甘肃民勤“4.24”沙尘暴过程的数值模拟分析

杨吉萍，胡兴才，崔志强

(1. 甘肃省民勤县气象局，甘肃　民勤　733300；2.兰州大学大气科学学院，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃　兰州　730000)



甘肃民勤“4.24”沙尘暴过程的数值模拟分析

杨吉萍1，胡兴才1，崔志强2

(1. 甘肃省民勤县气象局，甘肃民勤733300；2.兰州大学大气科学学院，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃兰州730000)

利用2010年4月24—25日民勤基准站地面逐时温度、相对湿度、风速风向等观测资料和NCEP/NCAR FNL逐6 h再分析资料(1°×1°)，基于WRF模式对2010年4月24日发生在甘肃民勤及周边地区的一次沙尘暴过程进行数值模拟试验，在检验模式模拟能力的基础上，从空间和时间上分析此次沙尘暴发生发展机制。结果表明：在沙尘暴发生前，民勤上游地区300 hPa高空急流加强，急流前的高空辐散抽吸作用是此次沙尘暴起沙的主要动力机制；阿尔泰山附近的冷气团沿祁连山脉北侧进入民勤，并形成冷锋系统；在民勤及附近地区，对流层中下层受冷平流作用，相对湿度持续增加，而近地面存在一热低压系统，地面风速较小，温度较高。在冷锋开始过境时，沙尘暴爆发，高空急流携带的高空动量下传使得地面风速急剧增加，是沙尘暴发生的直接因素。在沙尘暴过程中，民勤地区相对湿度在垂直方向上呈上下湿、中间干的“漏斗状”；近地面锋前暖空气和700 hPa冷平流的相互作用，使锋面逆温出现时间较晚。

民勤；沙尘暴；WRF模式；高空急流

引　言

沙尘暴是我国北方地区经常发生的一种灾害性天气，其危害程度不亚于东部及沿海地区的暴雨、台风等自然灾害。它是强风将地面大量的沙尘粒子夹卷到空中，使得空气特别浑浊，水平能见度<1 km的灾害性天气[1]。沙尘暴属于一中小尺度的干对流天气，发生的物理机制相当复杂。沙尘暴的主要研究内容包括沙尘暴的天气学分析和沙尘天气的数值模拟研究，在天气学角度上已达成大量共识[2-4]。研究认为[4]，东亚大槽是产生沙尘暴的行星尺度大气环流系统之一，沙尘暴多发生于经纬向环流调整时期、与冷锋活动相伴、低空急流、中尺度系统，中低压或中飑线系统居多。数值模式对沙尘暴的研究主要包含2方面，一是对引发沙尘暴的天气系统而进行的数值模拟；二是对沙尘起沙、传输和沉降过程的模拟，但用于业务预报的沙尘暴数值模拟系统还不多见。WRF模式作为最新一代中尺度天气预报和数据同化系统，已被广泛用于沙尘暴物理过程的解释[5-8]。王澄海等[7]分析了沙尘暴过程中水汽和水热特征，指出在沙尘暴发生过程中，扩散作用和气溶胶的凝结作用影响水汽的变化，非绝热加热对沙尘暴的维持和发展起着重要作用。刘宁微[8]利用WRF模式模拟了2007年3月30—31日我国北方的一次沙尘暴过程，认为高空气流的辐散抽吸作用是起沙的动力机制，由蒙古国中部向东南方向延伸至韩国南部的副热带西风急流为沙尘暴提供了充足沙源。

