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1、第八章 沙尘暴预报学习要点本章介绍了影响我国的沙尘天气的统计特征和发生发展规律，重点介绍了沙尘暴天气监测、预报方法与预报思路。沙尘暴天气是我国北方地区主要灾害性天气之一，当其形成之后，通过沙埋、狂风袭击、降温和污染大气等方式，使大片农田受到沙埋或被刮走沃土，农作物遭受霜冻之害，致使绝收或大幅度减产；它能加剧土地沙漠化，对大气环境造成严重污染，对生态环境造成巨大破坏，给人民生命财产造成严重损失。我国受到沙尘暴的危害严重，特别是西北地区的工矿、交通、新兴城镇及水利、电力、煤田和油气井等设施，均受风沙危害或威胁，一旦出现沙风暴或黑风暴，受害尤为严重。因此沙尘暴天气的预报服务是目前我们业务工作中十分重
2、要的一项内容。8.1 沙尘暴的时空分布特征8.1.1 定义和标准沙尘暴是一种自然现象， 是指强风把地面大量沙尘吹起，卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于1km的严重风沙天气现象。沙尘暴天气的标准是中国气象局2002年3月12日发布的沙尘天气预警业务服务暂行规定（气发200243号文，自2002年3月20日起执行）。定义和标准如下：详情进入 沙尘暴定义和标准沙尘暴：强风将地面尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1km的天气现象。 沙尘暴过程的定义和标准沙尘暴天气过程：在同一次天气过程中，我国天气预报区域内相邻3个或3个以上国家基本（准）站同时出现了沙尘暴天气。 强沙尘暴的定义和标准强沙尘暴
3、：强风将地面尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于0.5km的天气现象。 强沙尘暴过程的定义和标准强沙尘暴天气过程：在同一次天气过程中，我国天气预报区域内相邻3个或3个以上国家基本（准）站同时出现了强沙尘暴天气。 特强沙尘暴的定义和标准（为地方标准，暂未列入国家标准）特强沙尘暴：强风将地面尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于0.05km的天气现象。隐藏8.1.2 沙尘暴的空间分布特征根据国家气候中心制作的中国年沙尘暴日数图分析（图8.1），沙尘暴主要分布在我国北方地区，西北地区最为突出。多发区集中在南疆盆地及周围、塔里木盆地及周围、青藏高原西部、河西走廊宁夏平原陕北一线、内蒙古阿拉善高原、河
4、套平原和鄂尔多斯高原。详情进入从图上可以看出两个沙尘暴高发中心，一个位于南疆盆地及附近地区，另外一个位于内蒙古西部及甘肃民勤（年平均在20次以上）。周自江(周自江，王锡稳等 2002）通过对我国681个基本气象观测站，19542001年观测资料的统计分析，48年间，记有沙尘暴的站共469个，占68.9%。王式功等(王式功等 2003）对沙尘天气易发区的降水和气温进行了统计分析，发现沙尘暴发生区年平均降水仅为198.5mm， 按气候区划衡量，低于干旱区临界上限（200mm）。隐藏8.1.3 沙尘暴的时间分布特征 根据国家气候中心制作的不同季节年平均沙尘暴平均日数图（图8.2）分析，春季是我国沙尘
5、暴出现频率最高、范围最大的季节，多发区分布与全年的分布类似；其次为夏季，范围较春季缩小，高原西部的沙尘暴出现频率明显减少；详情进入秋、冬季节的沙尘暴出现频率和范围较小，冬季出现沙尘暴天气的中心位置在内蒙古中东部及甘肃民勤、青藏高原西部，而秋季多出现在内蒙古中东部及甘肃民勤、南疆和青藏高原西部地区。周自江等对北京、和田等6个代表站全年各月沙尘暴出现的次数进行了分析（图8.3），可以看出，沙尘暴全年的分布呈单峰型，主要集中在35月份，大部分地方的沙尘暴多出现在34月份，而和田的沙尘暴高发期在5月，兴海的沙尘暴高发期在3月，不同地区的沙尘暴出现频次有一定的季节差异，大部分地区在秋冬季节频次较低。对于
