2019 年5 月11 日宁夏一次大风沙尘天气成因分析

2021-07-30刘鹏兵肖云清

宁夏工程技术 2021年2期

刘鹏兵，田凤，肖云清，杨苑

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002；3.宁夏气象台，宁夏银川 750002；4.石嘴山市气象局，宁夏石嘴山 753000；5.银川市气象局，宁夏银川 750001；6.中卫市气象局，宁夏中卫 755000）

宁夏地处黄土高原西北部边缘，境内地表侵蚀严重，其东、西、北三面均与沙漠毗邻，加上特殊的地理、地貌条件，每年春季都会有较强沙尘暴天气[1]。风沙是春季严重的灾害性天气之一，由于沙尘暴天气来势凶猛，会给农林业、畜牧业、电力、通信、交通和人民生命财产等造成严重的危害。自20 世纪以来，我国气象工作者就对沙尘暴天气开展了大量的研究，并在沙尘暴的天气气候特征[2—4]、环流背景特征[5—6]、沙尘暴的形成机制[7—8]、中尺度系统特征分析[9]等方面取得了丰硕的成果。宁夏气象工作者对宁夏及周边地区沙尘暴天气的研究也取得了一系列的进展，对宁夏强沙尘暴天气影响系统发生演变、移动路径及与之对应的风暴时空分布特征以及不同下垫面、天气条件下的强沙尘暴的成灾规律和机理有了新的认识[10]，对中北部沙尘多发区和关键区的生态退化、土地荒漠化与强沙尘暴间的相互关系及其时空特征的研究取得了一些进展[11—13]。陈豫英等［14—17］通过研究近年来3 次不同强度沙尘天气的热力动力条件指出，地面感热、锋生函数、变压风、水平螺旋度、高低空急流的耦合等要素的强度及演变特征是宁夏大风沙尘天气预报预警的重要指标。

除了使用了常规观测资料或再分析资料对沙尘暴天气过程进行分析以外，随着气象卫星的应用，卫星遥感成为大范围监测沙尘分布和沙尘强度的理想手段之一[18—21]。新一代静止气象卫星在沙尘监测方面展现出了巨大潜力，并有利于沙尘天气的云图目视解释[22]。但近年来，宁夏气象工作者利用卫星云图对沙尘天气进行监测与解读得比较少。因此，本文在已有研究基础上，对发生在2019 年春季的一次大风沙尘天气进行分析，并利用葵花8 卫星对沙尘天气在卫星云图红外及可见光图像上的特征进行分析，以期为宁夏沙尘天气的预报预警提供新的思路和技术支撑。

1 天气实况

2019 年5 月11 日夜间，宁夏全区大部自北向南出现了一次沙尘天气过程（夜间自动观测，多数站记为霾，实为沙尘）。根据水平能见度观测，全区25个国家站（除贺兰山、六盘山站）中有18 个站出现沙尘暴，最低能见度出现在陶乐站，仅572 m；全区大部出现7～9 级阵风，国家站最大风速26.3 m/s，达9级，部分乡镇站更是出现了12 级（银川西夏区循环现代农业基地站38 m/s，）的阵风（表1）。过程后气温明显下降，宁夏大部出现霜冻天气。

表1 2019 年5 月11 日08：00—12 日08：00 宁夏各站极大风速与沙尘天气情况统计

该次大风沙尘天气过程具有以下特点：①影响范围大。沙尘天气自新疆东部、内蒙古、甘肃西部直到河套地区，就宁夏区内而言，不仅北部各站出现了沙尘天气，连较少出现沙尘天气的南部山区，也出现了沙尘天气，海原、西吉则出现沙尘暴。②影响时间长。5 月11 日白天，从甘肃、内蒙古西部开始，直到12 日白天影响到陕西、甘肃东部等地，整个过程持续影响时间在2 d 左右，持续影响宁夏的时间从5月11 日整个夜间到12 日上午，达12 h 左右。③过程强度大。国家站最大阵风达9 级，自动站最大风力达12 级，有18 个站出现沙尘暴，最低能见度572 m。