民勤位于河西走廊中段，地处巴丹吉林和腾格里2大沙漠的接壤地带、雅布赖山和龙首山形成的“狭管”口下方，其周边很小的范围内集中分布着沙漠(荒漠)、沙漠—绿洲过渡带和绿洲3种西北干旱区典型的地表形态。有利的地形和丰富的沙源，加之又是中国西北路径冷空气的必经之地，使其成为河西走廊乃至中国沙尘暴的重点发生区[9]。因此，该地区沙尘暴预报和预警准确性显得尤为重要。针对2010年4月24日发生在民勤地区的特强沙尘暴过程，研究认为在沙尘暴来临之前，地面受热低压控制，过境时和过境后，地面空气相对湿冷[10]；在沙尘区上空存在一西风急流中心，由急流中心向地面伸展的最大风速将高空动量向下传播，引发了此次沙尘暴天气过程[11]。本文试图从以上零散研究基础上，综合利用民勤基准站地面逐小时温度、湿度、风速及风向等观测资料和NCEP/NCAR逐6 h再分析资料(空间分辨率为1°×1°)和WRF中尺度数值模式，在时间和空间上再现此次强沙尘暴过程，分析其发生发展的内在机制。

1　天气过程及环流形势

2010年4月24日甘肃民勤出现了一次特强沙尘暴天气，此次过程持续时间为24日11:09—25日14:13(世界时，下同)。其中，大风从10:56开始，14:38结束，最小能见度仅1 m(“黑风”)，10 min最大风速达18.4 m·s-1(8级)，瞬间极大风速达28.0 m·s-1(10级)，是民勤有气象记录以来最强的一次特强沙尘暴天气过程。与1993年5月5日“黑风”天气过程相比，这次“黑风”来势凶猛，风速大，持续时间长，波及范围广，导致当地日光温室、暖棚等农业设施遭受严重损毁，粮食作物及树木被风沙埋压或刮断，电力、通讯设施不同程度受损，还引发了火灾等次生灾害，初步估算直接经济损失达2亿元人民币左右。

从大尺度环流背景场来看，4月24日06:00(图1a)，500 hPa高空欧亚中高纬地区呈“1槽1脊”的环流形势，贝加尔湖到青海西北部被一深厚的低槽控制，槽后等高线和等温线密集，且温度槽略落后于高度槽，可以有效引导极地冷空气南下，并在蒙古中部和中国西部地区堆积。随着系统的发展，25日12:00(图1b)，在蒙古中北部形成一-40 ℃的冷中心，内蒙古西部和甘肃中部地区温度也降到-32 ℃。

图1　2010年4月24日06:00(a)、25日12:00(b)500 hPa位势高度场(蓝色实线，单位：gpm)、温度场(红色虚线，单位：℃)(a，b)和24日(c)、25日(d)06:00 850 hPa 位势高度场(蓝色实线，单位：gpm)、风场(单位：m·s-1)(c，d)

850 hPa图上，24日06:00(图1c)，在青海西部和内蒙古西部地区存在一条风向切变线，部分地区形成闭合气旋系统，中心气压达1 400 gpm。伴随着偏西南气流，上游的高压系统开始进入并控制河西走廊，此时民勤及周边地区处于低压系统后部、反气旋前部，为偏西北气流控制，部分地区风速达20 m·s-1；25日06:00(图1d)，民勤整个地区被高压系统控制，此时风速减小，沙尘天气过程结束。

2　数值模拟方案及参数设置

试验使用的模式为WRFV3.5.1，采用3重嵌套方案，模拟区域中心为38.38°N、103.05°E，格距分别是80、20、5 km(图2)。其中，第2重区域覆盖了模拟时段主要的天气系统，而第3重区域覆盖了民勤及周边地区。模式垂直方向共40层，模式层顶为50 hPa；模拟的初始时刻为4月24日00:00，积分24 h，积分步长为128 s。在模式物理过程的参数选择上，采用Lin微物理方案、Monin-Obukhov近地面层方案、YSU边界层方案以及New Grell积云对流方案[12]。结合地面自动站的观测资料，验证模式模拟结果的可靠性。

