京津冀一次沙塵天氣的多源資料分析

黃浩杰?王鶴婷?許敏

摘要 利用常規氣象觀測資料、衛星資料、ERA5再分析資料、微波輻射計資料及激光雷達資料，分析2021年3月15—17日京津冀地區的大范圍沙塵天氣，結果表明：在蒙古國前期異常干旱、高溫的氣候背景下，蒙古氣旋快速發展東移南下，配合地面冷鋒，形成京津冀第一階段的區域性沙塵天氣，部分地區達到沙塵暴強度;后期受較強偏南風影響，出現了第二階段的回流型沙塵天氣，強度弱于第一階段;逆溫層的消失時間，以及不穩定層結建立的時間與沙塵開始沉降時間一致，水平螺旋度負值區的東南方向出現沙塵概率較大，垂直螺旋度上負下正的區域與沙塵落區重合，且與衛星云圖上的沙塵暴區大致相同，可用于沙塵落區的預報。

關鍵詞 沙塵暴;沙塵回流;螺旋度;等熵位渦;起沙量

中圖分類號：P458 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）06–0032–05

沙塵暴是京津冀地區冬春季節常見的一種災害性天氣，破壞力強且影響范圍廣。京津冀地區沙塵暴的動力學原理是當蒙古氣旋等天氣系統在上游沙源地迅速發展時，在其底部風速大于臨界風速的地方，沙粒發生起動，然后通過湍流的相干結構從近地層進入Ekman層中，再通過次級環流進入垂直上升運動中，最終進入自由大氣，在高空風力較大的情況下，通過高空傳輸向本地輸送沉降，從而形成大范圍的沙塵天氣。

近年來，我國治沙理沙多項舉措并舉，京津冀地區沙塵暴總體呈下降趨勢。根據中國氣象局國家氣候中心監測顯示：自1961年以來，我國北方春季平均沙塵日數和沙塵暴日數均顯著減少。然而，2021年首次沙塵天氣過程明顯偏早，且春季沙塵天氣頻發，其中3月15—17日更是近10年強度最強、影響范圍最廣的沙塵天氣，給環境空氣質量、人民日常出行及人體健康帶來嚴重影響，引起社會的廣泛關注。

我國對于沙塵暴的特征分析已有許多研究，比如馬井會等[1]利用激光雷達數據資料反演得到的氣溶膠消光系數圖和垂直廓線圖，結合地面氣象數據和氣溶膠觀測資料及衛星遙感資料，分析了上海地區連續浮沉天氣的原因。張亞妮等[2]通過分析等墑混合層厚度變化及其平流過程來追蹤沙塵天氣的輸送路徑和定位沉降地。郭虎等[3]分析了由于沙塵回流引起的重污染天氣過程。陳豫英等[4]診斷分析了寧夏 2013年3月9日強沙塵暴天氣過程的熱力和動力條件。

上述成果有助于預報員加深對風沙天氣形成機理的了解并提高預報水平。但學者對于霾、沙塵暴與沙塵回流天氣混合存在的階段性沙塵天氣研究較少，對微波輻射計、激光雷達等新資料的運用較少，且對沙塵暴天氣的落區、強度和時間的精細化預報研究較少。

結合前人成果，利用微波輻射計、激光雷達等新資料和ERA5再分析資料深入分析3月15—17日連續性沙塵天氣，探索這類天氣的精細化預報著眼點。

1 天氣實況及氣候背景

2021年3月14—17日，起源于蒙古的強沙塵暴天氣席卷我國，出現近10年來最強的大范圍沙塵天氣，影響區域北起內蒙古和新疆，南至江蘇中北部、安徽中北部和湖北西部，面積超過380萬 km2，其中，內蒙古中西部、甘肅西部、寧夏、陜西北部、山西北部、河北北部、北京、天津等地出現了沙塵暴;內蒙古中西部、寧夏、陜西北部、山西北部、河北北部、北京等部分地區還出現了強沙塵暴（圖1）。

