2019 年5 月11 日寧夏大風沙塵天氣過程分析

張澤瑾，張一星，高瑩云，劉智賢

（1.中衛市氣象局，寧夏中衛 755000；2.寧夏氣象臺，寧夏 銀川 750002；3.中衛市沙坡頭區氣象局，寧夏 中衛 755000）

大風、沙塵暴是寧夏多發的氣象災害。李燕等[1]對寧夏沙塵暴的成因及特性的研究表明：寧夏是我國沙塵暴西路、西北路傳輸的主要路徑、源區和加強區，是我國沙塵暴發生的高頻區。寧夏位于西北地區東部，從西側、北側至東側，被騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍，南側與黃土高原相連[2]，其上游也分布著沙漠和沙地，遭遇大風或大氣不穩定時極易起沙。寧夏的大風沙塵天氣受地形地貌影響較大且尤以春季發生最多[3]。沙塵天氣對人類健康、生態環境有著不利的影響，嚴重時還引發安全事故，造成經濟損失。在前人研究的基礎上，對2019 年5月11 日寧夏大風沙塵天氣過程從環流特征、熱動力條件及氣象要素變化等方面進行分析，研究天氣成因及系統演變，以期為寧夏大風沙塵天氣預報預警提供參考依據。

1 天氣實況

2019 年5 月11 日夜間，寧夏大部出現了1 次大風沙塵天氣，平均風普遍在5 級以上，陣風7～9級，賀蘭山沿山段陣風普遍達10 級以上，最大瞬時風速出現在鎮北堡鎮循環現代農業基地，為38.1 m/s，北部4 市大部及西吉縣出現了沙塵暴，主要出現在11 日22 時—12 日05 時，最低能見度出現在陶樂站，為572 m。

2 天氣成因

2.1 環流背景分析

過程前（10 日20 時），歐亞中高緯以經向型環流為主，呈兩脊一槽的態勢，環流經向度大，烏拉爾山到歐洲東部為一較強的西北—東南向高壓脊，在此大的脊前西北氣流背景下，又有短波槽脊形成與其配合。脊前有一支寬廣的風速＞20 m/s 的急流，冷空氣自高緯度地區向南輸送，在貝加爾湖附近加深，并在新疆北部形成一東北西南向的橫槽，槽后的冷平流極強，冷空氣在此堆積，中心溫度-37 ℃。11日08 時（圖1-a），高緯度地區冷空氣沿脊南下，推動橫槽開始東移南下，溫度場落后于高度場，槽后冷平流明顯，有利于高空槽發展加強[4]，低壓槽具有較強的斜壓性，氣壓梯度和溫度梯度增大，鋒生且鋒區南壓，高空冷中心位于貝加爾湖地區。11 日20 時（圖1-b），低槽加深轉豎移至河西地區，溫度槽仍落后高度槽約4～5 個緯距，低壓槽還將進一步發展加強，冷鋒強度也隨之加強；等溫線垂直于等高線，溫度梯度增大，斜壓性增強，鋒區加強且鋒區里高空急流大，進一步增強了中低層的斜壓不穩定性，寧夏位于高空急流出口區，對應有強的上升運動，地面氣旋也將繼續發展。

2.2 地面形勢演變

10 日20 時，西西伯利亞到貝加爾湖為一高壓區，蒙古國為一低壓區，貝加爾湖到蒙古國北部等壓線較密集，有利于鋒生及氣壓梯度的加大，面冷鋒呈準東西走向，寧夏位于大陸熱低壓里；11 日08 時（圖2-a），冷空氣由西西伯利亞平原東移南壓至貝加爾湖附近，高壓增強南壓，冷高壓中心位于貝加爾湖到蒙古國北部，中心強度為1 035 hPa，鋒前蒙古熱低壓發展，形成北高南低的氣壓場分布，等壓線比較密集，冷鋒前后氣壓梯度大，寧夏位于熱低壓的底前部；11 日20 時（圖2-b），冷鋒轉為東北—西南走向，加強東移南壓，鋒前有較強的上升運動，鋒后為下沉區，冷鋒附近中低層有強輻合，氣壓梯度加強，蒙古氣旋及其配合的冷鋒造成了大風沙塵天氣。

