2019 年5 月11 日寧夏一次大風沙塵天氣成因分析

劉鵬兵，田 鳳，肖云清，楊 苑

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏氣象臺，寧夏 銀川 750002；4.石嘴山市氣象局，寧夏 石嘴山 753000；5.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750001；6.中衛(wèi)市氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000）

寧夏地處黃土高原西北部邊緣，境內(nèi)地表侵蝕嚴重，其東、西、北三面均與沙漠毗鄰，加上特殊的地理、地貌條件，每年春季都會有較強沙塵暴天氣[1]。風沙是春季嚴重的災害性天氣之一，由于沙塵暴天氣來勢兇猛，會給農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)、電力、通信、交通和人民生命財產(chǎn)等造成嚴重的危害。自20 世紀以來，我國氣象工作者就對沙塵暴天氣開展了大量的研究，并在沙塵暴的天氣氣候特征[2—4]、環(huán)流背景特征[5—6]、沙塵暴的形成機制[7—8]、中尺度系統(tǒng)特征分析[9]等方面取得了豐碩的成果。寧夏氣象工作者對寧夏及周邊地區(qū)沙塵暴天氣的研究也取得了一系列的進展，對寧夏強沙塵暴天氣影響系統(tǒng)發(fā)生演變、移動路徑及與之對應的風暴時空分布特征以及不同下墊面、天氣條件下的強沙塵暴的成災規(guī)律和機理有了新的認識[10]，對中北部沙塵多發(fā)區(qū)和關鍵區(qū)的生態(tài)退化、土地荒漠化與強沙塵暴間的相互關系及其時空特征的研究取得了一些進展[11—13]。陳豫英等［14—17］通過研究近年來3 次不同強度沙塵天氣的熱力動力條件指出，地面感熱、鋒生函數(shù)、變壓風、水平螺旋度、高低空急流的耦合等要素的強度及演變特征是寧夏大風沙塵天氣預報預警的重要指標。

除了使用了常規(guī)觀測資料或再分析資料對沙塵暴天氣過程進行分析以外，隨著氣象衛(wèi)星的應用，衛(wèi)星遙感成為大范圍監(jiān)測沙塵分布和沙塵強度的理想手段之一[18—21]。新一代靜止氣象衛(wèi)星在沙塵監(jiān)測方面展現(xiàn)出了巨大潛力，并有利于沙塵天氣的云圖目視解釋[22]。但近年來，寧夏氣象工作者利用衛(wèi)星云圖對沙塵天氣進行監(jiān)測與解讀得比較少。因此，本文在已有研究基礎上，對發(fā)生在2019 年春季的一次大風沙塵天氣進行分析，并利用葵花8 衛(wèi)星對沙塵天氣在衛(wèi)星云圖紅外及可見光圖像上的特征進行分析，以期為寧夏沙塵天氣的預報預警提供新的思路和技術支撐。

1 天氣實況

2019 年5 月11 日夜間，寧夏全區(qū)大部自北向南出現(xiàn)了一次沙塵天氣過程（夜間自動觀測，多數(shù)站記為霾，實為沙塵）。根據(jù)水平能見度觀測，全區(qū)25個國家站（除賀蘭山、六盤山站）中有18 個站出現(xiàn)沙塵暴，最低能見度出現(xiàn)在陶樂站，僅572 m；全區(qū)大部出現(xiàn)7～9 級陣風，國家站最大風速26.3 m/s，達9級，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)站更是出現(xiàn)了12 級（銀川西夏區(qū)循環(huán)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地站38 m/s，）的陣風（表1）。過程后氣溫明顯下降，寧夏大部出現(xiàn)霜凍天氣。

表1 2019 年5 月11 日08：00—12 日08：00 寧夏各站極大風速與沙塵天氣情況統(tǒng)計

該次大風沙塵天氣過程具有以下特點：①影響范圍大。沙塵天氣自新疆東部、內(nèi)蒙古、甘肅西部直到河套地區(qū)，就寧夏區(qū)內(nèi)而言，不僅北部各站出現(xiàn)了沙塵天氣，連較少出現(xiàn)沙塵天氣的南部山區(qū)，也出現(xiàn)了沙塵天氣，海原、西吉則出現(xiàn)沙塵暴。②影響時間長。5 月11 日白天，從甘肅、內(nèi)蒙古西部開始，直到12 日白天影響到陜西、甘肅東部等地，整個過程持續(xù)影響時間在2 d 左右，持續(xù)影響寧夏的時間從5月11 日整個夜間到12 日上午，達12 h 左右。③過程強度大。國家站最大陣風達9 級，自動站最大風力達12 級，有18 個站出現(xiàn)沙塵暴，最低能見度572 m。