6、沙尘暴天气的空间分布和时间分布，由于不同的研究和分析需要，以及所应用资料的年代和标准不同，有一定的差异，在参考应用时要特别注意。8.2 沙尘暴的形成机制8.2.1 沙尘暴的形成条件沙尘暴是由多种因素形成的，包括气候背景、地貌特征、季节变化、大气环流条件等，其形成需同时具备三个基本条件：即沙尘源、强风和不稳定的大气层结。详情进入沙尘暴动画演示沙尘源有内源和外源，内源包括我国的八大沙漠和四大沙地，即塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠、柴达木盆地沙漠、巴丹吉林沙漠 、腾格里沙漠 、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、科尔沁沙地、浑善达克沙地、毛乌素沙地、呼伦贝尔沙地；外源指蒙古国南部戈壁地区（图8
7、.4）。强风一般需达到6级(10m/s)，在南疆5级( 8.0 m/s)，但在有些地方本站的风力不一定很大，上游风力较大的情况下也会出现能见度小于1km的沙尘暴天气。不稳定的大气层结是导致大气垂直运动的主要原因。隐藏8.2.2 气压（变压）场的分析大风是造成沙尘暴最主要的原因。风是由于空气中水平方向上气压分布不均匀造成的，同时包括地形、不均匀的受热、地球自转、大气环流变化等其它因素的影响，但气压的不均匀分布和变化是大风产生的最直接原因之一，大风天气尤其是区域性大风天气产生前后在天气图上都有明显的气压变化特征，因此对气压场和变压场的分析是预报大风首要考虑的问题。详情进入一般出现大风时，地面图上都
8、有天气尺度的高、低压中心配置，高压中心位于冷锋后面，锋面前后变压明显，特别是3h变压尤为明显，锋前和锋后的气压差可以直接造成大风，气压梯度越大风速越大。 北方路径大风沙尘暴天气。在地面图上，地面冷锋呈准东西走向。锋后冷高压中心在贝加尔湖到蒙古国北部，强度1035hPa。锋前蒙古低压发展，形成北高南低的气压场分布，冷锋南压，气压梯度加强，造成西北或偏北大风沙尘暴。偏西路径冷空气造成的大风沙尘暴天气。地面图上，冷空气从中亚越过帕米尔高原进入南疆西部，沿塔里木盆地途经塔克拉玛干和库存姆塔格沙漠东移冷锋（70105E，4255N），蒙古国有低压发展，冷高压中心气压在10251040hPa之间，位置在6
9、0105E，4560N。冷锋过境，大风沙尘暴天气开始。当冷空气越过天山或帕米尔高原进入南疆盆地时，促使冷锋加强再东移，可造成较强的偏西大风沙尘暴。有时，当地面冷锋过境时，没有立即形成大风沙尘暴，而是在高空冷槽经过本站时大风沙尘暴才形成。过程前降压升温，大风开始升压降温，风力大小视气压梯度、变压梯度而定，一般气压梯度20hPa/经纬度（约111km）。如果大风与高空急流配合，风力将加大，沙尘暴天气会更强。西北路径类冷空气造成的大风沙尘暴天气。地面图上，地面冷锋一般呈NE-SW走向。冷锋后冷高压中心位于北疆西北部，中心强度1030hPa，并且锋前有热低压或热倒槽发展，冷锋前后气压梯度、变压梯度和温
10、度梯度都很大，有利于大风和沙尘暴的形成。另外，当冷空气特别强大时，受天山和其东部的喇叭口地形影响，冷空气倒灌，进入南疆盆地，在南疆和河西西部还可形成偏东大风沙尘暴。有时锋面云带前部有中尺度云团或中尺度飑线发展时，也能引发强沙尘暴发生。隐藏8.2.3地形对沙尘暴的影响我国的沙尘暴多发区大都有其特殊的地形特征。沙尘暴一般多发生在盆地、山口、两山之间的狭长地带等，这些特殊的地形条件对影响系统的移动和发展有动力和热力作用，如山脉前冷空气堆积和越过山脉后的俯冲作用、盆地的低层加热作用、狭长地带的狭管效应等，对风力的加大、方向路径的改变、垂直运动的发展都有很大的影响。详情进入贺兰山和银川盆地的阻挡和俯冲作
