“3·15”北方强沙尘暴天气成因分析

2021-09-16段伯隆刘新伟郭润霞狄潇泓段明铿

干旱气象 2021年4期

段伯隆，刘新伟，郭润霞，宋强，狄潇泓，段明铿

(1.兰州中心气象台，甘肃兰州 730020；2.南京信息工程大学,气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室，江苏南京 210044)

引言

2021年3月14—18日，受蒙古气旋和地面冷锋影响，我国北方地区遭遇了近10 a来最强沙尘暴天气，此次过程持续时间长，涉及范围广，14日夜间开始先后影响我国华北、西北、东北及江淮等地，部分地区出现强沙尘暴，整个过程持续至18日趋于结束。这是继2010年“4·24”特强沙尘暴以后历年中，西北地区持续时间最长、强度最强、影响范围最广的一次沙尘暴天气。

沙尘暴是指强风从地面卷起大量沙尘，使水平能见度小于1 km的天气现象，是我国北方春季常见的灾害性天气。沙尘暴发生时伴随的强风、低能见度，使交通运输、农牧业、人民生产生活等受到很大影响。沙尘天气的形成需要具备3个基本条件：大风、沙尘源地以及不稳定的大气层结，其中大风和不稳定层结是形成沙尘天气的动力条件，而沙尘源地则是沙尘天气的物质基础[1]。研究表明，我国沙尘暴天气根据沙源地可分为外源型和内源型两种：影响范围较大的沙尘暴天气过程其沙源均在境外，即外源型；而内源型沙尘暴主要沙源地在南疆的塔克拉玛干沙漠及其周边地区、北疆的准噶尔盆地南沿、甘肃河西走廊、内蒙古干燥沙漠及青海柴达木盆地等地，此外，土质干燥松散、植被稀疏、地表裸露，即风土地带也最容易形成沙尘暴[2]。春季沙尘暴一般持续时间长、影响范围大，主要影响系统是高空槽、蒙古冷涡和地面冷锋；夏季沙尘暴一般出现时间短、范围小，影响系统主要是高空小槽、切变线及热低压[3-6]。我国西北地区沙尘暴多发于春季，春季冷空气能否翻越帕米尔高原和天山进入南疆是强风暴是否产生的关键[7]，西风急流也是影响沙尘天气的动力因子，高层天气系统的季节性变化导致其位置及强弱变化，从而导致沙尘天气的季节性南北移动[8]。在大环流背景形势一致的情况下高空引导气流、低层冷空气以及局地地形作用是导致沙尘传输出现差异的主要影响因素[9]，而回流沙尘主要受大气中低层偏南风输送带的影响，且主要传输高度在1 km以下[10]。同时对流层中层风场有大风区且强风经动量下传入侵到低层也是造成沙尘暴的一个原因[11]。研究表明大气层结不稳定，会加大动量下传和风速，对沙尘暴的发生发展有一定贡献[12-13]。水平螺旋度作为大气层结动力诊断量是开展沙尘暴研究的主要物理量之一[14]，通过对螺旋度的诊断表明，沙尘暴区上空螺旋度垂直分布为高层负值、低层正值，且高层螺旋度负值中心大小的演变对应沙尘暴的强弱[15]；低层螺旋度正值中心变化对强沙尘暴预报有一定指示作用，且沙尘暴区位于低层螺旋度正值中心南侧，沙尘暴爆发时，随着螺旋度中心值增大沙尘暴强度增强，对沙尘暴爆发区有较好的指示意义[16]。

近40 a来中国北方沙尘暴日数呈现出一致减少趋势[17]，自2001年开始我国降水格局出现了年代尺度的转折性变化，南旱北涝的格局基本形成，西北地区气候暖湿化转变、生态环境逐步转好且沙尘暴日趋减少的气候背景不利于大范围强沙尘暴的产生[18]。但2021年3月14—18日我国北方地区出现了近10 a来最强的沙尘暴天气，且持续时间长、涉及范围广，造成的影响巨大，其影响机制明显有别于以往的沙尘暴过程，因此有必要对此次天气进行分析，以期对北方沙尘天气的预报预警服务工作提供支撑。