該次大風沙塵天氣過程造成溫棚受損，電線桿被刮倒，大樹被風吹倒，桃樹、蘋果、葡萄等經(jīng)濟林果花和幼果被風刮掉，隨后的降溫使多地的蔬菜、林果及其他經(jīng)濟作物遭受了較嚴重的凍害。據(jù)不完全統(tǒng)計，該次大風過程使1 600 余棟溫棚受損，2 000 hm2的農(nóng)作物遭受凍害，造成直接經(jīng)濟損失約2 000 萬元。其中，銀川市受災人口2 300 人，市區(qū)內(nèi)共有136棵樹被風吹倒，賀蘭縣洪廣鎮(zhèn)2 根電線桿被刮倒，受災露地菜苗、玉米、水稻等約300 hm2。

2 影響系統(tǒng)分析

2.1 高空影響系統(tǒng)

過程發(fā)生前，5 月10 日20：00，歐亞中高緯度為兩脊一槽，自蒙古國到西伯利亞為一大的低壓槽區(qū)，烏拉爾山和亞洲東部鄂霍次克海地區(qū)各有一高壓脊，脊中有暖平流使得脊不斷發(fā)展，脊線伸至70°N，環(huán)流經(jīng)向度大，冷空氣沿烏山脊前強的偏北氣流南下在新疆東北部、蒙古西部地區(qū)堆積，冷中心最低達-36℃。

到5 月11 日08：00（圖1），在強的經(jīng)向環(huán)流中有弱的短波槽脊發(fā)展，蒙古國西部有東北、西南向的橫槽，槽后有東西向的弱脊，脊前槽后地區(qū)出現(xiàn)暖平流，而槽前等高線呈疏散結構，有較強的正渦度平流，槽前東南方（新疆東部）出現(xiàn)24 h 負變高，橫槽即將轉豎，引導冷空氣東移南下。

圖1 5 月11 日08：00 500 hPa 形勢圖

高空急流也是該次過程中重要的高空影響系統(tǒng)。高空急流的分析容易出現(xiàn)按照天氣學原理用高空急流定義的風速值直接分析的機械教條問題。由于在極地氣團與副熱帶氣團之間存在一條環(huán)繞全球的極鋒急流區(qū)，因此這種分析方法容易只看見行星尺度的極鋒急流，而不易區(qū)分對天氣尺度系統(tǒng)發(fā)展起真正作用的天氣尺度乃至中尺度急流系統(tǒng)，對高空系統(tǒng)如何與地面系統(tǒng)相互作用，以及如何發(fā)展無法分析清楚。

從天氣學分析來看，分析急流更應該分析急流中的急流核部分，即急流中的擾動。這種天氣尺度的急流才是真正與地面氣旋系統(tǒng)發(fā)展相伴隨的高空系統(tǒng)。從急流演變來看，5 月10 日20：00，高空急流在新疆東部槽區(qū)的后部，到11 日08：00，急流核超越高空槽，移至高空槽前區(qū)域，由于急流入口區(qū)右側存在明顯的偏差風輻散，因此有利于上升運動的發(fā)展，同時高空槽前等高線呈疏散結構，有明顯的正渦度平流，從而引起低層的上升運動，高空急流入口區(qū)右側疊加在高空槽前正渦度平流區(qū)，地面氣旋開始獲得明顯的發(fā)展。到5 月11 日20：00，高空急流伴隨高空槽快速東移，引導冷空氣東移影響河套地區(qū)。

2.2 地面影響系統(tǒng)

2019 年5 月11 日08：00，地面圖上新疆東北部到蒙古國地區(qū)有一強大的冷高壓，中心最強1 040 hPa，低槽引導擴散冷空氣自阿爾泰山東側山口南下，并沿內(nèi)蒙古西部、甘肅河西地區(qū)自西北路徑東移南下，過程中冷鋒強度不斷增強。到20：00，氣壓梯度增至15 hPa/5 個經(jīng)距。需要注意，在冷鋒的分析中，地面天氣分析中44 區(qū)即蒙古高原地區(qū)海平面氣壓虛高，11：00 和14：00 地面氣壓場呈東西走向并在中蒙西部邊境處向南凸出。一般情況分析地面鋒面按照氣壓場形式將冷鋒定為東西向，自北向南移動的，但該次過程的天氣尺度冷鋒需結合云圖更準確地判斷冷鋒的位置。圖2 是結合衛(wèi)星云圖和地面冷高壓的位置，依經(jīng)驗和實際要素分析確定。

