河西走廊一次大風沙塵天氣診斷分析

安婷婷 ，郭萍萍 ，丁 凡 ，崔 宇

（1.甘肅省張掖市氣象局，甘肅 張掖 734000；2.山東省日照市氣象局，山東 日照 276800；3.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州730020）

沙塵天氣是指風將地面塵土、沙粒卷入空中，使空氣混濁的一種天氣現象的統稱，包括浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴。其中，沙塵暴是一種災害性天氣，所引發的氣候學效應對人類生存環境、社會經濟活動均能造成一定影響, 是不可忽視的大氣和生態環境問題之一。通過對高、低空環流形勢，物理量場及衛星云圖等資料進行分析，為提高大風沙塵天氣過程的預報預警水平提供理論參考。

1 天氣實況

2018年3月19日甘肅省河西走廊大部及白銀、蘭州等地出現區域性大風沙塵天氣，其中肅北、肅州區、高臺、臨澤、肅南出現浮塵，金塔、玉門、甘州區、永昌、白銀、景泰、靖遠、皋蘭出現揚沙，涼州區出現沙塵暴，民勤出現強沙塵暴，其最小能見度不足400m；最大風速出現在烏鞘嶺達23m/s，其次是玉門、永昌、民勤達20m/s。此次大風沙塵天氣風速大，能見度低，對交通運輸、設施農業及群眾生活產生了不利影響。

2 環流形勢

2.1 高空形勢

17日08時500hPa形勢場上，亞歐中高緯地區呈兩槽一脊型，烏拉爾山附近為高空淺脊控制，巴爾喀什湖西部的低渦東移至我國新疆邊境，低渦底部衍生出一條東北-西南走向的槽，該低渦和槽東移南壓并逐漸減弱。19日08時低渦減弱消失，槽東移至甘新交界處，槽后冷空氣沿西北氣流下滑（如圖1a所示），有利于增強地面風速。對應在700hPa上，有一冷溫槽位于甘新交界處（如圖1b所示），冷溫槽附近等溫線密集，且溫度梯度逐漸增大，至20時達最強。溫度梯度越大，鋒區強度越強，越有利于加大地面風速。20日08時500hPa低槽移出甘肅省。

圖1 2018年3月19日08時高空形勢（a:500hPa,b:700hPa）

另外，19日08時300hPa河西走廊西部存在一條大風速帶，風速最大值出現在敦煌，達56m/s，有利于動量下傳，從而造成地面風速增大。

2.2 地面形勢

從冷鋒動態圖（如圖2a所示）可以看出，3月18日20時，地面冷鋒開始進入河西走廊西部，并東移南壓。19日08時海平面氣壓場上貝加爾湖附近有一閉合的冷高壓中心，中心值達1044hPa；冷鋒移至河西走廊中部，繼續東移。至14時，冷鋒移至河西走廊東部，并在武威附近生成一閉合低壓中心，中心值達1010hPa，對應形成一低壓倒槽。17時（如圖2b所示），低壓東移南壓至甘肅中部并繼續發展，中心值達1005hPa，低壓頂部等壓線密集，氣壓梯度越大則梯度風越強，越有利于地面風速加強。同時，冷鋒入侵，水平溫度梯度增大，使熱成風加速并加強了大氣的斜壓性，從而加大了地轉偏差風，更加劇了強沙塵暴的發展。這與錢莉[1]等人通過對河西走廊東部強沙塵暴天氣的分析結論一致。

圖2 a:冷鋒動態圖,b:2018年3月19日17時地面圖

綜上所述，此次大風沙塵天氣屬于典型的冷鋒后偏西大風型。500hPa低槽、700hPa強鋒區、地面冷鋒和冷高壓是產生此次大風沙塵天氣的主要影響系統。另外，300hPa強風速帶也是此次大風沙塵天氣形成的有利因素。

3 要素場變化特征

3.1 三小時變壓

三小時變壓反映了氣壓場的最新變化，代表了冷暖空氣演變的最新動態。鋒后三小時正變壓越大，大風沙塵天氣越強。19日08時，河西走廊西部三小時變壓達+2.8hPa，河西走廊中東部三小時變壓均小于零，正負變壓差達4.1hPa；冷空氣逐步東移南壓，11時張掖以西為正變壓，最大達+3.1hPa，張掖以東為負變壓，正負變壓差達5.2hPa；14時冷空氣移至河西走廊中部，三小時變壓達+2.7hPa，正負變壓差為6.4hPa；17時冷空氣東移南壓至河西走廊中東部，三小時變壓達+4.5hPa，正負變壓差為8.3hPa，達到最大。正負變壓差越大即變壓梯度越大，則變壓風越強，越有利于大風加強。王伏村[2]在甘肅河西走廊一次特強沙塵暴的診斷分析中發現:由于在強鋒區附近,地轉關系破壞,大風沙塵暴天氣主要出現在變壓梯度大,即變壓風大的區域,變壓風是產生地面強風的主要成分。另外，正負三小時變壓中心連線的方向代表著冷空氣移動方向,也是大風沙塵暴移動的方向。從三小時變壓圖中可以看出此次過程自西北向東南方向移動。

3.2 單站三線圖

從民勤站地面三線圖可以看出：19日14時至20時，由于地面冷鋒過境造成民勤站溫度驟降13℃，氣壓涌升16hPa。午后太陽輻射強，下墊面迅速升溫，近地層空氣受熱也快，使得大氣層結變得極不穩定，有利于大風沙塵天氣的產生和加強。劉開福[3]等人對黑風暴前6h的天氣系統躍變的分析也證實了這一點。

