京津冀一次沙尘天气的多源资料分析

黄浩杰?王鹤婷?许敏

摘要 利用常规气象观测资料、卫星资料、ERA5再分析资料、微波辐射计资料及激光雷达资料，分析2021年3月15—17日京津冀地区的大范围沙尘天气，结果表明：在蒙古国前期异常干旱、高温的气候背景下，蒙古气旋快速发展东移南下，配合地面冷锋，形成京津冀第一阶段的区域性沙尘天气，部分地区达到沙尘暴强度;后期受较强偏南风影响，出现了第二阶段的回流型沙尘天气，强度弱于第一阶段;逆温层的消失时间，以及不稳定层结建立的时间与沙尘开始沉降时间一致，水平螺旋度负值区的东南方向出现沙尘概率较大，垂直螺旋度上负下正的区域与沙尘落区重合，且与卫星云图上的沙尘暴区大致相同，可用于沙尘落区的预报。

关键词 沙尘暴;沙尘回流;螺旋度;等熵位涡;起沙量

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）06–0032–05

沙尘暴是京津冀地区冬春季节常见的一种灾害性天气，破坏力强且影响范围广。京津冀地区沙尘暴的动力学原理是当蒙古气旋等天气系统在上游沙源地迅速发展时，在其底部风速大于临界风速的地方，沙粒发生起动，然后通过湍流的相干结构从近地层进入Ekman层中，再通过次级环流进入垂直上升运动中，最终进入自由大气，在高空风力较大的情况下，通过高空传输向本地输送沉降，从而形成大范围的沙尘天气。

近年来，我国治沙理沙多项举措并举，京津冀地区沙尘暴总体呈下降趋势。根据中国气象局国家气候中心监测显示：自1961年以来，我国北方春季平均沙尘日数和沙尘暴日数均显著减少。然而，2021年首次沙尘天气过程明显偏早，且春季沙尘天气频发，其中3月15—17日更是近10年强度最强、影响范围最广的沙尘天气，给环境空气质量、人民日常出行及人体健康带来严重影响，引起社会的广泛关注。

我国对于沙尘暴的特征分析已有许多研究，比如马井会等[1]利用激光雷达数据资料反演得到的气溶胶消光系数图和垂直廓线图，结合地面气象数据和气溶胶观测资料及卫星遥感资料，分析了上海地区连续浮沉天气的原因。张亚妮等[2]通过分析等墒混合层厚度变化及其平流过程来追踪沙尘天气的输送路径和定位沉降地。郭虎等[3]分析了由于沙尘回流引起的重污染天气过程。陈豫英等[4]诊断分析了宁夏 2013年3月9日强沙尘暴天气过程的热力和动力条件。

上述成果有助于预报员加深对风沙天气形成机理的了解并提高预报水平。但学者对于霾、沙尘暴与沙尘回流天气混合存在的阶段性沙尘天气研究较少，对微波辐射计、激光雷达等新资料的运用较少，且对沙尘暴天气的落区、强度和时间的精细化预报研究较少。

结合前人成果，利用微波辐射计、激光雷达等新资料和ERA5再分析资料深入分析3月15—17日连续性沙尘天气，探索这类天气的精细化预报着眼点。

1 天气实况及气候背景

2021年3月14—17日，起源于蒙古的强沙尘暴天气席卷我国，出现近10年来最强的大范围沙尘天气，影响区域北起内蒙古和新疆，南至江苏中北部、安徽中北部和湖北西部，面积超过380万 km2，其中，内蒙古中西部、甘肃西部、宁夏、陕西北部、山西北部、河北北部、北京、天津等地出现了沙尘暴;内蒙古中西部、宁夏、陕西北部、山西北部、河北北部、北京等部分地区还出现了强沙尘暴（图1）。

此次沙尘天气影响京津冀地区的主要时间段为3月15—17日，从激光雷达的觀测数据可以判断沙尘暴的具体影响时间，霸州站激光雷达的退偏比（沙尘具有较大的退偏比，在0.2以上[5]）与消光系数（能见度与消光系数的导数成正比[6]）显示（图2），14日夜间，消光系数已经升高，退偏比较小，空中聚集着大量球形度高的细粒子气溶胶，消光能力强，表明在沙尘天气开始前存在雾霾天气;08：00消光系数的高值区间隙减小，空气中的气溶胶浓度升高，且退偏比升高，非球形的沙尘粒子增多，出现沙尘天气。15日夜间沙尘天气短暂间歇，16日消光系数再次升高，且表征非球星粒子的退偏比同步升高，沙尘粒子的分布高度在2 000 m（700～850 hPa）左右，弥散在空中，且消光系数与退偏比的高值厚度较15日有所减小，沙尘天气强度较弱。

