一次中尺度对流风暴造成的内蒙古局地沙尘天气过程分析

王学强 董慧杰

(1.锡林郭勒盟气象局,内蒙古 锡林浩特 026000；2.南京信息工程大学，江苏 南京 210000)

引言

中国将沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5级。其中，强沙尘暴是指强风将大量沙尘颗粒吹起，使空气非常浑浊,水平能见度小于500 m的天气现象[1]。沙尘天气是中国西北部地区主要灾害性天气之一，其中沙尘暴，特别是强沙尘暴的危害性极大。随着气象业务现代化和观测手段的不断改进，气象学者对沙尘暴天气进行了大量的研究，取得了较多的成果[2-6]。仇会民等[7]对塔里木盆地东缘的一次典型区域性沙尘天气过程进行分析，并探讨其滞空原因及传输特征。杨雪艳等[8]对中国东北地区春季沙尘天气变化特征及其与大气环流变化进行了深入分析。有研究表明[9-12],低空急流的位置及强度可作为沙尘暴强度及沙尘暴发生和影响区的预报指标，沙尘暴爆发区对应高空低层螺旋度强梯度区内。程海霞等[13]则认为与沙尘暴相伴随的高空急流可分为单急流型和双急流型。有学者对北京及内蒙古地区的强沙尘天气过程的微气象学特征进行了研究，并确定科尔沁沙地临界起沙的阈值[14-15]。范俊红等[16]研究了河北省中南部一次沙尘暴的动力条件，3 h变压中心沿500 hPa急流快速南下，造成局地大风，产生了较强的沙尘天气。

内蒙古锡林郭勒盟(简称锡盟)位于中国北方，与蒙古国接壤，地处111°59′—120°07′E、42°32′—46°41′N，属北部温带大陆性气候，其主要气候特点是风大、干旱、寒冷。锡盟地区频繁受到沙尘天气影响，在沙尘天气的形成过程中，大风为主要动力[17]。锡盟地区的大风主要分为非对流性大风和对流性大风。非对流性大风主要由天气尺度系统引起，多发于冬春季节，具有明显的季节性特征。对流性大风则为中小尺度系统作用下形成的局地性大风，常引发局地灾害，主要出现在夏季[18]。由于突发性强，对流性大风给预报预警带来较大的难度。2018年6月11日锡盟地区出现了一次典型的由强对流风暴造成的局地、短时沙尘天气。本文将利用多种观测和再分析资料对这次天气过程进行分析，为该类型天气的短时临近预报提供参考。

1 资料与方法

天气形势分析资料为2018年6月11日08：00至12日08：00(北京时间，下同)中国气象局的常规地面、高空气象观测资料、自动站观测资料。采用同时段美国国家环境预报中心(Nationnal Center for Environmental Prediction，NCEP)逐6 h的1°×1°全球再分析资料(Final Operational Global Analysis，FNL),垂直层数为26层，其中26层物理量(温度、相对湿度、纬向风、经向风、垂直速度)；红外云图和雷达回波分别选用中国气象局国家气象信息中心下发的FY-2E在IR1通道上的相当黑体温度和锡林浩特714天气雷达监测资料。大气污染物PM2.5、PM10质量浓度资料源于锡林浩特环境监测站。

短时沙尘定义的标准按照2006年最新颁布的《沙尘暴天气等级》国家标准，沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴[1]。本文研究的区域范围为111°—120°E、41°—47°N；研究时段为2018年6月11日08：00—20：00；短时沙尘发生的时段为2018年6月11日16：00—18：00，出现的位置位于阿巴嘎旗(115.01°E、44.01°N)、锡林浩特(116.117°E、43.95°N)、锡林浩特环境监测站(位于市区东南方向，距锡林浩特市区约9 km处)。

2 结果分析

2.1 天气实况

2018年6月11日16：00—18：00，受中尺度强对流风暴的影响，阿巴嘎旗(距锡林浩特市90 km)及锡林浩特市先后出现了短时大风、沙尘天气，最大风速分别为24.2 m·s-1和22.6 m·s-1,最小能见度分别为5966 m和1314 m(锡林浩特观测站)。短时沙尘发生时，能见度瞬间下降到不足50 m，对交通及环境造成极大危害。而在距锡林浩特市周边的其他区域未监测到沙尘天气，可见，由中尺度强对流风暴造成的此次沙尘天气与锡盟地区常见的由大尺度系统造成的沙尘天气不同，其主要特点为影响范围小、局地性强、持续时间短、影响强度大。

