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1、内蒙古中西部干旱区 3.19 沙尘暴过程分析 宋桂英1，李彰俊2，姜学恭1，韩经纬1，姬雅3， (1.内蒙古气象台,呼和浩特010051;2.内蒙古气象局,呼和浩特010051;3.内蒙古科技服务中心,呼和浩特010051) 提 要： 2010 年 3 月 19 日，中国华北地区发生了近几年最严重的沙尘暴天气。19 日05 时由蒙古国西部起沙，19 日 08 时在内蒙古中西部地区加强，部分地区形成黑风暴，19日 20 时沙尘天气到达河北、山西地区，20 日08 时沙尘暴(浮尘)天气到达黄河下游地区（如图1） 。此次沙尘暴天气过程，是在一定的天气背景下，下垫面前期强烈增温，导致地表热力不稳定，冷
2、锋过境时，地面受到高空动量下传及冷锋后偏北大风推动而起沙。起沙之后，地面冷高压系统强度稳定少变， 地面冷锋锋面坡度陡峭， 沙尘天气随冷锋移动横扫中国华北、华中地区。 沙尘暴天气与天气系统的发展、移动有密切关系。内蒙古中西部沙漠和荒漠化地区是我国沙尘暴的一个重要的沙源地。319 沙尘暴、黑风暴天气过程，是在一定的天气背景下，近地面前期强烈增温， 导致地表热力不稳定， 冷锋过境时， 受到冷锋后偏北大风推动而起沙。利用观测资料及数值预报产品对 319 沙尘暴天气过程进行诊断分析，得到以下结论：一、沙尘暴天气过程中，天气系统强度维持少变，但下游测站的恶劣天气现象明显不如内蒙古强烈， 说明内蒙古沙尘源作
3、用对下游省份影响显著。 二、 中高层的冷平流促发了锋面次级环流，锋面次级环流在加大地面风力的同时，也引导地面冷锋向南移动。在冷锋移动过程中，锋后冷高压先加强后减弱，但高压前沿冷锋一直处于等温线增密状态，主要与锋面对西风的增强有关。三、内蒙古中西部地区处于高空急流出口区右侧，即急流出口区下沉支区域，下沉支落在地面冷锋后，引起大风、降温、湿度剧变，从而加强了沙尘暴天气。地面冷锋与高空急流下沉支叠置， 对内蒙古中西部地面大风加强作用显著。 高空急流动量下传为地面冷锋移动、冷锋后地面大风加强提供了能量。四、干旱、半干旱区地面热力属性差，在沙尘暴形成前期，近地面层增温时间长，导致地表热力不稳定，当受到冷
4、平流的触发，产生深厚的对流，沙尘暴出现并逐渐加强、扩展。 关键词： 干旱 沙尘暴 冷锋 高空急流 不稳定层结 1 引言 内蒙古自治区地处内陆，水资源严重不足，干旱已成为制约内蒙古农牧业发展的重要因素。沙尘暴是一种发生在干旱、半干旱地区的剧烈的灾害性天气。沙尘暴是沙暴和尘暴或两者兼有的总称，是指强风把地面大量沙尘卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于1km的现象。沙尘暴天气的产生必须具备沙尘源、强风和不稳定的大气层结三个条件。沙尘暴的形成、发展、衰亡都伴随着天气系统的移动、发展和衰亡。对于沙尘暴，专家们致力于沙尘气溶胶的物理化学特征及沙尘暴形成的动力学原因等研究1 2 3。国际、国内对沙尘暴特
5、征及成因的研究有很大发展。 李耀辉系统分析了华北地区沙尘暴的天气气候特征4， 指出新疆、甘肃、宁夏及内蒙古西部是沙尘暴多发区。姜学恭等5对沙尘暴过程进行的数值模拟及针对内蒙古中西部沙尘源地影响的敏感性试验表明： 内蒙古中西部荒漠化草原生态的迅速恶化是沙尘天气频繁发生的部分原因。 沙尘暴日数与植被覆盖率之间呈现负的相关关系,这种相关关系在不同地貌类型区和不同季节有所差异6。内蒙古沙尘暴的气候特征及对下游地区的影响，是一定的天气气候背景与本地下垫面特征共同影响造成的。 2 内蒙古中西部沙尘暴天气气候特征 2.1 沙尘暴天气与沙源因素 2010 年 3 月 19 日，中国华北地区发生了近几年最严重的