本次沙尘主要分为两个阶段：第一阶段为15日强沙尘天气阶段，第二阶段为17日回流型沙尘天气阶段。

2 第一阶段沙尘天气（3月15日）

沙尘天气的产生需具备沙（尘）源、强风和不稳定的大气层结3个条件。

前期上游沙源地异常偏暖，降水持续偏少，气候条件十分有利于形成沙尘天气：从3月1日14日蒙古国平均气温分布图（图3a）来看，平均气温在0℃以上，有利于冻土解冻，冰雪消融;从1月1日到3月14日的累计降水量分布情况图（图3b）来看，过去一段时间内无有效降水，地表条件非常干燥，并且从卫星反演植被指数（图4）可以看出，该区域植被覆盖较少，沙粒尘土都裸露在地表。

2.1 动力条件

2.1.1 高低空形势配置 200 hPa有高空急流通过，程海霞[7]等指出，沙尘暴总是与高空急流相伴出现的。高空急流对沙尘暴的发生发展具有重要作用：根据锋生动力学原理，急流入口区有利于锋生。对流层锋区增强，高层降温，不仅有利于形成不稳定的大气层结，使上升气流得到维持和增强，而且引起地面减压，有利于地面中低压发展。在不稳定层结的基础上，湍流增强，有利于动能下传，导致下层西风气流明显增大。高空急流为中小尺度系统的发生、发展及沙尘暴的产生提供了有利的大尺度背景。

500 hPa为经向型的环流形势，槽后有强的冷中心，斜压性强，系统发展迅速。地面槽前有强的蒙古气旋，且不断加深南下，槽后有强的冷高压，气压梯度密集。冷锋与蒙古气旋配合，锋后有强的冷平流，冷空气较强（图5）。

2.1.2 大风形成原因分析 在高空槽前正涡度平流的影响下，地面蒙古气旋快速发展，中心气压值从987.5 hPa降至982.5 hPa，气压梯度增大，梯度风增大，与其配合的冷锋在动力学锋生作用下进一步加强，冷锋前后的水平温度梯度和大气层结不稳定性增大，有利于地转偏差风（变压风）增大及增强湍流作用。且变压风与梯度风方向一致，在二者的矢量和作用下，实际风速持续增大。风速增大为起沙和扬沙机制提供了有力条件，强沙尘暴天气发生在变压梯度最大的地方。

3 第二阶段沙尘天气（3月17日）

经过一轮沙尘的沉降后，3月16日白天AQI指数有所好转，但16日夜间至17日再次发生浮沉天气，PM10和AQI指数均有所回升。HYSPLIT后向轨迹模型的模拟结果（图6a）表明，这是一次典型的沙尘回流天气，由沙尘在偏南风的影响下从河北省南部往北传输所致。

分析沙尘回流阶段，从环流形势来看，与15日有明显不同：从500 hPa高空图（图6b）来看，17日环流形势较为平直，为纬向型环流，无明显强冷空气。有弱短波槽东移，低空至地面为高压后部的偏南气流。偏南气流有利于将本已传输至河北省南部的沙尘向北传输。

从17日08：00的700 hPa风场图（图6c）来看，有切变线压在河北省西部地区，存在有弱的辐合，而从垂直速度的演变情况来看，16日夜间至17日为弱的上升运动，有利于将沙尘向高空输送，弥散在空中，污染物维持较高的浓度，一直持续到17日夜间。

4 沙尘天气与物理量的相关性

4 .1 沙尘强度与物理量的关系

沙尘强度与风速有着密切的关系，沙尘暴风力普遍达到5～7级，但是风力相对较小的3月15日沙尘天气过程沙尘强度反而更强，说明沙尘强度不仅与风力有关，具体分析沙尘强度与以下几个因素有关。

4.1.1 沙尘强度与传输路径的相关性分析 对于京津冀地区而言，沙尘天气的沙源主要是其上游地区，尤其是蒙古国中南部的戈壁沙漠。分析表明：2/3的沙尘天气起源于蒙古国南部地区，在途经我国北方时得到沙尘物质的补充而增强;境内沙源仅为1/3左右[8]。蒙古气旋强烈发展的地理位置及高空大风速区与沙源地的配合度对于沙尘强度有很大的影响，当上游关键区域发生大范围沙尘天气之后，高空风的风向、风速与沙源地的配合情况是预报未来下游地区沙尘天气的一个重要参照指标。

