2019 年5 月11 日寧夏大風(fēng)沙塵天氣過程分析

張澤瑾，張一星，高瑩云，劉智賢

（1.中衛(wèi)市氣象局，寧夏中衛(wèi) 755000；2.寧夏氣象臺，寧夏 銀川 750002；3.中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000）

大風(fēng)、沙塵暴是寧夏多發(fā)的氣象災(zāi)害。李燕等[1]對寧夏沙塵暴的成因及特性的研究表明：寧夏是我國沙塵暴西路、西北路傳輸?shù)闹饕窂?、源區(qū)和加強(qiáng)區(qū)，是我國沙塵暴發(fā)生的高頻區(qū)。寧夏位于西北地區(qū)東部，從西側(cè)、北側(cè)至東側(cè)，被騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍，南側(cè)與黃土高原相連[2]，其上游也分布著沙漠和沙地，遭遇大風(fēng)或大氣不穩(wěn)定時極易起沙。寧夏的大風(fēng)沙塵天氣受地形地貌影響較大且尤以春季發(fā)生最多[3]。沙塵天氣對人類健康、生態(tài)環(huán)境有著不利的影響，嚴(yán)重時還引發(fā)安全事故，造成經(jīng)濟(jì)損失。在前人研究的基礎(chǔ)上，對2019 年5月11 日寧夏大風(fēng)沙塵天氣過程從環(huán)流特征、熱動力條件及氣象要素變化等方面進(jìn)行分析，研究天氣成因及系統(tǒng)演變，以期為寧夏大風(fēng)沙塵天氣預(yù)報預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 天氣實況

2019 年5 月11 日夜間，寧夏大部出現(xiàn)了1 次大風(fēng)沙塵天氣，平均風(fēng)普遍在5 級以上，陣風(fēng)7～9級，賀蘭山沿山段陣風(fēng)普遍達(dá)10 級以上，最大瞬時風(fēng)速出現(xiàn)在鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)循環(huán)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地，為38.1 m/s，北部4 市大部及西吉縣出現(xiàn)了沙塵暴，主要出現(xiàn)在11 日22 時—12 日05 時，最低能見度出現(xiàn)在陶樂站，為572 m。

2 天氣成因

2.1 環(huán)流背景分析

過程前（10 日20 時），歐亞中高緯以經(jīng)向型環(huán)流為主，呈兩脊一槽的態(tài)勢，環(huán)流經(jīng)向度大，烏拉爾山到歐洲東部為一較強(qiáng)的西北—東南向高壓脊，在此大的脊前西北氣流背景下，又有短波槽脊形成與其配合。脊前有一支寬廣的風(fēng)速＞20 m/s 的急流，冷空氣自高緯度地區(qū)向南輸送，在貝加爾湖附近加深，并在新疆北部形成一東北西南向的橫槽，槽后的冷平流極強(qiáng)，冷空氣在此堆積，中心溫度-37 ℃。11日08 時（圖1-a），高緯度地區(qū)冷空氣沿脊南下，推動橫槽開始東移南下，溫度場落后于高度場，槽后冷平流明顯，有利于高空槽發(fā)展加強(qiáng)[4]，低壓槽具有較強(qiáng)的斜壓性，氣壓梯度和溫度梯度增大，鋒生且鋒區(qū)南壓，高空冷中心位于貝加爾湖地區(qū)。11 日20 時（圖1-b），低槽加深轉(zhuǎn)豎移至河西地區(qū)，溫度槽仍落后高度槽約4～5 個緯距，低壓槽還將進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，冷鋒強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)；等溫線垂直于等高線，溫度梯度增大，斜壓性增強(qiáng)，鋒區(qū)加強(qiáng)且鋒區(qū)里高空急流大，進(jìn)一步增強(qiáng)了中低層的斜壓不穩(wěn)定性，寧夏位于高空急流出口區(qū)，對應(yīng)有強(qiáng)的上升運(yùn)動，地面氣旋也將繼續(xù)發(fā)展。

