衡水市2次沙尘天气过程对比分析

张玉婷，陈瑞敏，刘炳杰，吴雁，李月英

摘要 利用常规气象资料、风廓线雷达、气溶胶激光雷达等非常规气象资料，以及借助HYSPLIT后向轨迹模型和潜在源贡献分析法（PSCF），对比分析衡水市2021年3月15日与4月15日2次沙尘天气。结果表明：2次过程均受蒙古气旋和地面冷锋的影响，旋移动路径均为偏东路径，沙尘爆发前期200 hPa位于高空急流入口区左侧，辐合下沉运动有利于能量积累。315过程系统比415过程更强，但减弱更快、更偏北，并以回流形势影响河北省中南部，415过程无回流形势。2个过程高低层均存在逆温，415过程高层逆温层存在时间更长，导致沙尘天气维持时间较长，315过程低层逆温更强、维持时间更长。315过程沙源地降水和温度距平比415过程更大，其沙源地为蒙古大部地区、内蒙古中西部、河北省南部—山西—河南，415过程沙源地为蒙古大部地区、内蒙古中西部。315过程沙尘输送分为2个阶段并伴有沙尘回流，其输送高度较高，415过程输送高度较低并无沙尘回流。

关键词 沙尘天气;天气实况;环流形势;衡水市

中图分类号：P445.4 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）03–0045–03

1 实况分析

1.1 20210315过程

2021年3月15日，河北省出现大范围沙尘天气，大部地区最小能见度不足3 km，部分地区不足1 km（图1），北部部分地区伴有8级以上西北风，河北省北部地区影响较为严重（图3）。衡水市饶阳县15日14：00水平能见度为811 m，达到最低（图2）。从石家庄气溶胶激光雷达数据来看（图4），此次过程影响分为两个阶段：第一阶段是3月15日08：00～16日08：00（24 h），高度在1.5 km以下;第二阶段是3月16日08：00～18日06：00（46 h），高度在1.5～3 km之间。两个阶段气溶胶浓度维持1.2 km-1时间较长[1]。

1.2 20210415过程

2021年4月15日，河北省出现大范围沙尘天气，大部地区最小能见度不足5 km并出现8级西北大风（图5、图6），河北省南部地区影响较为严重。衡水市饶阳县15日18：00水平能见度最低，为1 159 m（图7）。从石家庄气溶胶激光雷达数据来看（图8），影响时段为4月15日08：00—16日16：00（32 h），高度在2.6 km以下，浓度维持在1.2 km-1时间较短，即总体来看，污染程度轻于315过程。

2 大尺度环流背景分析

2.1 20210315过程

3日15日08：00，200 hPa蒙古—内蒙

古中西部处于高空急流入口区右侧，为辐散上升运动区，河北省位于出口区右侧，有辐合下沉运动。500 hPa欧亚大陆为两槽一脊，东北—内蒙古为北涡南槽的天气形势，槽前正涡度平流使得地面低压发展，槽后负涡度平流使得地面高压发展，其温度槽落后于高度槽，槽后冷平流明显。700 hPa、850 hPa涡槽系统与500 hPa一致但位置偏东，高低层配置呈后倾结构。低层风场与温度场夹角接近90°，风力较大，冷平流明显。850 hPa在河北省有一东北西南向切变。地面图上，冷高压位于贝湖西南侧，中心强度达1 042.5 hPa，内蒙古东部蒙古气旋东移北上，气旋中心强度为990 hPa，气旋中心与500 hPa低涡中心重合或接近，气旋东移减弱。冷高压以西北路径影响河北，冷锋压在河北省西北部，高低压之间气压差达52.5 hPa，气压梯度较强，西北风较大，沙尘暴开始影响西北部。

15日下午，系统东移减弱，高低压之间气压差减弱至34.5 hPa。河北省北部继续维持较大西北风，但由于冷空气主体在40°N以北移速较快，到达东北地区后回流南下，南部地区转为东北风，风力逐渐加大，大部地区出现沙尘天气。15日20：00，地面冷锋推进至山东—河南一带，河北省转入冷锋后部、高压前部，地面风力仍然较大。