1 资料和方法

1.1 资料

(1)美国国家航天航空局(NASA)地球观测系统计划发布的MODIS植被覆盖产品集(MOD13)，其空间分辨率为50 km，时间分辨率为30 d，时间序列为2000—2021年，用于此次沙尘过程前期地表状况分析。

(2)地面观测数据为2021年3月14—18日逐小时自动观测站资料及2011—2021年2月逐日气温和降水数据、PM10质量浓度资料，用于地面要素对比分析。

(3)风云4A多通道合成图像，用于天气实况分析。

(4)再分析资料采用NCEP FNL(National Center for Environmental Prediction, global final analysis)，空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为6 h，用于环流场及物理量场分析。

文中图1和图6底图由中国气象局国家气象信息中心定制生成，中华人民共和国自然资源部审核批准，审图号为GS(2019)3082号，地图内容审查意见书为国审字(2019)第3488号；其余涉及地图的附图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)3320号的标准地图制作，底图无修改。文中标注时间均为北京时。

1.2 方法

螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特征物理量，其严格定义为风场与涡度点乘的体积分[19-21]。

螺旋度的大小反映流体旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度，其单位为m2·s-2。通常所说的螺旋度是局地螺旋度h，其计算公式如下：

(1)

公式(1)右边3项分别与x,y,z方向的风速和涡度的分量联系在一起，其中x和y方向合称为水平螺旋度，z方向称为垂直螺旋度。文中采用水平螺旋度分析沙尘暴移动方向及沙尘暴发生区域。

2 天气实况

2021年3月14—18日受蒙古气旋影响，我国北方地区发生了一次大范围的强沙尘天气。此次天气过程呈现3个特点：影响范围广，波及西北、华北、东北等地共10多个省市，新疆、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西、山西、河北、北京、天津等地均位于明显的沙尘影响之中；沙尘强度强，西北和华北出现扬沙和沙尘暴的站数占其总站数的75%以上，且分别出现26站次、22站次强沙尘暴(能见度小于500 m)；第三是持续时间长，自14日20:00出现大范围的沙尘天气到18日08:00基本结束，沙尘持续时间超过80 h。

14日05:00开始(图略)，蒙古国西部开始出现沙尘天气，部分站点出现沙尘暴，之后逐渐东移，11:00—20:00蒙古国中南部区域几乎全部出现沙尘暴；20:00开始[图1(a)]，蒙古国境内沙尘天气维持，我国内蒙古北部边境开始出现沙尘天气，二连浩特最低能见度400 m；之后沙尘天气东移南压。15日08:00[图1(b)]，沙尘区域已经明显南压入侵我国北方地区，内蒙古中西部、甘肃河西、宁夏、陕西北部及华北北部笼罩在沙尘中，能见度迅速降低，其中北京市能见度降至400 m，出现强沙尘暴天气；20:00[图1(c)]，内蒙古东部及东北大部出现降水天气,华北北部能见度迅速转好，沙尘南压至华北南部，以扬沙和浮尘为主，能见度在3～6 km，而西北地区沙尘范围反而增大，向西扩展至南疆盆地，向南扩散至陕西中部。16日08:00[图1(d)]，华北地区沙尘天气影响减弱，除山西省中南部、河北省南部受浮尘、扬沙影响，其余地方能见度均在16 km以上，而西北地区能见度进一步降低，由扬沙浮尘增强为沙尘暴；20:00[图1(e)]，华北地区沙尘天气过程已经完全结束，西北地区能见度虽有好转，但仍以扬沙和浮尘为主。17日08:00[图1(f)]，西北地区沙尘范围略微南压，北部沙尘边界收缩至宁夏、陕西境内，能见度上升至4～6 km。18日08:00[图1(h)]，只有南疆盆地小部分地方及河西走廊东段受浮尘扬沙影响，其余地区能见度上升至10 km以上，影响西北地区的沙尘天气基本趋于结束。

