一次沙塵暴天氣過程中氣象要素變化分析

李 晉 李 棟

我國對沙塵暴的研究起步較晚，20世紀70年代才陸續開展對沙塵暴個例的分析研究[1]。我國西北和華北地區是沙塵暴天氣的頻發區，北京是華北地區沙塵暴天氣多發的一個代表地區[2]，并且基本集中在北京的3、4月的春季[3]，干旱少雨，此時地表開始解凍，裸露的土壤變得松動，再加上周邊內蒙古等地區沙塵源豐富，一旦有系統過境帶來的大風天氣，滿足了沙塵暴發生的三個條件（不穩定的大氣層結、強風、沙源），就有可能產生沙塵天氣。北京近年來沙塵暴天氣頻次有所減少，但強度并沒有減弱。本文結合2015年4月15日，發生在北京地區的沙塵暴過程監測結果進行分析。

1 天氣背景與資料獲取

2015年4月15日上午，蒙古國和內蒙古地區出現了大范圍強沙塵暴天氣。隨著天氣系統的發展和東移，并在高空偏北氣流的輸送下，沙塵暴影響范圍向東、向南擴展，北京市出現6～7級偏北風，陣風高達9級，導致了北京沙塵暴天氣的出現。本次過程在15日18：00左右開始，16日凌晨結束。

本文數據資料取自北京市觀象臺和臨近站大興區氣象局觀測站，顆粒物PM10和PM2．5由Grimm180采集，其他氣象常規數據均有地面站業務設備測量，由于全國地面站業務設備基本一致，這里不再介紹。

2 沙塵暴天氣過程與氣象要素的變化

2.1 溫濕變化 在4月14日和15日沙塵暴來臨之前，溫度和相對濕度明顯呈反相關，在每天15：30左右氣溫達到最大值25 ℃左右，相對濕度降到最低20%左右，呈現高溫、低濕，所以午后到傍晚這種溫濕條件最利于沙塵暴的發生。此次沙塵暴入侵的時間點17：20恰好處于午后高溫低濕區，大氣低層溫度高大氣不穩定，易產生上升運動，濕度低空氣干燥，地表容易起沙，這種溫濕條件對揚沙的產生極為有利，如圖1所示。此外，在沙塵暴過程中，濕度夜間沒有再像非沙塵暴日一樣緩慢回升，而是一直處于下降狀態，最終降到10%左右，此后一直維持該低濕狀態，打破了沙塵暴來臨前的午后回升規律。同時，15日夜間溫度比14日明顯要高，15日最低溫度12．7 ℃比14日最低溫度9．3 ℃高3．4 ℃。總結以上，沙塵暴進入前后，溫濕度夜間由低溫高濕轉變為高溫低濕，呈現出明顯的反向變化。這種反向變化狀態，促使該次強沙塵暴過程后揚沙的持續。

圖1 溫濕變化情況（14日00:00—16日23:59）

圖2 風向風速情況（15日11:00—16日03:00）

2.2 風的變化 沙塵暴來臨前后風向和風速有明顯的轉變，沙塵暴來臨之前主導方向西南風為主，風速在2 m/s左右，在西路冷高壓東移，沙塵暴入境瞬間，17：15左右，風向迅速由西南轉變為沙源來向風西北，風速迅速增大到8 m/s。在整個過程中風向一本保持西北風，也就是沙塵來向，風速在7 m/s上下波動，最大達11 m/s。在該過程中，可以看出沙塵暴對風要素的影響特別明顯：風速是沙塵暴來臨前的4倍，風向和沙塵暴來臨前的不斷變化相比，沙塵暴入境后風向基本穩定為一個方向——西北。風向和風速對某些沙塵暴有著很好的預警作用，風向轉變為沙源的來向并保持，為沙塵輸送提供了有利條件，同時大風為揚沙提供了載體。

2.3 氣壓和風變化關系 在17：00左右沙塵暴來臨瞬間，氣壓有一個明顯的轉折區，如圖3所示，風向、風速從該點之后迅速變大，在之后氣壓每一次波動，都會響應的引起風速的變化，如圖中長方框所示，風向在氣壓波動過程中變化并不明顯，這和以往文章中的表述“冷鋒過境強變壓梯度可引起瞬間變壓風”是一致的。從圖中很明顯可以看到，轉折區氣壓從990 hPa上升到1 010 hPa，風速從2 m/s上升到8 m/s，氣壓變化最大，風速也變化最大，之后，氣壓變化的幅度變小，風速變化的幅度也隨之變小，在變化幅度上呈正相關，以上可以看出，氣壓的每次變化都能引起風速的變化，并且在變化幅度上呈正相關。所以該次過程和冷高壓過境引起的氣壓變化有著密切的因果關系。