从图1可知，锡林浩特沙尘天气发生前(11日17：00前)，PM10和PM2.5质量浓度分别为0.012—0.028 mg·m-3和0.005—0.008 mg·m-3，平均能见度为49 km。17:20 开始出现扬沙天气，17:30 能见度达到最小(1.3 km)。沙尘天气发生的最强时段分别对应PM10和PM2.5质量浓度较小，而短时沙尘天气减弱结束时(18:00)PM10和PM2.5有一个明显的增加，PM10和PM2.5质量浓度分别达到了0.534—1.041 mg·m-3和0.020—0.095 mg·m-3。这与系统性沙尘天气造成的质量浓度变化不同，此次短时沙尘天气发生前和发生时监测到的PM10和PM2.5质量浓度较小，相反，在短时沙尘减弱结束时，PM10和PM2.5质量浓度有一个明显的跃增。其主要原因是短时间内剧烈的下沉运动使得风力达到最大，地面的沙尘瞬间上扬，能见度下降，由于沙尘天气局地性较强，环境监测站位于市区下游，此时还未影响到环境监测站，所以监测到的颗粒物浓度非常小。另外PM10和PM2.5质量浓度汇聚增加需要一个过程，而当风力减小时，大颗粒物逐渐降到地表，能见度提升，但是对于PM10以及PM2.5这些能够在空气中漂浮的小颗粒物仍能在空气中持续漂浮一段时间，此时该时段的平均风速约为6 m·s-1，风向从东北风突变为西北风，吹向下游东南方向的环境监测站，两个测站距离约为9 km，根据风速的线性外推，PM10向下游传输到环境监测站大约需要25—30 min，这与图1所监测数据的时间较为吻合，即从17:30能见度降至最低(1.3 km)，到18:00 PM10质量浓度跃增，时间间隔大约为 30 min。由于悬浮在空中沙尘粒子的传输，在短时沙尘结束后使得环境监测站监测到的PM2.5和PM10质量浓度有一个明显的跃增。

图1 2018年6月11日14：00—21：00锡林浩特市PM10、PM2.5、能见度逐5 min变化

2.2 成因分析

2.2.1 气候背景

2018年入春以来(3月1日至5月31日)，锡盟西北部及中部地区(锡林浩特市、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、二连浩特市)沙尘天气明显增多，平均扬沙日数为14次左右(图2)，较常年同期值偏多5次。沙尘天气增多主要由于前期降水量较少，春季回温较快。2017年冬季锡盟大部地区积雪深度不足5 cm，截止2018年2月底锡盟中西部地区基本已无积雪。锡盟地区为典型草原地貌，前期积雪较少，导致土壤含水量偏低，影响植被返青，从而加大了裸土面积，造成土壤表层结构松散，增大沙尘发生几率。其次，2018年春季锡盟地区平均气温为7.7 ℃，较历年同期偏高3.3 ℃。尤其3月气温迅速回升，平均气温为0.4 ℃，较历年偏高5.4 ℃，创下了有气象记录以来的同期最高值(图2)。春季气温异常偏高导致沙源地地表解冻较常年偏早，土壤表层土质疏松，在大风条件下，极易发生沙尘天气。

图2 锡盟地区春季平均扬沙日数和平均气温变化曲线

2.2.2 前期环流形势

2018年6月11日08：00，500 hPa环流形势场(图3a)显示在贝加尔湖至蒙古国东部有冷涡存在，锡盟地区处于蒙古冷涡的东南部。700 hPa环流形势场(图3b)显示，在锡盟地区的西北部存在一个高空槽。低层850 hPa风场显示(图3c和图3d)在锡盟地区西北部存在切变线，低层切变线东移，17：00位于锡林浩特附近地区。海平面气压场(图略)显示锡盟地区处于低压带中，且在西北部地区有地面辐合线，之后，随着高空系统的东移，低层切变线及地面辐合线不断向东移动，触发并促使对流云团不断发展加强。从温度场上分析，在500 hPa高度上锡盟地区处在宽广的温度槽中；在700 hPa和850 hPa高度上，锡盟地区受温度脊控制。高层的温度槽与低层的温度脊相叠置，使得锡盟地区处于上冷下暖的不稳定层结中，非常有利于强对流天气的产生。

