霍志麗

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

沙塵是發(fā)生在干旱、半干旱、沙漠及其臨近地區(qū)的危害極大的災(zāi)害性天氣。強風(fēng)攜卷沙粒來襲時，會對農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)、電力、通訊、交通、人民生命財產(chǎn)安全等造成重大的危害。目前，對于沙塵暴的研究主要集中于沙塵冰雹的氣候?qū)W特征、沙塵天氣影響系統(tǒng)特征、沙塵暴發(fā)生發(fā)展的動力機制、沙塵氣溶膠物理化學(xué)特征、人類活動對沙塵影響等諸多方面。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國沙塵的高發(fā)區(qū)，是我國北方主要的沙源地。王汝佛等[1]認(rèn)為大部分沙塵天氣與大氣環(huán)流的短期變化密切相關(guān)，劉景濤[2]等將中國北方引起沙塵暴的天氣系統(tǒng)劃分為冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型及干颮線與冷鋒混合型4種類型，而冷鋒和氣旋型是最為常見的天氣尺度系統(tǒng)，氣旋型沙塵暴主要出現(xiàn)在氣旋冷鋒后部。顧潤源等[3]針對2009年4月23日—24日出現(xiàn)在我國內(nèi)蒙古中西部的一次強沙塵暴天氣過程，分析沙塵暴發(fā)生前后及發(fā)生期間，近地層氣象要素變化及其內(nèi)部熱力、動力結(jié)構(gòu)特征變化，沙塵暴發(fā)生前，大氣層結(jié)是條件不穩(wěn)定的，在沙塵暴過境時，低層大氣層結(jié)是穩(wěn)定的。進(jìn)一步分析其形成機理發(fā)現(xiàn)，降水和溫度則影響著地表環(huán)境與氣候變化，進(jìn)而改變沙源與熱力條件，持續(xù)強勁的風(fēng)力、豐富松散的塵粒及不穩(wěn)定的熱力層結(jié)是沙塵暴產(chǎn)生的3個必要條件[5-7]。

筆者對2021年4月15日—16日內(nèi)蒙古大部分地區(qū)發(fā)生的一次沙塵過程進(jìn)行了分析，利用2021年4月14日—17日全區(qū)119個國家氣象站地面觀測資料、高空觀測資料以及NECP的FNL(1°×1°)逐6 h再分析資料。以期深入揭示此次沙塵過程的氣象要素變化及其動力結(jié)構(gòu)特征。筆者采用的地圖是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2016)2884號的中國地圖(世界地圖)制作。

1 天氣形勢分析

2021年4月15日—17日，內(nèi)蒙古出現(xiàn)了范圍廣、強度強的一次沙塵天氣過程。此次過程共11個盟市的95個國家站出現(xiàn)了沙塵天氣，阿拉善盟、巴彥淖爾市、烏海市、鄂爾多斯市、包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟和赤峰市出現(xiàn)了強沙塵暴，能見度不足300 m，空氣污染嚴(yán)重；通遼市、興安盟出現(xiàn)了揚沙和浮塵天氣(圖1a)。衛(wèi)星云圖上也可以反應(yīng)此次過程沙塵強度大、影響范圍廣(圖1b)。

2021年4月14日20時，高空500 hPa歐亞中高緯地區(qū)表現(xiàn)為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(見圖2)，兩槽位于95°E和135°E，一脊位于115°E，溫度槽落后于高度槽，極地寒冷空氣在新疆北部高壓脊一側(cè)偏北氣流迫使下不斷向南移動，內(nèi)蒙古位于高壓脊底部，偏西氣流控制下。隨著“兩槽一脊”形勢東移南壓，15日08時，位于95°E的高空槽開始影響內(nèi)蒙古。

2021年4月14日20時，700 hPa貝加爾湖至新疆形成閉合低渦(圖略)，內(nèi)蒙古西中部地區(qū)受西北氣流影響。不同于500 hPa溫度場，700 hPa等溫線更密集，內(nèi)蒙古地區(qū)受溫度脊控制，為大范圍強沙塵暴天氣提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。

2021年4月14日地面圖上(見圖1)，內(nèi)蒙古受位于蒙古國的低壓系統(tǒng)控制，低壓中心強度達(dá)872 hPa，冷鋒后部的高壓位于新疆北部地區(qū)。隨著蒙古氣旋的加強東移，15日鋒面系統(tǒng)開始影響內(nèi)蒙古，變壓梯度達(dá)7 hPa。高空槽與地面鋒面之間水平距離較小，斜壓作用不明顯，使得內(nèi)蒙古西中部地區(qū)在垂直方向上收到強烈的下沉運動與上升運動的作用，沙塵天氣出現(xiàn)在冷鋒附近。

(a)2021年4月15日08時 (b)2021年4月16日08時

(c)2021年4月15日08時 (d)2021年4月16日08時

圖2 2021年4月14日21時—15日20時雅布賴站(52575)

2 沙塵觀測特征

2.1 地面氣象要素演變特征

為了進(jìn)一步了解此次沙塵過程，對單站各氣象要素的變化進(jìn)行了分析，選取出現(xiàn)沙塵暴的雅布賴站點作為代表，由于該站點在2021年4月14日20時之前受氣旋控制，氣壓較低，為872.8 hPa。隨著氣旋逐漸東移，該站氣壓逐漸升高至1 016 hPa，沙塵暴趨于結(jié)束后，氣壓又略降。從溫度來看，沙塵暴發(fā)生時，氣溫明顯下降，這是由于西北氣流下的冷平流將蒙古國的冷空氣帶入內(nèi)蒙古西中部地區(qū)。從風(fēng)速來看，風(fēng)速在能見度明顯下降的區(qū)域又突增，在14日22時能見度為1.5 km，此時逐時最大風(fēng)速明顯增大為14 m/s，在15日09時，能見度為2.8 km，逐時最大風(fēng)速明顯增大到11.5 m/s。風(fēng)速的明顯增加，為沙塵暴的發(fā)生和發(fā)展提供了動力條件。在15日16時左右，能見度增大到10 km以上，此時氣溫明顯升高，風(fēng)速明顯下降，氣壓也明顯下降，沙塵暴過程趨于結(jié)束。說明強沙塵過程往往伴隨著風(fēng)速的增加、溫度的降低、氣壓的升高。

