阿拉善盟2022年4月26日大風(fēng)沙塵天氣形成機(jī)制研究

楊嘉琦

阿拉善盟氣象局，內(nèi)蒙古阿拉善盟 750306

沙塵天氣是我國(guó)北方地區(qū)春季常見的一種災(zāi)害性天氣，不僅影響本地區(qū)，還可以通過(guò)大氣傳輸影響上、下游地區(qū)的生態(tài)、環(huán)境和氣候[1]。根據(jù)《沙塵暴天氣等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20480—2006）沙塵天氣可分為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴五個(gè)等級(jí)，分別指在風(fēng)速較大的前提下，最小水平能見度小于10 km、介于1～10 km、小于1 km、小于500 m和小于50 m的天氣現(xiàn)象[2]。關(guān)于強(qiáng)沙塵天氣形成機(jī)制，姜學(xué)恭等[3]在對(duì)內(nèi)蒙古持續(xù)性沙塵暴天氣特征的研究中表示，在高壓底部型沙塵暴過(guò)程中，暖平流導(dǎo)致地面倒槽和平直對(duì)流層中尺度低壓發(fā)展旺盛，為沙塵暴的發(fā)生提供了動(dòng)力條件。錢莉等[4]在對(duì)河西走廊東部大風(fēng)強(qiáng)沙塵暴的天氣動(dòng)力診斷指出，地面摩擦風(fēng)引發(fā)的強(qiáng)動(dòng)量通量為沙塵卷起提供了基本的動(dòng)能，地面熱低壓的發(fā)展加大了冷鋒前后氣壓梯度和溫度梯度，為對(duì)流發(fā)展提供了熱力不穩(wěn)定條件。翟志麗[5]在對(duì)2021年4月內(nèi)蒙古中西部一次沙塵天氣過(guò)程成因分析中提出，持續(xù)強(qiáng)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)生的三個(gè)必要條件。

阿拉善盟（97°10′E～106°52′E，37°24′N～42°47′N）地處內(nèi)蒙古自治區(qū)最西端，總面積約270 000 km2，北鄰蒙古國(guó)，并與巴彥淖爾市、烏海市、寧夏、甘肅接壤，地表植被覆蓋率低，土地荒漠化嚴(yán)重，不僅為本地沙塵天氣提供了物質(zhì)條件，還是周邊地區(qū)和下游地區(qū)沙塵天氣的主要沙源。阿拉善盟作為我國(guó)沙塵天氣多發(fā)地，深入研究、探索、總結(jié)其沙塵天氣發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律特點(diǎn)，對(duì)提高對(duì)強(qiáng)沙塵天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率，提高應(yīng)對(duì)強(qiáng)沙塵天氣防災(zāi)減災(zāi)能力十分有幫助。

1 天氣實(shí)況

2022年4月26日，阿拉善盟境內(nèi)出現(xiàn)了一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的大風(fēng)沙塵天氣過(guò)程。如表1所示，全盟大部地區(qū)平均極大風(fēng)速6級(jí)以上，陣風(fēng)8級(jí)以上，最小能見度小于3 000 m。其中，拐子湖和孿井灘出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴，平均極大風(fēng)速均達(dá)7級(jí)以上，陣風(fēng)均達(dá)9級(jí)，最小能見度出現(xiàn)在拐子湖為392 m。

表1 2022年 4月26日阿拉善盟國(guó)家站天氣實(shí)況

2 天氣分析

2.1 環(huán)流背景

500 hPa等壓面上，歐亞大陸中高緯環(huán)流場(chǎng)呈“兩槽兩脊”型，2022年4月25日20:00（圖1a）在巴爾喀什湖以北和貝加爾湖附近各有一高空槽，“兩脊”則分別處于我國(guó)新疆和東北地區(qū)，中緯度地區(qū)（40°N～50°N）基本處于偏西風(fēng)緯向環(huán)流帶中，西風(fēng)急流中心風(fēng)速≥20 m/s。阿拉善盟處于貝加爾湖高空槽底部，高空槽槽區(qū)寬廣，振幅＞10緯距，波長(zhǎng)＞30經(jīng)距。26日08:00（圖1c），貝加爾湖高空槽東移加強(qiáng)形成冷渦，阿拉善盟則受槽后西北氣流控制，高空有暖平流流入。

700 hPa等壓面上，25日20:00（圖1b）阿拉善盟處于東西向平直鋒區(qū)（110°E～120°E，40°N～50°N）底部，鋒區(qū)內(nèi)等溫線密集，溫度梯度大，鋒區(qū)兩側(cè)溫差最大達(dá)20 ℃，溫度場(chǎng)落后于高度場(chǎng)，等溫線與等高線間夾角近30°，大風(fēng)沙塵天氣發(fā)生前期中低層大氣斜壓性較強(qiáng)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。26日08:00（圖1d），鋒區(qū)維持少動(dòng)，鋒區(qū)內(nèi)溫度梯度增大，等溫線與等高線夾角近60°，大氣斜壓性進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖1 2022年4月25—26日高空環(huán)流形勢(shì)

