一次沙塵暴過(guò)程中的地面感熱通量分析

袁國(guó)波，李玫潔

(包頭市氣象局，內(nèi)蒙古包頭 014030)

沙塵暴的形成需要三個(gè)基本條件，即沙源條件、不穩(wěn)定層結(jié)條件和地面大風(fēng)條件[1-2]。在沙源充足的地區(qū)，若低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定，受到擾動(dòng)后就會(huì)形成上升運(yùn)動(dòng)，從而把沙塵卷?yè)P(yáng)到空中。有研究指出，源于內(nèi)蒙古中西部沙塵的傳輸高度在近地面層附近(900 hPa以下)[3]。因此，與發(fā)生在整個(gè)對(duì)流層中的降水天氣不同，沙塵暴主要發(fā)生在行星邊界層中，不需要貫穿整個(gè)對(duì)流層的上升氣流；只要上升氣流把沙塵卷?yè)P(yáng)到一定高度，就可能形成沙塵暴。

在內(nèi)蒙古中西部的冬春季節(jié)，由于地表裸露，地面熱容量小，當(dāng)太陽(yáng)輻射較為強(qiáng)烈時(shí)，地表升溫很快并加熱近地層大氣，容易形成熱對(duì)流。這種熱對(duì)流的形成與地面的熱狀態(tài)有著密切聯(lián)系。地面的熱狀態(tài)可以用地面熱通量來(lái)描述。地面熱通量包括感熱通量和潛熱通量。根據(jù)計(jì)算，在我國(guó)北方沙塵暴過(guò)程中，潛熱通量?jī)H相當(dāng)于感熱通量的1/20，因此感熱通量起著決定性作用[4]。關(guān)于地面熱狀態(tài)與沙塵暴的關(guān)系,已經(jīng)有一些研究成果，涉及地表熱通量、輻射強(qiáng)迫、地溫場(chǎng)、地面加熱等諸多方面[5-9]。其中孫軍等[5]通過(guò)數(shù)值模擬方式分析了地面熱通量對(duì)沙塵暴的影響，王勁松等[8]利用NCEP資料對(duì)中國(guó)典型沙塵暴過(guò)程中的地面感熱加熱和潛熱加熱的分布特征進(jìn)行了分析，姜學(xué)恭等[9]則模擬了地面加熱在沙塵暴過(guò)程中的作用。目前，對(duì)于地面感熱通量在沙塵暴過(guò)程中的作用，多是利用再分析資料或數(shù)值模擬方法來(lái)分析，而利用實(shí)測(cè)資料來(lái)研究沙塵暴過(guò)程中地面感熱通量變化特征的文獻(xiàn)尚不多見(jiàn)。本文參考以上研究成果，從實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，對(duì)一次沙塵暴過(guò)程中的地面感熱通量進(jìn)行分析，以期揭示地面感熱通量與沙塵暴之間的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

所用的數(shù)據(jù)為2016年3月3—5日內(nèi)蒙古各氣象觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括水平能見(jiàn)度、地面風(fēng)速、地表面溫度和地面氣溫，時(shí)間間隔為1 h。這些數(shù)據(jù)均來(lái)自MICAPS。

1.2 沙塵暴的確定

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20480—2006)，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)將地面塵沙吹起，使某個(gè)測(cè)站空氣十分混濁，水平能見(jiàn)度≤1 km時(shí)，即認(rèn)為該測(cè)站出現(xiàn)了沙塵暴；當(dāng)水平能見(jiàn)度≤500 m時(shí)，稱為強(qiáng)沙塵暴；當(dāng)水平能見(jiàn)度≤50 m時(shí)稱為特強(qiáng)沙塵暴。

1.3 研究方法

根據(jù)李彰俊等的研究，某個(gè)測(cè)站的地面感熱通量可用下式計(jì)算[4]：

F=1.72v(Tw-Ta)

