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1、春季两次大范围沙尘暴天气过程的对比分析张恒德 樊利强 花丛 张亚妮 张金艳 (中国气象局国家气象中心，北京 100081) 摘要利用卫星资料、常规及加密观测资料、NCEP再分析资料，对蒙古气旋引发的2011年4月28-30日（过程1）及2010年3月19-22日（过程2）沙尘暴天气过程的环境条件、气候背景、环流形势进行了对比分析，并对热力、动力及不稳定条件作了物理量诊断。结果表明：过程2范围更大、强度更强、持续时间更长；地表覆盖差、旱情持续发展、前期气温偏高，构成了两次沙尘天气过程发生的有利环境条件和气候背景；蒙古气旋与高空冷涡是造成两次沙尘暴的主要系统，过程2的偏北大风范围更大，气旋的冷锋主
2、体东移过程中南压范围更大，气旋中心与高压中心间气压梯度更大，造成沙尘范围更大、强度更强，其后部的副冷锋及补充冷空气有助于沙尘天气持续时间更长；垂直速度的变化对沙尘暴有很好的指示作用，过程2上升区范围明显大于过程1；螺旋度的分布反映出对流层中低层存在强烈的涡旋上升运动，有利于起沙，而负值区垂直发展有利于将沙尘抬升，并随高空风向下游传播，过程2的螺旋度更大；冷平流及动量下传有助于地面加压、冷高压增强、气压梯度加大，导致地面变压风增大，有利于沙尘天气发生，过程2动量下传更大，变压风更大，沙尘更强；理查逊数下降并维持低值、风垂直切变增大，大气层结不稳定，易激发沙尘暴发生并向下游传输。关键词：沙尘暴，蒙
3、古气旋，对比分析，螺旋度，理查逊数引言沙尘暴是我国北方地区春季严重的灾害性天气，不仅可以在短时间内对当地的环境以及人类的社会生活带来很大的损失，沙尘也常随着西风和西北气流输送到华北及长江中下游，形成沙尘暴、扬沙或浮尘天气。沙尘暴的产生通常需要丰富的沙尘源、强风和大气层结不稳定。蒙古气旋的活动范围正是东亚地区几大沙漠、沙地及戈壁所在之地，有丰富的沙源，只要在气旋发展过程中配合有利的物理条件就可能引发沙尘暴。刘景涛等指出蒙古气旋的爆发性发展和冷锋后大风是2001年4月67日强沙尘暴过程起沙的主要动力1；在引发沙尘天气的蒙古气旋快速发展的因子中，对流层中低层的温度平流有重要的作用2；蒙古气旋内部的垂
4、直环流与控制辽宁地区的冷平流对2007年3月底沙尘暴和降温过程具有一定的触发与维持作用3；宗志平等指出蒙古气旋是造成2009年4月下旬大范围沙尘暴的关键影响系统4。2011年4月28-30及2010年3月19-22日我国北方地区出现了两次大范围沙尘天气过程。为此，本文利用卫星资料、常规气象资料、NCEP/ NCAR 提供的116h 再分析资料，从环境条件、气候背景、天气形势及蒙古气旋的活动等方面对两次过程的成因进行了对比分析，并进行物理量诊断分析，探讨蒙古气旋、动量下传与沙尘暴发生发展的关系，对此类沙尘暴的分析和预报有一定意义。1 沙尘天气概况2011年4月28日傍晚至30日白天（图1a），我
5、国南疆盆地、西北地区东部、内蒙古中西部、华北大部、东北地区西部相继出现沙尘天气，其中南疆盆地、甘肃西部、内蒙古西部的局地发生沙尘暴或强沙尘暴。最强时段出现在29日白天。此次沙尘天气过程具有范围广、强度大、持续时间长、影响大等特点：（1）本次扬沙及浮尘天气覆盖北方大部地区，影响了10省区，受灾土地面积约230万平方公里，人口约9000万。（2）本次沙尘天气强度大，以南疆盆地、甘肃中西部和内蒙古西部等地的区域性沙尘暴天气为主，局地出现了强沙尘暴，酒泉市金塔县及阿拉善盟拐子湖，能见度均仅为100米。（3）本次沙尘天气主要出现在28日傍晚至30日白天，历时约40小时。2010年3月19-22日（图1b