此次沙塵天氣影響京津冀地區的主要時間段為3月15—17日，從激光雷達的觀測數據可以判斷沙塵暴的具體影響時間，霸州站激光雷達的退偏比（沙塵具有較大的退偏比，在0.2以上[5]）與消光系數（能見度與消光系數的導數成正比[6]）顯示（圖2），14日夜間，消光系數已經升高，退偏比較小，空中聚集著大量球形度高的細粒子氣溶膠，消光能力強，表明在沙塵天氣開始前存在霧霾天氣;08：00消光系數的高值區間隙減小，空氣中的氣溶膠濃度升高，且退偏比升高，非球形的沙塵粒子增多，出現沙塵天氣。15日夜間沙塵天氣短暫間歇，16日消光系數再次升高，且表征非球星粒子的退偏比同步升高，沙塵粒子的分布高度在2 000 m（700～850 hPa）左右，彌散在空中，且消光系數與退偏比的高值厚度較15日有所減小，沙塵天氣強度較弱。

本次沙塵主要分為兩個階段：第一階段為15日強沙塵天氣階段，第二階段為17日回流型沙塵天氣階段。

2 第一階段沙塵天氣（3月15日）

沙塵天氣的產生需具備沙（塵）源、強風和不穩定的大氣層結3個條件。

前期上游沙源地異常偏暖，降水持續偏少，氣候條件十分有利于形成沙塵天氣：從3月1日14日蒙古國平均氣溫分布圖（圖3a）來看，平均氣溫在0℃以上，有利于凍土解凍，冰雪消融;從1月1日到3月14日的累計降水量分布情況圖（圖3b）來看，過去一段時間內無有效降水，地表條件非常干燥，并且從衛星反演植被指數（圖4）可以看出，該區域植被覆蓋較少，沙粒塵土都裸露在地表。

2.1 動力條件

2.1.1 高低空形勢配置 200 hPa有高空急流通過，程海霞[7]等指出，沙塵暴總是與高空急流相伴出現的。高空急流對沙塵暴的發生發展具有重要作用：根據鋒生動力學原理，急流入口區有利于鋒生。對流層鋒區增強，高層降溫，不僅有利于形成不穩定的大氣層結，使上升氣流得到維持和增強，而且引起地面減壓，有利于地面中低壓發展。在不穩定層結的基礎上，湍流增強，有利于動能下傳，導致下層西風氣流明顯增大。高空急流為中小尺度系統的發生、發展及沙塵暴的產生提供了有利的大尺度背景。

500 hPa為經向型的環流形勢，槽后有強的冷中心，斜壓性強，系統發展迅速。地面槽前有強的蒙古氣旋，且不斷加深南下，槽后有強的冷高壓，氣壓梯度密集。冷鋒與蒙古氣旋配合，鋒后有強的冷平流，冷空氣較強（圖5）。

2.1.2 大風形成原因分析 在高空槽前正渦度平流的影響下，地面蒙古氣旋快速發展，中心氣壓值從987.5 hPa降至982.5 hPa，氣壓梯度增大，梯度風增大，與其配合的冷鋒在動力學鋒生作用下進一步加強，冷鋒前后的水平溫度梯度和大氣層結不穩定性增大，有利于地轉偏差風（變壓風）增大及增強湍流作用。且變壓風與梯度風方向一致，在二者的矢量和作用下，實際風速持續增大。風速增大為起沙和揚沙機制提供了有力條件，強沙塵暴天氣發生在變壓梯度最大的地方。

3 第二階段沙塵天氣（3月17日）

經過一輪沙塵的沉降后，3月16日白天AQI指數有所好轉，但16日夜間至17日再次發生浮沉天氣，PM10和AQI指數均有所回升。HYSPLIT后向軌跡模型的模擬結果（圖6a）表明，這是一次典型的沙塵回流天氣，由沙塵在偏南風的影響下從河北省南部往北傳輸所致。

分析沙塵回流階段，從環流形勢來看，與15日有明顯不同：從500 hPa高空圖（圖6b）來看，17日環流形勢較為平直，為緯向型環流，無明顯強冷空氣。有弱短波槽東移，低空至地面為高壓后部的偏南氣流。偏南氣流有利于將本已傳輸至河北省南部的沙塵向北傳輸。