其中F為地面感熱通量(單位為W/m2)，v為地面風(fēng)速(單位為m/s)，Tw為地表溫度(單位為℃)，Ta為地面氣溫(單位為℃)。

利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出地面感熱通量，繪制水平能見(jiàn)度與地面感熱通量的逐小時(shí)變化曲線，分析地面感熱通量在沙塵暴發(fā)生前、中、后各階段的變化特征。考慮到地面感熱通量的日變化，選取3個(gè)測(cè)站進(jìn)行研究，這3個(gè)測(cè)站出現(xiàn)沙塵暴的時(shí)段分別在夜間、上午和下午。

2 天氣過(guò)程概述

2016年3月3—5日,我國(guó)北方地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍的沙塵暴天氣，影響范圍波及新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西、山西、吉林和黑龍江，強(qiáng)沙塵暴主要出現(xiàn)在在內(nèi)蒙古中西部沿國(guó)境線一帶。在內(nèi)蒙古，有76個(gè)氣象站先后出現(xiàn)了沙塵暴，其它大部分測(cè)站也出現(xiàn)了揚(yáng)沙或浮塵天氣，最低水平能見(jiàn)度為0 km(表1)。沙塵暴于3月3日18時(shí)進(jìn)入內(nèi)蒙古，并于3月5日11時(shí)結(jié)束。

表1 2016-03-03—05內(nèi)蒙古部分測(cè)站最小水平能見(jiàn)度

3 地面感熱通量變化特征

在內(nèi)蒙古中西部沿國(guó)境線選取3個(gè)測(cè)站，從西到東依次為拐子湖(52378)、滿都拉(53149)、二連浩特(53068)。下面分別對(duì)這3個(gè)測(cè)站的地面感熱通量在沙塵暴過(guò)程中的變化情況進(jìn)行分析。

3.1 拐子湖

拐子湖出現(xiàn)沙塵暴的時(shí)間是2016年3月3 日傍晚至4日凌晨，即主要出現(xiàn)時(shí)段在夜間。具體時(shí)間是3月3日18時(shí)至4日03時(shí)，最強(qiáng)時(shí)段為3日23時(shí)至4日02時(shí)，最小能見(jiàn)度0.5 km。圖1是2016年3月3日08時(shí)至5日08時(shí)拐子湖地面感熱通量及水平能見(jiàn)度的逐小時(shí)變化曲線(為了突出反映沙塵暴發(fā)生階段地面感熱通量的變化情況，也為了方便作圖，當(dāng)水平能見(jiàn)度超過(guò)2 km時(shí)一律取為2 km；當(dāng)?shù)孛娓袩嵬砍^(guò)±100 W/m2時(shí)一律取為±100 W/m2，下同)。

從圖1可以看出，不論是3日08時(shí)至4日08時(shí)，還是4日08時(shí)至5日08時(shí)，地面感熱通量的日變化曲線都呈現(xiàn)一波型，波峰出現(xiàn)在白天(4日13—16時(shí))，波谷出現(xiàn)在夜間(5日03時(shí)—07時(shí))，且波峰的振幅比波谷的振幅大得多。白天，在有光照的時(shí)段(4日09—18時(shí))，地面感熱通量為正值，即地面凈得到熱量。夜間，在沒(méi)有沙塵暴的情況下(4日04—08時(shí)及4日19時(shí)—5日08時(shí))，地面感熱通量為負(fù)值，即地面凈失去熱量；在發(fā)生沙塵暴的時(shí)段內(nèi)(3日20時(shí)—4日03時(shí))，地面感熱通量為正值。這一方面表明熱的下墊面有利于沙塵暴的加強(qiáng)；另一方面也表明沙塵暴對(duì)地面輻射具有遮擋作用，減弱了地面熱量的損失，使其保持比通常情況下更熱的狀態(tài)，加熱近地面層的空氣，從而更有利于沙塵暴自身的發(fā)展，這可以稱為沙塵暴的正反饋?zhàn)饔谩?/p>