6、），新疆南部、青海柴达木盆地和东北部、西北地区东部大部、内蒙古中西部、华北大部、黄淮、江淮大部、江汉大部以及四川盆地北部等地出现了大范围的沙尘天气，内蒙古中西部大部分地区以及南疆盆地、柴达木盆地局地出现了强沙尘暴。最强时段出现在19日14时至20日08时，海力素、满都拉、达拉特旗的能见度最低下降到100米；从内蒙古高原到华北平原，与沙尘过程相伴随的瞬时强风多次超过20m/s。此次过程对农林业、交通运输及居民日常生活均造成较大影响，后期浮尘天气甚至还影响了台湾和日本。本次沙尘天气过程前后历时4天，范围横跨我国从西到东共20个省、市、自治区，并在4个省内出现强沙尘暴天气。a两次过程相比，过程具有覆
7、盖面积更大、强度更强的特点且伴随有明显的大风和大幅度的降温，也是近几年来强度最强、影响范围最大的强沙尘暴之一。 b图1 2011年4月2830日沙尘落区、锋面气旋动态及29日08时850hPa风场、地面气压场配置（a）, 2010年3月19-22日过程沙尘落区（阴影区）、气旋动态及19日20时850hPa风场、地面气压场配置（b）2 沙尘天气的成因分析沙尘天气通常发生在一定的环境条件和气候背景下。 2.1 环境条件和气候背景全国植被长势监测图（ 图略）反映出：甘肃南部、青海南部、西藏东部、四川西部、云南北部和西南部、重庆北部和中部植被长势较常年同期偏差，部分地区与上年持平，西北地区大部、内蒙古
8、中西部、华北北部及东北地区西部土壤的植被状况总体较差，有利于起沙。南疆盆地、甘肃大部、宁夏、陕西、内蒙古中西部及华北等地近5天均没有明显积雪，也有利于这些地区起沙。2011年4月中旬干旱监测图（图2a）反映出：旱区主要分布在内蒙古东南部和中部、陕西北部、宁夏大部、甘肃东部和中部等地，以轻旱为主，部分地区中旱。2011年4月1828日（图2b），南疆、青海北部、甘肃中西部、宁夏大部、内蒙古西部无降水；北方大部地区10日累积降水量在10毫米以内。与常年同期相比，西北地区大部、内蒙古西部和东部、华北中西部等地降水偏少，部分地区偏少5成以上，干旱趋势进一步加剧，使得上述地区地表土质更加干燥疏松，当有大
9、风等动力条件出现，极易发生沙尘天气。地表增暖一方面促进土壤水分的蒸发，使其变得更加干燥而易于起沙；另一方面加热低层大气，使气层不稳定性加强，从而形成上升运动，抬升土壤粒子脱离地表进入到大气中。因此，气温的升高从热力和动力两方面对沙尘天气的形成起到了推动作用。2011年4月18日到27日我国大部地区最高气温超过25 ，部分地区超过33，新疆、西北地区大部、内蒙古西部等地气温偏高24（图2c），其中新疆北部局地气温偏高6以上。前期气温偏高，造成春季土壤失墒快，地表浮尘进一步增多，有利于起沙。2010年3月1519日（图略），内蒙古中西部、西北地区东部及华北大部均无积雪覆盖；3月中旬，华北中南部、黄
10、淮中部和东部局部、江南西南部、四川盆地东部植被长势偏差；与此同时，西北地区东部，内蒙古中部为旱区，西北地区东部、华北南部、江淮、江汉、四川盆地北部、华南大部降水比常年同期偏少5成以上（图2d）。西北地区沙源地的旱情使土壤疏松加剧，在风力作用下极易起沙；华中及华南地区降水偏少，空气湿度较低，沙尘可较长时间的漂浮在空中，不易沉降，这是本次过程中南方地区浮尘天气维持一天多时间的重要原因之一。此外，过程2前期气温也明显偏高，有利于起沙。因此，2010年3月中旬和2011年4月下旬的环境条件和气候背景非常有利于北方地区沙尘天气的发生，尤其在201年3月中旬，从我国西北到东南，植被偏差、气温偏高、降水偏少
11、，使沙尘长驱南下，影响了大半个中国，这也是过程2比过程1范围更大的原因之一。cadb图2 2011年4月中旬气象卫星植被长势监测(a)、1828日全国降水量(b)、1827日全国气温距平（c）及2010年3月9-19日降水距平（d）2.2环流形势特征分析2.2.1高空环流形势极涡的活动与冷空气活动及我国天气变化密切相关。在图3a所示的2011年4月2830日平均500hPa高度及温度场上，北极涡呈现三极型，中心位势高度小于504dagpm，与气候平均的极涡强度520dagpm相比显著偏强，极涡强度和面积均较大，北半球中纬度环流呈现5波型分布，西风槽活动频繁，这种高空形势容易引导高纬冷空气南下，