從17日08：00的700 hPa風場圖（圖6c）來看，有切變線壓在河北省西部地區，存在有弱的輻合，而從垂直速度的演變情況來看，16日夜間至17日為弱的上升運動，有利于將沙塵向高空輸送，彌散在空中，污染物維持較高的濃度，一直持續到17日夜間。

4 沙塵天氣與物理量的相關性

4 .1 沙塵強度與物理量的關系

沙塵強度與風速有著密切的關系，沙塵暴風力普遍達到5～7級，但是風力相對較小的3月15日沙塵天氣過程沙塵強度反而更強，說明沙塵強度不僅與風力有關，具體分析沙塵強度與以下幾個因素有關。

4.1.1 沙塵強度與傳輸路徑的相關性分析 對于京津冀地區而言，沙塵天氣的沙源主要是其上游地區，尤其是蒙古國中南部的戈壁沙漠。分析表明：2/3的沙塵天氣起源于蒙古國南部地區，在途經我國北方時得到沙塵物質的補充而增強;境內沙源僅為1/3左右[8]。蒙古氣旋強烈發展的地理位置及高空大風速區與沙源地的配合度對于沙塵強度有很大的影響，當上游關鍵區域發生大范圍沙塵天氣之后，高空風的風向、風速與沙源地的配合情況是預報未來下游地區沙塵天氣的一個重要參照指標。

4.1.2 沙塵強度與能見度的相關性分析 Shao et al.（2003）[9]提出了一個通過能見度推算TSP濃度的經驗公式：

其中，CTSP是沙塵濃度（單位：μg m-3），Dv是能見度（單位：km）。利用ERA5再分析資料的能見度來表征含沙量，盡管有一些不確定性因素，但在含沙量觀測量缺乏的情況下具有一定的參考意義。

3月14日，上游地蒙古國出現大范圍強沙塵暴時，最低能見度不足0.1 km，低于另外兩次過程的初始階段的能見度，蒙古國起沙過程中TSP濃度最大。可見，蒙古國作為京津冀地區的上游沙源地，爆發沙塵暴時的最低能見度對于下游沙塵天氣強度具有一定的指示意義。

4.2 沙塵沉降時間與物理量的關系

動量下傳對沙塵暴的發生起到十分重要的作用[10]。在日常業務工作中，可以結合探空圖與位勢渦度的垂直分布情況來判斷垂直方向的速度及方向。

4.2.1 T-Lnp圖 利用微波輻射計對大廠上空物理要素進行反演，得到了大廠在沙塵天氣過程中的逐小時探空圖（圖8）。3月15日00：00～08：00，探空圖中低層有一逆溫層穩定維持，逆溫層高度達925 hPa且整層濕度較好（圖7a、b），結合地面自動觀測站資料（圖7c）可知，3月14日夜間大廠出現了輕霧。逆溫層結的存在有利于不穩定能量的聚集，隨著09：00逆溫層的破壞，溫度露點差迅速增大，溫度層結曲線接近于干絕熱遞減率，轉為不穩定層結，湍流增大，使高空傳輸的沙塵向下傳播，彌散在空中，出現沙塵天氣，能見度低于5 km。同時，隨著湍流的增大，鉛直方向交換增大，空氣的動量下傳增強，地面風速明顯加大。逆溫層的消失時間、不穩定層結建立的時間與沙塵開始沉降的時間一致，結合本地反演探空圖可以彌補探空資料時間分辨率低的缺點，對于提高沙塵預報的精細化具有重要意義。

4.2.2 等熵面位渦分析 位渦是動力學和熱力學混合的一個物理量。根據位渦公式：

其中，表示相對渦度，表示地球自轉渦度。位渦的數量級為10-6m2·K/（s·kg）=1 PVU，PVU為位渦單位。高值位渦對應氣旋性環流，低值位渦對應反氣旋環流;對流層高層的高位渦系統是導致動量下傳的重要機制[11]。3月14日14：00，200 hPa的高位渦值下傳到500 hPa附近，有利于高空急流中心的高動量向下傳播，而14日20：00，850 hPa出現了明顯的西北方向的低空急流，有利于地面風速和沙塵發展（圖8）。