3　模式检验

为验证模式模拟结果的可靠性，利用区域3模拟的地面气压、温度、相对湿度、风速和民勤地面观测站的观测值作比较(图3)。经对比发现，沙尘暴发生过程中民勤站实测和模拟的上述气象要素变化的相关性很好。沙尘暴开始前，近地面气压较高，且略有下降，观测值维持在860 hPa以下，高于模拟值近7 hPa；温度持续上升，观测值高于模拟值，且随着时间的临近，二者的差异逐渐增大；相对湿度、风速变化较平稳，且观测值与模拟值相差很小，分别在15%、5 m·s-1左右上下波动。沙尘暴发生以后(24日12:00)，地面气压急剧上升，增幅约10 hPa，而模拟值也呈一致上升趋势，但较观测值存在近5 hPa的偏差；观测站的温度变化曲线在沙尘暴发生前24日08:00开始呈剧烈下降趋势，而模拟降温开始的时间节点与沙尘暴发生时间同步，但模拟值和观测值下降的趋势及量级几乎相当，均表征了沙尘暴发生后存在明显的降温现象；模拟和观测的相对湿度均在沙尘暴发生后径直飙升，相对湿度最高达70%，随后可能由于沙尘的吸附作用有小幅下降；风速作为沙尘暴起沙的一个重要条件。在沙尘暴发生前2 h左右，地面风速急剧增加，至24日12:00地面风速达到极大值，观测和模拟曲线非常吻合，均达15 m·s-1，足以将近地面沙尘物质吹起。综上所述，近地面的模拟结果很好地抓住了本次沙尘暴发生前后气象要素的变化趋势，可用于下一步的分析。

图2　模拟试验的区域

图3　2010年4月24日民勤站近地面气象要素的观测值和模拟值变化

4　模拟结果与分析

4.1近地面气象要素

图4是WRF模式模拟的2010年4月24日民勤及其附近地区近地层温度场和风场。从模拟的近地面温度场分布可知，在沙尘暴发生前(09:00和10:00)，民勤及其东部大部分地区温度在16 ℃以上。结合对流层850 hPa天气图(图1)可看出，民勤东北部近地面受暖低压控制，暖中心温度达20 ℃左右，这与赵庆云等[11]观测得到的结论一致。随着沙尘暴爆发时刻的临近，民勤东北部16 ℃暖区范围明显缩小。沙尘暴发生1 h后(12:00)，民勤及附近地区的温度已降至12 ℃。从模拟的近地面风场可看出，沙尘暴发生前09:00，在内蒙古西部和甘肃北部地区存在明显的冷锋，锋后冷性的西北气流较强，极大值>20 m·s-1，而锋前的民勤地区风速较小，为偏西气流。在沙尘暴爆发时(11:00)，冷锋过境，地面风速的极值区向民勤附近移动，风速逐渐增加。沙尘暴发生约3 h后(14:00)，民勤及周边地区地面开始受强烈的西北气流控制。可见，此次沙尘暴由一次东北—西南向的冷锋过境引起，在冷锋过境前，民勤地区的地面风速较小，温度较高；在沙尘暴发生过程中，冷锋带来的冷空气迅速控制该地区，出现大风和降温天气。

4.2风速廓线

由2010年4月24日00:00—25日00:00民勤站的风速垂直廓线可以看出(图5)，24日00:00地面风速近乎为零，在对流层下层750 hPa为西北气流，600 hPa为西南气流，风向随高度逆时针旋转，表明民勤地区对流层下层有冷平流。沙尘暴开始时(24日11:00)，整个对流层中下层风速均为弱的西北风；之后地面风速开始增加，中低层的风速均增至20 m·s-1左右，风向均为西北风。300 hPa的高空风速也存在显著变化，24日03:00，风速开始增加(>30 m·s-1)，为高空急流控制区，最大风速达48 m·s-1，一直持续到24日22:00高空急流移出民勤地区。

图4　WRF模式模拟的2010年4月24日民勤及周边地区近地层温度场(上，单位：℃)和风场(下，单位：m·s-1)

图5　2010年4月24日民勤站风廓线的时间演变(单位：m·s-1)

