解凍較常年偏早，土壤表層土質疏松，在大風條件下，極易發(fā)生沙塵天氣。

圖2 錫盟地區(qū)春季平均揚沙日數和平均氣溫變化曲線

2.2.2 前期環(huán)流形勢

2018年6月11日08：00，500 hPa環(huán)流形勢場(圖3a)顯示在貝加爾湖至蒙古國東部有冷渦存在，錫盟地區(qū)處于蒙古冷渦的東南部。700 hPa環(huán)流形勢場(圖3b)顯示，在錫盟地區(qū)的西北部存在一個高空槽。低層850 hPa風場顯示(圖3c和圖3d)在錫盟地區(qū)西北部存在切變線，低層切變線東移，17：00位于錫林浩特附近地區(qū)。海平面氣壓場(圖略)顯示錫盟地區(qū)處于低壓帶中，且在西北部地區(qū)有地面輻合線，之后，隨著高空系統(tǒng)的東移，低層切變線及地面輻合線不斷向東移動，觸發(fā)并促使對流云團不斷發(fā)展加強。從溫度場上分析，在500 hPa高度上錫盟地區(qū)處在寬廣的溫度槽中；在700 hPa和850 hPa高度上，錫盟地區(qū)受溫度脊控制。高層的溫度槽與低層的溫度脊相疊置，使得錫盟地區(qū)處于上冷下暖的不穩(wěn)定層結中，非常有利于強對流天氣的產生。

黑色等值線為位勢高度場；紅色等值線為溫度場；陰影部分為風速急流區(qū)

6月11日08：00錫林浩特站上空存在對流層超低溫，即400—300 hPa位溫θ、假相當位溫θse及飽和假相當位溫θ*在垂直方向基本無變化，構成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(圖略)。同時在850 hPa和400 hPa附近處三條線出現向左折轉，位溫隨高度減小，說明大氣層結處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)(圖略)。400 hPa以下，θse和θ*相距較遠為干層，尤其是700 hPa附近干層更為明顯，說明水汽條件較差，不利于短時強降水發(fā)生。由T-lnP圖可知(圖略)，低層850 hPa附近存在弱逆溫層，環(huán)境溫度曲線和露點溫度曲線表明，環(huán)境大氣整層較干且中層有明顯的干層。500—700 hPa溫度直減率表明，對流中下層的環(huán)境直減率較大，達到了10 ℃·km-1,接近干絕熱遞減率，有利于雷暴大風的發(fā)展。垂直風切變表明，中低層有明顯的切變，700 hPa以下風隨高度順時針旋轉，說明低層有暖平流。08：00錫林浩特站的對流有效位能值較小，只有3.5 J·kg-1，但下沉對流有效位能值較大，其值為798.1 J·kg-1，這一參數常用來表征下沉氣流強度[19]。同時大風指數為24.1 m·s-1,表明錫林浩特有強的雷暴大風的潛勢。近地面為弱偏南風，700 hPa以上為一致的偏北風，為“順滾流”，高層風速大于低層，風垂直切變較大，非常有利于垂直運動發(fā)展，表明錫林浩特市附近將出現大風天氣。

2.2.3 動力條件

從風場演變過程來看(圖4a)，2018年10日08時300 hPa以上高度以西風為主，300—850 hPa為北風，850 hPa以下的近地面層為西北風。到10日20：00，近地面風場逐漸演變?yōu)槲髂巷L，在垂直方向出現了風切變。11日08：00地面至850 hPa附近風向隨高度出現明顯的順轉，由偏南風轉為西北風，在低空出現明顯垂直風切變，有利于對流性風暴的生成和維持。從錫林浩特逐5 min要素曲線來看(圖4b)，錫林浩特在17：10—17：15，風向由東北風(31°)突轉為偏北風(343°)，隨后在17：20風力增大至22.6 m·s-1。同時地面氣溫從26 ℃驟降至20 ℃，此時錫林浩特的沙塵天氣達到了最強。從逐小時地面自動站分析的流場來看(圖4c和圖4d)，11 日11：00錫盟西北部在風場上出現北風和南風的輻合，說明輻合線后為干冷性質氣團，17：00—18：00地面輻合線位于錫林浩特中部附近，地面冷暖空氣交匯激烈，強天氣也基本發(fā)生在此處。整個過程可以發(fā)現，地面風場的輻合抬升觸發(fā)了強對流天氣，大風天氣發(fā)生在地面輻合線附近。