2.2 20210415过程

4日15日08：00，200 hPa乌拉尔山及以东地区为高压脊，蒙古—内蒙古中西部处于高空急流入口区左侧，为辐合下沉运动区。500 hPa欧亚大陆为两脊一槽，在蒙古—河套地区有一高空槽东移，槽前正涡度平流促使地面气旋发展，槽后负涡度平流使地面高压发展，其温度槽落后于高度槽，槽前有暖平流，槽后为冷平流，系统在东移过程中发展，槽后西北气流引导冷空气向东南方向移动影响河北省，河北省位于槽前西南气流。700 hPa、850 hPa低槽偏前于500 hPa，高低层系统配置呈后倾结构，700 hPa风场与温度场夹角接近90°，风力较大，冷平流强盛。850 hPa在内蒙古东部形成低涡，河北省有一南北向切变。地面图上，冷高压位于蒙古西部，中心强度达1 032.5 hPa，中蒙边界一带的蒙古气旋中心强度为997.5 hPa。气旋前部有暖平流，后部为冷平流，热力因子使地面气旋前部减压，后部加压，地面气旋向东移动。气旋中心位于500 hPa低压中心前侧，气旋东移减弱不明显。高低压之间气压差为35 hPa，冷锋压在内蒙古境内，气压梯度较强，锋后西北风较大，在内蒙古引发沙尘暴。

15日20：00，乌拉尔山高压脊向东北加强，导致槽前西北气流增强，冷空气沿强西北气流东移南下，低槽加强，低层等温线和风场接近垂直，冷平流强劲，地面冷锋推进至河北省东部地区，大部地区出现大风、沙尘天气。

从08：00、11：00地面气压场与3 h变压（≥40 hPa）场来看，气压梯度和变压梯度较大的地方均出现在河北省北部地区，因此在梯度风和变压风的共同作用下，北部部分地区出现了8级及以上的大风，而南部并未出现。

3 2次过程异同点分析

3.1 沙源地异同点分析

衡水市2次沙尘过程使用HYS-PLIT后向轨迹模型，选取衡水气象局观测站（115.7°E、37.7°N）为坐标点，以500 m、1 500 m、3 000 m为模型起始高度，后向模拟48 h，进行污染方向传输和聚类分析[1]。同时，结合PSCF算法并加入权重函数，选取PM10小时浓度﹥100 μg/m3作为判断污染轨迹的标准，进行污染潜在源区数值模拟。可以看出，2次过程主要沙源地存在明显的差别，315过程主要的沙源地为蒙古大部地区、内蒙古中西部，随着低层转为偏南风，河北省南部—山西—河南一带沙尘又向北输送（回流形势）;415过程主要的沙源地为蒙古大部地区、内蒙古中西部以及山西一带（无回流形势）。可以看出，315过程沙源地降水距平和气温距平明显大于415过程，即沙源情况更好、沙源地更廣。

3.2 起沙機制异同点分析

3.2.1 200 hPa急流异同点分析 3月13日08：00、4月13日20：00，沙尘暴爆发前，200 hPa沙源地一直处于高空急流入口区左侧的强辐合下沉区，下沉运动导致200 hPa附近形成逆温层，有利于不稳地能量在低层积累。沙尘暴爆发期间，315过程逆温层在3月14日20：00已经逐渐减弱消失，而415过程逆温层一直存在，减缓了不稳定能量的释放，这使得415过程沙尘天气的影响时间更长。

3.2.2 不稳定层结异同点分析 从沙源地探空图来看，沙尘暴发生前，高低层温差大，中低层温度垂直递减率接近干绝热，为不稳定层结，有利于沙尘向上输送。另外，315过程低层的逆温层比415过程明显，更加有利于能量的积累。

沙尘暴发生后，河北省上空一直维持高空急流，急流中心下方不断有动量下传。另外，河北省高低层位于槽后负涡度平流区，有明显的下沉运动，更加有利于高空动量下传，使得高空沙尘沉降并引起地面大风。