图1 2021年3月14日20:00至18日08:00地面风场(风羽，单位：m·s-1)及能见度(数值，单位：km)(阴影为扬沙、沙尘暴区域)

3 前期气象条件

3.1 中国境内站点前期气温及降水情况

通过统计分析沙尘发生前一个月我国北方平均气温与近10 a同期差值[图2(a)]发现，2021年2月12日至3月12日西北、华北及东北地区平均气温较往年明显偏高，其中新疆东部、甘肃河西走廊、宁夏、陕西北部及河北北部平均气温偏高4～6 ℃，内蒙古中西部大部平均气温异常偏高6～8 ℃。累计降水量与近10 a同期差值的空间分布[图2(b)]显示，西北地区大部降水量较历年同期平均明显偏少，大部分地方偏少1～3 mm。如酒泉站、银川站10 a平均累计降水量分别为1.4、1.5 mm，而2021年此时段累计降水量均为0 mm；内蒙古中部、河北北部及北京大部地区降水较往年偏多2～4 mm，但是3月1日后整个华北地区无降水产生。

图2 2021年2月12日至3月12日平均气温(a，单位：℃)及累计降水(b，单位：mm)与10 a(2010—2020年)同期差值分布

3.2 植被覆盖情况

由于无法获取蒙古国长时间序列的实况资料，文中利用NASA的MODIS植被覆盖产品代替前期气象条件的分析。

借鉴赵军等[22]植被覆盖划分标准：植被覆盖度小于等于0.1，相当于高强度沙漠化土地、裸岩、裸土、水域；植被覆盖度介于0.1与0.3，相当于中度沙漠化土地、低产草地及疏林地；植被覆盖度介于0.3与0.5，相当于轻度沙漠化土地、中产草地、低郁闭林地、耕地；植被覆盖度介于0.5与0.7，相当于中高产草地、林地、耕地；植被覆盖度大于0.7，相当于高产草地、林地、耕地。从图3(a)可以看出，蒙古国大部分地区植被覆盖度低于0.1，尤其在中西部和东部与我国接壤的地区植被覆盖度低于0.05，甚至出现负值，参照植被覆盖划分表明其土地沙化严重；我国境内除内蒙古中西部和甘肃省酒泉、民勤等地植被覆盖度低于0.1外，其余地方植被覆盖度都高于0.1，其中华北西北部植被覆盖度超过0.2。为了进一步分析此次过程的沙源，对蒙古国和中国北方的植被覆盖度进行区域平均，可以看出中国北方的植被覆盖度平均为0.12，明显高于蒙古国(0.07)，从线性趋势可以了解到中国北方植被增长率同样高于蒙古国，且植被覆盖度在逐年稳步上升，而蒙古国植被覆盖度增长波动区间大，其中2013年植被覆盖度仅为0.056，甚至低于2001年的0.058，可见其植被治理效果收效甚微[图3(b)]。对于我国境内而言,国家自2000年开始大力实施部署生态建设工程，在近21 a的时间里大部分区域植被覆盖度在逐年上升，内蒙古植被覆盖改善面积达32.82%[23]。

图3 2021年2月植被覆盖状况(a)及蒙古国与中国北方植被覆盖度逐年变化及线性趋势(b)(矩形1代表蒙古国，矩形2代表中国北方)

