一次沙尘暴天气过程中气象要素变化分析

李 晋 李 栋

我国对沙尘暴的研究起步较晚，20世纪70年代才陆续开展对沙尘暴个例的分析研究[1]。我国西北和华北地区是沙尘暴天气的频发区，北京是华北地区沙尘暴天气多发的一个代表地区[2]，并且基本集中在北京的3、4月的春季[3]，干旱少雨，此时地表开始解冻，裸露的土壤变得松动，再加上周边内蒙古等地区沙尘源丰富，一旦有系统过境带来的大风天气，满足了沙尘暴发生的三个条件（不稳定的大气层结、强风、沙源），就有可能产生沙尘天气。北京近年来沙尘暴天气频次有所减少，但强度并没有减弱。本文结合2015年4月15日，发生在北京地区的沙尘暴过程监测结果进行分析。

1 天气背景与资料获取

2015年4月15日上午，蒙古国和内蒙古地区出现了大范围强沙尘暴天气。随着天气系统的发展和东移，并在高空偏北气流的输送下，沙尘暴影响范围向东、向南扩展，北京市出现6～7级偏北风，阵风高达9级，导致了北京沙尘暴天气的出现。本次过程在15日18：00左右开始，16日凌晨结束。

本文数据资料取自北京市观象台和临近站大兴区气象局观测站，颗粒物PM10和PM2．5由Grimm180采集，其他气象常规数据均有地面站业务设备测量，由于全国地面站业务设备基本一致，这里不再介绍。

2 沙尘暴天气过程与气象要素的变化

2.1 温湿变化 在4月14日和15日沙尘暴来临之前，温度和相对湿度明显呈反相关，在每天15：30左右气温达到最大值25 ℃左右，相对湿度降到最低20%左右，呈现高温、低湿，所以午后到傍晚这种温湿条件最利于沙尘暴的发生。此次沙尘暴入侵的时间点17：20恰好处于午后高温低湿区，大气低层温度高大气不稳定，易产生上升运动，湿度低空气干燥，地表容易起沙，这种温湿条件对扬沙的产生极为有利，如图1所示。此外，在沙尘暴过程中，湿度夜间没有再像非沙尘暴日一样缓慢回升，而是一直处于下降状态，最终降到10%左右，此后一直维持该低湿状态，打破了沙尘暴来临前的午后回升规律。同时，15日夜间温度比14日明显要高，15日最低温度12．7 ℃比14日最低温度9．3 ℃高3．4 ℃。总结以上，沙尘暴进入前后，温湿度夜间由低温高湿转变为高温低湿，呈现出明显的反向变化。这种反向变化状态，促使该次强沙尘暴过程后扬沙的持续。

图1 温湿变化情况（14日00:00—16日23:59）

图2 风向风速情况（15日11:00—16日03:00）

2.2 风的变化 沙尘暴来临前后风向和风速有明显的转变，沙尘暴来临之前主导方向西南风为主，风速在2 m/s左右，在西路冷高压东移，沙尘暴入境瞬间，17：15左右，风向迅速由西南转变为沙源来向风西北，风速迅速增大到8 m/s。在整个过程中风向一本保持西北风，也就是沙尘来向，风速在7 m/s上下波动，最大达11 m/s。在该过程中，可以看出沙尘暴对风要素的影响特别明显：风速是沙尘暴来临前的4倍，风向和沙尘暴来临前的不断变化相比，沙尘暴入境后风向基本稳定为一个方向——西北。风向和风速对某些沙尘暴有着很好的预警作用，风向转变为沙源的来向并保持，为沙尘输送提供了有利条件，同时大风为扬沙提供了载体。

2.3 气压和风变化关系 在17：00左右沙尘暴来临瞬间，气压有一个明显的转折区，如图3所示，风向、风速从该点之后迅速变大，在之后气压每一次波动，都会响应的引起风速的变化，如图中长方框所示，风向在气压波动过程中变化并不明显，这和以往文章中的表述“冷锋过境强变压梯度可引起瞬间变压风”是一致的。从图中很明显可以看到，转折区气压从990 hPa上升到1 010 hPa，风速从2 m/s上升到8 m/s，气压变化最大，风速也变化最大，之后，气压变化的幅度变小，风速变化的幅度也随之变小，在变化幅度上呈正相关，以上可以看出，气压的每次变化都能引起风速的变化，并且在变化幅度上呈正相关。所以该次过程和冷高压过境引起的气压变化有着密切的因果关系。