2.2 地面形勢演變

10 日20 時，西西伯利亞到貝加爾湖為一高壓區(qū)，蒙古國為一低壓區(qū)，貝加爾湖到蒙古國北部等壓線較密集，有利于鋒生及氣壓梯度的加大，面冷鋒呈準(zhǔn)東西走向，寧夏位于大陸熱低壓里；11 日08 時（圖2-a），冷空氣由西西伯利亞平原東移南壓至貝加爾湖附近，高壓增強(qiáng)南壓，冷高壓中心位于貝加爾湖到蒙古國北部，中心強(qiáng)度為1 035 hPa，鋒前蒙古熱低壓發(fā)展，形成北高南低的氣壓場分布，等壓線比較密集，冷鋒前后氣壓梯度大，寧夏位于熱低壓的底前部；11 日20 時（圖2-b），冷鋒轉(zhuǎn)為東北—西南走向，加強(qiáng)東移南壓，鋒前有較強(qiáng)的上升運(yùn)動，鋒后為下沉區(qū)，冷鋒附近中低層有強(qiáng)輻合，氣壓梯度加強(qiáng)，蒙古氣旋及其配合的冷鋒造成了大風(fēng)沙塵天氣。

圖2 地面氣壓場

沙塵天氣發(fā)生前后，氣壓變化尤為明顯。17 時（圖3-a），寧夏處于鋒前的負(fù)變壓區(qū)，河西走廊到內(nèi)蒙古西部為正變壓區(qū)，氣壓分布不均勻，存在較強(qiáng)的變壓梯度，鋒面前后3 h 變壓增大；20 時（圖3-b），鋒面南壓影響寧夏，正變壓區(qū)范圍擴(kuò)大，寧夏大部處于正變壓區(qū)，地面冷高壓進(jìn)一步加強(qiáng)，中心值達(dá)到+8，有強(qiáng)的3 h 變壓梯度和變壓風(fēng)，冷鋒前后的氣壓差致使大風(fēng)產(chǎn)生。

3 物理量場分析

如圖4 所示，11 日08 時地面有逆溫層，整層較干，濕度條件差，無不穩(wěn)定能量，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，地面較暖，低層到高層存在垂直風(fēng)切變，高空西風(fēng)急流明顯，動量下傳作用使中低層風(fēng)速加大（圖4-a）；11 日20 時，有一定的不穩(wěn)定能量，溫濕層結(jié)曲線形成向上開口的喇叭口形狀，400～500 hPa 有干冷空氣侵入，600 hPa 露點增加，濕度增大，700 hPa 以下的低層和500 hPa 中層溫度露點差進(jìn)一步加大，越來越干，層結(jié)變得不穩(wěn)定有熱對流發(fā)展，中低層風(fēng)速較小，高層風(fēng)速較大（圖4-b）；12 日08 時，冷鋒已過境，在700～600 之間有明顯的鋒面逆溫，低層較干，中低層風(fēng)速較20 時明顯增大，可見存在動量下傳（圖4-c）。

圖3 地面3 h 變壓場

圖4 溫度對數(shù)壓力

11 日08 時，850～500 hPa 高度層內(nèi)大氣已經(jīng)表現(xiàn)為條件不穩(wěn)定。11 日20 時，地面溫度非常高，925～700 hPa、600～500 hPa 假相當(dāng)位溫隨高度遞減，大氣為熱力不穩(wěn)定狀態(tài)，會產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動，飽和假相當(dāng)位溫隨氣壓降低迅速減小，垂直方向的溫度遞減率非常大，飽和假相當(dāng)位溫和假相當(dāng)位溫之間距離非常大，表明低層大氣極為干燥；在850～600 hPa 位溫曲線幾乎垂直于橫坐標(biāo)軸，即層結(jié)接近絕對不穩(wěn)定，只要有一點外力，干空氣即可不受阻力進(jìn)行抬升，非常利于起沙。12 日08 時對流減弱，假相當(dāng)位溫和飽和假相當(dāng)位溫之間距離接近，即大氣中的水汽在不斷增加，中高層大氣接近飽和狀態(tài)，從地面到700 hPa 大氣處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

