王學(xué)強 董慧杰

(1.錫林郭勒盟氣象局,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210000)

引言

中國將沙塵天氣分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5級。其中，強沙塵暴是指強風(fēng)將大量沙塵顆粒吹起，使空氣非常渾濁,水平能見度小于500 m的天氣現(xiàn)象[1]。沙塵天氣是中國西北部地區(qū)主要災(zāi)害性天氣之一，其中沙塵暴，特別是強沙塵暴的危害性極大。隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化和觀測手段的不斷改進(jìn)，氣象學(xué)者對沙塵暴天氣進(jìn)行了大量的研究，取得了較多的成果[2-6]。仇會民等[7]對塔里木盆地東緣的一次典型區(qū)域性沙塵天氣過程進(jìn)行分析，并探討其滯空原因及傳輸特征。楊雪艷等[8]對中國東北地區(qū)春季沙塵天氣變化特征及其與大氣環(huán)流變化進(jìn)行了深入分析。有研究表明[9-12],低空急流的位置及強度可作為沙塵暴強度及沙塵暴發(fā)生和影響區(qū)的預(yù)報指標(biāo)，沙塵暴爆發(fā)區(qū)對應(yīng)高空低層螺旋度強梯度區(qū)內(nèi)。程海霞等[13]則認(rèn)為與沙塵暴相伴隨的高空急流可分為單急流型和雙急流型。有學(xué)者對北京及內(nèi)蒙古地區(qū)的強沙塵天氣過程的微氣象學(xué)特征進(jìn)行了研究，并確定科爾沁沙地臨界起沙的閾值[14-15]。范俊紅等[16]研究了河北省中南部一次沙塵暴的動力條件，3 h變壓中心沿500 hPa急流快速南下，造成局地大風(fēng)，產(chǎn)生了較強的沙塵天氣。

內(nèi)蒙古錫林郭勒盟(簡稱錫盟)位于中國北方，與蒙古國接壤，地處111°59′—120°07′E、42°32′—46°41′N，屬北部溫帶大陸性氣候，其主要氣候特點是風(fēng)大、干旱、寒冷。錫盟地區(qū)頻繁受到沙塵天氣影響，在沙塵天氣的形成過程中，大風(fēng)為主要動力[17]。錫盟地區(qū)的大風(fēng)主要分為非對流性大風(fēng)和對流性大風(fēng)。非對流性大風(fēng)主要由天氣尺度系統(tǒng)引起，多發(fā)于冬春季節(jié)，具有明顯的季節(jié)性特征。對流性大風(fēng)則為中小尺度系統(tǒng)作用下形成的局地性大風(fēng)，常引發(fā)局地災(zāi)害，主要出現(xiàn)在夏季[18]。由于突發(fā)性強，對流性大風(fēng)給預(yù)報預(yù)警帶來較大的難度。2018年6月11日錫盟地區(qū)出現(xiàn)了一次典型的由強對流風(fēng)暴造成的局地、短時沙塵天氣。本文將利用多種觀測和再分析資料對這次天氣過程進(jìn)行分析，為該類型天氣的短時臨近預(yù)報提供參考。

1 資料與方法

天氣形勢分析資料為2018年6月11日08：00至12日08：00(北京時間，下同)中國氣象局的常規(guī)地面、高空氣象觀測資料、自動站觀測資料。采用同時段美國國家環(huán)境預(yù)報中心(Nationnal Center for Environmental Prediction，NCEP)逐6 h的1°×1°全球再分析資料(Final Operational Global Analysis，F(xiàn)NL),垂直層數(shù)為26層，其中26層物理量(溫度、相對濕度、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、垂直速度)；紅外云圖和雷達(dá)回波分別選用中國氣象局國家氣象信息中心下發(fā)的FY-2E在IR1通道上的相當(dāng)黑體溫度和錫林浩特714天氣雷達(dá)監(jiān)測資料。大氣污染物PM2.5、PM10質(zhì)量濃度資料源于錫林浩特環(huán)境監(jiān)測站。

