2021年春季內(nèi)蒙古西部沙塵天氣特征及其氣候背景

馬文迪

(烏海市氣象局，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

沙塵天氣多發(fā)于中國北方春季，是內(nèi)蒙古的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一[1]，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民日常生活帶來極大危害。有研究表明近年來在全球氣候變暖的背景下，隨著綠化面積不斷擴(kuò)大，沙化、荒漠化土地不斷減少，降水顯著增加，中國西北地區(qū)沙塵天氣明顯減少。

內(nèi)蒙古西部地處中國內(nèi)陸半干旱地區(qū)，其西北、東北、東南分布有烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、毛烏素沙地，三面環(huán)沙為沙塵天氣提供了沙源地。2021年入春以來，我國北方沙塵天氣頻發(fā)，且影響范圍大，影響程度劇烈。例如3月14日—18日，受蒙古氣旋和冷鋒影響，中國北方出現(xiàn)了近10年最強(qiáng)沙塵天氣。此次沙塵暴于2021年3月14日上午起源于蒙古國南部，14日夜間進(jìn)入中國，先后影響了中國華北、東北、西北、江淮等地區(qū)，其中內(nèi)蒙古西部地區(qū)的沙塵天氣一直持續(xù)到18日夜間。

2021年春季沙塵天氣頻發(fā)的成因是什么?2021年春季以來的沙塵天氣是否出現(xiàn)新的特征？造成沙塵天氣頻發(fā)的氣候背景如何？筆者利用地面天氣資料和NCEP再分析資料對(duì)2021年春季內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙塵天氣特點(diǎn)及成因進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 2021年春季沙塵過程特點(diǎn)

本文自西向東依次選取內(nèi)蒙古西部4個(gè)典型代表站：吉蘭泰站、烏海站、臨河站和東勝站進(jìn)行分析。能見度數(shù)據(jù)和氣象實(shí)況數(shù)據(jù)來源于中國氣象局地面觀測(cè)資料，環(huán)流場(chǎng)、物理量等要素?cái)?shù)據(jù)選擇美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP逐日再分析位勢(shì)高度資料，網(wǎng)格點(diǎn)距為2.5°×2.5°。將逐日資料處理成候、月、季、年資料，氣候態(tài)取1981年—2010年平均。因?yàn)?月底內(nèi)蒙古西部大部出現(xiàn)了降水天氣，3月份最后一次沙塵天氣發(fā)生于3月28日，為準(zhǔn)確分析沙塵天氣前期的氣候特征，3月份的資料取3月1日至28日時(shí)間段內(nèi)的平均值。本文定義一次大風(fēng)過程中有兩個(gè)盟市的兩個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)揚(yáng)沙或者沙塵暴為一次大范圍沙塵天氣。

1.1 沙塵暴發(fā)生時(shí)間較常年偏早，影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長

2021年春季內(nèi)蒙古西部共發(fā)生8次沙塵過程，其中3次沙塵暴，5次揚(yáng)沙。比2019年的4次和2020年的7次偏多。阿拉善發(fā)生7次沙塵暴，11次揚(yáng)沙；巴彥淖爾市發(fā)生2次沙塵暴、1次揚(yáng)沙過程；烏海發(fā)生3次沙塵暴、5次揚(yáng)沙；鄂爾多斯市發(fā)生1次沙塵暴、2次揚(yáng)沙(見表1)。且沙塵暴集中在3月份，揚(yáng)沙天氣集中在4—5月份。

表1 2021年春季沙塵過程數(shù) 單位：次

2021年春季沙塵暴過程多集中在3月份(見表1)，且過程持續(xù)時(shí)間長，影響范圍廣。3月15日、19日和28日的3次沙塵暴天氣，自西向東影響我國北方大部分地區(qū)；15日的沙塵天氣面積超過380 km2，在內(nèi)蒙古西部出現(xiàn)了強(qiáng)沙塵暴天氣，西北地區(qū)大部沙塵天氣從15日一直持續(xù)至19日。北方多地PM10峰值濃度超過5 000 μg/m3，沙塵天氣造成多地空氣嚴(yán)重污染、列車停運(yùn)等情況。

1.2 沙塵過程較常年同期偏多

圖1為2011年—2021年4個(gè)代表站十年的沙塵暴實(shí)況序列圖，其中綠色實(shí)線是1981年—2010年氣候平均值，藍(lán)色柱狀為季節(jié)沙塵暴次數(shù)。2021年春季內(nèi)蒙古西部的沙塵暴天數(shù)高于氣候平均值，吉蘭泰站沙塵暴天數(shù)高達(dá)7 d，高于歷史常年值3.9 d；臨河站2 d，高于歷史平均值1.7 d，烏海站的沙塵暴天數(shù)3 d低于常年值3.9 d，但是較前十年沙塵暴天數(shù)仍然明顯增高；東勝站近十年沒有出現(xiàn)沙塵暴天氣，2021年春季出現(xiàn)1 d，與常年值持平。