2.2 高空探測特征

分析2021年4月15日14時垂直位溫圖可知(見圖3)，500 hPa以下θ和θse與x軸夾角近似為90°，說明此時大氣層結(jié)為絕熱狀態(tài)。同時，可以說明在500 hPa以下是較為深厚的混合層，氣塊在上升過程中減少所需能量，有利于促進(jìn)對流的形成和發(fā)展。從垂直廓線中可知，500 hPa以下相對濕度上垂直方向上較小，水汽含量較少的層結(jié)，有利于沙塵天氣的發(fā)展和維持。4月16日后，θ和θse斜率明顯減小，大氣層結(jié)逐步趨于穩(wěn)定，沙塵暴天氣過程結(jié)束。深厚混合層的存在，對此次沙塵過程的維持和發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

圖3 2021年4月15日14時呼和浩特站高空V-3θ圖

(a)2021年4月15日02時溫度平流(填色，單位：10-5 ℃·s-1)(等值線，單位：℃)

2.3 物理量場分析

進(jìn)一步分析此次過程中溫度平流的變化特點(見圖4a)，在2021年4月14日20時850 hPa溫度平流可知，隨著高空槽東移南壓，西北氣流將蒙古國的冷空氣輸送至內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，在阿拉善盟北部形成了冷平流中心，冷平流中心強度達(dá)-60×10-5℃·s-1。直至4月15日02時850hPa冷平流中心移入內(nèi)蒙古西部地區(qū)，強度很強，且范圍較大，冷平流的入侵在沙塵暴形成過程中起重要作用。

在垂直運動和散度圖上可知(見圖4b)，在14日20時左右，700 hPa以下散度場均為負(fù)值，為輻合上升運動，大值中心達(dá)-2.5×10-6s-1，這與此時低壓控制沙塵區(qū)域有關(guān)，上升運動有利于沙塵在700 hPa以下混合均勻，形成較厚的混合層，不利于沙塵污染物的擴散，有利于沙塵天氣的維持。700 hPa以上為較弱的下沉運動，下沉運動與其下層的上升運動相比較弱，中心強度達(dá)0.5×10-6s-1，較弱的下沉運動不利于混合層中的污染物向更高層擴散。隨著低壓中心逐漸東移南壓，上升運動減弱，800 hPa下層為上升運動，上升運動強度明顯減小至-0.5×10-6s-1，其上層下沉運動明顯增強，為2.5×10-6s-1。此后能見度明顯增加，沙塵天氣趨于結(jié)束，此時上升運動的大值中心明顯減小，高層下沉運動明顯增加。

對垂直速度而言，散度輻合明顯的區(qū)域垂直速度為正值，為上升運動，中心值達(dá)1.0×10-3Pa/s，這與14日20時地面受低壓系統(tǒng)控制相吻合。隨著低壓中心逐漸東移，低壓中心移出42°N和122°E，此時垂直速度為負(fù)值，為下沉運動，下沉運動強度較小，為-0.2×10-3Pa/s。

總之，700 hPa以下的上升運動有利于沙塵污染物在混合層內(nèi)混合均勻，700 hPa以上的下沉運動不利于沙塵污染物向更高層擴散，兩者結(jié)合，有利于沙塵過程的維持。

3 結(jié)束語

利用常規(guī)觀測資料、地面自動站資料、高空資料及NCEP 1°× 1°再分析資料等多源資料對 2021年4月15日—16日發(fā)生在內(nèi)蒙古西中部地區(qū)的一次沙塵天氣過程的成因進(jìn)行分析。得出以下結(jié)論：①此次沙塵過程，高空表現(xiàn)為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，極地寒冷空氣在新疆北部高壓脊一側(cè)偏北氣流迫使下不斷向南移動，內(nèi)蒙古受偏西氣流控制。700 hPa等溫線密集，為大范圍強沙塵暴天氣提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。高空槽與地面鋒面之間水平距離較小，斜壓作用不明顯，使得內(nèi)蒙古西中部地區(qū)在垂直方向上收到強烈的下沉運動與上升運動的作用，沙塵天氣出現(xiàn)在冷鋒附近，冷平流的入侵對沙塵暴的發(fā)生起到了至關(guān)重要的作用。②沙塵暴發(fā)生過程中與逐時氣壓、逐時氣溫、逐時最大風(fēng)速以及大氣能見度具有明顯的波動變化，逐時最大風(fēng)速、氣壓與沙塵暴強度明顯呈正相關(guān)，逐時氣溫、逐時大氣能見度呈明顯負(fù)相關(guān)。③沙塵暴發(fā)生時，大氣層結(jié)為絕熱狀態(tài)，在500 hPa形成較為深厚的混合層，有利于促進(jìn)對流的形成和發(fā)展。水汽含量較少的層結(jié)，有利于沙塵天氣的發(fā)展和維持。④下沉運動與其下層的上升運動相比較弱，較弱的下沉運動不利于混合層中的污染物向更高層擴散，700 hPa以下的上升運動有利于沙塵污染物在混合層內(nèi)混合均勻，700 hPa以上的下沉運動不利于沙塵污染物向更高層擴散，兩者結(jié)合，有利于沙塵過程的維持。