短時沙塵定義的標(biāo)準(zhǔn)按照2006年最新頒布的《沙塵暴天氣等級》國家標(biāo)準(zhǔn)，沙塵天氣分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴[1]。本文研究的區(qū)域范圍為111°—120°E、41°—47°N；研究時段為2018年6月11日08：00—20：00；短時沙塵發(fā)生的時段為2018年6月11日16：00—18：00，出現(xiàn)的位置位于阿巴嘎旗(115.01°E、44.01°N)、錫林浩特(116.117°E、43.95°N)、錫林浩特環(huán)境監(jiān)測站(位于市區(qū)東南方向，距錫林浩特市區(qū)約9 km處)。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣實況

2018年6月11日16：00—18：00，受中尺度強對流風(fēng)暴的影響，阿巴嘎旗(距錫林浩特市90 km)及錫林浩特市先后出現(xiàn)了短時大風(fēng)、沙塵天氣，最大風(fēng)速分別為24.2 m·s-1和22.6 m·s-1,最小能見度分別為5966 m和1314 m(錫林浩特觀測站)。短時沙塵發(fā)生時，能見度瞬間下降到不足50 m，對交通及環(huán)境造成極大危害。而在距錫林浩特市周邊的其他區(qū)域未監(jiān)測到沙塵天氣，可見，由中尺度強對流風(fēng)暴造成的此次沙塵天氣與錫盟地區(qū)常見的由大尺度系統(tǒng)造成的沙塵天氣不同，其主要特點為影響范圍小、局地性強、持續(xù)時間短、影響強度大。

從圖1可知，錫林浩特沙塵天氣發(fā)生前(11日17：00前)，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別為0.012—0.028 mg·m-3和0.005—0.008 mg·m-3，平均能見度為49 km。17:20 開始出現(xiàn)揚沙天氣，17:30 能見度達(dá)到最小(1.3 km)。沙塵天氣發(fā)生的最強時段分別對應(yīng)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度較小，而短時沙塵天氣減弱結(jié)束時(18:00)PM10和PM2.5有一個明顯的增加，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別達(dá)到了0.534—1.041 mg·m-3和0.020—0.095 mg·m-3。這與系統(tǒng)性沙塵天氣造成的質(zhì)量濃度變化不同，此次短時沙塵天氣發(fā)生前和發(fā)生時監(jiān)測到的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度較小，相反，在短時沙塵減弱結(jié)束時，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度有一個明顯的躍增。其主要原因是短時間內(nèi)劇烈的下沉運動使得風(fēng)力達(dá)到最大，地面的沙塵瞬間上揚，能見度下降，由于沙塵天氣局地性較強，環(huán)境監(jiān)測站位于市區(qū)下游，此時還未影響到環(huán)境監(jiān)測站，所以監(jiān)測到的顆粒物濃度非常小。另外PM10和PM2.5質(zhì)量濃度匯聚增加需要一個過程，而當(dāng)風(fēng)力減小時，大顆粒物逐漸降到地表，能見度提升，但是對于PM10以及PM2.5這些能夠在空氣中漂浮的小顆粒物仍能在空氣中持續(xù)漂浮一段時間，此時該時段的平均風(fēng)速約為6 m·s-1，風(fēng)向從東北風(fēng)突變?yōu)槲鞅憋L(fēng)，吹向下游東南方向的環(huán)境監(jiān)測站，兩個測站距離約為9 km，根據(jù)風(fēng)速的線性外推，PM10向下游傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測站大約需要25—30 min，這與圖1所監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間較為吻合，即從17:30能見度降至最低(1.3 km)，到18:00 PM10質(zhì)量濃度躍增，時間間隔大約為 30 min。由于懸浮在空中沙塵粒子的傳輸，在短時沙塵結(jié)束后使得環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測到的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度有一個明顯的躍增。