4.1.2 沙尘强度与能见度的相关性分析 Shao et al.（2003）[9]提出了一个通过能见度推算TSP浓度的经验公式：

其中，CTSP是沙尘浓度（单位：μg m-3），Dv是能见度（单位：km）。利用ERA5再分析资料的能见度来表征含沙量，尽管有一些不确定性因素，但在含沙量觀测量缺乏的情况下具有一定的参考意义。

3月14日，上游地蒙古国出现大范围强沙尘暴时，最低能见度不足0.1 km，低于另外两次过程的初始阶段的能见度，蒙古国起沙过程中TSP浓度最大。可见，蒙古国作为京津冀地区的上游沙源地，爆发沙尘暴时的最低能见度对于下游沙尘天气强度具有一定的指示意义。

4.2 沙尘沉降时间与物理量的关系

动量下传对沙尘暴的发生起到十分重要的作用[10]。在日常业务工作中，可以结合探空图与位势涡度的垂直分布情况来判断垂直方向的速度及方向。

4.2.1 T-Lnp图 利用微波辐射计对大厂上空物理要素进行反演，得到了大厂在沙尘天气过程中的逐小时探空图（图8）。3月15日00：00～08：00，探空图中低层有一逆温层稳定维持，逆温层高度达925 hPa且整层湿度较好（图7a、b），结合地面自动观测站资料（图7c）可知，3月14日夜间大厂出现了轻雾。逆温层结的存在有利于不稳定能量的聚集，随着09：00逆温层的破坏，温度露点差迅速增大，温度层结曲线接近于干绝热递减率，转为不稳定层结，湍流增大，使高空传输的沙尘向下传播，弥散在空中，出现沙尘天气，能见度低于5 km。同时，随着湍流的增大，铅直方向交换增大，空气的动量下传增强，地面风速明显加大。逆温层的消失时间、不稳定层结建立的时间与沙尘开始沉降的时间一致，结合本地反演探空图可以弥补探空资料时间分辨率低的缺点，对于提高沙尘预报的精细化具有重要意义。

4.2.2 等熵面位涡分析 位涡是动力学和热力学混合的一个物理量。根据位涡公式：

其中，表示相对涡度，表示地球自转涡度。位涡的数量级为10-6m2·K/（s·kg）=1 PVU，PVU为位涡单位。高值位涡对应气旋性环流，低值位涡对应反气旋环流;对流层高层的高位涡系统是导致动量下传的重要机制[11]。3月14日14：00，200 hPa的高位涡值下传到500 hPa附近，有利于高空急流中心的高动量向下传播，而14日20：00，850 hPa出现了明显的西北方向的低空急流，有利于地面风速和沙尘发展（图8）。

4.3 沙尘范围与物理量的关系

在上游关键地区出现大范围沙尘暴甚至强沙尘暴天气的气候背景下，如何把握未来影响的落区是沙尘预报的一个难点，下面结合ERA5再分析资料进行具体分析。

4.3.1 螺旋度 螺旋度为速度矢量和涡度矢量的协方差，它的大小可以反映旋转和沿旋转轴运动的强弱[12]。通常螺旋度指局地或单位体积内包含的螺旋度，在P坐标系中螺旋度的公式可以表示为：

公式中，u、v为水平风速（单位：m/s），ω为垂直速度0.1 Pa/s;hx、hy为水平螺旋度。

由于垂直速度在水平方向上变化较小，可以简化为：

=hx+hy+hp=hxy+hp

其中，hxy为水平螺旋度，是水平风速与水平涡度的乘积，与天气系统项相对应;hp垂直螺旋度，是垂直速度与垂直涡度的乘积，反映天气系统的生成和发展，以及天气现象的剧烈程度。

（1）水平螺旋度。相对风暴螺旋度是衡量风暴旋转潜势的物理量，单位为m2/s2。李岩瑛等[13]的研究表明：水平螺旋度主要与水平方向的力管、涡度、气压梯度相联系，较强的负水平螺旋度中心常常与3 h变压中心相伴，表明近地面层风速越大，水平方向上容易起沙，同时表明垂直风切边逆向增强，利于沙尘向空中输送，因而沙尘暴发生的可能性增大，且负值区的东南方未来将会产生沙尘天气。

