阿拉善盟一次区域性强沙尘暴天气过程成因分析

丁 可

阿拉善盟气象局，内蒙古阿拉善盟 750306

沙尘暴是干旱半干旱地区发生的一种重要灾害性天气，主要是大风吹起地面尘土，空气变得浑浊，能见度低于1 km的天气现象，可对人们的生产、生活产生巨大影响。阿拉善是我国荒漠化最典型的地区之一，也是全国沙尘暴影响最严重的地区之一。沙尘暴是不容忽视的大气问题之一，也是对其形成过程和成因分析尤为重要的环境问题[1-2]。

笔者主要采用大尺度参考和中尺度研究方法，根据沙尘暴地面气象条件、环流特性、动力条件和热条件的变化，对2021年3月14—15日阿拉善发生的次区域天气条件进行分析，总结其发生变化的规律，并探讨了潜在原因。

1 数据来源与方法

研究采用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料小时数据（0.25°×0.25°）和2021年3月14—15日地面自动站资料进行数据处理和分析，重点分析出现强沙尘暴的雅布赖气象站2021年3月14日17:00～15日20:00地面自动站1 h加密地面观测资料。高空气象探测数据源于选取巴彦诺尔公探空资料，气象站使用雷达技术和气象观测设备结合追踪沙尘暴，主要测量沙尘暴的构成条件，如气压强度和大气温度、风速的大小数值、风向和发展趋势等。

2 结果与分析

2.1 沙尘暴实况及其特征分析

2021年3月14日下午—15日，阿拉善盟出现大范围沙尘暴天气，其中阿拉善高新区、巴彦浩特出现沙尘暴，其余地区出现强沙尘暴，最小能见度出现在额济纳旗达来呼布，为139 m，随后又出现连续4 d的浮尘天气。整个过程自3月14日开始，至3月19日结束，共持续6 d，为近10年来阿拉善盟影响范围最广、强度最强的一次沙尘天气过程。本次重点选取14日下午—15日沙尘暴天气过程作为研究。

2.2 地面气象要素的变化特征

自2021年1月以来，阿拉善盟降水持续偏少，土壤干燥，加之近期气温回升较快，2月平均气温突破历史极值，3月平均气温为历史第2位，偏干偏暖，导致土壤疏松，容易起沙；再加上高层冷空气入侵与低层暖空气形成不稳定层结，同时冷锋强度、地面风速增强，以上因素均有利于沙尘上扬，造成沙尘暴天气。

此次沙尘暴天气起源于蒙古国，于3月14日20:00侵入阿拉善盟，其中沙尘暴最强时段为14日23:00至15日11:00，在15日11:00后大部地区逐渐减弱。地面要素变化特征直接反映尘暴的开始或结束[4]。

选取出现强沙尘暴的雅布赖站点为代表站作地面气象要素变化图（图1），该站点前期受气旋控制，15日00:00本站气压为869.9 hPa，于10:00升高至876.7 hPa，随后气压减小，沙尘暴有减弱趋势；气温与气压变化则相反，15日00:00～03:00气温骤降至8.0℃，表明此时冷锋过境，气温下降；极大风速在15日02:00～03:00骤增至15.0 m/s，而后保持在16 m/s左右，为沙尘暴的发生提供了强大的动力；最小能见度在15日03:00骤降至145 m，至06:00持续在200 m以下。

图1 2021年3月14日17:00～15日20:00雅布赖地面气象要素变化，其中主坐标轴为气温（℃）、极大风速（m/s）、最小能见度（km），副坐标轴为本站气压（hPa）

综上分析，雅布赖沙尘暴最强时段为15日凌晨，后期15日15:00风力迅速减小，气压再次升高，整层大气趋于稳定，沙尘无法散去，致使阿拉善盟南部地区连续4 d出现浮尘天气。本次研究仅针对过程前期强沙尘暴过程。

2.3 环流特征

2.3.1 高空环流形势演变 2021年3月14日08:00，500 hPa高空图上（图2a），欧亚中高纬度为两脊一槽型，低压槽在贝加尔湖周围分布，两脊分别在西西伯利亚和东北三省，极地冷空气在新疆东北部高压脊一侧偏北气流迫使下不断向南移动，同时受冷中心（-36℃）影响，低压槽在贝加尔湖地区堆积形成并伴随有较强的冷平流，其中低压槽底前部阿拉善盟为西北气流控制。直至14日20:00（图2b），低压槽发展东移南压，高空锋区随着加强向南移动，冷平流强度增大。

14日08:00，700 hPa高空图上（图2c），由图可见新疆维吾尔自治区附近的风压强度，但是这个风压不太稳定，接近地面地气流比较急速，在新疆东部地区至阿拉善盟出现，值得关注的是，温度场上阿拉善盟处于暖脊控制，同时上空-36℃冷中心南压，为沙尘暴天气提供了不稳定层结条件。

14日20:00（图2d），在该区域的上空，趋势是向着东南方向的，到了蒙古的边界区域，风速风压明显变得更快、更强，由图2可知：边界处的风压强度与地面的夹角也较小，因此持续地强度上升，空气温度较低，持续一段时间可发展为沙尘暴。

图2 2021年3月14日08:00（左）、14日20:00（右）高空环流形势图

如上所述，因为气流冷空气的对流原因，山谷地势中存了大量的冷气，长久挤压后发生爆发性的沙尘暴，这种情况不可控，地势原因的沙尘暴声势比较浩大。且山谷中存在越久，越容易发生严重的沙尘暴现象。