圖3 風和氣壓變化關系曲線

2.4 能見度、顆粒物濃度以及風的變化關系 該次過程的沙源來自蒙古國和內蒙古地區，隨著天氣系統的發展和東移，并在高空偏北氣流的輸送下進入北京市。從圖4a、4b可以看出，沙塵暴過程中經過觀測站瞬間PM10濃度是PM2．5的8倍，而在平時沒有沙塵暴的情況PM10僅為PM2．5的2倍左右，是平時的4倍。故沙塵主要影響的是PM10較大顆粒物，所以這里分析過程中顆粒物主要是對PM10的濃度變化進行跟蹤分析，如圖4a所示，在15日17：00—18：00，風速雖然曲折上升，但能見度在6 000 m左右幾乎保持不變，PM10濃度也基本保持在260 μg/m3不變。說明空氣中幾乎不含沙，沙塵暴還沒有真正入境。在18：00左右，風速瞬間增到7 m/s，在風速增大的過程中，PM10濃度也隨之增大，能見度隨之減小到1 000 m左右，沙塵暴開始進入北京。在PM10濃度和能見度隨風速變化的過程中可以看出，開始一波PM10濃度峰值達3 500 μg/m3，能見度下降到1 000 m左右，為強沙塵暴，隨之PM10濃度降至500 μg/m3，能見度升至7 000 m，并且一直維持直到過程結束。從前半段強沙塵暴過程中可以看出，PM10濃度的隨風速的增大而增大，但PM10濃度的峰值出現在風速下降的時段，其原因為風速變小，懸浮在空中的沙塵顆粒發生沉降，從而使近地面的顆粒物濃度增大。除強沙塵時間段外，能見度與顆粒物PM10濃度并沒有呈現很好的相關關系，在強沙塵暴出現之后，沙塵顆粒物濃度比強沙塵暴來臨前濃度要高，但能見度卻比沙塵暴來臨前要好，說明能見度受沙塵大顆粒物的影響并不大。從圖4b可以看出，能見度和細粒子PM2．5呈明顯的反向變化，說明能見度主要受沙塵里面小顆粒物的影響。

圖4 a 風和能見度、PM10變化曲線（4月15日17:00—16日03:00）

圖4 b 能見度和PM2.5的變化關系（4月15日17:00-16日03:00）圖4 風、顆粒物及能見度變化關系

3 結論

本文通過2015年4月15日一次沙塵暴過程，從溫濕度變化、近地面風的變化、氣壓和風的變化、能見度、顆粒物濃度以及風的變化四個方面分析了此次過程地面要素的脈動變化情況，結果表明：（1）沙塵暴入境前后，夜間溫濕由低溫高濕轉為高溫低濕，出現反向變化，高溫低濕的環境為該次沙塵暴揚沙創造了有利條件；（2）沙塵暴來臨前后風向和風速變化明顯，對沙塵暴的到來和強度有很好的預警作用。風向由西南轉為沙源來向西北，風速由2 m/s增大到8 m/s，增大了3倍，為揚沙提供了必要條件；（3）氣壓的變化要先于風速的變化，氣壓每次的波動都會帶來風速的變化，變化的大小成正相關，該次過程與冷高壓的入境有密切的關系。（4）沙塵暴入境后，PM10與PM2．5濃度的比值增大了4倍，PM10濃度比PM2．5濃度增加明顯，且PM10濃度的大值出現在風速小的時間段。能見度與PM2．5濃度呈現出很好的負相關，與PM10相關性較差，說明能見度主要受沙塵中PM2．5細粒子的影響，較大的沙粒對其影響較小。

[1]王式功，董光榮，陳惠忠，等．沙塵暴研究的進展[J]．中國沙漠，2000，20（4）：349-356．

[2]陳玉福，唐海萍．近50年首都圈沙塵暴的變化趨勢及其與氣溫、降水和風的關系[J]．環境科學，2005，26（1）：32-37．

[3]郝玉峰，施占軍，相棟．典型沙塵天氣過程近地層氣象要素演變特征[J]．氣象科技，2014，42（4）：671-677．