12、此特征在2829日500hPa平均经向风（3c）上也有明显反映，北方大部地区处于明显的偏北气流控制，部分地区偏北风分量大于14 ms-1，偏北气流非常强势。从环流形势的演变来看，28日08时500hPa上（图略），亚洲中高纬呈现两槽一脊，深厚的高空槽分别位于西西伯利亚和日本海，弱高压脊位于贝加尔湖东南方，位于西西伯利亚的高空槽迅速东移南压加深，并在蒙古国有冷涡生成加强，亚洲中东部环流的整体经向度加大，有利于冷空气爆发南下，造成北方地区大范围大风降温及沙尘天气。另外，沙尘暴发生前，500hPa上我国北方大部地区基本上处于西偏北气流下，天气晴好，尤其新疆东部、内蒙古中西部、甘肃、宁夏、陕西等地受高
13、压脊持续控制，气温偏高，为沙尘天气的发生提供了一定背景条件。从3月18-19日500hPa平均高空形势场(图3b)来看，极涡呈多极型，且中心更低，强度更强，冷空气势力更强。亚欧大陆处于呈现两槽一脊控制，两个低槽分别位于乌拉尔山以西和鄂霍次克海上空，两槽之间为一宽广脊区，乌山以西的低槽发展更为深厚，其中心气温低于-44C，从这一低槽中不断有冷空气分裂东移，向鄂海上空的低槽补充，导致盖槽的槽底南伸至江淮流域，其槽后的偏北风有利于引导沙尘向东南沿海输送。位于巴尔喀什湖至蒙古国一带的高空锋区明显，等高线密集，有利于地面锋面增强及风速增大。500hPa平均经向风(图3d)显示，贝加尔湖至我国江淮流域均受
14、偏北风影响，中心最大值超过16m/s，偏北风分量超过8m/s的范围比图3c所示的2011年4月底更大，最南到达江淮南部，偏北大风携冷空气南下，造成我国降温及沙尘天气范围更大。2.2.2地面和低空环流形势在2011年4月2829日平均海平面气压场及850hPa温度场（图3e）上可看出亚洲中高纬地区处于北高南低、西高东低的形势，南北及东西气压差均较为明显，并存在显著的温度差，等压线及等温线密集，冷平流强，有利于冷空气不断补充东移南下影响我国。西伯利亚处于庞大冷高压控制，高压中心强度超过1020hPa，在蒙古国东南部至我国内蒙古中部有较强的闭合低压环流，中心气压低于995hPa，高低压之间气压差达到
15、25hPa以上，气压梯度较大，造成梯度风较大；此外，从低压中心至内蒙古西部甘肃西部新疆东部一带存在较强的锋面气旋（蒙古气旋）。2010年3月1819日平均海平面气压场及850hPa温度场（图3f ）也有相似特征，但冷高压更强，达到1030hPa，高压中心与低压中心间的气压差更大，达到30hPa以上，等压线及等温线更密集，冷平流更强，气压梯度力更大，导致梯度风更大；此外，高低压中心和气旋位置更偏南，这些都是沙尘范围更大、强度更强的有利条件。具体从2011年4月28日08时实况来看（图略），庞大高压控制着巴尔喀什湖附近及其以北以西的广大地区，在高压前部的蒙古国西北部有气旋发展东移，在低层850hP
16、a上有低涡和切变线相配合，等压线密集，气压梯度力大，造成地面气压梯度风大，有利于起沙，28日午后我国新疆局地、蒙古国西部相应地开始出现了大范围沙尘天气。随着高低空系统东移南下及蒙古气旋发展（图1a），29日08时气旋中心东移至内蒙古二连浩特站以北约200km附近，气旋的冷锋到达内蒙古河套地区陕西北部宁夏南部甘肃东部一带，从蒙古国西北部到我国内蒙古及西北地区中东部偏北地区的等压线加密，气压梯度力加大，地面风力相应加大，午后到傍晚风力继续加大，大风区范围相继扩大，沙尘暴强度达到极值，29日夜间风力略有减弱，沙尘强度减弱；30日早晨，随着冷空气补充南下，内蒙古中部风力再次加强，但幅度较小，使沙尘天气进一步向东偏南发展；相应地，从27日20时到29日08时低层850hPa低涡及切变线持续续加强，风速逐渐加大，尤其在低涡切变线左侧偏北风分量明显加大，到了29日23