3.3 输送与沉降异同点分析

从衡水市地面沙尘来源的模拟结果来看，315过程第一阶段来自蒙古的2支气流，高度在2 km以上运行，携带沙尘向衡水市输送，而来自内蒙古的气流高度较低，在沙源地一直维持在1 km以下，随后有所上升。3支气流在越过太行山进入河北省以后轨迹汇合到一起，高度降至600 m左右，随后以东北风回流的形式向中南部输送，15日08：00左右迅速沉降。第二阶段，偏南气流在山西—河南省内一直维持较低高度，携带沙尘向衡水市回流输送，在靠近河北省时，低层切变系统的抬升作用，轨迹有所上升，被抬升至2 km左右的高度，对衡水市造成影响，而此时衡水市2 km以下的低层受东北风影响，对沙尘起到清除作用，空气相对洁净，这与激光雷达的观测结果相符。

415过程气流从沙源地一直维持较低的高度向河北省输送，高度在500 m以下，这可能与415过程中低层一直有逆温层维持有关。进入山西后，受太行山脉影响，输送轨迹升高至800～1 500 m，越过太行山以后气流又降至500 m左右，16日08：00左右快速沉降，这与气溶胶激光雷达消光系数的观测结果相符。而对退偏比的观测结果来说，16日08：00前后，中层退偏比值较大，结合云量观测结果，此处为中云（表1）。

4 结论

（1）2次过程均受蒙古气旋和地面冷锋的影响，沙尘发生前期200 hPa位于高空急流入口区左侧，辐合下沉运动有利于能量积累。

（2）2次过程气旋移动路径均为偏东路径，315过程系统比415过程更强，但减弱更快、更偏北，并以回流形势影响河北省中南部，415过程无回流形势。

（3）2次过程高低层均存在逆温，

415过程高层逆温层存在时间更长，导致沙尘天气维持时间较长。315过程低层逆温更强、维持时间更长。

（4）315过程沙源地降水和温度距平比415过程更大，其沙源地为蒙古大部地区、内蒙古中西部、河北省南部—山西—河南，415过程沙源地为蒙古大部地区、内蒙古中西部。

（5）315过程沙尘输送分为2个阶段并伴有沙尘回流，其输送高度较高，415过程输送高度较低并无沙尘回流。

参考文献

[1] 刘娜，余晔，陈晋北，等.兰州春季沙尘过程PM10输送路径及其潜在源区[J].大气科学学报，2012，35（4）：477-486.

责任编辑：黄艳飞

Comparative Analysis of Two Sand-dust Weather Processes in Hengshui City

ZHANG Yuting et al（Meteorological Bureau of Hengshui City， Hengshui， Hebei 053000）

Abstract By using conventional meteoro-logical data， wind profile radar， aerosol lidar and other unconventional meteorological data， as well as HYSPLIT backward trajectory model and potential source contribution analysis （PSCF）， the dust weather on March 15 and April 15， 2021 in Hengshui city was compared and analyzed. The results show that the two processes are affected by the Mongolian cyclone and the surface cold front， and the rotational movement path is east. 200 hPa is located at the left side of the upper jet inlet area in the early stage of dust eruption， and the convergence and subsidence movement is beneficial to energy accumulation. The 315 process system was stronger than the 415 process， but weakened faster and more northward， and affected the central and southern Hebei province as a backflow situation. 415 process had no backflow situation. There were temperature inversions in both upper and lower layers of the two processes. In 415 process， the upper inversion layer existed for a longer time， resulting in a longer duration of sand-dust weather; in 315 process， the lower inversion was stronger and lasted longer. The precipitation and temperature anomalies of 315 process were larger than that of 415 process， and the sand sources of 315 process were most of Mongolia， central and western Inner Mongolia， southern Hebei province， Shanxi province and Henan province， while 415 process was most of Mongolia and central and western Inner Mongolia. The dust transport in 315 process was divided into two stages and accompanied by dust backflow， which had a high transport height. In 415 process， the transport height was low and there was no dust backflow.

Key words Sand and dust weather; Actual weather; Circulation situation; Hengshui city