黑色等值线为位势高度场；红色等值线为温度场；阴影部分为风速急流区

6月11日08：00锡林浩特站上空存在对流层超低温，即400—300 hPa位温θ、假相当位温θse及饱和假相当位温θ*在垂直方向基本无变化，构成了上冷下暖的不稳定层结(图略)。同时在850 hPa和400 hPa附近处三条线出现向左折转，位温随高度减小，说明大气层结处于极度不稳定状态(图略)。400 hPa以下，θse和θ*相距较远为干层，尤其是700 hPa附近干层更为明显，说明水汽条件较差，不利于短时强降水发生。由T-lnP图可知(图略)，低层850 hPa附近存在弱逆温层，环境温度曲线和露点温度曲线表明，环境大气整层较干且中层有明显的干层。500—700 hPa温度直减率表明，对流中下层的环境直减率较大，达到了10 ℃·km-1,接近干绝热递减率，有利于雷暴大风的发展。垂直风切变表明，中低层有明显的切变，700 hPa以下风随高度顺时针旋转，说明低层有暖平流。08：00锡林浩特站的对流有效位能值较小，只有3.5 J·kg-1，但下沉对流有效位能值较大，其值为798.1 J·kg-1，这一参数常用来表征下沉气流强度[19]。同时大风指数为24.1 m·s-1,表明锡林浩特有强的雷暴大风的潜势。近地面为弱偏南风，700 hPa以上为一致的偏北风，为“顺滚流”，高层风速大于低层，风垂直切变较大，非常有利于垂直运动发展，表明锡林浩特市附近将出现大风天气。

2.2.3 动力条件

从风场演变过程来看(图4a)，2018年10日08时300 hPa以上高度以西风为主，300—850 hPa为北风，850 hPa以下的近地面层为西北风。到10日20：00，近地面风场逐渐演变为西南风，在垂直方向出现了风切变。11日08：00地面至850 hPa附近风向随高度出现明显的顺转，由偏南风转为西北风，在低空出现明显垂直风切变，有利于对流性风暴的生成和维持。从锡林浩特逐5 min要素曲线来看(图4b)，锡林浩特在17：10—17：15，风向由东北风(31°)突转为偏北风(343°)，随后在17：20风力增大至22.6 m·s-1。同时地面气温从26 ℃骤降至20 ℃，此时锡林浩特的沙尘天气达到了最强。从逐小时地面自动站分析的流场来看(图4c和图4d)，11 日11：00锡盟西北部在风场上出现北风和南风的辐合，说明辐合线后为干冷性质气团，17：00—18：00地面辐合线位于锡林浩特中部附近，地面冷暖空气交汇激烈，强天气也基本发生在此处。整个过程可以发现，地面风场的辐合抬升触发了强对流天气，大风天气发生在地面辐合线附近。

垂直风切变单位为m·s-1；代表地面辐合线

沿43°N对垂直速度和散度做垂直剖面，11日08：00(图5a),锡林浩特西部位于114°—115°E范围,垂直速度存在明显的正负对偶中心，500 hPa有较强的上升运动中心，700 hPa为一正的大值中心，配合散度来看，500 hPa以下为负散度区，500 hPa以上为正散度区，此时锡林浩特(116.2°E)整层处于弱的上升运动区域当中。从连续演变看,11日14：00(图5b)，下层运动在该地区是不断加强的,低层的分布强度远大于高层。11日17：00(图5c),垂直速度加强，114°—115°E存在一对垂直速度正负对偶中心，并对应有合适的散度场配合，此时锡林浩特整层处于下沉运动区域当中，配合散度整层均为正散度区。即位于锡林浩特西部较强的上升运动区以及高层辐散、低层辐合的散度场,为这次强干对流天气提供了抬升条件，同时锡林浩特整层处于下沉气流当中，强烈的下沉气流为该地区出现短时沙尘提供了有利的动力条件。

▲为锡林浩特；阴影部分为垂直速度，单位为Pa·s-1；等值线为散度，单位为s-1

从6月11日08：00—20：00锡林浩特涡度平流的垂直时间剖面可知(图略),850 hPa以上锡林浩特一直处于正涡度平流区中，850 hPa以下为负涡度平流,从连续演变看,14：00—20：00，850 hPa以上正涡度平流随高度明显增强，正涡度平流中心位于400 hPa附近，中心值为24×10-10s-2,强的正涡度平流带有助于上升运动的维持和加强，为此次强干对流天气提供了非常有利的动力抬升条件。

2.2.4 热力条件

由图6a中可见，在沙尘天气发生前，2018年6月10日20：00的预报场表明，△T为-35 ℃，上下层温差较大。到11日08：00，由于太阳辐射增温，△T减少至-31 ℃，但是较10日08：00的-27 ℃仍有-4 ℃的温差。上下空气层温差增大，更加有利于大气对流不稳定的发生。从温度平流剖面的连续演变来看(图6b)，11日08：00锡林浩特站对流层中高层为冷平流，700 hPa 有一弱的暖平流，11日14：00高层冷平流开始不断加强，11日20：00，500 hPa的冷平流中心达-2×10-4～-3×10-4℃·s-1,可见中高空冷空气较强，形成了上冷、下暖的空间配置，存在着有利于强对流发展的热力抬升条件。从锡林浩特假相当位温剖面来看(图6c)，随着太阳辐射加强，地面增暖，锡林浩特中低层假相当位温连续变化是加强的，从50 ℃增加到55 ℃。从锡林浩特相对湿度剖面来看(图6d)，高层湿度不断增加，但低层湿度是减小的，500 hPa相对湿度中心值达到70%，850—700 hPa相对湿度为30%—40%，低层的水汽含量较低，不利于短时强降水的发生，700 hPa存在明显的干层，有利于雷暴大风的产生。