综上所述，此次沙尘暴天气过程发生前，蒙古国及中国北方地区大范围的气温异常偏高、降水偏少，且处于土壤逐渐解冻时期，为沙尘天气的发生提供了良好的沙源。

4 环流形势及云图特征

4.1 环流形势

2021年3月14日08:00[图4(a)]，500 hPa高度场上，欧亚大陆整体呈“两脊一槽”形势，极涡位于泰梅尔半岛附近，其底部东移的短波槽位于贝加尔湖以西，中心(508 dagpm)位于98°E、52°N，槽前最大风速达42 m·s-1，中纬度地区基本处于平直的纬向环流控制下；20:00[图4(b)]，短波槽东移南压，中心移至110°E、48°N，中心强度基本不变，等高线密集度显著增大(约为5 dagpm/纬度)，槽前最大风速达42 m·s-1，对应地面蒙古国出现大范围的沙尘天气。15日08:00[图4(c)]，短波槽进一步加强形成蒙古气旋，中心强度达到504 dagpm，且东移南压，中心移至120°E、48°N，等高线密集度仍保持在5 dagpm/纬度，槽底及槽前最大风速达40 m·s-1；20:00[图4(d)]，蒙古气旋继续东移且有所南压，中心移至126°E、47°N，等高线密集度继续保持，受其影响，东北地区风速增大，之后其对我国的影响逐渐结束。

图4 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20：00(d)500 hPa位势高度(黑实线，单位：dagpm)、温度(红虚线，单位：℃)及风场(风羽，单位：m·s-1)

16日08:00以后，500 hPa高度上，除东北地区仍受蒙古气旋影响外，欧亚大陆基本处于平直的纬向环流控制下，风速在20 m·s-1左右，直至18日08:00，新疆南部、甘肃北部、内蒙古中西部等地风速均小于20 m·s-1。700 hPa的环流形势(图5)也同样类似，华北地区主要受蒙古气旋后部的西北大风影响，风速基本在24 m·s-1以上，低涡影响结束后风速明显减小，同时沙尘影响也趋于结束；西北地区主要受偏北风和回流东风影响，且风速(8～10 m·s-1)明显小于华北地区，并随着时间推移减小至4～6 m·s-1，但沙尘天气持续至18日。

图5 2021年3月14日20:00(a)、15日08:00(b)及16日08;00(c)、20:00(d)700 hPa温度场(实线，单位：℃)和风场(风羽，单位：m·s-1)

4.2 卫星云图特征

风云4A真彩色图像为国家卫星气象中心采用改进的AGRI真彩色算法将波长为0.47、0.65和0.82 μm通道进行合成后的RGB真彩色图[24]，符合人眼观察世界的规律，能够很好地观察地表目标类型[25]。从3月14日16:15的云图[图6(a)]可以看出，对应高空的蒙古气旋，蒙古国上空形成一个明显的锋面云系，云系下方隐约呈现出黄色沙带，正好对应蒙古国地面产生的大范围沙尘暴天气。15日15:34[图6(b)]，锋面云系东移，锋后风速减小，我国北方大部上空形成一条明显的沙带，南北宽度约300～700 km，且沙尘带较为密实，表明上游的大风天气将沙尘裹挟至高空，华北及其以东的沙带随着大风减弱消散，但是西北地区上空并没有消散。16日12:53[图6(c)]，沙尘带不再密实，华北大部上空已经消散，而西北地区的沙尘带有所南压，主要维持在甘肃中东部、内蒙古中部及宁夏一带。17日12:30[图6(d)]，蒙古国南部出现浮尘天气，合成图上沙尘带的范围进一步扩大，蒙古南部、内蒙古中西部、甘肃大部及南疆均处于沙尘覆盖之下。

图6 2021年3月14日16:15(a)、15日15:34(b)、16日12:53(c)及17日12:30(d)风云4A真彩图像

可以看出，极涡底部的短波槽东移加强，促使蒙古气旋强烈发展，是造成此次大风沙尘天气的主要原因。此次沙尘天气可分为两个阶段：第一阶段是15日20:00之前，蒙古国、内蒙古中东部、华北地区伴随冷锋过境时的大风，出现沙尘天气；第二阶段是15日20:00之后，北方大部风速减小，不具备产生沙尘天气的条件，但受前期大风吹起沙尘向南移动的影响，西北大部虽然风速较小，仍然出现了沙尘天气。