4.3高空急流

研究表明，高空急流是沙尘暴形成的一个重要因素，主要有单急流、双急流和三急流[12]。此次沙尘暴过程属于单急流型，24日05:00，300 hPa高空形成一支西风急流带，急流中心风速在45 m·s-1以上，横跨青海北部和甘肃中部偏北地区。沙尘暴开始发生时(11:00)，民勤位于急流轴的右前侧，存在强烈的偏差风辐散，进而产生的抽吸作用使得沙尘不断从地面扬起，为此次沙尘暴提供充足的沙源。在沙尘暴发生约5 h之后(16:00)，民勤地区开始处于高空急流的左后方，造成高空动量下传，低层风速增加，形成了24日18:00—22:00的大风天气(图6)。

图6　WRF模式模拟的2010年4月24日05:00、11:00、16:00民勤及周边地区300 hPa风场(单位：m·s-1)

4.4垂直速度

为进一步分析沙尘暴的垂直结构特征，沿38.38°N做垂直速度的纬向垂直剖面(图7)。24日09:00(图7a)，在高空急流的抽吸作用下，在96.5°E和101°E处出现由地面向高空运动的垂直速度大值区，这种强烈的上升气流可促使柴达木盆地西北侧和民勤西部地区的沙尘扬起，将近地面的沙尘向高空输送。沙尘暴开始时(11:00，图7b)，在民勤地区(约103°E)上空5 km以下出现强烈的下沉气流，高空的沙尘随着气流向下播散，形成沙尘暴。由此可见，垂直方向的气流在此次沙尘暴发生前后具有一定的触发和维持作用。

4.5层结结构演变特征

为研究沙尘暴过程中民勤上空的大气层结结构，绘制了斜温曲线(图8)。24日10:30(图8a)，在近地面至700 hPa，大气处于中性状态，温度露点差随高度逐渐减小，湿度随高度逐渐增加；在700 hPa以上，大气温度廓线近似标准大气状态。在沙尘暴开始时，低层大气的温度露点差逐渐减小，即低层持续变干，温度逐渐下降，但仍近似中性状态。说明在沙尘暴开始时刻民勤低层的冷平流作用并未瞬间产生近地面的锋面逆温现象。在沙尘暴持续过程中，由于沙尘粒子作为气溶胶的凝结核，使得民勤上空750 hPa附近水汽含量降低；到16:20(图8b)，由于锋面系统的存在和700 hPa冷平流的消退，民勤近地面开始出现锋面逆温现象，且对流层中除了700 hPa的沙尘暴区干中心以外均较为湿润。

4.6变温场和变压场

图9是WRF模式模拟的2010年4月24日民勤及周边地区6 h变温场和变压场时间演变。可以看出，在沙尘暴开始前06:00，民勤附近为正变温，变温中心达4 ℃以上，负变温中心位于阿尔泰山附近，变温中心达-6 ℃；地面6 h变压在民勤附近均为负值，变压值在-4 hPa。沙尘暴发生后12:00，负变温区域已移经民勤地区，但强度较弱，对应大风发生时间。15:00，负变温中心开始移至民勤上空，黑风过程结束，此时地面6 h变温为-12 ℃；相应地面开始逐渐形成一正变压中心，变压值在10 hPa以上。综上所述，沙尘暴发生前，民勤近地面在24日00:00受地面热低压控制，其西北部阿尔泰山附近有强冷空气存在。随着强冷空气沿祁连山脉北侧向南入侵，24日11:00冷锋锋面过境民勤附近，沙尘暴开始，地面气温降低，气压升高，风速急剧增加。

图8　WRF模式模拟的2010年4月24日10:30(a)、16:20(b)民勤站的斜温曲线(蓝色线代表露点温度，黑色线代表层结曲线)

图9　WRF模式模拟的2010年4月24日6 h变温场(上，单位：℃)和变压场(下，单位：hPa)演变

5　结　论

(1)此次沙尘暴发生前，民勤近地面风速较小，温度较高，相对湿度持续增加；在阿尔泰山附近的冷气团沿祁连山脉北侧进入民勤地区的过程中，形成冷锋系统并控制民勤地区，出现沙尘暴天气，并伴随大风和降温，此时在700 hPa附近湿度开始减小，出现干区，垂直方向上呈现上下湿、中间干的“漏斗状”。由于沙尘暴前后700 hPa上受强烈的冷平流控制，温度廓线在对流层低层由干绝热递减向锋面逆温过渡的时间起点落后于沙尘暴发生时刻。