4 動力條件分析

如圖5 所示，過程發(fā)生前（14—20 時）寧夏形成了低空輻合，高空輻散的流場形勢，抽吸作用明顯，有利于對流活動。最大散度負(fù)值在850 hPa 附近，散度“0”線在600 hPa 附近，最大散度正值出現(xiàn)在400～300 hPa 附近，說明在此高度上氣流輻散達(dá)到最大，對垂直氣流的發(fā)生極為有利[5]。

圖5 散度場

如圖6 所示，渦度場上，過程前期中高層為正渦度區(qū)，700 hPa 以下為負(fù)渦度區(qū)，表明700 hPa 以上有氣旋式環(huán)流；沙塵暴天氣發(fā)生時，渦度值隨高度變化比較小，700～250 hPa 為負(fù)渦度區(qū)，有反氣旋式環(huán)流，極值出現(xiàn)在600 hPa 附近，850 hPa 及其以下為渦度正值區(qū)，有氣旋性渦柱，利于垂直運(yùn)動發(fā)展。

圖6 渦度場

5 氣象要素分析

從圖7 可以看出，沙塵天氣過境時，氣象要素變化劇烈。

前期地面氣壓（線1）較低，雖有小幅波動，但維持在1 010 hPa 左右，沙塵暴發(fā)生當(dāng)天氣壓逐步降低，11 日14 時降至1 003.5 hPa；冷鋒過境時，地面從低壓轉(zhuǎn)受高壓控，氣壓迅速增大，為沙塵的爆發(fā)提供了動力條件；在沙塵暴中后期地面加壓的趨勢更加明顯，12 日05—08 時，3 h 內(nèi)地面氣壓上升了6.5 hPa。沙塵暴發(fā)生前，風(fēng)速很小，以偏南風(fēng)為主，冷鋒過境時，風(fēng)速急增，轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，為起沙提供了必要的動力條件；隨著冷鋒移出寧夏，地面風(fēng)速逐漸減小。過程前期，能見度在10～20 km，冷鋒過境前后（11日23 時）能見度最差，最小能見度為900 m；后冷鋒移出，水平能見度逐漸轉(zhuǎn)好，沙塵天氣結(jié)束。

沙塵暴發(fā)生前期增溫顯著，地面氣溫（線2）逐步升高一段時間維持較高狀態(tài)且變化不大，11 日下午達(dá)到24 ℃，利于近地層不穩(wěn)定層結(jié)形成，從而起沙。過程中后期氣溫迅速下降，11 日20—23 時氣溫下降尤為明顯，降溫幅度達(dá)7 ℃。

過程前露點溫度（線3）較高，偏南風(fēng)利于水汽輸送，露點2～4 ℃，隨著冷鋒移入，露點驟減，從2 ℃減小至-5 ℃（11 日20 時），在氣溫直線下降的同時，露點溫度又迅速增加了2 ℃，表明爆發(fā)前大氣的干熱狀態(tài)有利于沙塵暴天氣的發(fā)生發(fā)展。冷鋒過境后，地面受冷高壓控制，露點直線下降。

6 地形作用

圖7 銀川站氣象要素演變圖

地形對沙塵天氣的發(fā)生有著重要影響。當(dāng)河西地區(qū)有大風(fēng)時，易引起揚(yáng)沙，大風(fēng)裹挾大量沙塵，經(jīng)阿拉善高原東移，在山前受阻堆積，山脈的阻擋作用使冷鋒坡度變陡。冷空氣堆積到一定程度，翻越賀蘭山向銀川盆地俯沖，冷空氣迅速下沉，使鋒面坡度急劇減小，大量的位能轉(zhuǎn)化為動能，鋒前溫度較高，加之銀川盆地形成強(qiáng)烈輻合上升運(yùn)動，氣壓梯度和溫度梯度進(jìn)一步加大，系統(tǒng)加強(qiáng)，導(dǎo)致沙塵暴的形成。