圖2 5 月11 日白天冷鋒路徑圖

3 沙塵成因分析

3.1 沙源條件

寧夏西部有騰格里沙漠，西北部有烏蘭布和沙漠，內(nèi)蒙古西部還有巴丹吉林沙漠，上游地區(qū)有非常豐富的沙源地；同時，春季西北地區(qū)干旱少雨，氣溫回升，但植被尚未完全生長，地表解凍后裸露，浮土較多，容易遇風起沙。

3.2 大風條件（起沙機制）

500 hPa，歐亞中高緯度為兩脊一槽，自蒙古國到西伯利亞為一大的低壓槽區(qū)，烏拉爾山和亞洲東部鄂霍次克海地區(qū)各有一高壓脊，脊中有暖平流使得脊不斷發(fā)展，脊線伸至70°N，環(huán)流經(jīng)向度大，冷空氣沿烏山脊前強的偏北氣流南下，在新疆東北部、蒙古國西部地區(qū)堆積，冷中心最低達-36℃。

在強的經(jīng)向環(huán)流中有弱的短波槽脊發(fā)展，5 月11 日08：00，蒙古國西部有東北、西南向的橫槽，槽后有東西向的弱脊，脊前槽后地區(qū)出現(xiàn)暖平流，而槽前等高線呈疏散結構，有較強的正渦度平流，槽前東南方（新疆東部）出現(xiàn)24 h 負變高，橫槽即將轉豎，引導冷空氣東移南下。

地面新疆東北部到蒙古國地區(qū)有一強大的冷高壓，中心最強1 040 hPa。5 月11 日08：00，低槽引導擴散冷空氣自阿爾泰山東側山口南下，并沿內(nèi)蒙古西部、甘肅河西地區(qū)自西北路徑東移南下，過程中冷鋒強度不斷增強；到20：00，氣壓梯度增至15 hPa/5個經(jīng)距，有較強的氣壓梯度風（圖2）。

隨著系統(tǒng)發(fā)展，700～850 hPa 等溫線更加密集，溫度梯度達20℃/10 個經(jīng)距，鋒區(qū)后部為較強的西北風，700 hPa 最大風速為24 m/s，850 hPa 最大風速為18 m/s，且風向與等溫線近乎垂直，有較強的冷平流。同時，鋒區(qū)前為西南風，暖平流較強。冷暖平流有利于斜壓鋒生，而隨著斜壓鋒生，鋒面次級環(huán)流加強，暖空氣加速上升，冷空氣加速下沉，環(huán)流加速度使得鋒后風速加大。5 月11 日20：00 700 hPa 溫度場與風場分布圖見圖3。

圖3 5 月11 日20：00 700 hPa 溫度場與風場分布圖

隨著冷空氣的不斷增強，冷鋒后3 h 正變壓加大（圖4），同時由于鋒前暖平流以及白天荒漠地貌輻射增溫明顯，3 h 負變壓明顯，冷鋒前后形成大的變壓梯度，變壓風加大風力。

圖4 5 月11 日20：00 3 h 變壓場分布圖（單位：hPa）

綜合以上分析，在高空槽及地面蒙古氣旋的影響下，氣壓梯度風、變壓風及鋒面次級環(huán)流下動量下傳風等共同作用形成了此次的大風天氣，并為沙塵的揚起提供了動力條件。

3.3 層結條件

沙塵天氣是大風將地面的沙塵卷起并輸送到空中而形成的。因此沙塵天氣發(fā)生時，還要求有一定的層結條件。如果層結穩(wěn)定，不利于上升運動發(fā)展，那就不利于沙塵向空中的輸送，進而不利于沙塵天氣的形成。