4.3 沙塵范圍與物理量的關系

在上游關鍵地區出現大范圍沙塵暴甚至強沙塵暴天氣的氣候背景下，如何把握未來影響的落區是沙塵預報的一個難點，下面結合ERA5再分析資料進行具體分析。

4.3.1 螺旋度 螺旋度為速度矢量和渦度矢量的協方差，它的大小可以反映旋轉和沿旋轉軸運動的強弱[12]。通常螺旋度指局地或單位體積內包含的螺旋度，在P坐標系中螺旋度的公式可以表示為：

公式中，u、v為水平風速（單位：m/s），ω為垂直速度0.1 Pa/s;hx、hy為水平螺旋度。

由于垂直速度在水平方向上變化較小，可以簡化為：

=hx+hy+hp=hxy+hp

其中，hxy為水平螺旋度，是水平風速與水平渦度的乘積，與天氣系統項相對應;hp垂直螺旋度，是垂直速度與垂直渦度的乘積，反映天氣系統的生成和發展，以及天氣現象的劇烈程度。

（1）水平螺旋度。相對風暴螺旋度是衡量風暴旋轉潛勢的物理量，單位為m2/s2。李巖瑛等[13]的研究表明：水平螺旋度主要與水平方向的力管、渦度、氣壓梯度相聯系，較強的負水平螺旋度中心常常與3 h變壓中心相伴，表明近地面層風速越大，水平方向上容易起沙，同時表明垂直風切邊逆向增強，利于沙塵向空中輸送，因而沙塵暴發生的可能性增大，且負值區的東南方未來將會產生沙塵天氣。

采用計算以下公式計算水平螺旋度，并得出其水平分布情況如圖9所示：

圖9 3月14日20：00沿40°水平螺旋度分布圖（a）和3月15日08：00沿40°水平螺旋度分布圖（b）

從3月14日20：00的水平螺旋度的分布情況（圖9a）來看，最大負值中心出現在內蒙古和黑龍江地區，與沙塵范圍落區所在位置一致。3月15日08：00，隨著蒙古氣旋東移發展（圖9b），水平螺旋度負值中心有所東移，且強度有所增大，京津冀地區在水平螺旋度負值中心的東南方與3月15日沙塵落區一致，可見相對螺旋度對于沙塵范圍的預報具有重要意義。

（2）垂直螺旋度。由圖10a可知，在京津冀地區發生大范圍沙塵過程的前期的3月14日20：00，垂直螺旋度在115°E附近550～750 hPa的高度上出現了一個負值中心，而800 hPa附近為一明顯的正值中心維持，說明本次過程前期具有中空負螺旋度區的分布特點。15日08：00為沙塵暴的發生階段，垂直螺旋度的負值中心有所減小（圖10b），結合垂直速度隨時間的變化情況（圖10c），08：00下沉氣流明顯減小，而垂直螺旋度為垂直速度與相對渦度的乘積，因此垂直螺旋度負值中心隨之減小。且隨著最大下沉氣流高度的下降，垂直螺旋度負值中心所在高度也有所下降，可見當系統加強發展及相對渦度增大的情況下，垂直螺旋度的垂直分布情況反映了沙塵沉降的時間和強度。

5 結論

對3月14—17日發生在京津冀地區的大范圍沙塵天氣進行了具體分析，并得出以下結論：

（1）該過程是在前期蒙古地區極端干旱、異常高溫的氣候背景條件下，由迅速發展的強盛蒙古氣旋引發。高空急流的次級環流與中層強的冷暖平流有利于進一步增強沙塵強度。本次過程的持續時間較長，先是大范圍冷空氣帶來的沙塵暴，隨后由冷空氣輸送到下游地區的沙塵在有利氣象條件下又回到京津冀地區。

（2）沙塵回流過程的特點為高空環流比較平直，低空到地面為高壓后部的偏南氣流，與沙塵暴最大的不同為發生沙塵回流過程時往往伴隨有弱的輻合上升運動，且沙塵的大值中心處于較高的高度，彌散在空中。沙塵回流作為一種特殊的個例，在今后沙塵天氣氣象條件預報中應引起充分的關注和重視。