6、沙尘暴天气。19日 05 时由蒙古国西部起沙，19 日 08 时在内蒙古中西部地区加强，部分地区形成黑风暴，19 日 20 时沙尘天气到达河北、山西地区，20 日 08 时沙尘暴(浮尘)天气到达黄河下游地区（如图 1） 。此次沙尘暴天气过程，是在一定的天气背景下，下垫面前期强烈增温，导致地表热力不稳定，冷锋过境时，地面受到高空动量下传及冷锋后偏北大风推动而起沙。 起沙之后， 地面冷高压系统强度稳定少变，地面冷锋锋面坡度陡峭，沙尘天气随冷锋移动横扫中国华北、华中地区。 图 1 2010 年 3 月 19 日地面气压场、露点、风及沙尘暴实况图 （ a） 19 日 14 时（ b） 19 日 17
7、时（ c） 19 日 20 时 （ d） 20 日 08 时 已有的研究表明，沙尘暴天气与天气系统的发展、移动有密切关系，但沙尘暴多发于干旱、沙漠、荒漠化地区是公认的事实。对于沙尘暴的沙源因素，沙漠和荒漠化地区能够为沙尘暴提供丰富的沙尘物质7 8。全球四大沙尘暴多发区均位于沙漠和荒漠化地区，而我国新疆、青海、甘肃、内蒙古等沙尘暴多发区也多位于沙漠和荒漠化及邻近地区。内蒙古中西部地区是沙尘暴多发区。内蒙古中西部地表特征主要有两种类型， 其一为沙漠。 在内蒙古中西部分布着巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地等多个沙漠或沙地。另外，除了沙漠和沙地之外，还分布着广阔的荒漠化草原，一些研究表
8、明9，这些地区同样具有非常大的供尘能力。 内蒙古中西部沙漠和荒漠化地区是我国沙尘暴的一个重要的沙源地。3月19日沙尘暴天气过程中，地面冷锋强度维持少变，但下游测站的地面大风、能见度减小等恶劣天气现象明显不如内蒙古强烈，说明内蒙古沙尘源作用对下游省份影响显著。 2.2 沙尘暴与天气系统 沙尘暴天气出现前期，欧亚大陆为两槽（低压）一脊（高压）形势，贝加尔湖一带为脊区，蒙古及中国华北地区受暖脊控制。18日20时，有弱冷槽越过萨彦岭东南下并入西北气流，19日08时形成河套暖温度脊与西北气流叠置，河套以西温度槽明显落后于华北高度槽，天气系统斜压性显著。 18 日 20 时蒙古至内蒙古西部地面有一个低压，
9、新疆地区有一个强冷高压与高空弱冷槽匹配，冷高压中心值1037.5hpa。随着高空弱冷槽越过萨彦岭南下后加强，新疆高压迅速向内蒙古西部逼近，地面低压系统自西北路径移入内蒙古河套地区， 并逐渐扩展至内蒙古全境， 形成气旋， 气旋中心气压值及风力变化不大。19日05时，巴彦淖尔市的海力素测站首先出现沙尘暴天气，地面气旋中心值迅速减小，由1000hpa下降至990hpa左右，地面冷锋后，西北风风力明显加大。 19日08时至20时，高空锋区斜压性一直很强，温度槽落后于高度槽，并且由蒙古国西部至内蒙古河套地区存在一支高空急流，急流轴呈西北东南走向，急流轴几乎位于内蒙古河套地区。 19日20时500hpa中
10、层急流中心强度达60m/s，位于阿拉善盟巴彦浩特以西。在高空锋区东移南下过程中，地面冷锋东移，锋后偏北大风加强，风力达16m/s。冷锋后，内蒙古中西部地区的测站几乎全部出现了沙尘暴或强沙尘暴天气，内蒙古西部部分测站出现了黑风暴天气，能见度为0米。 图 2 19日 20时 500hpa高空场、 850hpa温度场与 300hpa风叠加图 19 日 20 时之后，冷锋变为向南移动路径，进入山西、河北地区，境内测站地面风力加大，出现沙尘暴、扬沙天气。到 20 日 08 时，高空温度槽加速向高度槽移动，地面低压入海，其后的高压中心位置稳定少变，位于内蒙古西部。 高压前沿一直到达山西中部，黄河南部。由于
11、高空不断有较强冷平流补充，高空斜压性仍很强，高空锋区稳定维持，地面冷锋横扫中国华中地区，沙尘暴天气也沿着锋区前进的方向由河套横扫中国东南部大陆， 沙尘暴或扬沙天气直达黄河下游，黄河下游地区能见度在4km左右。 之后，随着高空形势调整，沙尘暴天气减弱。本次沙尘天气过程首先在蒙古国西部起沙，在内蒙古中西部地区加强，随着时间推移逐渐向南、向东扩展。在沙尘天气过程中，高空急流、地面冷锋强度变化不大，但沙尘暴伴随的恶劣天气现象减弱， 说明沙尘不断向东、 向南扩展， 内蒙古中西部沙源的贡献作用越来越大。 3 沙尘暴天气的大风因素 3.19 沙尘暴的加强南扩伴随着地 面大风的剧烈加强。地面大风是沙尘暴形成的