该次大风沙尘天气过程造成温棚受损，电线杆被刮倒，大树被风吹倒，桃树、苹果、葡萄等经济林果花和幼果被风刮掉，随后的降温使多地的蔬菜、林果及其他经济作物遭受了较严重的冻害。据不完全统计，该次大风过程使1 600 余栋温棚受损，2 000 hm2的农作物遭受冻害，造成直接经济损失约2 000 万元。其中，银川市受灾人口2 300 人，市区内共有136棵树被风吹倒，贺兰县洪广镇2 根电线杆被刮倒，受灾露地菜苗、玉米、水稻等约300 hm2。

2 影响系统分析

2.1 高空影响系统

过程发生前，5 月10 日20：00，欧亚中高纬度为两脊一槽，自蒙古国到西伯利亚为一大的低压槽区，乌拉尔山和亚洲东部鄂霍次克海地区各有一高压脊，脊中有暖平流使得脊不断发展，脊线伸至70°N，环流经向度大，冷空气沿乌山脊前强的偏北气流南下在新疆东北部、蒙古西部地区堆积，冷中心最低达-36℃。

到5 月11 日08：00（图1），在强的经向环流中有弱的短波槽脊发展，蒙古国西部有东北、西南向的横槽，槽后有东西向的弱脊，脊前槽后地区出现暖平流，而槽前等高线呈疏散结构，有较强的正涡度平流，槽前东南方（新疆东部）出现24 h 负变高，横槽即将转竖，引导冷空气东移南下。

图1 5 月11 日08：00 500 hPa 形势图

高空急流也是该次过程中重要的高空影响系统。高空急流的分析容易出现按照天气学原理用高空急流定义的风速值直接分析的机械教条问题。由于在极地气团与副热带气团之间存在一条环绕全球的极锋急流区，因此这种分析方法容易只看见行星尺度的极锋急流，而不易区分对天气尺度系统发展起真正作用的天气尺度乃至中尺度急流系统，对高空系统如何与地面系统相互作用，以及如何发展无法分析清楚。

从天气学分析来看，分析急流更应该分析急流中的急流核部分，即急流中的扰动。这种天气尺度的急流才是真正与地面气旋系统发展相伴随的高空系统。从急流演变来看，5 月10 日20：00，高空急流在新疆东部槽区的后部，到11 日08：00，急流核超越高空槽，移至高空槽前区域，由于急流入口区右侧存在明显的偏差风辐散，因此有利于上升运动的发展，同时高空槽前等高线呈疏散结构，有明显的正涡度平流，从而引起低层的上升运动，高空急流入口区右侧叠加在高空槽前正涡度平流区，地面气旋开始获得明显的发展。到5 月11 日20：00，高空急流伴随高空槽快速东移，引导冷空气东移影响河套地区。

2.2 地面影响系统

2019 年5 月11 日08：00，地面图上新疆东北部到蒙古国地区有一强大的冷高压，中心最强1 040 hPa，低槽引导扩散冷空气自阿尔泰山东侧山口南下，并沿内蒙古西部、甘肃河西地区自西北路径东移南下，过程中冷锋强度不断增强。到20：00，气压梯度增至15 hPa/5 个经距。需要注意，在冷锋的分析中，地面天气分析中44 区即蒙古高原地区海平面气压虚高，11：00 和14：00 地面气压场呈东西走向并在中蒙西部边境处向南凸出。一般情况分析地面锋面按照气压场形式将冷锋定为东西向，自北向南移动的，但该次过程的天气尺度冷锋需结合云图更准确地判断冷锋的位置。图2 是结合卫星云图和地面冷高压的位置，依经验和实际要素分析确定。

图2 5 月11 日白天冷锋路径图

3 沙尘成因分析

3.1 沙源条件

宁夏西部有腾格里沙漠，西北部有乌兰布和沙漠，内蒙古西部还有巴丹吉林沙漠，上游地区有非常丰富的沙源地；同时，春季西北地区干旱少雨，气温回升，但植被尚未完全生长，地表解冻后裸露，浮土较多，容易遇风起沙。

3.2 大风条件（起沙机制）

500 hPa，欧亚中高纬度为两脊一槽，自蒙古国到西伯利亚为一大的低压槽区，乌拉尔山和亚洲东部鄂霍次克海地区各有一高压脊，脊中有暖平流使得脊不断发展，脊线伸至70°N，环流经向度大，冷空气沿乌山脊前强的偏北气流南下，在新疆东北部、蒙古国西部地区堆积，冷中心最低达-36℃。