圖1 2018年6月11日14：00—21：00錫林浩特市PM10、PM2.5、能見度逐5 min變化

2.2 成因分析

2.2.1 氣候背景

2018年入春以來(3月1日至5月31日)，錫盟西北部及中部地區(qū)(錫林浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、二連浩特市)沙塵天氣明顯增多，平均揚沙日數(shù)為14次左右(圖2)，較常年同期值偏多5次。沙塵天氣增多主要由于前期降水量較少，春季回溫較快。2017年冬季錫盟大部地區(qū)積雪深度不足5 cm，截止2018年2月底錫盟中西部地區(qū)基本已無積雪。錫盟地區(qū)為典型草原地貌，前期積雪較少，導(dǎo)致土壤含水量偏低，影響植被返青，從而加大了裸土面積，造成土壤表層結(jié)構(gòu)松散，增大沙塵發(fā)生幾率。其次，2018年春季錫盟地區(qū)平均氣溫為7.7 ℃，較歷年同期偏高3.3 ℃。尤其3月氣溫迅速回升，平均氣溫為0.4 ℃，較歷年偏高5.4 ℃，創(chuàng)下了有氣象記錄以來的同期最高值(圖2)。春季氣溫異常偏高導(dǎo)致沙源地地表解凍較常年偏早，土壤表層土質(zhì)疏松，在大風(fēng)條件下，極易發(fā)生沙塵天氣。

圖2 錫盟地區(qū)春季平均揚沙日數(shù)和平均氣溫變化曲線

2.2.2 前期環(huán)流形勢

2018年6月11日08：00，500 hPa環(huán)流形勢場(圖3a)顯示在貝加爾湖至蒙古國東部有冷渦存在，錫盟地區(qū)處于蒙古冷渦的東南部。700 hPa環(huán)流形勢場(圖3b)顯示，在錫盟地區(qū)的西北部存在一個高空槽。低層850 hPa風(fēng)場顯示(圖3c和圖3d)在錫盟地區(qū)西北部存在切變線，低層切變線東移，17：00位于錫林浩特附近地區(qū)。海平面氣壓場(圖略)顯示錫盟地區(qū)處于低壓帶中，且在西北部地區(qū)有地面輻合線，之后，隨著高空系統(tǒng)的東移，低層切變線及地面輻合線不斷向東移動，觸發(fā)并促使對流云團(tuán)不斷發(fā)展加強。從溫度場上分析，在500 hPa高度上錫盟地區(qū)處在寬廣的溫度槽中；在700 hPa和850 hPa高度上，錫盟地區(qū)受溫度脊控制。高層的溫度槽與低層的溫度脊相疊置，使得錫盟地區(qū)處于上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)中，非常有利于強對流天氣的產(chǎn)生。

黑色等值線為位勢高度場；紅色等值線為溫度場；陰影部分為風(fēng)速急流區(qū)

6月11日08：00錫林浩特站上空存在對流層超低溫，即400—300 hPa位溫θ、假相當(dāng)位溫θse及飽和假相當(dāng)位溫θ*在垂直方向基本無變化，構(gòu)成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)(圖略)。同時在850 hPa和400 hPa附近處三條線出現(xiàn)向左折轉(zhuǎn)，位溫隨高度減小，說明大氣層結(jié)處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)(圖略)。400 hPa以下，θse和θ*相距較遠(yuǎn)為干層，尤其是700 hPa附近干層更為明顯，說明水汽條件較差，不利于短時強降水發(fā)生。由T-lnP圖可知(圖略)，低層850 hPa附近存在弱逆溫層，環(huán)境溫度曲線和露點溫度曲線表明，環(huán)境大氣整層較干且中層有明顯的干層。500—700 hPa溫度直減率表明，對流中下層的環(huán)境直減率較大，達(dá)到了10 ℃·km-1,接近干絕熱遞減率，有利于雷暴大風(fēng)的發(fā)展。垂直風(fēng)切變表明，中低層有明顯的切變，700 hPa以下風(fēng)隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，說明低層有暖平流。08：00錫林浩特站的對流有效位能值較小，只有3.5 J·kg-1，但下沉對流有效位能值較大，其值為798.1 J·kg-1，這一參數(shù)常用來表征下沉氣流強度[19]。同時大風(fēng)指數(shù)為24.1 m·s-1,表明錫林浩特有強的雷暴大風(fēng)的潛勢。近地面為弱偏南風(fēng)，700 hPa以上為一致的偏北風(fēng)，為“順滾流”，高層風(fēng)速大于低層，風(fēng)垂直切變較大，非常有利于垂直運動發(fā)展，表明錫林浩特市附近將出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