图3 风和气压变化关系曲线

2.4 能见度、颗粒物浓度以及风的变化关系 该次过程的沙源来自蒙古国和内蒙古地区，随着天气系统的发展和东移，并在高空偏北气流的输送下进入北京市。从图4a、4b可以看出，沙尘暴过程中经过观测站瞬间PM10浓度是PM2．5的8倍，而在平时没有沙尘暴的情况PM10仅为PM2．5的2倍左右，是平时的4倍。故沙尘主要影响的是PM10较大颗粒物，所以这里分析过程中颗粒物主要是对PM10的浓度变化进行跟踪分析，如图4a所示，在15日17：00—18：00，风速虽然曲折上升，但能见度在6 000 m左右几乎保持不变，PM10浓度也基本保持在260 μg/m3不变。说明空气中几乎不含沙，沙尘暴还没有真正入境。在18：00左右，风速瞬间增到7 m/s，在风速增大的过程中，PM10浓度也随之增大，能见度随之减小到1 000 m左右，沙尘暴开始进入北京。在PM10浓度和能见度随风速变化的过程中可以看出，开始一波PM10浓度峰值达3 500 μg/m3，能见度下降到1 000 m左右，为强沙尘暴，随之PM10浓度降至500 μg/m3，能见度升至7 000 m，并且一直维持直到过程结束。从前半段强沙尘暴过程中可以看出，PM10浓度的随风速的增大而增大，但PM10浓度的峰值出现在风速下降的时段，其原因为风速变小，悬浮在空中的沙尘颗粒发生沉降，从而使近地面的颗粒物浓度增大。除强沙尘时间段外，能见度与颗粒物PM10浓度并没有呈现很好的相关关系，在强沙尘暴出现之后，沙尘颗粒物浓度比强沙尘暴来临前浓度要高，但能见度却比沙尘暴来临前要好，说明能见度受沙尘大颗粒物的影响并不大。从图4b可以看出，能见度和细粒子PM2．5呈明显的反向变化，说明能见度主要受沙尘里面小颗粒物的影响。

图4 a 风和能见度、PM10变化曲线（4月15日17:00—16日03:00）

图4 b 能见度和PM2.5的变化关系（4月15日17:00-16日03:00）图4 风、颗粒物及能见度变化关系

3 结论

本文通过2015年4月15日一次沙尘暴过程，从温湿度变化、近地面风的变化、气压和风的变化、能见度、颗粒物浓度以及风的变化四个方面分析了此次过程地面要素的脉动变化情况，结果表明：（1）沙尘暴入境前后，夜间温湿由低温高湿转为高温低湿，出现反向变化，高温低湿的环境为该次沙尘暴扬沙创造了有利条件；（2）沙尘暴来临前后风向和风速变化明显，对沙尘暴的到来和强度有很好的预警作用。风向由西南转为沙源来向西北，风速由2 m/s增大到8 m/s，增大了3倍，为扬沙提供了必要条件；（3）气压的变化要先于风速的变化，气压每次的波动都会带来风速的变化，变化的大小成正相关，该次过程与冷高压的入境有密切的关系。（4）沙尘暴入境后，PM10与PM2．5浓度的比值增大了4倍，PM10浓度比PM2．5浓度增加明显，且PM10浓度的大值出现在风速小的时间段。能见度与PM2．5浓度呈现出很好的负相关，与PM10相关性较差，说明能见度主要受沙尘中PM2．5细粒子的影响，较大的沙粒对其影响较小。

[1]王式功，董光荣，陈惠忠，等．沙尘暴研究的进展[J]．中国沙漠，2000，20（4）：349-356．

[2]陈玉福，唐海萍．近50年首都圈沙尘暴的变化趋势及其与气温、降水和风的关系[J]．环境科学，2005，26（1）：32-37．

[3]郝玉峰，施占军，相栋．典型沙尘天气过程近地层气象要素演变特征[J]．气象科技，2014，42（4）：671-677．