2.3.2 地面环流形势演变及沙尘输送路径地面系统性的锋面过境是造成本次沙尘天气的直接原因[3-4]。14日傍晚至夜间随着蒙古气旋东移加强，阿拉善地区地面锋生作用明显，由西北风转为偏东大风，气压梯度、变压风加大。14日20:00（图3a），蒙古气旋继续东移加强，阿拉善地区地面锋生作用明显，致使冷锋迅速增强，其后部的额济纳旗冷锋后3 h变压为+27 hPa。

23:00（图3b），冷锋继续南压，呈西北—东南向，额济纳旗冷锋后3 h变压强度增加至+52 hPa，诺日公增加至+39 hPa，气压梯度和正变压增强。与此同时，整个阿拉善盟逐渐由东北风控制，沙尘暴席卷整个阿拉善盟。随后15日上午高空系统东移减弱，槽后的冷平流逐渐减弱，阿拉善盟大部处于锋消区，沙尘暴天气逐渐减弱为浮尘天气。

阿拉善盟沙源丰富，境内有巴丹吉林、腾格里和乌兰布和三大沙漠，阿拉善西北部先受冷锋后西北风的影响，发生扬沙、沙尘暴，冷锋过境之后，阿拉善盟又受地面冷高压底部偏东风的影响，沙尘粒子自蒙古国随偏东、东北大风向西南方向传输，2条路径在阿拉善盟汇合，从而造成大区域强沙尘暴天气。

综上，阿拉善盟前期受蒙古气旋控制，随着冷锋东移南压，锋后降温增压，形成强烈的变压梯度，变压风大，加之蒙古国强沙尘暴随高压底部偏东气流侵入阿盟，致使阿拉善盟出现此次 大范围强沙尘暴天气。

2.4 动力条件和热力条件

2.4.1 锋生函数利用锋生函数进一步分析冷锋过境的变化特征：F＜0为锋消，预示未来锋区将减弱；F＞0为锋生，预示未来锋区将加强。由于该过程是无降水的干过程，因此根据位温在干过程中的保守性来计算锋生函数F。从850 hPa锋生函数分布来看，14日20:00东西向锋生区移至阿拉善盟南部地区，高空锋区达到最强，期间阿拉善盟大风沙尘天气最为强盛。15日08:00，阿拉善盟大部地区F＜0，已开始锋消，内含的沙尘运动力慢慢减小。根据这些数据统计分析，锋生现象是在沙尘暴中的常见状况，也能够决定沙尘暴的强弱等级，是正比于影响沙尘暴的，如果锋生的统计数值很大，说明此次沙尘暴的破坏等级较高；相反地，探测到的锋生数值很小，说明此次沙尘暴的破坏等级较低[5-6]。

2.4.2 大气层结 大气层结条件是影响沙尘暴发生发展的主要热力因素[7]，沙尘暴发生时，大气层结多表现为不稳定状态[8]。通过对位温（θ）、饱和假相当位温（θ*）与假相当位温（θse）的垂直分布特征进行表征分析，以此得出大气层结稳定度在沙尘暴天气发生前后的变化。

由于探空观测时次的限制，笔者仅对巴彦诺尔公14日20:00和15日20:00探空资料进行分析和探讨。14日20:00 V-3θ曲线图（图略）显示，在出现沙尘暴前，θse和θ*相距较远，说明此时大气较为干燥，且θ与θse线在500 hPa以下与横坐标近似垂直，大气层结几乎为绝热状态，这一层结延伸至400～300 hPa之间，形成深厚混合层，随后冷平流不断入侵，导致不稳定能量释放，产生强垂直运动，且由于在大气湿度较差，因此产生以干对流为主的沙尘暴天气。15日20时，θ与θse线斜率减小，大气层结趋于平稳，沙尘暴天气结束。

综上，500 hPa形成的较深厚混合层以及冷平流的入侵在沙尘暴形成过程中起重要作用。

3 结论与讨论

（1）沙尘暴的出现可以通过气象观测仪器探测到，也能够分析到具体的风速大小和风压大小。如果探测到的风压和风速数值很大，就说明此次沙尘暴的破坏等级较高，相反地，探测到的风压和风速数值很小，说明此次沙尘暴的破坏等级较低。

（2）沙尘暴持续时间和破坏等级都会因为不同的地形特点改变，具体有冷空气、大气的气压强度、风向风速、大气层结这些因素。前期阿拉善盟西北部先受冷锋后西北风的影响，发生扬沙、沙尘暴，在冷锋过境之后，阿拉善盟又受地面冷高压底部偏东风的影响，沙尘粒子自蒙古国随偏东、东北大风向西南方向传输，与阿拉善盟本地沙源汇合，从而造成全盟大部地区强沙尘暴天气。

（3）沙尘暴的强度和地势特点有关，不同的地势条件会给沙尘暴的发生打造不同的基础条件，但沙尘暴产生的一个必要条件就是冷空气，大陆上高温是不会产生沙尘暴的。如果是在沙漠里，沙尘暴现象是很常见的，如今发生率最高的区域就是沙漠里，除了这些，还有的地势特点比较不稳定也会造成沙尘暴的发生。单纯的大风不能构成沙尘暴。

（4）大多数沙尘暴普遍发生在午后，在其发生后产生辐射效应，使得沙尘暴在正反馈效应下加速发展。然而此次过程因前期温度偏高，变压风、冷锋强度远强于阿拉善盟近10年的其他沙尘过程，再加上蒙古国东北大风的沙尘输送，导致夜间大规模暴发强沙尘暴。沙尘暴夜间的发生机制仍有待进一步研究。