2.2.3 動力條件

從風(fēng)場演變過程來看(圖4a)，2018年10日08時300 hPa以上高度以西風(fēng)為主，300—850 hPa為北風(fēng)，850 hPa以下的近地面層為西北風(fēng)。到10日20：00，近地面風(fēng)場逐漸演變?yōu)槲髂巷L(fēng)，在垂直方向出現(xiàn)了風(fēng)切變。11日08：00地面至850 hPa附近風(fēng)向隨高度出現(xiàn)明顯的順轉(zhuǎn)，由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，在低空出現(xiàn)明顯垂直風(fēng)切變，有利于對流性風(fēng)暴的生成和維持。從錫林浩特逐5 min要素曲線來看(圖4b)，錫林浩特在17：10—17：15，風(fēng)向由東北風(fēng)(31°)突轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)(343°)，隨后在17：20風(fēng)力增大至22.6 m·s-1。同時地面氣溫從26 ℃驟降至20 ℃，此時錫林浩特的沙塵天氣達(dá)到了最強。從逐小時地面自動站分析的流場來看(圖4c和圖4d)，11 日11：00錫盟西北部在風(fēng)場上出現(xiàn)北風(fēng)和南風(fēng)的輻合，說明輻合線后為干冷性質(zhì)氣團(tuán)，17：00—18：00地面輻合線位于錫林浩特中部附近，地面冷暖空氣交匯激烈，強天氣也基本發(fā)生在此處。整個過程可以發(fā)現(xiàn)，地面風(fēng)場的輻合抬升觸發(fā)了強對流天氣，大風(fēng)天氣發(fā)生在地面輻合線附近。

垂直風(fēng)切變單位為m·s-1；代表地面輻合線

沿43°N對垂直速度和散度做垂直剖面，11日08：00(圖5a),錫林浩特西部位于114°—115°E范圍,垂直速度存在明顯的正負(fù)對偶中心，500 hPa有較強的上升運動中心，700 hPa為一正的大值中心，配合散度來看，500 hPa以下為負(fù)散度區(qū)，500 hPa以上為正散度區(qū)，此時錫林浩特(116.2°E)整層處于弱的上升運動區(qū)域當(dāng)中。從連續(xù)演變看,11日14：00(圖5b)，下層運動在該地區(qū)是不斷加強的,低層的分布強度遠(yuǎn)大于高層。11日17：00(圖5c),垂直速度加強，114°—115°E存在一對垂直速度正負(fù)對偶中心，并對應(yīng)有合適的散度場配合，此時錫林浩特整層處于下沉運動區(qū)域當(dāng)中，配合散度整層均為正散度區(qū)。即位于錫林浩特西部較強的上升運動區(qū)以及高層輻散、低層輻合的散度場,為這次強干對流天氣提供了抬升條件，同時錫林浩特整層處于下沉氣流當(dāng)中，強烈的下沉氣流為該地區(qū)出現(xiàn)短時沙塵提供了有利的動力條件。