圖1 2011年—2021年沙塵暴實(shí)況序列圖

(注：綠色實(shí)線是常年值；單位：次)

2 沙塵天氣氣候背景

通常沙塵天氣爆發(fā)前期氣溫偏高，降水偏少，干燥裸露的地表為沙塵天氣的發(fā)生提供了豐富的沙塵源[2]。國家氣候中心的數(shù)據(jù)顯示2021年1月—3月上旬，蒙古國南部和中國北方大部平均氣溫較常年同期偏高1 ℃～2 ℃，降水異常偏少；特別是3月上旬內(nèi)蒙古中西部、蒙古國西南部平均氣溫較同期偏高4 ℃～6 ℃，非常有利于沙塵天氣的發(fā)生。本文將重點(diǎn)分析春季沙塵天氣發(fā)生的氣候背景。

2.1 氣溫特征

2020年/2021年冬季(圖2a)內(nèi)蒙古西部氣溫較常年同期均偏高，大部地區(qū)偏高1 ℃～2 ℃，阿拉善西北部、巴彥淖爾大部偏高2 ℃～4 ℃，巴彥淖爾局地偏高4 ℃～6 ℃。其中烏海地區(qū)只偏高0～1 ℃。進(jìn)入2021年春季(圖2b)，內(nèi)蒙古西部大部分地區(qū)氣溫較常年同期偏高1 ℃～2 ℃，巴彥淖爾仍有局地偏高4 ℃～6 ℃的地區(qū)，鄂爾多斯和烏海部分地區(qū)氣溫基本與常年同期持平。

(a) (b)

2.2 降水特征

2020年/2021年冬季(圖3a)內(nèi)蒙古西部阿拉善中部、鄂爾多斯南部、巴彥淖爾南部降水較常年平均偏多50%左右，其余大部分地區(qū)降水較常年平均偏少，尤其阿拉善中部、巴彥淖爾北部大部分地區(qū)、鄂爾多斯東北部降水較常年平均偏少50%以上。加之冬季這些地區(qū)氣溫偏高，造成冬季土壤不易凍結(jié)，土質(zhì)疏松，有利于來年春季沙塵天氣發(fā)生。

進(jìn)入2021年3月，從月總降水量來看(3月1日—28日)，內(nèi)蒙古西部大部分地區(qū)基本無降水，鄂爾多斯市降水量較多，部分地區(qū)達(dá)到了25 mm以上，這也是后期鄂爾多斯地區(qū)沙塵過程較少的原因。從降水距平百分率分布來看(圖3b)，內(nèi)蒙古西部除鄂爾多斯大部分地區(qū)降水較常年平均偏多外，其他地區(qū)降水均偏少，且大部分地區(qū)降水偏少8成以上，由于偏少的降水加之偏高的氣溫，這些地區(qū)裸土外漏且土質(zhì)疏松，當(dāng)遇到有利的環(huán)流形勢(shì)時(shí)容易形成沙塵天氣，因此造成3月沙塵天氣多發(fā)，3次大范圍的沙塵暴均發(fā)生在3月。

4月除阿拉善西部降水不足10 mm以外，其他大部分地區(qū)降水量在10 mm～25 mm之間，從降水距平百分率分布來看(圖3c)，4月份內(nèi)蒙古西部大部分地區(qū)降水較常年平均偏多，對(duì)沙塵天氣有所緩解，但也發(fā)生兩次揚(yáng)沙天氣，可見這些因素并不是沙塵天氣的直接原因，而是造成沙塵天氣發(fā)生的短期氣候變化的間接原因。進(jìn)入5月(圖3d)大部分地區(qū)降水較常年偏少5～8成，河套地區(qū)降水偏少8成以上，但是前期降水對(duì)起沙條件有所緩解，5月份的沙塵天氣以揚(yáng)沙為主。

(a) (b)

前期冬季我國北方大部分地區(qū)特別是沙塵多發(fā)區(qū)降水偏少，氣溫偏高，使得前期地面植被狀況偏差，土質(zhì)疏松，沙塵天氣早發(fā)。進(jìn)入3月降水顯著偏少，地面植被狀況未得到改善，加之氣溫偏高，利于土壤解凍，土質(zhì)變得疏松，使得2021年沙塵發(fā)生時(shí)間較常年偏早，以沙塵暴天氣為主，后期降水增加后，沙塵過程減少，以揚(yáng)沙天氣為主。