(2)在沙尘暴爆发前，青海北部和甘肃中部的西风急流由于右前侧的辐散抽吸作用，在民勤上游地区激发强烈的垂直运动，促使柴达木盆地和民勤一带的沙尘扬起，并不断向民勤高空输送，为此次民勤沙尘暴提供了充足沙源。沙尘暴发生后，高空急流产生的高空动量下传使得地面风速增大，是维持沙尘暴的重要因素。

(3)沙尘暴发生前后，民勤近地面6 h变温场由正变温转为负变温，变温幅度在16 ℃以上；6 h变压场由负变压转为正变压，变压幅度在14 hPa。近地面的控制系统由发生前的暖性低压演变为发生后的冷性高压。

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Numerical Simulation Analysis of a Dust Storm on 24 April 2010 in Minqin of Gansu

YANG Jiping1, HU Xingcai1, CUI Zhiqiang2

(1．MinqinMeteorologicalBureauofGansuProvince，Minqin733300，China；2.CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity，KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince，Lanzhou730000，China)

Based on the hourly temperature, relative humidity, pressure, wind direction and wind speed in Minqin station of Gans Province and 6-hourly NCEP/NCAR FNL reanalysis data with 1°×1° spatial resolution from 24 to 25 April 2010, the sandstorm weather process occurring in Minqin and surrounding areas from 24 to 25 April 2010 was simulated by Weather Research and Forecast (WRF) model. On the basis of testing the performance of WRF model in simulating the hourly change of meteorological elements before and after the sandstorm process, the basic characteristics and its occurrence and development mechanism were discussed in time and space. The results showed that the hourly temperature, pressure, relative humidity and wind speed simulated by WRF were close to the observation in Minqin before and after the sandstorm process, and their change trends were more consistent. Before the sandstom, the jet stream on 300 hPa over Minqin and surrounding area strengthened, and the upper divergence pumping action in the right side of the front area of upper level jet stream was main dynamical mechanism of the dust emission. The cold air mass near the Altai Mountains invaded Minqin region along the north of Qilian mountains, and formed cold front system. The relative humidity continuously rose due to the effect of cold advection at the middle and low troposphere, while the wind speed was smaller and temperature was higher due to the near ground thermal low pressure system over Minqin and surronding areas. The sandstorm erupted when the cold front began to transit in Minqin, and the surface wind speed increased dramatically due to the momentum down from the upper level jet stream, which was direct factor of the sandstorm occurrence. In the process of sandstorm, the virtical structure of relative humidity over Minqin and surrounding areas showed the funnel shape with wet in upper and lower level and dry in middle level. The near ground warm air in front of the cold front and cold advection on 700 hPa interacted in Minqin, which leaded to the late occurrence of frontal temperature inversion.

Minqin; sandstorm; WRF model; upper level jet streams

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0718

2015-11-03；改回日期：2016-02-17

国家自然科学基金(41471034、41661144017)、公益性行业(气象)科研专项“我国北方干旱致灾过程及机理”(GYHY201506001)和“西北干旱半干旱区域气候模式发展”(CCSF2014)共同资助

杨吉萍(1978- )，女，工程师，主要从事天气预报工作.

1006-7639(2016)-04-0718-07DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0718

P445+4

A

杨吉萍，胡兴才，崔志强.甘肃民勤“4.24”沙尘暴过程的数值模拟分析[J].干旱气象，2016，34(4)：718-724, [YANG Jiping, HU Xingcai, CUI Zhiqiang. Numerical Simulation Analysis of a Dust Storm on 24 April 2010 in Minqin of Gansu[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):718-724],