海平面氣壓場(chǎng)上（圖略），25日20:00阿拉善盟大部地區(qū)處于鞍型均壓場(chǎng)內(nèi)，北部高壓中心位于蒙古國(guó)，強(qiáng)度為1 025 hPa，26日凌晨高壓南壓，08:00高壓中心升至1 032.5 hPa,等壓線密度增大，達(dá)10 hPa/5緯距。阿拉善盟處于高壓底部、等壓線密集帶，地面偏東風(fēng)風(fēng)速增大，沙塵天氣被觸發(fā)。

此次大風(fēng)沙塵天氣過(guò)程處于貝加爾湖高空槽東移加強(qiáng)，大氣斜壓不穩(wěn)定的環(huán)流背景下，中低層鋒區(qū)增強(qiáng)配合地面冷高壓南壓，使地面偏東風(fēng)風(fēng)速增大從而導(dǎo)致沙塵天氣被觸發(fā)。

2.2 動(dòng)力條件

沙塵天氣尤其是沙塵暴天氣的生成、發(fā)展和維持不僅需要地面大風(fēng)這一起沙條件，還需要沙塵區(qū)域有強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)為沙塵粒子的垂直運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力條件。作26日03:00穿過(guò)拐子湖站的經(jīng)向、緯向垂直剖面圖（圖2）。

圖2 26日03時(shí)拐子湖站經(jīng)向（102°E）（a）、緯向（41°N）（b）垂直剖面圖

由經(jīng)向剖面圖2a可見，850～700 hPa南北風(fēng)交匯于42°N附近，即鋒區(qū)位置，交匯區(qū)隨高度向南傾斜，坡度較緩，南北風(fēng)流線密度相當(dāng)，故鋒區(qū)移速較慢，中低層大氣斜壓不穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間維持有利于拐子湖沙塵暴加強(qiáng)。在垂直方向上有2個(gè)次級(jí)環(huán)流，環(huán)流中心沿42°N分布在700 hPa和200 hPa高度，低層流線密度較大，表示低層風(fēng)速較大。在2個(gè)次級(jí)環(huán)流的作用下，整層大氣以垂直上升運(yùn)動(dòng)為主，為地面沙塵粒子揚(yáng)起提供了動(dòng)力條件。

由緯向剖面圖2b可見，99°E～109°E水平方向上也有次級(jí)環(huán)流存在，于700 hPa高度101°E和107°E附近分布有2個(gè)環(huán)流中心，97°E～107°E為大氣上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，109°E附近為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，近地面為偏東風(fēng)，水平方向上下沉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于上升運(yùn)動(dòng)，有利于加強(qiáng)次級(jí)環(huán)流，使偏東風(fēng)風(fēng)速加大，為沙塵天氣觸發(fā)提供動(dòng)力條件，地面沙塵輸送通道的建立也為沙塵天氣加強(qiáng)和維持提供了動(dòng)力支持。

2.3 大氣層結(jié)穩(wěn)定度

大氣層結(jié)穩(wěn)定度是影響沙塵暴發(fā)生發(fā)展的主要因素之一，層結(jié)條件不穩(wěn)定有利于強(qiáng)沙塵天氣的觸發(fā)。從25日20:00額濟(jì)納旗達(dá)來(lái)呼布（52267）氣象站探空資料V-3θ曲線圖（圖3）來(lái)看，400～250 hPa水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，500 hPa以下θ*與θse間隔較大，低層大氣極為干燥，整層大氣“上濕下干”，存在強(qiáng)潛在不穩(wěn)定性；θ與θse線在700 hPa以下距離相近且近乎垂直于橫坐標(biāo)，對(duì)流層中低層大氣層結(jié)接近絕對(duì)不穩(wěn)定，干空氣做抬升運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力減少，有利于地面沙塵粒子被揚(yáng)起。同時(shí)，對(duì)流層中高層風(fēng)速大于對(duì)流層中低層風(fēng)速，高空動(dòng)量下傳加大地面風(fēng)速，有利于加強(qiáng)沙塵天氣的發(fā)展。