綜上，鋒后三小時正變壓越大、變壓梯度越強,越有利于大風沙塵天氣的形成和加強。

4 物理量診斷分析

4.1 渦度場

渦度是表征空氣質塊旋轉特征的物理量，根據渦度變化可大致知道氣壓變化。19日08時300hPa渦度場上，新疆東部有一正渦度中心，最強達140×10-6s-1。相應的500hPa和700hPa渦度場上也有正渦度中心位于新疆東部，中心值分別達120×10-6s-1和40×10-6s-1。通過以上分析可以得出：新疆東部存在深厚的正渦度區，說明整層大氣有明顯的輻合上升運動，有利于大風沙塵天氣的形成和加強。正渦度區東移南壓，影響河西走廊。

4.2 散度場

19日08時，300hPa散度場上新疆東部至河西走廊西部散度大于零，正散度中心位于甘新交界處，中心值達70×10-6s-1；700hPa河西走廊西部散度小于零，負散度中心位于酒泉，中心值達-30×10-6s-1。這種低層輻合、高層輻散的高低空配置有利于上升運動，增加大氣的不穩定性，有利于大風沙塵的發生發展。

4.3 垂直速度場

19日08時，河西走廊中西部從底層到高層一致表現為垂直速度小于零，即均為上升運動。500hPa 酒泉附近上升運動最強，達-50×10-3hPa·s-1。上升運動越強，越有利于大風沙塵的發生發展。上升運動區東移，影響河套地區。17時民勤出現能見度不足400m的強沙塵暴，該地區有明顯的上升運動，殷雪蓮[4]在西北地區一次強沙塵暴天氣的成因分析中提出強上升運動區即為沙塵暴區。綜上，上升運動區與沙塵暴天氣發生區有較好的對應關系，垂直上升速度區越強，對應的沙塵暴天氣越強，上升運動區的移動方向對沙塵暴發生區的移動路徑具有較好的指示意義。

4.4 鋒生

鋒生是指密度不連續形成的一種過程，或是指已有的一條鋒面，其溫度（或位溫）水平梯度加大的過程。王伏村[5]等人的研究表明，鋒生過程使鋒面次級環流加強，有利于大風沙塵天氣的形成和增強。19日08時700hPa河西走廊西部鋒生函數大于零，中心值達 20×10-5K·m-1，有鋒生作用，溫度水平梯度將加大，有利于大風沙塵天氣的產生和增強。

4.5 700hPa與500hPa的溫度差

從19日08時700hPa與500hPa的溫度差可以看出，河西走廊大部溫差達到20℃，最大溫差達到23℃，大氣具有熱力不穩定特征。溫差越大，大氣層結越不穩定。強熱力不穩定有利于沙塵的卷起[6]。

4.6 T-lnP圖

分析19日張掖站T-lnP圖可見，溫度層結曲線和露點層結曲線呈“喇叭口”狀，空氣干燥，有利于地面大風的生成。從T-lnP圖上也可以看出高空風速較大，而且高低空有明顯的垂直風切變，有利于地面風速增大。

另外，此次大風沙塵天氣爆發前期，河西走廊地區地面增溫顯著，當有冷空氣過境時，易形成“上冷下暖”的不穩定大氣層結，有利于高空強風動量下傳[7]，進而激發大風沙塵天氣。

5 衛星云圖

分析衛星云圖紅外圖像的演變過程可見，19日03時，酒泉西部出現塊狀云系，云系東移發展；06時形成東北-西南走向的帶狀云系（如圖3a所示），云系南部移速快于北部移速，于16時轉為南北走向，云系邊界模糊；東移過程中冷鋒云系不斷發展，至20時冷鋒云系后邊界光滑整齊，強度達到最強（如圖3b所示）；23時移出河西走廊。衛星云圖的演變對大風沙塵天氣的影響范圍及移動路徑等有較好反映，為短時臨近預報提供了依據。

圖3 3月19日衛星云圖（a:06時b:20時）

6 小結

1）此次大風沙塵天氣是典型的冷鋒后偏西大風型。500hPa 低槽、700hPa強鋒區、地面冷鋒和冷高壓是產生此次大風沙塵天氣的主要影響系統。

2）大風是產生沙塵暴的動力條件。高空強鋒區、動量下傳作用、地面強冷高壓、強梯度風、強變壓風均有利于大風的生成和加強。此外，河西走廊位于祁連山和北山之間的峽谷地帶，冷峰進入河西走廊后，受地形狹管效應的作用，使得地面風速加大，強度增強。

3）不穩定層結是形成沙塵暴的必要條件之一。深厚的正渦度區，低層輻合、高層輻散的高低空配置，強烈的上升運動，鋒生及700hPa與500hPa的溫度差達20℃以上等均有利于增強大氣層結的不穩定性。另外，大風沙塵天氣爆發前，地面增溫顯著，冷空氣過境時，易形成不穩定大氣層結，進而激發大風沙塵天氣。

4）沙源是沙塵暴爆發的物質基礎。河西走廊沙源極其豐富，是我國沙塵暴天氣高發的地方。另外，前期暖干的氣候背景為沙塵暴天氣的爆發提供了有利條件[8]。春季河西走廊植被稀少，地表裸露，土壤解凍，有利于起沙。

5）衛星云圖上有明顯的冷鋒云系東移發展。衛星云圖的演變對大風沙塵天氣的影響范圍及移動路徑等有較好反映，為短時臨近預報提供了依據。