气温单位为℃；温度平流单位为℃·s-1；位温单位为℃；相对湿度单位为%

2.2.5 卫星云图演变

2018年6月11日13:30锡盟大部地区对流云团发展强盛(图7a)，呈椭圆状，边界整齐清晰，到14:30对流云团开始影响阿巴嘎旗北部(图7b)。同时，地面实况表明(图略)，地面风力开始逐渐增大，15：00—16：00阿巴嘎旗出现短时大风、沙尘天气。到17:00左右，图7c和图7d表明对流云团东移南压不断增强，云顶亮温达到了220 K。锡林浩特处在强对流云团的前沿下沉气流中，开始出现沙尘天气，随着强对流云团的东南移动，到18:00对流云团减弱，锡林浩特沙尘天气结束。锡林浩特的沙尘天气从开始到结束整个过程持续了50 min左右。但是由于红外云图仅能观测到云顶温度，很难看到对流风暴的内部结构及其演变。

黑色边界为锡盟行政区域；时间为北京时间

2.2.6 雷达回波演变

由于红外云图的局限性，为了近一步分析此次对流云团内部结构及演变过程，本文将结合雷达回波针对这一现象进行分析。一直以来，天气雷达应用主要集中在暴雨、雷暴、大风、冰雹等强对流天气，对沙尘天气分析应用较少。韩经纬等[20]利用多普勒天气雷达对2005年4月1日内蒙古发生的沙尘暴个例进行了分析，结果表明通过多普勒天气雷达回波可以对沙尘天气发生时的天气系统结构进行分析。

17：23，锡林浩特站714 雷达进行5 min 14 个仰角的体扫。从0.5°到16.9°仰角锡林浩特上空一直都有降水回波，西北部强度较弱，为10—30 dBz，西南部地区低仰角降水回波较强，为40—55 dBz，随着仰角的抬高回波减弱。图8a和图8b为2.5°仰角和3.4°仰角的反射率因子分布，可见在对流风暴前沿靠近雷达附近有明显的阵风锋。对雷达西南部强回波中心做不同时次的RHI扫描(图8c至图8e)，发现整体回波呈柱状，强回波中心随时间明显下移，说明下沉有效位能不断的释放。同时，靠近雷达一侧在4 km以下出现无降水回波的区域，这主要由低层沙尘造成的。

图8 2018年6月11日17:23锡林浩特站714雷达2.5°仰角(a)和3.4°仰角(b)PPI扫描观测的雷达反射率因子,17:03(c)、17:33(d)、17:36(e)沿图a中黑色粗线进行RHI扫描的雷达反射率因子

由相对径向速度可知，在雷达西部存在明显的径向辐合(图9a和图9b)。从相对径向度剖面更清楚的看出(图9c)，在4 km高度处存在明显的中层径向辐合。由此可知，雷达产品中的下沉气流造成对流风暴前沿的阵风锋及中层径向辐合是此次地面大风、沙尘天气出现的明显特征。

图9 2018年6月11日17：23锡林浩特站714雷达在2.5°仰角(a)和3.4°仰角(b)PPI扫描下相对径向速度、沿图a中黑色粗线进行RHI扫描的相对径向速度(c)

3 结论

(1)2017 年冬季降雪较少，2018 年春季气温迅速回升，导致前期积雪较少，春季解冻较早，土壤表层土质疏松，为2018年6月11日短时沙尘天气提供了有利的前期气候背景。从天气形势来看，此次沙尘天气主要在高空冷涡环流背景下，由低层切变触发的干对流风暴造成的。上冷下暖的大气层结为对流风暴提供了非常有利的环境条件。对流云团发展旺盛，外流边界强下沉气流造成的大风为此次短时沙尘天气提供较好的动力条件。

(2)此次短时沙尘天气主要发生在地面风向突变、气温下降、风速瞬间加大的时段。卫星云图显示锡林浩特地区此次沙尘天气主要受强对流云团影响，当处在强对流云团的前沿下沉气流中时，出现沙尘天气。随着强对流云团减弱并向东南方向移动时，沙尘天气结束。在沙尘发生时，雷达回波前沿出现阵风锋，径向速度PPI扫描和RHI扫描中出现径向辐合和中层径向辐合。

(3)局地沙尘发生前,动力、热力条件有利于强对流天气的发生发展,高低层辐散辐合、较强的上升运动及干燥的中层大气和下垫面,是局地沙尘天气产生的主要原因。