河西走廊一次大风沙尘天气诊断分析

安婷婷 ，郭萍萍 ，丁 凡 ，崔 宇

（1.甘肃省张掖市气象局，甘肃 张掖 734000；2.山东省日照市气象局，山东 日照 276800；3.甘肃省气象局，甘肃 兰州730020）

沙尘天气是指风将地面尘土、沙粒卷入空中，使空气混浊的一种天气现象的统称，包括浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴。其中，沙尘暴是一种灾害性天气，所引发的气候学效应对人类生存环境、社会经济活动均能造成一定影响, 是不可忽视的大气和生态环境问题之一。通过对高、低空环流形势，物理量场及卫星云图等资料进行分析，为提高大风沙尘天气过程的预报预警水平提供理论参考。

1 天气实况

2018年3月19日甘肃省河西走廊大部及白银、兰州等地出现区域性大风沙尘天气，其中肃北、肃州区、高台、临泽、肃南出现浮尘，金塔、玉门、甘州区、永昌、白银、景泰、靖远、皋兰出现扬沙，凉州区出现沙尘暴，民勤出现强沙尘暴，其最小能见度不足400m；最大风速出现在乌鞘岭达23m/s，其次是玉门、永昌、民勤达20m/s。此次大风沙尘天气风速大，能见度低，对交通运输、设施农业及群众生活产生了不利影响。

2 环流形势

2.1 高空形势

17日08时500hPa形势场上，亚欧中高纬地区呈两槽一脊型，乌拉尔山附近为高空浅脊控制，巴尔喀什湖西部的低涡东移至我国新疆边境，低涡底部衍生出一条东北-西南走向的槽，该低涡和槽东移南压并逐渐减弱。19日08时低涡减弱消失，槽东移至甘新交界处，槽后冷空气沿西北气流下滑（如图1a所示），有利于增强地面风速。对应在700hPa上，有一冷温槽位于甘新交界处（如图1b所示），冷温槽附近等温线密集，且温度梯度逐渐增大，至20时达最强。温度梯度越大，锋区强度越强，越有利于加大地面风速。20日08时500hPa低槽移出甘肃省。

图1 2018年3月19日08时高空形势（a:500hPa,b:700hPa）

另外，19日08时300hPa河西走廊西部存在一条大风速带，风速最大值出现在敦煌，达56m/s，有利于动量下传，从而造成地面风速增大。

2.2 地面形势

从冷锋动态图（如图2a所示）可以看出，3月18日20时，地面冷锋开始进入河西走廊西部，并东移南压。19日08时海平面气压场上贝加尔湖附近有一闭合的冷高压中心，中心值达1044hPa；冷锋移至河西走廊中部，继续东移。至14时，冷锋移至河西走廊东部，并在武威附近生成一闭合低压中心，中心值达1010hPa，对应形成一低压倒槽。17时（如图2b所示），低压东移南压至甘肃中部并继续发展，中心值达1005hPa，低压顶部等压线密集，气压梯度越大则梯度风越强，越有利于地面风速加强。同时，冷锋入侵，水平温度梯度增大，使热成风加速并加强了大气的斜压性，从而加大了地转偏差风，更加剧了强沙尘暴的发展。这与钱莉[1]等人通过对河西走廊东部强沙尘暴天气的分析结论一致。

图2 a:冷锋动态图,b:2018年3月19日17时地面图

综上所述，此次大风沙尘天气属于典型的冷锋后偏西大风型。500hPa低槽、700hPa强锋区、地面冷锋和冷高压是产生此次大风沙尘天气的主要影响系统。另外，300hPa强风速带也是此次大风沙尘天气形成的有利因素。

3 要素场变化特征

3.1 三小时变压

三小时变压反映了气压场的最新变化，代表了冷暖空气演变的最新动态。锋后三小时正变压越大，大风沙尘天气越强。19日08时，河西走廊西部三小时变压达+2.8hPa，河西走廊中东部三小时变压均小于零，正负变压差达4.1hPa；冷空气逐步东移南压，11时张掖以西为正变压，最大达+3.1hPa，张掖以东为负变压，正负变压差达5.2hPa；14时冷空气移至河西走廊中部，三小时变压达+2.7hPa，正负变压差为6.4hPa；17时冷空气东移南压至河西走廊中东部，三小时变压达+4.5hPa，正负变压差为8.3hPa，达到最大。正负变压差越大即变压梯度越大，则变压风越强，越有利于大风加强。王伏村[2]在甘肃河西走廊一次特强沙尘暴的诊断分析中发现:由于在强锋区附近,地转关系破坏,大风沙尘暴天气主要出现在变压梯度大,即变压风大的区域,变压风是产生地面强风的主要成分。另外，正负三小时变压中心连线的方向代表着冷空气移动方向,也是大风沙尘暴移动的方向。从三小时变压图中可以看出此次过程自西北向东南方向移动。

3.2 单站三线图

从民勤站地面三线图可以看出：19日14时至20时，由于地面冷锋过境造成民勤站温度骤降13℃，气压涌升16hPa。午后太阳辐射强，下垫面迅速升温，近地层空气受热也快，使得大气层结变得极不稳定，有利于大风沙尘天气的产生和加强。刘开福[3]等人对黑风暴前6h的天气系统跃变的分析也证实了这一点。