圖3 25日20:00達(dá)來(lái)呼布V-3θ圖

2.4 熱力條件

溫度平流指冷暖空氣水平運(yùn)動(dòng)引起的某些地區(qū)溫度降低或升高的現(xiàn)象。暖平流將導(dǎo)致空氣由暖區(qū)流向冷區(qū)，并使高層等壓面升高，在氣壓梯度力的作用下產(chǎn)生水平輻散，為保持大氣質(zhì)量連續(xù)，該區(qū)域?qū)⑦M(jìn)行補(bǔ)償上升運(yùn)動(dòng)。同理，冷平流區(qū)有下沉運(yùn)動(dòng)。如圖4所示，26日14:00高空槽移至我國(guó)東北地區(qū)，槽后有較強(qiáng)冷平流入侵，同時(shí)500 hPa和700 hPa暖平流分別以1.0×10-4℃/h和2.5×10-4℃/h進(jìn)入阿拉善盟，我國(guó)華北地區(qū)西暖東冷。冷平流區(qū)大氣做下沉運(yùn)動(dòng)、暖平流區(qū)大氣做上升運(yùn)動(dòng)，隨著500 hPa偏西氣流與地面偏東風(fēng)風(fēng)速增大，溫度平流與高底層大氣流速構(gòu)成正反饋。在正反饋機(jī)制作用下，暖平流使地表沙塵粒子受熱上升做上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有利于地面風(fēng)速增大，為沙塵區(qū)域范圍擴(kuò)大、強(qiáng)度增強(qiáng)和時(shí)間維持提供了熱力條件。

圖4 26日14:00 500hPa溫度平流（a）、700 hPa溫度平流（b）

2.5 垂直速度診斷分析

大氣垂直速度是天氣分析與預(yù)報(bào)中常用的物理量，其大小表示大氣垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度，正負(fù)則表示大氣做垂直運(yùn)動(dòng)的方向。阿拉善盟沙塵天氣的主要沙源來(lái)自本地，上升運(yùn)動(dòng)引發(fā)揚(yáng)沙是導(dǎo)致此次大范圍沙塵天氣的主要原因。26日08:00，垂直上升速度中心位于額濟(jì)納旗，為-0.3 Pa/s，表示額濟(jì)納旗垂直上升運(yùn)動(dòng)更劇烈，此時(shí)額濟(jì)納旗達(dá)來(lái)呼布站與拐子湖站最小能見度均小于700 m；26日20:00，垂直上升速度中心位于阿左旗南部，為-0.2 Pa/s，孿井灘氣象站23:00能見度達(dá)到最小。垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)能與發(fā)生沙塵天氣的區(qū)域?qū)?yīng)，垂直速度中心能與出現(xiàn)沙塵暴區(qū)域?qū)?yīng)，因此垂直速度能較好地反映沙塵天氣范圍與強(qiáng)度。

26日額濟(jì)納旗上空大氣持續(xù)做上升運(yùn)動(dòng)，26日02:00～14:00上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)，26日08:00在925～50 hPa高 度 垂 直速度中心為-0.25 Pa/s，達(dá)來(lái)呼布站26日04:00～12:00最小能見度小于1 000 m，出現(xiàn)沙塵暴。孿井灘站時(shí)間—高度垂直剖面圖中(圖略)，垂直速度中心位于26日20:00～27日02:00之間，達(dá)-0.25 Pa/s，而孿井灘氣象站最小能見度462 m，出現(xiàn)在26日23:00，與垂直速度中心出現(xiàn)時(shí)間相符合。因此，垂直速度對(duì)判斷沙塵天氣范圍、強(qiáng)度以及最小能見度出現(xiàn)時(shí)間都具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

（1）此次大風(fēng)沙塵天氣過(guò)程處于貝加爾湖高空槽東移加強(qiáng)大氣斜壓不穩(wěn)定的環(huán)流背景下，中低層鋒區(qū)增強(qiáng)配合地面冷高壓南壓，使地面偏東風(fēng)風(fēng)速增大，從而導(dǎo)致沙塵天氣被觸發(fā)。

（2）地面偏東大風(fēng)是沙塵天氣的觸發(fā)條件。強(qiáng)沙塵暴發(fā)生區(qū)域內(nèi)，在中小尺度次級(jí)環(huán)流作用下，地面偏東風(fēng)風(fēng)速增大，同時(shí)伴有強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，為沙塵天氣維持和加強(qiáng)提供了動(dòng)力條件。

（3）溫度平流與高底層大氣流速構(gòu)成正反饋，在正反饋機(jī)制作用下，暖平流使地表沙塵粒子受熱上升做上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有利于地面風(fēng)速增大，為沙塵區(qū)域范圍擴(kuò)大、強(qiáng)度增強(qiáng)和時(shí)間維持提供了熱力條件。

（4）根據(jù)垂直速度對(duì)沙塵過(guò)程的診斷，平面垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)能與發(fā)生沙塵天氣的區(qū)域?qū)?yīng)，時(shí)間—高度剖面圖中垂直速度中心能與出現(xiàn)沙塵暴區(qū)域?qū)?yīng)，因此垂直速度對(duì)判斷沙塵天氣范圍、強(qiáng)度以及最小能見度出現(xiàn)時(shí)間具有指導(dǎo)意義。

（5）阿拉善盟境內(nèi)巴丹吉林、烏蘭布和及騰格里三大沙漠是大風(fēng)沙塵天氣過(guò)程的主要沙源，為沙塵天氣的發(fā)展與維持提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。