圖1 2016-03-03T08—05T08內(nèi)蒙古拐子湖站地面感熱通量及水平能見(jiàn)度

3.2 滿都拉

滿都拉出現(xiàn)沙塵暴的時(shí)間是2016年3月4 日早晨至午后，即主要出現(xiàn)時(shí)段在上午。具體時(shí)間為3月4日06—16時(shí)，最強(qiáng)時(shí)段為10—13時(shí)，最小能見(jiàn)度為0.4 km。圖2是2016年3月3日08時(shí)至5日08時(shí)滿都拉地面感熱通量及水平能見(jiàn)度的逐小時(shí)變化曲線。

圖2 2016-03-03T08—05T08內(nèi)蒙古滿都拉站地面感熱通量及水平能見(jiàn)度

從圖2可以看出，地面感熱通量的日變化曲線呈現(xiàn)一波型，白天為正值，夜間為負(fù)值。這與通常情況下地面接收的太陽(yáng)輻射的日變化具有相當(dāng)?shù)囊恢滦浴０滋?，在有光照時(shí)段(3日09—18時(shí)及4日09—18時(shí))，地面感熱通量均為正值，即地面凈得到熱量；在沙塵暴發(fā)生時(shí)段(4日09—16時(shí))內(nèi)，地面感熱通量雖然是正值，但其量值比拐子湖的要小得多。這說(shuō)明沙塵暴阻礙了地面獲得太陽(yáng)輻射能，使得地面溫度比通常狀況下要低一些，加熱近地層空氣的能力降低。不利于沙塵暴自身的發(fā)展，可以稱之為沙塵暴的負(fù)反饋?zhàn)饔?。夜間，在沒(méi)有沙塵暴的情況下，地面感熱通量是負(fù)值，地面凈失去熱量，這與拐子湖的地面感熱通量變化特征一致。

3.3 二連浩特

二連浩特出現(xiàn)沙塵暴的時(shí)間是2016年3月4 日午前至傍晚，即主要出現(xiàn)時(shí)段在下午。具體時(shí)間是3月4日09—21時(shí)，最強(qiáng)時(shí)段為14—20時(shí)，最小能見(jiàn)度為0 km。圖3是2016年3月3日08時(shí)—5日08時(shí)二連浩特地面感熱通量及水平能見(jiàn)度的逐小時(shí)變化曲線。

圖3 2016-03-03T08—05T08內(nèi)蒙古二連浩特站地面感熱通量及水平能見(jiàn)度

從圖3可以看出，地面感熱通量的日變化曲線也呈現(xiàn)波型，白天為正值，夜間為負(fù)值，但其波動(dòng)的振幅比拐子湖和滿都拉小得多。白天，在強(qiáng)沙塵暴發(fā)生時(shí)段(4日14—20時(shí))，地面感熱通量被顯著消弱，雖然是正值，但其數(shù)值變化較小，平均不足30 W/m2。這說(shuō)明沙塵暴強(qiáng)度越強(qiáng)，其對(duì)地面獲得太陽(yáng)輻射能的阻礙作用越強(qiáng)。

4 小結(jié)

通過(guò)以上分析可以看到，在此次沙塵暴過(guò)程中，地面感熱通量的變化具有以下特征。

(1)地面感熱通量的日變化曲線呈現(xiàn)一波型，波峰出現(xiàn)在白天太陽(yáng)輻射最強(qiáng)時(shí)段，波谷出現(xiàn)在夜間地面輻射最強(qiáng)時(shí)段，且波峰的振幅比波谷的振幅大得多。

(2)在沒(méi)有沙塵暴影響的情況下，白天地面感熱通量是正值，即地面凈得到熱量；夜間地面感熱通量是負(fù)值，即地面凈失去熱量。

(3)發(fā)生在夜間的沙塵暴具有正反饋?zhàn)饔?，阻礙地面輻射，減弱地面熱量的損失，致使地面感熱通量大于零；發(fā)生在白天的沙塵暴具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，阻礙太陽(yáng)輻射，顯著消弱地面感熱通量。