综上，锋后三小时正变压越大、变压梯度越强,越有利于大风沙尘天气的形成和加强。

4 物理量诊断分析

4.1 涡度场

涡度是表征空气质块旋转特征的物理量，根据涡度变化可大致知道气压变化。19日08时300hPa涡度场上，新疆东部有一正涡度中心，最强达140×10-6s-1。相应的500hPa和700hPa涡度场上也有正涡度中心位于新疆东部，中心值分别达120×10-6s-1和40×10-6s-1。通过以上分析可以得出：新疆东部存在深厚的正涡度区，说明整层大气有明显的辐合上升运动，有利于大风沙尘天气的形成和加强。正涡度区东移南压，影响河西走廊。

4.2 散度场

19日08时，300hPa散度场上新疆东部至河西走廊西部散度大于零，正散度中心位于甘新交界处，中心值达70×10-6s-1；700hPa河西走廊西部散度小于零，负散度中心位于酒泉，中心值达-30×10-6s-1。这种低层辐合、高层辐散的高低空配置有利于上升运动，增加大气的不稳定性，有利于大风沙尘的发生发展。

4.3 垂直速度场

19日08时，河西走廊中西部从底层到高层一致表现为垂直速度小于零，即均为上升运动。500hPa 酒泉附近上升运动最强，达-50×10-3hPa·s-1。上升运动越强，越有利于大风沙尘的发生发展。上升运动区东移，影响河套地区。17时民勤出现能见度不足400m的强沙尘暴，该地区有明显的上升运动，殷雪莲[4]在西北地区一次强沙尘暴天气的成因分析中提出强上升运动区即为沙尘暴区。综上，上升运动区与沙尘暴天气发生区有较好的对应关系，垂直上升速度区越强，对应的沙尘暴天气越强，上升运动区的移动方向对沙尘暴发生区的移动路径具有较好的指示意义。

4.4 锋生

锋生是指密度不连续形成的一种过程，或是指已有的一条锋面，其温度（或位温）水平梯度加大的过程。王伏村[5]等人的研究表明，锋生过程使锋面次级环流加强，有利于大风沙尘天气的形成和增强。19日08时700hPa河西走廊西部锋生函数大于零，中心值达 20×10-5K·m-1，有锋生作用，温度水平梯度将加大，有利于大风沙尘天气的产生和增强。

4.5 700hPa与500hPa的温度差

从19日08时700hPa与500hPa的温度差可以看出，河西走廊大部温差达到20℃，最大温差达到23℃，大气具有热力不稳定特征。温差越大，大气层结越不稳定。强热力不稳定有利于沙尘的卷起[6]。

4.6 T-lnP图

分析19日张掖站T-lnP图可见，温度层结曲线和露点层结曲线呈“喇叭口”状，空气干燥，有利于地面大风的生成。从T-lnP图上也可以看出高空风速较大，而且高低空有明显的垂直风切变，有利于地面风速增大。

另外，此次大风沙尘天气爆发前期，河西走廊地区地面增温显著，当有冷空气过境时，易形成“上冷下暖”的不稳定大气层结，有利于高空强风动量下传[7]，进而激发大风沙尘天气。

5 卫星云图

分析卫星云图红外图像的演变过程可见，19日03时，酒泉西部出现块状云系，云系东移发展；06时形成东北-西南走向的带状云系（如图3a所示），云系南部移速快于北部移速，于16时转为南北走向，云系边界模糊；东移过程中冷锋云系不断发展，至20时冷锋云系后边界光滑整齐，强度达到最强（如图3b所示）；23时移出河西走廊。卫星云图的演变对大风沙尘天气的影响范围及移动路径等有较好反映，为短时临近预报提供了依据。

图3 3月19日卫星云图（a:06时b:20时）

6 小结

1）此次大风沙尘天气是典型的冷锋后偏西大风型。500hPa 低槽、700hPa强锋区、地面冷锋和冷高压是产生此次大风沙尘天气的主要影响系统。

2）大风是产生沙尘暴的动力条件。高空强锋区、动量下传作用、地面强冷高压、强梯度风、强变压风均有利于大风的生成和加强。此外，河西走廊位于祁连山和北山之间的峡谷地带，冷峰进入河西走廊后，受地形狭管效应的作用，使得地面风速加大，强度增强。

3）不稳定层结是形成沙尘暴的必要条件之一。深厚的正涡度区，低层辐合、高层辐散的高低空配置，强烈的上升运动，锋生及700hPa与500hPa的温度差达20℃以上等均有利于增强大气层结的不稳定性。另外，大风沙尘天气爆发前，地面增温显著，冷空气过境时，易形成不稳定大气层结，进而激发大风沙尘天气。

4）沙源是沙尘暴爆发的物质基础。河西走廊沙源极其丰富，是我国沙尘暴天气高发的地方。另外，前期暖干的气候背景为沙尘暴天气的爆发提供了有利条件[8]。春季河西走廊植被稀少，地表裸露，土壤解冻，有利于起沙。

5）卫星云图上有明显的冷锋云系东移发展。卫星云图的演变对大风沙尘天气的影响范围及移动路径等有较好反映，为短时临近预报提供了依据。