7 沙塵源

沙塵源是沙塵暴天氣發(fā)生的基本條件之一，10日白天新疆到蒙古一線出現(xiàn)了揚(yáng)沙天氣，11 日白天河西走廊一帶出現(xiàn)了揚(yáng)沙或沙塵天氣。新疆北部形成的橫槽是此次過程的主要影響系統(tǒng)，低槽加深轉(zhuǎn)豎移至河西地區(qū)，后東移南壓影響寧夏。高空槽途經(jīng)寧夏時經(jīng)過了古爾班通古特沙漠、庫姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠和騰格里沙漠，大風(fēng)裹挾著大量沙塵，經(jīng)阿拉善高原東移影響寧夏。

8 衛(wèi)星云圖

14 時，冷鋒前沿有積云生成，形成1 條較為清楚的冷鋒云帶，沙塵區(qū)清晰可見，其亮度介于云與地表之間，頂部光滑，范圍順冷鋒分布達(dá)上千公里（圖8-a）。17 時，冷鋒云系在東移過程中進(jìn)一步變寬，后側(cè)有中低云生成，沙塵區(qū)寬度進(jìn)一步加大，色調(diào)灰白，頂部光滑（圖8-b）。

圖8 衛(wèi)星云圖

9 結(jié)論

一是新疆北部橫槽加深轉(zhuǎn)豎南下，蒙古氣旋及其配合的冷鋒造成了此次大風(fēng)沙塵天氣。冷空氣在新疆東部到河西地區(qū)之間自西北路徑快速南下，河西地帶為一鋒生區(qū)，高空鋒區(qū)等溫線密集，冷平流強(qiáng)烈；地面冷高壓中心強(qiáng)度1 030 hPa，氣壓梯度非常大，河西地區(qū)冷空氣移速非常快，變壓風(fēng)強(qiáng)勁，冷鋒來臨前寧夏上空有暖平流，地面有熱低壓發(fā)展，冷鋒前有明顯的降壓升溫，加劇了冷鋒前后的溫度梯度，使冷鋒進(jìn)一步增強(qiáng)。

二是內(nèi)外沙塵源共同影響、上游沙塵高空輸送沉降作用、本地地形及熱力作用、鋒面抬升作用及上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)共同造成了沙塵天氣的產(chǎn)生；氣旋、鋒面附近大風(fēng)及鋒后下沉氣流致使近地面產(chǎn)生輻散大風(fēng)。

三是過程發(fā)生前寧夏散度場呈現(xiàn)低空輻合，高空輻散的形勢，抽吸作用明顯，利于對流活動的發(fā)展。過程發(fā)生時，渦度值隨高度變化較小，有氣旋性渦柱，利于垂直運(yùn)動發(fā)展。低層到高層垂直風(fēng)切變明顯，動量下傳作用使得中低層和地面風(fēng)速加大，急流使得冷鋒和沙塵暴移速較快，加強(qiáng)了中低層的斜壓不穩(wěn)定性，觸發(fā)氣旋發(fā)展。

四是冷鋒過境前假相當(dāng)位溫隨高度遞減，大氣呈現(xiàn)熱力不穩(wěn)定狀態(tài)，會產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動；低層中層溫度露點差進(jìn)一步加大，低層和高層越來越干，600 hPa 濕度增大，且有不穩(wěn)定能量，層結(jié)變得不穩(wěn)定，有熱對流發(fā)展；溫濕廓線圖上冷下暖，下干上濕，低層溫度高、相對濕度小，空氣干燥，高層強(qiáng)烈的冷平流利于形成大風(fēng)。

五是衛(wèi)星對沙塵暴有很好的監(jiān)測預(yù)報作用。此次過程在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)非常清楚，紅外云圖上沙塵區(qū)色調(diào)淺灰，沙塵最強(qiáng)處為灰色；可見光云圖上沙塵區(qū)色調(diào)與太陽高度角和沙塵厚度相關(guān)，沙塵起始階段可見光云圖上表現(xiàn)不明顯，但隨著沙塵發(fā)展，沙塵區(qū)強(qiáng)度增加，反照率增大，色調(diào)灰白。