阿拉善盟2022年4月26日大风沙尘天气形成机制研究

2023-03-04杨嘉琦

农业灾害研究 2023年1期

杨嘉琦

阿拉善盟气象局，内蒙古阿拉善盟 750306

沙尘天气是我国北方地区春季常见的一种灾害性天气，不仅影响本地区，还可以通过大气传输影响上、下游地区的生态、环境和气候[1]。根据《沙尘暴天气等级》国家标准（GB/T 20480—2006）沙尘天气可分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴五个等级，分别指在风速较大的前提下，最小水平能见度小于10 km、介于1～10 km、小于1 km、小于500 m和小于50 m的天气现象[2]。关于强沙尘天气形成机制，姜学恭等[3]在对内蒙古持续性沙尘暴天气特征的研究中表示，在高压底部型沙尘暴过程中，暖平流导致地面倒槽和平直对流层中尺度低压发展旺盛，为沙尘暴的发生提供了动力条件。钱莉等[4]在对河西走廊东部大风强沙尘暴的天气动力诊断指出，地面摩擦风引发的强动量通量为沙尘卷起提供了基本的动能，地面热低压的发展加大了冷锋前后气压梯度和温度梯度，为对流发展提供了热力不稳定条件。翟志丽[5]在对2021年4月内蒙古中西部一次沙尘天气过程成因分析中提出，持续强劲的风力、丰富松散的尘粒及不稳定的热力层结是沙尘暴产生的三个必要条件。

阿拉善盟（97°10′E～106°52′E，37°24′N～42°47′N）地处内蒙古自治区最西端，总面积约270 000 km2，北邻蒙古国，并与巴彦淖尔市、乌海市、宁夏、甘肃接壤，地表植被覆盖率低，土地荒漠化严重，不仅为本地沙尘天气提供了物质条件，还是周边地区和下游地区沙尘天气的主要沙源。阿拉善盟作为我国沙尘天气多发地，深入研究、探索、总结其沙尘天气发生、发展的规律特点，对提高对强沙尘天气的预报预警准确率，提高应对强沙尘天气防灾减灾能力十分有帮助。

1 天气实况

2022年4月26日，阿拉善盟境内出现了一次持续时间长、影响范围广的大风沙尘天气过程。如表1所示，全盟大部地区平均极大风速6级以上，阵风8级以上，最小能见度小于3 000 m。其中，拐子湖和孪井滩出现强沙尘暴，平均极大风速均达7级以上，阵风均达9级，最小能见度出现在拐子湖为392 m。

表1 2022年 4月26日阿拉善盟国家站天气实况

2 天气分析

2.1 环流背景

500 hPa等压面上，欧亚大陆中高纬环流场呈“两槽两脊”型，2022年4月25日20:00（图1a）在巴尔喀什湖以北和贝加尔湖附近各有一高空槽，“两脊”则分别处于我国新疆和东北地区，中纬度地区（40°N～50°N）基本处于偏西风纬向环流带中，西风急流中心风速≥20 m/s。阿拉善盟处于贝加尔湖高空槽底部，高空槽槽区宽广，振幅＞10纬距，波长＞30经距。26日08:00（图1c），贝加尔湖高空槽东移加强形成冷涡，阿拉善盟则受槽后西北气流控制，高空有暖平流流入。

700 hPa等压面上，25日20:00（图1b）阿拉善盟处于东西向平直锋区（110°E～120°E，40°N～50°N）底部，锋区内等温线密集，温度梯度大，锋区两侧温差最大达20 ℃，温度场落后于高度场，等温线与等高线间夹角近30°，大风沙尘天气发生前期中低层大气斜压性较强，大气层结不稳定。26日08:00（图1d），锋区维持少动，锋区内温度梯度增大，等温线与等高线夹角近60°，大气斜压性进一步增强。

图1 2022年4月25—26日高空环流形势

海平面气压场上（图略），25日20:00阿拉善盟大部地区处于鞍型均压场内，北部高压中心位于蒙古国，强度为1 025 hPa，26日凌晨高压南压，08:00高压中心升至1 032.5 hPa,等压线密度增大，达10 hPa/5纬距。阿拉善盟处于高压底部、等压线密集带，地面偏东风风速增大，沙尘天气被触发。

此次大风沙尘天气过程处于贝加尔湖高空槽东移加强，大气斜压不稳定的环流背景下，中低层锋区增强配合地面冷高压南压，使地面偏东风风速增大从而导致沙尘天气被触发。

2.2 动力条件

沙尘天气尤其是沙尘暴天气的生成、发展和维持不仅需要地面大风这一起沙条件，还需要沙尘区域有强烈的垂直上升运动为沙尘粒子的垂直运动提供动力条件。作26日03:00穿过拐子湖站的经向、纬向垂直剖面图（图2）。