2.3 環(huán)流形勢(shì)特征

2020年/2021年冬季(圖4a)，我國北方位勢(shì)高度距平在(-5)～(-10)之間，冷空氣較弱。歐亞大陸中高緯上空500 hPa環(huán)流形勢(shì)基本為一脊一槽型，內(nèi)蒙古西部受東亞大槽槽后脊前西北氣流影響，但西伯利亞高壓脊較常年明顯偏弱，因此影響我國北方的西北氣流及冷空氣明顯偏弱，造成冬季我國北方大部分地區(qū)氣溫偏高，土壤不易凍結(jié)，有利于來年沙塵天氣早發(fā)。進(jìn)入2013年春季(圖4b)，除新疆西部地區(qū)外我國基本處于位勢(shì)高度正距平區(qū)，冷空氣明顯加強(qiáng)，歐亞大陸中高緯上空500 hPa環(huán)流形勢(shì)基本為一槽一脊型，新疆地區(qū)為弱脊，內(nèi)蒙古西部地區(qū)受脊前西北氣流控制，因此2021年春季氣溫較常年偏高，降水偏少，土壤解凍較早，為春季沙塵天氣提供有利條件。一槽一脊的大環(huán)流形勢(shì)有利于北方冷空氣向南爆發(fā)，是內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙塵暴發(fā)生的主要環(huán)流背景。

(a) (b)

2.4 土壤相對(duì)濕度特征

2020年/2021年冬季(圖5a)，內(nèi)蒙古西部地區(qū)土壤濕度較常年平均偏低2成左右，加之溫度偏高，土壤不易凍結(jié)，土質(zhì)疏松，易造成2021年沙塵天氣較早，強(qiáng)度較強(qiáng)。進(jìn)入3月份(圖5b)，除鄂爾多斯地區(qū)外，其他地區(qū)土壤濕度較常年偏低，鄂爾多斯地區(qū)土壤情況較前期有所改善，這可能也是造成3月份其他地區(qū)發(fā)生沙塵暴時(shí)鄂爾多斯只是揚(yáng)沙的原因之一。4月份(圖5c)開始土壤濕度較前期偏高，土壤狀況好轉(zhuǎn)，沙塵天氣變少，強(qiáng)度也有所減弱。進(jìn)入5月份(圖5d)，降水開始減少，土壤濕度較常年平均值低，但受前期降水影響，雖沙塵天氣頻發(fā)，但都以揚(yáng)沙為主。

(a) (b) (c) (d)

3 結(jié)論

經(jīng)分析，2021年春季內(nèi)蒙古西部沙塵天氣有兩個(gè)特點(diǎn)：①沙塵暴發(fā)生時(shí)間較常年偏早，影響范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長；②沙塵過程較常年同期偏多。

通過對(duì)前期冬季和2021年春季3個(gè)月的各物理量場(chǎng)分析，得出2021年春季沙塵天氣的氣候背景及成因如下：①2020年/2021年冬季，西伯利亞高壓脊較常年偏弱，影響我國北方地區(qū)的冷空氣偏弱，內(nèi)蒙古西部地區(qū)氣溫偏高，降水偏少，土壤相對(duì)濕度較常年平均偏小，在這樣的氣候背景下，不利于冬季土壤凍結(jié)，土質(zhì)疏松，這是造成2021年春季沙塵天氣早發(fā)且強(qiáng)度偏強(qiáng)的主要原因。②2021年春季，內(nèi)蒙古西部地區(qū)受弱脊脊前西北氣流控制，氣溫較常年偏高，3月份除鄂爾多斯外其他地區(qū)降水較常年偏少8成，土壤濕度較常年偏低，土壤解凍較早，植被狀況偏差，土質(zhì)疏松，是造成3月份沙塵暴天氣的主要原因，也是鄂爾多斯沙塵暴過程較少的原因。進(jìn)入4月份降水偏多，土壤情況有所緩解，沙塵天氣強(qiáng)度減弱，以揚(yáng)沙為主。③內(nèi)蒙古西部地區(qū)造成沙塵暴發(fā)生的主要環(huán)流形式是一槽一脊的環(huán)流形勢(shì)，有利于北方冷空氣向南爆發(fā)。④前期的氣候背景決定了沙塵暴發(fā)生的時(shí)間及強(qiáng)度，前期的干旱少雨，氣溫偏高，導(dǎo)致土壤稀疏，為沙塵天氣提供沙源條件，春季低壓維持，一旦有冷空氣過境，強(qiáng)烈的氣壓差產(chǎn)生大風(fēng)天氣，為沙塵暴的天氣提供動(dòng)力和起沙條件。