由分析可知，在5 月11 日白天鋒區(qū)東移南下的過程中，鋒區(qū)前部有較強的暖平流，而鋒前暖平流使地面有顯著的減壓升溫，有利于氣旋的形成與發(fā)展。同時，5 月11 日白天鋒前天氣晴好，在太陽輻射下西北荒漠地貌增溫顯著，有利于近地層不穩(wěn)定層結的形成。5 月11 日20：00 銀川地區(qū)850 hPa 與700 hPa溫差為16℃，與500 hPa 溫差為39℃，層結處于強的不穩(wěn)定中。由圖5 可知，從地面到600 hPa，層結溫度遞減率幾乎等于干絕熱遞減率，從低到高均處于超絕熱層結中，不穩(wěn)定層結有利于起沙。大風揚起沙塵后，沙塵幾乎可不受阻力的上升到空中，有利于沙塵天氣的形成。

圖5 5 月11 日20：00 銀川站T-ln P 圖與垂直位溫圖

3.4 沙塵的自反饋作用

5 月11 日白天，甘肅河西、內(nèi)蒙古西部地區(qū)冷鋒在東移過程中云系不斷增加，同時冷鋒后部已經(jīng)有大面積的沙塵區(qū)，冷鋒云系以及沙塵區(qū)遮擋了冷鋒后部的太陽輻射，使得冷鋒后部輻射增溫緩慢，而冷鋒前部地面輻射增溫明顯，兩者的相互作用有利于冷空氣或冷鋒強度的維持或加強，進而有利于沙塵天氣的加強與維持。

4 動力條件分析

利用NCER/NCAR 1°×1°逐6 h 再分析資料，分析了各層的渦度、散度及垂直速度場，以及陶樂、銀川、吳忠、海原4 站渦度、散度和垂直速度的垂直-時間剖面，總結其與極大風速的對應關系。

4.1 渦度場分析

700 hPa 渦度場（圖略）與高度場配合有較好的對應關系，寧夏北偏東位置為強正渦度中心區(qū)，對應高度場上的槽區(qū)即蒙古氣旋的中心。新疆到河西直到河套地區(qū)存在負渦度區(qū)及強的渦度梯度帶。大風沙塵則出現(xiàn)在渦度梯度最大值區(qū)域的靠暖區(qū)一側。

由陶樂、銀川、吳忠、海原4 站渦度場垂直剖面時間序列圖（圖6）可以看到，在寧夏北部，過程中對流層中低層渦度變化呈先負后正的特征。陶樂、銀川2 站5 月11 日夜間負渦度最大可達-6×10-5s-1，到12日08：00 左右，正渦度最大達8×10-5s-1，渦度梯度最大的高度主要位于800～400 hPa，強的大風與沙塵天氣出現(xiàn)在負渦度最大、渦度梯度最大區(qū)的前部。當700～500 hPa 之間轉為正渦度時（12 日08：00），風力與能見度均開始好轉。吳忠與海原站過程期間則主要受負渦度的影響，海原站尤其明顯。由于其位置偏南，過程期間對流層低層均為負渦度，其大風、沙塵的主要時段也主要在其負渦度最大及其渦度梯度最大區(qū)。

圖6 渦度場垂直剖面時間序列圖（世界時）

4.2 散度與垂直速度場分析

5 月11 日20：00，散度場寧夏北部川區(qū)在850～700 hPa 中流層低層為負值區(qū)，中心最大值為-3×10-5s-1，為輻合區(qū)，有利于上升運動發(fā)展和沙塵的揚起。隨著冷鋒的南下，輻合區(qū)逐漸向東南方向移動，到12 日08：00，700 hPa 輻合中心已位于陜西中部到寧夏南部一帶，寧夏大部地區(qū)轉為輻散區(qū)。從各站散度場時間剖面圖上看，冷鋒來臨時，陶樂、銀川站均有對流層低層輻合，中高層輻散的垂直結構，且隨著時間演變，低層輻合中心的高度沿鋒面在逐漸地抬升，并在對流層中層600～500 hPa 之間輻散。吳忠與海原站鋒區(qū)影響過程中在近地層附近以輻散為主，到一定高度后轉以輻合為主，可能因為該次過程氣旋中心偏北，偏南的各站位于鋒區(qū)變形場膨脹軸南端，同時受地形影響，低層流場以輻散為主。