▲為錫林浩特；陰影部分為垂直速度，單位為Pa·s-1；等值線為散度，單位為s-1

從6月11日08：00—20：00錫林浩特渦度平流的垂直時間剖面可知(圖略),850 hPa以上錫林浩特一直處于正渦度平流區(qū)中，850 hPa以下為負(fù)渦度平流,從連續(xù)演變看,14：00—20：00，850 hPa以上正渦度平流隨高度明顯增強，正渦度平流中心位于400 hPa附近，中心值為24×10-10s-2,強的正渦度平流帶有助于上升運動的維持和加強，為此次強干對流天氣提供了非常有利的動力抬升條件。

2.2.4 熱力條件

由圖6a中可見，在沙塵天氣發(fā)生前，2018年6月10日20：00的預(yù)報場表明，△T為-35 ℃，上下層溫差較大。到11日08：00，由于太陽輻射增溫，△T減少至-31 ℃，但是較10日08：00的-27 ℃仍有-4 ℃的溫差。上下空氣層溫差增大，更加有利于大氣對流不穩(wěn)定的發(fā)生。從溫度平流剖面的連續(xù)演變來看(圖6b)，11日08：00錫林浩特站對流層中高層為冷平流，700 hPa 有一弱的暖平流，11日14：00高層冷平流開始不斷加強，11日20：00，500 hPa的冷平流中心達(dá)-2×10-4～-3×10-4℃·s-1,可見中高空冷空氣較強，形成了上冷、下暖的空間配置，存在著有利于強對流發(fā)展的熱力抬升條件。從錫林浩特假相當(dāng)位溫剖面來看(圖6c)，隨著太陽輻射加強，地面增暖，錫林浩特中低層假相當(dāng)位溫連續(xù)變化是加強的，從50 ℃增加到55 ℃。從錫林浩特相對濕度剖面來看(圖6d)，高層濕度不斷增加，但低層濕度是減小的，500 hPa相對濕度中心值達(dá)到70%，850—700 hPa相對濕度為30%—40%，低層的水汽含量較低，不利于短時強降水的發(fā)生，700 hPa存在明顯的干層，有利于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

氣溫單位為℃；溫度平流單位為℃·s-1；位溫單位為℃；相對濕度單位為%

2.2.5 衛(wèi)星云圖演變

2018年6月11日13:30錫盟大部地區(qū)對流云團(tuán)發(fā)展強盛(圖7a)，呈橢圓狀，邊界整齊清晰，到14:30對流云團(tuán)開始影響阿巴嘎旗北部(圖7b)。同時，地面實況表明(圖略)，地面風(fēng)力開始逐漸增大，15：00—16：00阿巴嘎旗出現(xiàn)短時大風(fēng)、沙塵天氣。到17:00左右，圖7c和圖7d表明對流云團(tuán)東移南壓不斷增強，云頂亮溫達(dá)到了220 K。錫林浩特處在強對流云團(tuán)的前沿下沉氣流中，開始出現(xiàn)沙塵天氣，隨著強對流云團(tuán)的東南移動，到18:00對流云團(tuán)減弱，錫林浩特沙塵天氣結(jié)束。錫林浩特的沙塵天氣從開始到結(jié)束整個過程持續(xù)了50 min左右。但是由于紅外云圖僅能觀測到云頂溫度，很難看到對流風(fēng)暴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演變。

黑色邊界為錫盟行政區(qū)域；時間為北京時間

2.2.6 雷達(dá)回波演變

由于紅外云圖的局限性，為了近一步分析此次對流云團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及演變過程，本文將結(jié)合雷達(dá)回波針對這一現(xiàn)象進(jìn)行分析。一直以來，天氣雷達(dá)應(yīng)用主要集中在暴雨、雷暴、大風(fēng)、冰雹等強對流天氣，對沙塵天氣分析應(yīng)用較少。韓經(jīng)緯等[20]利用多普勒天氣雷達(dá)對2005年4月1日內(nèi)蒙古發(fā)生的沙塵暴個例進(jìn)行了分析，結(jié)果表明通過多普勒天氣雷達(dá)回波可以對沙塵天氣發(fā)生時的天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