采用计算以下公式计算水平螺旋度，并得出其水平分布情况如图9所示：

图9 3月14日20：00沿40°水平螺旋度分布图（a）和3月15日08：00沿40°水平螺旋度分布图（b）

从3月14日20：00的水平螺旋度的分布情况（图9a）来看，最大负值中心出现在内蒙古和黑龙江地区，与沙尘范围落区所在位置一致。3月15日08：00，随着蒙古气旋东移发展（图9b），水平螺旋度负值中心有所东移，且强度有所增大，京津冀地区在水平螺旋度负值中心的东南方与3月15日沙尘落区一致，可见相对螺旋度对于沙尘范围的预报具有重要意义。

（2）垂直螺旋度。由图10a可知，在京津冀地区发生大范围沙尘过程的前期的3月14日20：00，垂直螺旋度在115°E附近550～750 hPa的高度上出现了一个负值中心，而800 hPa附近为一明显的正值中心维持，说明本次过程前期具有中空负螺旋度区的分布特点。15日08：00为沙尘暴的发生阶段，垂直螺旋度的负值中心有所减小（图10b），结合垂直速度随时间的变化情况（图10c），08：00下沉气流明显减小，而垂直螺旋度为垂直速度与相对涡度的乘积，因此垂直螺旋度负值中心随之减小。且随着最大下沉气流高度的下降，垂直螺旋度负值中心所在高度也有所下降，可见当系统加强发展及相对涡度增大的情况下，垂直螺旋度的垂直分布情况反映了沙尘沉降的时间和强度。

5 结论

对3月14—17日发生在京津冀地区的大范围沙尘天气进行了具体分析，并得出以下结论：

（1）该过程是在前期蒙古地区极端干旱、异常高温的气候背景条件下，由迅速发展的强盛蒙古气旋引发。高空急流的次级环流与中层强的冷暖平流有利于进一步增强沙尘强度。本次过程的持续时间较长，先是大范围冷空气带来的沙尘暴，随后由冷空气输送到下游地区的沙尘在有利气象条件下又回到京津冀地区。

（2）沙尘回流过程的特点为高空环流比较平直，低空到地面为高压后部的偏南气流，与沙尘暴最大的不同为发生沙尘回流过程时往往伴随有弱的辐合上升运动，且沙尘的大值中心处于较高的高度，弥散在空中。沙尘回流作为一种特殊的个例，在今后沙尘天气气象条件预报中应引起充分的关注和重视。

（3）利用ERA5再分析资料得出的位势涡度和利用微波辐射计反演出来的探空资料与实况对比分析得出，沙尘沉降的时间与位势涡度下传及不稳定层结的建立密切相关。

（4）沙尘强度不仅与地面最大风速有关，而且与高空大风速风向、沙源地的配合度有关。此外，由于能见度对于含沙量具有一定的表征作用，上游地区产生沙尘暴时的能见度对于下游发生沙尘天气的强度具有良好的指示意义。

（5）相对螺旋度的负值区为沙尘发生的区域且东南方的范围内未来将受到沙尘天气的影响，垂直螺旋度上负下正的区域与沙尘落区重合，且与卫星云图上的沙尘暴区大致相同，有利于提高沙尘落区预报的准确性。

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责任编辑：黄艳飞

Abstract Using conventional meteorolo-gical observation data， satellite data， ERA5 reanalysis data， microwave radiometer data， and lidar data to analyze the large-scale sand and dust weather in the Beijing-Tianjin-Hebei region from March 15th to 17th， 2021， the results show that： Under the background of the abnormal drought and high temperature in Mongolia in the early stage， the Mongolian cyclone developed rapidly and moved eastward and southward. In conjunction with the ground cold front， the first stage of the regional sandstorm weather in Beijing-Tianjin-Hebei was formed， and some areas reached the intensity of sandstorm Influenced by strong southerly winds， the second stage of recirculation sand dust weather appeared， and its intensity was weaker than that of the first stage; The disappearance time of the inversion layer and the establishment time of unstable stratification were consistent with the time when the dust began to settle. The negative value area of horizontal helicity has a higher probability of sand and dust in the southeast direction. The area with negative upper and lower vertical helicity overlaps with the sand dust area and is roughly the same as the dust storm area on the satellite cloud image. It can be used for the sand dust area forecast.

Key words Dust Storm; Dust return; Helicity; Isentropic potential vorticity; Sediment emission