5 物理量对比

5.1 水平螺旋度

螺旋度是表征大气边旋转边沿旋转方向运动的动力特征物理量。它比涡度包含了更多辐散风效应，更能体现大气的运动状况[26]。王锡稳等[6]研究表明，螺旋度对沙尘暴有较好的指示意义，螺旋度正值越大，大气不稳定性越强，出现沙尘暴的可能性越大。3月14—18日，北方大部分区域均处于水平螺旋度正值区，14日08:00[图7(a)]，水平螺旋度大值区位于蒙古国西部，中心数值达5×10-1m2·s-2，700 hPa与500 hPa温度差等值线密集度在此区域达到最大，而温度差等值线越密集大气不稳定度越大；14日20:00[图7(b)]，水平螺旋度大值区东移，范围扩大，700 hPa与500 hPa温度差等值线密集区东移，位于蒙古国东部，与发生沙尘区域相对应；15日08:00[图7(c)]，水平螺旋度大值区东移进入我国华北地区，中心数值为4×10-1m2·s-2，此时沙尘已控制华北大部分地区，华中和西北地区北部，温差等值线密集区南压；15日20:00[图7(d)]，水平螺旋度大值区已从华北转移至西北地区，大值中心位于宁夏回族自治区，中心数值为4×10-1m2·s-2，温差等值线密集区与水平螺旋度大值区变化一致。结合实况沙尘天气出现范围可以看出，螺旋度大值区与700 hPa与500 hPa温度差等值线密集带正对应沙尘暴最强区域。结合强螺旋度演变来看，大范围沙尘天气的发生从蒙古国开始，之后逐渐东移南压，15日08:00南压的沙尘在华北达到最强，之后逐渐减弱，对应沙尘天气发生的第一阶段。而沙尘天气的第二阶段，螺旋度值均较小，大气不稳定性较弱，本地起沙条件能力较弱。

图7 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20:00(d)水平螺旋度(填色，单位：10-1 m2·s-2)及700 hPa与500 hPa温差(实线，单位：℃)

5.2 混合层高度

混合层高度是表征污染物在垂直方向被热力和动力湍流输送所能到达的高度，是影响污染物扩散的重要参数[27]。混合层高度越低，越不利于污染物在垂直方向的扩散，容易造成污染物堆积，反之混合层高度越高，越有利于污染物扩散[28]。文中混合层高度取自NCEP FNL中的HPBLsfc(surface planetary boundary layer height, https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/index.html#sfol-wl-/data/ds083.2?g=22021)。一般情况下，混合层高度有明显的日变化，白天大气湍流作用不断增强，混合层高度不断增高；夜间湍流作用下降，混合层高度随之降低。混合层高度同样可以表征沙尘天气的影响，3月14日08:00[图8(a)]，蒙古国沙尘天气发生时，其大部分地方混合层高度低于300 m，大风将沙尘吹起后不易扩散，更容易在其上空造成堆积，这可能是沙尘暴天气发生时容易形成沙墙的原因；14:00到15日02:00[图8(b)、图8(c)、图8(d)]，蒙古国上空混合层高度基本维持在1000 m以上，此时段利于沙尘粒子的扩散，一方面容易把沙尘粒子吹到更高的高度，另一方面也容易随大风将沙尘粒子向下游传播；14日20:00至15日08:00[图8(c)、图8(d)]，甘肃以东38°N—42°N区域逐渐形成一条混合层高度在50～500 m的低值带，受蒙古国向南传输的沙尘及15日02:00内蒙古再次增强的沙尘影响，沙尘粒子在此范围集聚，形成一条明显的沙带；15日14:00[图8(e)]，北方大部混合层高度超过1000 m，华北东北受偏北大风影响，沙尘进一步向东南方向扩散，而地处西北地区的甘肃、宁夏大部处于槽后反气旋环流的底部，受偏南风影响，北方的沙带稳定少动，混合层高度条件利于沙尘向高空扩散；20:00以后[图8(f)]，西北地区混合层高度大多低于300 m，不利于沙尘粒子的扩散，并一直持续至18日。

图8 2021年3月14日08:00(a)、14:00(b)、20:00(c)与15日02:00(d)、14:00(e)及16日02:00(f)混合层高度(等值线，单位：m)和700 hPa风场(风羽，单位：m·s-1)