（3）利用ERA5再分析資料得出的位勢渦度和利用微波輻射計反演出來的探空資料與實況對比分析得出，沙塵沉降的時間與位勢渦度下傳及不穩定層結的建立密切相關。

（4）沙塵強度不僅與地面最大風速有關，而且與高空大風速風向、沙源地的配合度有關。此外，由于能見度對于含沙量具有一定的表征作用，上游地區產生沙塵暴時的能見度對于下游發生沙塵天氣的強度具有良好的指示意義。

（5）相對螺旋度的負值區為沙塵發生的區域且東南方的范圍內未來將受到沙塵天氣的影響，垂直螺旋度上負下正的區域與沙塵落區重合，且與衛星云圖上的沙塵暴區大致相同，有利于提高沙塵落區預報的準確性。

參考文獻

[1] 馬井會，顧松強，陳敏，等.結合激光雷達分析上海地區一次連續浮塵天氣過程[J].生態學報，2012（4）：81-92.

[2] 張亞妮，張碧輝，宗志平，等.影響北京的一例沙塵天氣過程的起沙沉降及輸送路徑分析[J].氣象，2013，39（7）：911-922.

[3] 郭虎，付宗鈺，熊亞軍，等.北京一次連續重污染過程的氣象條件分析[J].氣象， 2007， 33（6）： 32-36.

[4] 陳豫英， 陳楠， 譚志強， 李強， 聶晶鑫. “2013.3.9”寧夏強沙塵暴天氣的熱力動力條件分析[J].干旱區地理， 2016， 39（02）： 285-293.

[5] 樊璠，陳義珍，陸建剛，等.北京春季強沙塵過程前后的激光雷達觀測[J]. 環境科學研究， 2013（11）：1155-1161.

[6] 張晗，馬建紅.基于圖像處理的空氣污染程度判斷模型仿真[J].計算機仿真， 2016， 33（02）： 452-455.

[7] 程海霞，丁治英，帥克杰.近5a我國沙塵暴與高空急流關系的統計分析[J].中國沙漠， 2005（06）： 99-104.

[8] 張志剛，高慶先，矯梅艷，等. 影響北京沙塵天氣的源地和傳輸路徑分析[C]//中國氣象學會2006年年會“災害性天氣系統的活動及其預報技術”分會場論文集.中國氣象學會， 2006：11.

[9] Yaping Shao，Yan Yang，Jianjie Wang，et al.Northeast Asian dust storms： Real‐time numerical prediction and validation[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2003，108（22）.

[10] 王益柏，袁勇，郭騫，等.一次強沙塵暴過程的動量下傳診斷分析[J]. 氣象科技， 2012， 40（05）： 820-826.

[11] 覃麗，陳濤，夏冠聰. 造成華南西部極端暴雨過程的西南渦結構與位渦診斷分析[C]//第27屆中國氣象學會年會災害天氣研究與預報分會場論文集， 2010.

[12] 陸慧娟，高守亭.螺旋度及螺旋度方程的討論[J].氣象學報， 2003（06）： 684-691.

[13] 李巖瑛，張強，李耀輝，等.水平螺旋度與沙塵暴的動力學關系研究[J]. 地球物理學報， 2008（03）： 692-703.

責任編輯：黃艷飛

Abstract Using conventional meteorolo-gical observation data， satellite data， ERA5 reanalysis data， microwave radiometer data， and lidar data to analyze the large-scale sand and dust weather in the Beijing-Tianjin-Hebei region from March 15th to 17th， 2021， the results show that： Under the background of the abnormal drought and high temperature in Mongolia in the early stage， the Mongolian cyclone developed rapidly and moved eastward and southward. In conjunction with the ground cold front， the first stage of the regional sandstorm weather in Beijing-Tianjin-Hebei was formed， and some areas reached the intensity of sandstorm Influenced by strong southerly winds， the second stage of recirculation sand dust weather appeared， and its intensity was weaker than that of the first stage; The disappearance time of the inversion layer and the establishment time of unstable stratification were consistent with the time when the dust began to settle. The negative value area of horizontal helicity has a higher probability of sand and dust in the southeast direction. The area with negative upper and lower vertical helicity overlaps with the sand dust area and is roughly the same as the dust storm area on the satellite cloud image. It can be used for the sand dust area forecast.

Key words Dust Storm; Dust return; Helicity; Isentropic potential vorticity; Sediment emission