垂直風切變單位為m·s-1；代表地面輻合線

沿43°N對垂直速度和散度做垂直剖面，11日08：00(圖5a),錫林浩特西部位于114°—115°E范圍,垂直速度存在明顯的正負對偶中心，500 hPa有較強的上升運動中心，700 hPa為一正的大值中心，配合散度來看，500 hPa以下為負散度區(qū)，500 hPa以上為正散度區(qū)，此時錫林浩特(116.2°E)整層處于弱的上升運動區(qū)域當中。從連續(xù)演變看,11日14：00(圖5b)，下層運動在該地區(qū)是不斷加強的,低層的分布強度遠大于高層。11日17：00(圖5c),垂直速度加強，114°—115°E存在一對垂直速度正負對偶中心，并對應有合適的散度場配合，此時錫林浩特整層處于下沉運動區(qū)域當中，配合散度整層均為正散度區(qū)。即位于錫林浩特西部較強的上升運動區(qū)以及高層輻散、低層輻合的散度場,為這次強干對流天氣提供了抬升條件，同時錫林浩特整層處于下沉氣流當中，強烈的下沉氣流為該地區(qū)出現短時沙塵提供了有利的動力條件。

▲為錫林浩特；陰影部分為垂直速度，單位為Pa·s-1；等值線為散度，單位為s-1

從6月11日08：00—20：00錫林浩特渦度平流的垂直時間剖面可知(圖略),850 hPa以上錫林浩特一直處于正渦度平流區(qū)中，850 hPa以下為負渦度平流,從連續(xù)演變看,14：00—20：00，850 hPa以上正渦度平流隨高度明顯增強，正渦度平流中心位于400 hPa附近，中心值為24×10-10s-2,強的正渦度平流帶有助于上升運動的維持和加強，為此次強干對流天氣提供了非常有利的動力抬升條件。

2.2.4 熱力條件

由圖6a中可見，在沙塵天氣發(fā)生前，2018年6月10日20：00的預報場表明，△T為-35 ℃，上下層溫差較大。到11日08：00，由于太陽輻射增溫，△T減少至-31 ℃，但是較10日08：00的-27 ℃仍有-4 ℃的溫差。上下空氣層溫差增大，更加有利于大氣對流不穩(wěn)定的發(fā)生。從溫度平流剖面的連續(xù)演變來看(圖6b)，11日08：00錫林浩特站對流層中高層為冷平流，700 hPa 有一弱的暖平流，11日14：00高層冷平流開始不斷加強，11日20：00，500 hPa的冷平流中心達-2×10-4～-3×10-4℃·s-1,可見中高空冷空氣較強，形成了上冷、下暖的空間配置，存在著有利于強對流發(fā)展的熱力抬升條件。從錫林浩特假相當位溫剖面來看(圖6c)，隨著太陽輻射加強，地面增暖，錫林浩特中低層假相當位溫連續(xù)變化是加強的，從50 ℃增加到55 ℃。從錫林浩特相對濕度剖面來看(圖6d)，高層濕度不斷增加，但低層濕度是減小的，500 hPa相對濕度中心值達到70%，850—700 hPa相對濕度為30%—40%，低層的水汽含量較低，不利于短時強降水的發(fā)生，700 hPa存在明顯的干層，有利于雷暴大風的產生。

氣溫單位為℃；溫度平流單位為℃·s-1；位溫單位為℃；相對濕度單位為%

2.2.5 衛(wèi)星云圖演變

2018年6月11日13:30錫盟大部地區(qū)對流云團發(fā)展強盛(圖7a)，呈橢圓狀，邊界整齊清晰，到14:30對流云團開始影響阿巴嘎旗北部(圖7b)。同時，地面實況表明(圖略)，地面風力開始逐漸增大，15：00—16：00阿巴嘎旗出現短時大風、沙塵天氣。到17:00左右，圖7c和圖7d表明對流云團東移南壓不斷增強，云頂亮溫達到了220 K。錫林浩特處在強對流云團的前沿下沉氣流中，開始出現沙塵天氣，隨著強對流云團的東南移動，到18:00對流云團減弱，錫林浩特沙塵天氣結束。錫林浩特的沙塵天氣從開始到結束整個過程持續(xù)了50 min左右。但是由于紅外云圖僅能觀測到云頂溫度，很難看到對流風暴的內部結構及其演變。