5.3 垂直速度

为了分析沙尘自西北向东南的发展趋势，自蒙古国肯特省温都尔汗西部(47°N、110°E)至中国河北廊坊三河市(40°N,117°E)做垂直速度剖面。可以看出，14日08:00—14:00[图9(a)、图9(b)]，44°N以北有明显的上升运动，且一直延伸至300 hPa以上，700 hPa最大上升速度达2 Pa·s-1，表明此时大风将沙尘吹起，并向高空输送；14日20:00至15日08:00[图9(c)、图9(d)]，44°N以南区域基本以下沉气流为主，上升运动不明显，表明44°N以南区域基本上受上游沙尘输送影响，本地沙尘贡献很小。同时为了揭示西北地区沙尘由北向南的发展过程，沿104°E做垂直速度剖面。可以看出，14日08:00至15日02:00[图10(a)、图10(b)]，42°N以北区域有明显上升运动，中心最大上升速度为2 Pa·s-1，且一直延伸至300 hPa以上，对应此时段的蒙古国沙尘暴，强垂直运动将沙尘向高层输送；15日08:00—20:00[图10(c)、图10(d)]，42°N以南区域低层表现为弱上升运动，中高层为下沉运动，这为沙尘沉降提供了条件，16日02:00以后[图10(e)、图10(f)]，42°N以南区域上升运动转为下沉运动，更利于沙尘沉降，充分说明本地沙尘的贡献很小。

图9 2021年3月14日08:00(a)、14:00(b)、20:00(c)及15日08:00(d)华北地区垂直速度斜剖面(阴影为地形；垂直速度为等值线，单位: Pa·s-1)

图10 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20:00(d)以及16日08:00(e)、20:00(f)西北地区垂直速度沿104°E的经向剖面 (阴影为地形；等值线为垂直速度，单位: Pa·s-1)

通过对螺旋度、稳定层高度及垂直速度的分析表明，第一阶段的沙尘由蒙古国吹起，在其国内集聚，之后随大风向东南方向扩散，14日20:00与内蒙古中部吹起的沙尘叠加，共同影响华北及东北地区；而第二阶段沙尘是第一阶段的延续，吹起的沙尘受稳定层高度影响，在甘肃以东38°N—42°N区域形成一条沙带，之后缓慢东移南压，造成西北地区大范围沙尘天气持续。

5.4 沙尘溯源

为了说明此次沙尘来源及其在不同高度的传输轨迹，利用美国大气海洋局研制的HYSPLIT轨迹模式分别计算沙尘到达北京的24 h后向轨迹和到达兰州的48 h后向轨迹。每天计算4个时次，间隔6 h。轨迹的起始高度分别为距离地面100、500和1000 m。北京[图11(a)]沙尘轨迹的路线和方向表示气团到达北京以前所经过的地区，根据其长短可以判断气团移动速度，长轨迹对应移动快的气团，短轨迹表示移动缓慢的气团，3条不同高度的轨迹其来源都为西北方向，且移动速度较快，移动过程中气团下沉，携带的沙尘也随轨迹不断沉降，对应蒙古气旋和地面冷锋快速移动及低层下沉运动，气团从俄罗斯北部快速移动进入蒙古国境内，夹卷蒙古国沙尘进入我国内蒙古、河北直至北京。兰州市3条不同高度沙尘传播轨迹明显不同于北京[图11(b)]，其移动方向和移动速度与天气系统的影响密切相关，距离地面100 m沙尘移动速度慢，其沙尘来源于宁夏地区，自东至西受高压下部回流东风影响，随后受偏北风影响南下进入兰州，同时受低层弱上升运动影响，沙尘不易沉降，距离地面500、1000 m的沙尘传播轨迹相似，前期受高压前部偏北风影响快速南下，之后受高压下部偏东风影响向西传播，随后在偏北风影响下南下影响兰州，在西进和南下过程中风速明显小于高压前偏北风，移速较慢。