在强的经向环流中有弱的短波槽脊发展，5 月11 日08：00，蒙古国西部有东北、西南向的横槽，槽后有东西向的弱脊，脊前槽后地区出现暖平流，而槽前等高线呈疏散结构，有较强的正涡度平流，槽前东南方（新疆东部）出现24 h 负变高，横槽即将转竖，引导冷空气东移南下。

地面新疆东北部到蒙古国地区有一强大的冷高压，中心最强1 040 hPa。5 月11 日08：00，低槽引导扩散冷空气自阿尔泰山东侧山口南下，并沿内蒙古西部、甘肃河西地区自西北路径东移南下，过程中冷锋强度不断增强；到20：00，气压梯度增至15 hPa/5个经距，有较强的气压梯度风（图2）。

随着系统发展，700～850 hPa 等温线更加密集，温度梯度达20℃/10 个经距，锋区后部为较强的西北风，700 hPa 最大风速为24 m/s，850 hPa 最大风速为18 m/s，且风向与等温线近乎垂直，有较强的冷平流。同时，锋区前为西南风，暖平流较强。冷暖平流有利于斜压锋生，而随着斜压锋生，锋面次级环流加强，暖空气加速上升，冷空气加速下沉，环流加速度使得锋后风速加大。5 月11 日20：00 700 hPa 温度场与风场分布图见图3。

图3 5 月11 日20：00 700 hPa 温度场与风场分布图

随着冷空气的不断增强，冷锋后3 h 正变压加大（图4），同时由于锋前暖平流以及白天荒漠地貌辐射增温明显，3 h 负变压明显，冷锋前后形成大的变压梯度，变压风加大风力。

图4 5 月11 日20：00 3 h 变压场分布图（单位：hPa）

综合以上分析，在高空槽及地面蒙古气旋的影响下，气压梯度风、变压风及锋面次级环流下动量下传风等共同作用形成了此次的大风天气，并为沙尘的扬起提供了动力条件。

3.3 层结条件

沙尘天气是大风将地面的沙尘卷起并输送到空中而形成的。因此沙尘天气发生时，还要求有一定的层结条件。如果层结稳定，不利于上升运动发展，那就不利于沙尘向空中的输送，进而不利于沙尘天气的形成。

由分析可知，在5 月11 日白天锋区东移南下的过程中，锋区前部有较强的暖平流，而锋前暖平流使地面有显著的减压升温，有利于气旋的形成与发展。同时，5 月11 日白天锋前天气晴好，在太阳辐射下西北荒漠地貌增温显著，有利于近地层不稳定层结的形成。5 月11 日20：00 银川地区850 hPa 与700 hPa温差为16℃，与500 hPa 温差为39℃，层结处于强的不稳定中。由图5 可知，从地面到600 hPa，层结温度递减率几乎等于干绝热递减率，从低到高均处于超绝热层结中，不稳定层结有利于起沙。大风扬起沙尘后，沙尘几乎可不受阻力的上升到空中，有利于沙尘天气的形成。

图5 5 月11 日20：00 银川站T-ln P 图与垂直位温图

3.4 沙尘的自反馈作用

5 月11 日白天，甘肃河西、内蒙古西部地区冷锋在东移过程中云系不断增加，同时冷锋后部已经有大面积的沙尘区，冷锋云系以及沙尘区遮挡了冷锋后部的太阳辐射，使得冷锋后部辐射增温缓慢，而冷锋前部地面辐射增温明显，两者的相互作用有利于冷空气或冷锋强度的维持或加强，进而有利于沙尘天气的加强与维持。

4 动力条件分析

利用NCER/NCAR 1°×1°逐6 h 再分析资料，分析了各层的涡度、散度及垂直速度场，以及陶乐、银川、吴忠、海原4 站涡度、散度和垂直速度的垂直-时间剖面，总结其与极大风速的对应关系。

4.1 涡度场分析

700 hPa 涡度场（图略）与高度场配合有较好的对应关系，宁夏北偏东位置为强正涡度中心区，对应高度场上的槽区即蒙古气旋的中心。新疆到河西直到河套地区存在负涡度区及强的涡度梯度带。大风沙尘则出现在涡度梯度最大值区域的靠暖区一侧。