黑色邊界為錫盟行政區(qū)域；時間為北京時間

2.2.6 雷達回波演變

由于紅外云圖的局限性，為了近一步分析此次對流云團內部結構及演變過程，本文將結合雷達回波針對這一現象進行分析。一直以來，天氣雷達應用主要集中在暴雨、雷暴、大風、冰雹等強對流天氣，對沙塵天氣分析應用較少。韓經緯等[20]利用多普勒天氣雷達對2005年4月1日內蒙古發(fā)生的沙塵暴個例進行了分析，結果表明通過多普勒天氣雷達回波可以對沙塵天氣發(fā)生時的天氣系統(tǒng)結構進行分析。

17：23，錫林浩特站714 雷達進行5 min 14 個仰角的體掃。從0.5°到16.9°仰角錫林浩特上空一直都有降水回波，西北部強度較弱，為10—30 dBz，西南部地區(qū)低仰角降水回波較強，為40—55 dBz，隨著仰角的抬高回波減弱。圖8a和圖8b為2.5°仰角和3.4°仰角的反射率因子分布，可見在對流風暴前沿靠近雷達附近有明顯的陣風鋒。對雷達西南部強回波中心做不同時次的RHI掃描(圖8c至圖8e)，發(fā)現整體回波呈柱狀，強回波中心隨時間明顯下移，說明下沉有效位能不斷的釋放。同時，靠近雷達一側在4 km以下出現無降水回波的區(qū)域，這主要由低層沙塵造成的。

圖8 2018年6月11日17:23錫林浩特站714雷達2.5°仰角(a)和3.4°仰角(b)PPI掃描觀測的雷達反射率因子,17:03(c)、17:33(d)、17:36(e)沿圖a中黑色粗線進行RHI掃描的雷達反射率因子

由相對徑向速度可知，在雷達西部存在明顯的徑向輻合(圖9a和圖9b)。從相對徑向度剖面更清楚的看出(圖9c)，在4 km高度處存在明顯的中層徑向輻合。由此可知，雷達產品中的下沉氣流造成對流風暴前沿的陣風鋒及中層徑向輻合是此次地面大風、沙塵天氣出現的明顯特征。

圖9 2018年6月11日17：23錫林浩特站714雷達在2.5°仰角(a)和3.4°仰角(b)PPI掃描下相對徑向速度、沿圖a中黑色粗線進行RHI掃描的相對徑向速度(c)

3 結論

(1)2017 年冬季降雪較少，2018 年春季氣溫迅速回升，導致前期積雪較少，春季解凍較早，土壤表層土質疏松，為2018年6月11日短時沙塵天氣提供了有利的前期氣候背景。從天氣形勢來看，此次沙塵天氣主要在高空冷渦環(huán)流背景下，由低層切變觸發(fā)的干對流風暴造成的。上冷下暖的大氣層結為對流風暴提供了非常有利的環(huán)境條件。對流云團發(fā)展旺盛，外流邊界強下沉氣流造成的大風為此次短時沙塵天氣提供較好的動力條件。

(2)此次短時沙塵天氣主要發(fā)生在地面風向突變、氣溫下降、風速瞬間加大的時段。衛(wèi)星云圖顯示錫林浩特地區(qū)此次沙塵天氣主要受強對流云團影響，當處在強對流云團的前沿下沉氣流中時，出現沙塵天氣。隨著強對流云團減弱并向東南方向移動時，沙塵天氣結束。在沙塵發(fā)生時，雷達回波前沿出現陣風鋒，徑向速度PPI掃描和RHI掃描中出現徑向輻合和中層徑向輻合。

(3)局地沙塵發(fā)生前,動力、熱力條件有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展,高低層輻散輻合、較強的上升運動及干燥的中層大氣和下墊面,是局地沙塵天氣產生的主要原因。