由散度場垂直剖面時間序列圖（圖7）也可以看到，隨著鋒區(qū)的過境，陶樂、銀川、吳忠各站從近地層到500 hPa 為與鋒區(qū)輻合中心相配合的上升速度區(qū)。陶樂站最大上升速度位于700 hPa 處，達-1.5 Pa/s，冷鋒后部則轉為下沉氣流；銀川站下沉速度最大達2.5 Pa/s，說明鋒區(qū)前后有強的鋒面次級環(huán)流，強的上升氣流為沙塵揚起提供了動力條件，而強的下沉氣流又有利于高空風速的動量下傳，可以加速地面大風，為沙塵的揚起提供進一步的動力。與寧夏北部川區(qū)各站不同的是，位于南部山區(qū)的海原站，其垂直速度場有其獨特的特征，在過程影響時段內(nèi)，對流層中低層基本為下沉氣流，且下沉速度最大達1.4 Pa/s。這說明海原大風與沙塵的形成機制與北部各站有所不同，其沙塵更多的是由外來輸送到海原隨強的下沉氣流沉降至地面形成，本地起沙不是其主要來源。

圖7 散度場垂直剖面時間序列圖（世界時）

5 衛(wèi)星云圖分析

沙塵暴主要是大氣低層的天氣現(xiàn)象，因此對沙塵暴的監(jiān)測主要依靠地面站點監(jiān)測，但由于西北地廣人稀，站點相對稀少，因此對沙塵暴的監(jiān)測存在諸多問題，衛(wèi)星由于視野較廣，可以監(jiān)測大范圍的天氣現(xiàn)象，因此可以作為一個很好的補充。

在2019 年5 月11 日的沙塵天氣過程中，葵花衛(wèi)星的表現(xiàn)非常優(yōu)異。在紅外云圖上（圖8），08：00在新疆東部阿爾泰山山口一帶已有沙塵揚起，但此時由于地表溫度較低，冷空氣剛開始越過山口南下，沙塵范圍和厚度都較小，因此以淡白色調(diào)為主，與地表不易區(qū)分。直到13：00 左右，冷鋒云系隨著冷鋒的增強逐漸變得完整，而冷鋒后的沙塵區(qū)則清晰可見，其范圍東西達上千公里，東至河西冷鋒后部；西至南疆盆地，色調(diào)以淺灰色為主，但與地表之間的區(qū)分非常清晰，可見此時沙塵區(qū)已有一定的厚度，紋理光滑，邊界在其東西兩側較為清楚，南邊界略模糊。綜合可見，從5 月11 日清晨至午后，沙塵天氣在范圍和強度方面都逐漸加強。這對寧夏沙塵天氣的預警具有非常重要的意義，至少可以提前6 h 判斷，該次沙塵天氣能夠影響到寧夏，應該發(fā)布預警。

圖8 2019 年5 月11 日葵花8 紅外衛(wèi)星云圖（北京時）

6 結論

分析表明，該次大風沙塵天氣過程出現(xiàn)在兩脊一槽的環(huán)流形勢下，新疆東部到蒙古國一帶是該次過程中冷空氣的直接發(fā)源地，冷空氣自阿爾泰山山口南下后經(jīng)內(nèi)蒙古西部、河西走廊地區(qū)自西北路徑影響寧夏。

（1）地面較強的蒙古氣旋在高空急流、高空槽前正渦度平流、地面冷暖平流下強烈發(fā)展，與冷鋒一起是該次沙塵天氣的主要影響系統(tǒng)；冷鋒前暖平流的強烈升溫減壓作用既使冷鋒不斷增強，同時也造成了近地面層強烈的不穩(wěn)定，是該次大風沙塵天氣出現(xiàn)的環(huán)流形勢。

（2）從地面到600 hPa，層結溫度遞減率幾乎等于干絕熱遞減率，從低到高均處于超絕熱層結中，不穩(wěn)定層結有利于起沙；大風揚起沙塵后，沙塵幾乎可不受阻力的上升到空中，有利于沙塵天氣的形成。

（3）冷鋒云系以及沙塵區(qū)遮擋了冷鋒后部的太陽輻射，使得冷鋒后部輻射增溫緩慢，而冷鋒前部地面輻射增溫明顯，兩者的相互作用有利于冷空氣或冷鋒強度的維持或加強，進而有利于沙塵天氣的加強與維持。

（4）物理量場分析表明，該次過程寧夏南北部沙塵機制有所不同，北部川區(qū)有上游沙源起沙輸送，同時本地上升運動明顯，起沙條件良好，而南部山區(qū)的上升運動較弱，主要以上游沙塵輸送到南部山區(qū)然后沉降為主。

（5）大面積的沙塵天氣在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為非常明顯的特征，具有紋理光滑、范圍廣、邊界清晰等特點，應用衛(wèi)星云圖可將該次沙塵暴的預警時間提前6 h 左右。