11、用：突起的山脉与盆地相互配合容易造成沙尘暴。当甘肃河西有大风形成时，引起扬沙，大风挟着大量沙尘，经阿拉善高原东移，在贺兰山北面山前受阻堆积，冷锋受山脉阻挡作用，坡度变陡，当冷空气堆积到一定程度，一部分冷空气翻越贺兰山向银川盆地俯冲，由于冷空气迅速下沉，锋面坡度急剧减小，因而大量的位能转化为动能，加之冷锋前的高温，促使在银川盆地形成强烈辐合上升运动，气压梯度和温度进一步加大，促使系统加强，导致沙尘暴的形成。河西走廊地形的狭管效应：河西走廊地形的狭管效应和特殊的流沙、尾矿砂地表为沙尘暴的形成提供了极为有利的地理环境。河西走廊呈西北-东南向，狭长大约1100km。当冷空气经过时，地形引起的狭管效应，
12、可使风力明显加大。金昌位于龙首山与祁连山之间的狭窄处，南北宽度仅数十公里，狭管效应更为显著。到河西东部开口处狭管效应减弱，风力减小，沙尘暴也逐渐减弱。另外，沙尘源的类型和表面硬度是决定起沙量的重要因素。据监测，民勤、金昌等地物源类型属流沙和尾矿砂，表面硬度小，出现大风时容易扬沙起尘，为沙尘暴提供丰富的沙尘源。 柴达木盆地狭管加速和下滑效应：柴达木盆地海拔大约在3000m，地势从西北向东南倾斜，其东部为开阔地。这种特殊的地形，不但对风有狭管加速效应，并且还有使空气下滑势能转变为动能的作用，地面风速往往大于500hPa高度的风速。南疆塔里木盆地中的塔克拉玛干沙漠沙尘平均粒径0.078mm，为超细沙
13、，相对于国内外同类相似地区，形成沙尘暴天气的风力等级要小，经测定在塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴启动风速为8.0m/s。“热岛”对形成沙尘暴的影响：西北地区部分新型工业城市的迅速发展，如金昌市、张掖市、银川市等。随着工业化程度的提高，城市规模扩大，人口增多，使该地区与周围地区之间的温差日趋加大，形成相对的“热岛”；当冷空气进入该地区时，使气压梯度和温度梯度明显加大，地面辐合上升运动增强，当冷锋进入该地区后，强度会有一明显的加强，也是该地区形成沙尘暴天气的一个不可忽视因素。8.3 环流背景与天气系统8.3.1 大尺度环流背景沙尘暴天气是在一定的大气环流背景下产生的。研究表明沙尘暴天气出现强的年份和弱的
14、年份，北半球大气环流有明显的差异，详情进入沙尘暴天气是在一定的大气环流背景下产生的。研究表明沙尘暴天气出现强的年份和弱的年份，北半球大气环流有明显的差异，赵红岩等（2004）利用19552001年西北地区月平均降水、月平均气温、月北半球500hPa高度场及环流特征量、逐月太平洋平均海温场网格资料，对强沙尘暴年和少沙尘暴年环流特征和温度分布特征进行分析，认为在强沙尘暴年环流及温度有以下特征:极涡活动强、中高纬度经向环流明显、东亚大槽位置偏西、副高面积和强度小而弱（图8.5）、赤道海平面海温高、降水少等特点，而在弱沙尘暴年上述特征相反。俞亚勋等（俞亚勋，赵建华 2003）利用19552000年NC
15、EP/ NCAR全球月平均再分析(2.52.5纬度/ 经度)网格点资料和甘肃省区域性沙尘暴过程资料分析后认为，春季强沙尘暴年和弱沙尘暴年大尺度高低空环流场和有关动力、热力影响因子差异明显，具体表现在以下几方面： 强沙尘暴年，500hPa层在中高纬从北欧巴伦支海经西西伯利亚平原、蒙古一直到日本上空位势高度呈现一负距平带，对应负温度距平区；东北太平洋上空为强大的位势高度正距平区，对应正温度距平。弱沙尘暴年，在中亚巴尔喀什湖至贝加尔湖一带表现为位势高度正距平区，对应正温度距平；东北太平洋上空为位势高度负距平区，对应负温度距平区。这表明中高纬欧亚范围对流层中层为“+ 、-、+”位势高度距平，对应“+ 、- 、+ ”温度距平是春季强沙尘暴年的主要大气环流特征之一。 强沙尘暴年，北半球极涡强，范围增大且南伸，东西半球各有一个极涡中心，冷空气势力强，活动范围大，而弱沙尘暴年，北半球极涡弱，范围缩小，北半球只有一个极涡中心，冷空气势力弱，活动范围小（图8.6）。 强沙尘暴年，中纬度地区的正位势高度距平和正温度距平大于高纬度地区，而弱沙尘暴年反之，中纬度地区的正位势高度距平和正温度距平小于高纬度地区，表明强沙尘暴年中纬度地区的增温大于高纬度地区，弱沙尘暴年高纬度地区的增温大于中纬度地区。 强沙尘暴年，在中亚至东亚范围