由陶乐、银川、吴忠、海原4 站涡度场垂直剖面时间序列图（图6）可以看到，在宁夏北部，过程中对流层中低层涡度变化呈先负后正的特征。陶乐、银川2 站5 月11 日夜间负涡度最大可达-6×10-5s-1，到12日08：00 左右，正涡度最大达8×10-5s-1，涡度梯度最大的高度主要位于800～400 hPa，强的大风与沙尘天气出现在负涡度最大、涡度梯度最大区的前部。当700～500 hPa 之间转为正涡度时（12 日08：00），风力与能见度均开始好转。吴忠与海原站过程期间则主要受负涡度的影响，海原站尤其明显。由于其位置偏南，过程期间对流层低层均为负涡度，其大风、沙尘的主要时段也主要在其负涡度最大及其涡度梯度最大区。

图6 涡度场垂直剖面时间序列图（世界时）

4.2 散度与垂直速度场分析

5 月11 日20：00，散度场宁夏北部川区在850～700 hPa 中流层低层为负值区，中心最大值为-3×10-5s-1，为辐合区，有利于上升运动发展和沙尘的扬起。随着冷锋的南下，辐合区逐渐向东南方向移动，到12 日08：00，700 hPa 辐合中心已位于陕西中部到宁夏南部一带，宁夏大部地区转为辐散区。从各站散度场时间剖面图上看，冷锋来临时，陶乐、银川站均有对流层低层辐合，中高层辐散的垂直结构，且随着时间演变，低层辐合中心的高度沿锋面在逐渐地抬升，并在对流层中层600～500 hPa 之间辐散。吴忠与海原站锋区影响过程中在近地层附近以辐散为主，到一定高度后转以辐合为主，可能因为该次过程气旋中心偏北，偏南的各站位于锋区变形场膨胀轴南端，同时受地形影响，低层流场以辐散为主。

由散度场垂直剖面时间序列图（图7）也可以看到，随着锋区的过境，陶乐、银川、吴忠各站从近地层到500 hPa 为与锋区辐合中心相配合的上升速度区。陶乐站最大上升速度位于700 hPa 处，达-1.5 Pa/s，冷锋后部则转为下沉气流；银川站下沉速度最大达2.5 Pa/s，说明锋区前后有强的锋面次级环流，强的上升气流为沙尘扬起提供了动力条件，而强的下沉气流又有利于高空风速的动量下传，可以加速地面大风，为沙尘的扬起提供进一步的动力。与宁夏北部川区各站不同的是，位于南部山区的海原站，其垂直速度场有其独特的特征，在过程影响时段内，对流层中低层基本为下沉气流，且下沉速度最大达1.4 Pa/s。这说明海原大风与沙尘的形成机制与北部各站有所不同，其沙尘更多的是由外来输送到海原随强的下沉气流沉降至地面形成，本地起沙不是其主要来源。

图7 散度场垂直剖面时间序列图（世界时）

5 卫星云图分析

沙尘暴主要是大气低层的天气现象，因此对沙尘暴的监测主要依靠地面站点监测，但由于西北地广人稀，站点相对稀少，因此对沙尘暴的监测存在诸多问题，卫星由于视野较广，可以监测大范围的天气现象，因此可以作为一个很好的补充。

在2019 年5 月11 日的沙尘天气过程中，葵花卫星的表现非常优异。在红外云图上（图8），08：00在新疆东部阿尔泰山山口一带已有沙尘扬起，但此时由于地表温度较低，冷空气刚开始越过山口南下，沙尘范围和厚度都较小，因此以淡白色调为主，与地表不易区分。直到13：00 左右，冷锋云系随着冷锋的增强逐渐变得完整，而冷锋后的沙尘区则清晰可见，其范围东西达上千公里，东至河西冷锋后部；西至南疆盆地，色调以浅灰色为主，但与地表之间的区分非常清晰，可见此时沙尘区已有一定的厚度，纹理光滑，边界在其东西两侧较为清楚，南边界略模糊。综合可见，从5 月11 日清晨至午后，沙尘天气在范围和强度方面都逐渐加强。这对宁夏沙尘天气的预警具有非常重要的意义，至少可以提前6 h 判断，该次沙尘天气能够影响到宁夏，应该发布预警。