图2 26日03时拐子湖站经向（102°E）（a）、纬向（41°N）（b）垂直剖面图

由经向剖面图2a可见，850～700 hPa南北风交汇于42°N附近，即锋区位置，交汇区随高度向南倾斜，坡度较缓，南北风流线密度相当，故锋区移速较慢，中低层大气斜压不稳定长时间维持有利于拐子湖沙尘暴加强。在垂直方向上有2个次级环流，环流中心沿42°N分布在700 hPa和200 hPa高度，低层流线密度较大，表示低层风速较大。在2个次级环流的作用下，整层大气以垂直上升运动为主，为地面沙尘粒子扬起提供了动力条件。

由纬向剖面图2b可见，99°E～109°E水平方向上也有次级环流存在，于700 hPa高度101°E和107°E附近分布有2个环流中心，97°E～107°E为大气上升运动区，109°E附近为下沉运动区，近地面为偏东风，水平方向上下沉运动强于上升运动，有利于加强次级环流，使偏东风风速加大，为沙尘天气触发提供动力条件，地面沙尘输送通道的建立也为沙尘天气加强和维持提供了动力支持。

2.3 大气层结稳定度

大气层结稳定度是影响沙尘暴发生发展的主要因素之一，层结条件不稳定有利于强沙尘天气的触发。从25日20:00额济纳旗达来呼布（52267）气象站探空资料V-3θ曲线图（图3）来看，400～250 hPa水汽达到饱和状态，500 hPa以下θ*与θse间隔较大，低层大气极为干燥，整层大气“上湿下干”，存在强潜在不稳定性；θ与θse线在700 hPa以下距离相近且近乎垂直于横坐标，对流层中低层大气层结接近绝对不稳定，干空气做抬升运动时阻力减少，有利于地面沙尘粒子被扬起。同时，对流层中高层风速大于对流层中低层风速，高空动量下传加大地面风速，有利于加强沙尘天气的发展。

图3 25日20:00达来呼布V-3θ图

2.4 热力条件

温度平流指冷暖空气水平运动引起的某些地区温度降低或升高的现象。暖平流将导致空气由暖区流向冷区，并使高层等压面升高，在气压梯度力的作用下产生水平辐散，为保持大气质量连续，该区域将进行补偿上升运动。同理，冷平流区有下沉运动。如图4所示，26日14:00高空槽移至我国东北地区，槽后有较强冷平流入侵，同时500 hPa和700 hPa暖平流分别以1.0×10-4℃/h和2.5×10-4℃/h进入阿拉善盟，我国华北地区西暖东冷。冷平流区大气做下沉运动、暖平流区大气做上升运动，随着500 hPa偏西气流与地面偏东风风速增大，温度平流与高底层大气流速构成正反馈。在正反馈机制作用下，暖平流使地表沙尘粒子受热上升做上升运动，同时有利于地面风速增大，为沙尘区域范围扩大、强度增强和时间维持提供了热力条件。

图4 26日14:00 500hPa温度平流（a）、700 hPa温度平流（b）

2.5 垂直速度诊断分析

大气垂直速度是天气分析与预报中常用的物理量，其大小表示大气垂直运动的强烈程度，正负则表示大气做垂直运动的方向。阿拉善盟沙尘天气的主要沙源来自本地，上升运动引发扬沙是导致此次大范围沙尘天气的主要原因。26日08:00，垂直上升速度中心位于额济纳旗，为-0.3 Pa/s，表示额济纳旗垂直上升运动更剧烈，此时额济纳旗达来呼布站与拐子湖站最小能见度均小于700 m；26日20:00，垂直上升速度中心位于阿左旗南部，为-0.2 Pa/s，孪井滩气象站23:00能见度达到最小。垂直上升运动区能与发生沙尘天气的区域对应，垂直速度中心能与出现沙尘暴区域对应，因此垂直速度能较好地反映沙尘天气范围与强度。

26日额济纳旗上空大气持续做上升运动，26日02:00～14:00上升运动最强，26日08:00在925～50 hPa高度垂直速度中心为-0.25 Pa/s，达来呼布站26日04:00～12:00最小能见度小于1 000 m，出现沙尘暴。孪井滩站时间—高度垂直剖面图中(图略)，垂直速度中心位于26日20:00～27日02:00之间，达-0.25 Pa/s，而孪井滩气象站最小能见度462 m，出现在26日23:00，与垂直速度中心出现时间相符合。因此，垂直速度对判断沙尘天气范围、强度以及最小能见度出现时间都具有指导意义。