12、必备条件。常引发沙尘暴的天气系统如冷锋、对流系统、气旋等均可产生地面大风10。其高空动量下传，常由锋后冷平流、地形强迫下沉等过程诱发。Pauley11和Karyampudi12研究表明，高空急流出口区次级环流下沉支能够导致对流层高层动量的下传。高空急流动量下传、锋面和锋面次级环流对西风的增强对沙尘暴的形成有重要作用13。 3.1 冷锋后偏北大风 内蒙古大风灾害的因素中，冷锋后偏北大风占重要比例。3.19 强沙尘暴天气过程明显的特征是地面冷锋的发展、加强。19日08时，新疆短波槽并入贝加尔湖西北气流后，高空 500hpa 温度槽明显落后于高度槽，中高层斜压性加大。之后，系统南压，内蒙古河套地区等
13、温线密集，坡度增大，形成高空冷锋锋区。锋区位于内蒙古中西部偏南河套地区。中高层的冷平流使高层等压面降低，低层等压面升高，锋面次级环流在加大地面风力的同时，也引导地面冷锋向南移动。分析 19 日 08 时至 20 时的地面图可知，在冷锋移动过程中，锋后冷高压先加强后减弱，中心值08时1037hpa 、11时1040hpa，20时1030hpa，但高压前沿冷锋一直处于等温线增密状态。分析原因主要与锋面对西风的增强有关。 3.2 锋面次级环流及高空急流动量下传作用 19 日 08 时至 20 时，高空 500hpa 新疆短波槽东移并入西北气流，高空温度槽明显落后于高度场，中高层等温线密集，温度梯度加
14、大，产生垂直于高空锋区的次级环流，位于内蒙古中西部偏南地区上空。 中高层冷平流对高空急流加强有重要作用。从300hpa700hpa 都存在一致的西风急流，各高度层急流强度均较大。300hpa 高空急流呈西北一东走向，急流轴在440N附近，急流强度72m/s。沙尘暴过程中300hpa700hpa高空风风速、风向切变小，说明中高层急流动量下传显著。分析图1、图2可得：内蒙古中西部地区处于高空急流出口区右侧，即急流出口区下沉支区域，下沉支落在地面冷锋后，引起大风、降温、湿度剧变，从而加强了沙尘暴天气。 另外，地面冷锋与高空急流下沉支叠置，对内蒙古中西部地面大风加强作用显著。高空急流动量下传对地面冷锋
15、移动、冷锋后地面大风加强提供了能量。 4 沙尘暴天气层结条件 干旱、半干旱地区对沙尘暴形成具有重要影响的另一因素是大气层结条件。沙尘暴多发于午后至傍晚，说明热力不稳定对沙尘暴形成具有重要影响14，热力不稳定层结是沙尘暴形成的有利层结条件。 在沙尘暴形成前期，高空不断有短波槽沿着高空脊越过阿尔泰山脉东移南下，短波槽受到华北高压脊阻挡，在内蒙古阿拉善盟至锡林郭勒盟、蒙古南部形成了很陡峭的脊，温度脊区范围小，强度大。由17日23时至20日05时地面三线图分析，近地面层短时间内增温、增温效果明显。近地面层 加热产生混合层，深厚混合层对沙尘暴的意义在于混合层的中性层结有利于深厚对流的产生9。 遇到锋面抬
16、升，产生大风、扬沙及沙尘暴天气现象。 图 3 地面温度变化图 (a)吉兰太 (b)满都拉 图4 19 日 08 时呼和浩特市层接条件图 干旱、半干旱区地面热力属性差，大 气层结不稳定对沙尘暴形成具有重要影响。 相关研究指出：热力不稳定层结，即在近地面层形成超绝热层（ 0/ Z ） ，是沙尘暴发生的有利层结条件。 由图4，以呼和浩特站为代表， 19 日 08 时内蒙古中西部低层大气存在一个明显的逆温层， 这种类似不稳定层的层结结构在大气低层出现扰动时很容易产生深厚对流。 沙尘暴前期低层大气受地表加热，形成热力不稳定层接，逆温层的作用还有在大气低层内部贮积能量，当受到中高空冷平流的触发，不稳定能量释放，产生深厚的对流，由于干旱、半干旱区大气相对湿度小，没有水汽输送，因此只有干对流产生，干对流的天气现象是沙尘暴天气。随着干燥大气的涡旋运动，沙尘暴逐渐加强、扩展。 5 结论 将内蒙古干旱、半干旱区的自然地貌与天气气候背景相结合