17：23，錫林浩特站714 雷達(dá)進(jìn)行5 min 14 個仰角的體掃。從0.5°到16.9°仰角錫林浩特上空一直都有降水回波，西北部強度較弱，為10—30 dBz，西南部地區(qū)低仰角降水回波較強，為40—55 dBz，隨著仰角的抬高回波減弱。圖8a和圖8b為2.5°仰角和3.4°仰角的反射率因子分布，可見在對流風(fēng)暴前沿靠近雷達(dá)附近有明顯的陣風(fēng)鋒。對雷達(dá)西南部強回波中心做不同時次的RHI掃描(圖8c至圖8e)，發(fā)現(xiàn)整體回波呈柱狀，強回波中心隨時間明顯下移，說明下沉有效位能不斷的釋放。同時，靠近雷達(dá)一側(cè)在4 km以下出現(xiàn)無降水回波的區(qū)域，這主要由低層沙塵造成的。

圖8 2018年6月11日17:23錫林浩特站714雷達(dá)2.5°仰角(a)和3.4°仰角(b)PPI掃描觀測的雷達(dá)反射率因子,17:03(c)、17:33(d)、17:36(e)沿圖a中黑色粗線進(jìn)行RHI掃描的雷達(dá)反射率因子

由相對徑向速度可知，在雷達(dá)西部存在明顯的徑向輻合(圖9a和圖9b)。從相對徑向度剖面更清楚的看出(圖9c)，在4 km高度處存在明顯的中層徑向輻合。由此可知，雷達(dá)產(chǎn)品中的下沉氣流造成對流風(fēng)暴前沿的陣風(fēng)鋒及中層徑向輻合是此次地面大風(fēng)、沙塵天氣出現(xiàn)的明顯特征。

圖9 2018年6月11日17：23錫林浩特站714雷達(dá)在2.5°仰角(a)和3.4°仰角(b)PPI掃描下相對徑向速度、沿圖a中黑色粗線進(jìn)行RHI掃描的相對徑向速度(c)

3 結(jié)論

(1)2017 年冬季降雪較少，2018 年春季氣溫迅速回升，導(dǎo)致前期積雪較少，春季解凍較早，土壤表層土質(zhì)疏松，為2018年6月11日短時沙塵天氣提供了有利的前期氣候背景。從天氣形勢來看，此次沙塵天氣主要在高空冷渦環(huán)流背景下，由低層切變觸發(fā)的干對流風(fēng)暴造成的。上冷下暖的大氣層結(jié)為對流風(fēng)暴提供了非常有利的環(huán)境條件。對流云團(tuán)發(fā)展旺盛，外流邊界強下沉氣流造成的大風(fēng)為此次短時沙塵天氣提供較好的動力條件。

(2)此次短時沙塵天氣主要發(fā)生在地面風(fēng)向突變、氣溫下降、風(fēng)速瞬間加大的時段。衛(wèi)星云圖顯示錫林浩特地區(qū)此次沙塵天氣主要受強對流云團(tuán)影響，當(dāng)處在強對流云團(tuán)的前沿下沉氣流中時，出現(xiàn)沙塵天氣。隨著強對流云團(tuán)減弱并向東南方向移動時，沙塵天氣結(jié)束。在沙塵發(fā)生時，雷達(dá)回波前沿出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，徑向速度PPI掃描和RHI掃描中出現(xiàn)徑向輻合和中層徑向輻合。

(3)局地沙塵發(fā)生前,動力、熱力條件有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展,高低層輻散輻合、較強的上升運動及干燥的中層大氣和下墊面,是局地沙塵天氣產(chǎn)生的主要原因。