圖2 地面氣壓場

沙塵天氣發生前后，氣壓變化尤為明顯。17 時（圖3-a），寧夏處于鋒前的負變壓區，河西走廊到內蒙古西部為正變壓區，氣壓分布不均勻，存在較強的變壓梯度，鋒面前后3 h 變壓增大；20 時（圖3-b），鋒面南壓影響寧夏，正變壓區范圍擴大，寧夏大部處于正變壓區，地面冷高壓進一步加強，中心值達到+8，有強的3 h 變壓梯度和變壓風，冷鋒前后的氣壓差致使大風產生。

3 物理量場分析

如圖4 所示，11 日08 時地面有逆溫層，整層較干，濕度條件差，無不穩定能量，風隨高度順轉，地面較暖，低層到高層存在垂直風切變，高空西風急流明顯，動量下傳作用使中低層風速加大（圖4-a）；11 日20 時，有一定的不穩定能量，溫濕層結曲線形成向上開口的喇叭口形狀，400～500 hPa 有干冷空氣侵入，600 hPa 露點增加，濕度增大，700 hPa 以下的低層和500 hPa 中層溫度露點差進一步加大，越來越干，層結變得不穩定有熱對流發展，中低層風速較小，高層風速較大（圖4-b）；12 日08 時，冷鋒已過境，在700～600 之間有明顯的鋒面逆溫，低層較干，中低層風速較20 時明顯增大，可見存在動量下傳（圖4-c）。

圖3 地面3 h 變壓場

圖4 溫度對數壓力

11 日08 時，850～500 hPa 高度層內大氣已經表現為條件不穩定。11 日20 時，地面溫度非常高，925～700 hPa、600～500 hPa 假相當位溫隨高度遞減，大氣為熱力不穩定狀態，會產生較強的上升運動，飽和假相當位溫隨氣壓降低迅速減小，垂直方向的溫度遞減率非常大，飽和假相當位溫和假相當位溫之間距離非常大，表明低層大氣極為干燥；在850～600 hPa 位溫曲線幾乎垂直于橫坐標軸，即層結接近絕對不穩定，只要有一點外力，干空氣即可不受阻力進行抬升，非常利于起沙。12 日08 時對流減弱，假相當位溫和飽和假相當位溫之間距離接近，即大氣中的水汽在不斷增加，中高層大氣接近飽和狀態，從地面到700 hPa 大氣處于絕對穩定狀態。

4 動力條件分析

如圖5 所示，過程發生前（14—20 時）寧夏形成了低空輻合，高空輻散的流場形勢，抽吸作用明顯，有利于對流活動。最大散度負值在850 hPa 附近，散度“0”線在600 hPa 附近，最大散度正值出現在400～300 hPa 附近，說明在此高度上氣流輻散達到最大，對垂直氣流的發生極為有利[5]。

圖5 散度場

如圖6 所示，渦度場上，過程前期中高層為正渦度區，700 hPa 以下為負渦度區，表明700 hPa 以上有氣旋式環流；沙塵暴天氣發生時，渦度值隨高度變化比較小，700～250 hPa 為負渦度區，有反氣旋式環流，極值出現在600 hPa 附近，850 hPa 及其以下為渦度正值區，有氣旋性渦柱，利于垂直運動發展。

圖6 渦度場

5 氣象要素分析

從圖7 可以看出，沙塵天氣過境時，氣象要素變化劇烈。

前期地面氣壓（線1）較低，雖有小幅波動，但維持在1 010 hPa 左右，沙塵暴發生當天氣壓逐步降低，11 日14 時降至1 003.5 hPa；冷鋒過境時，地面從低壓轉受高壓控，氣壓迅速增大，為沙塵的爆發提供了動力條件；在沙塵暴中后期地面加壓的趨勢更加明顯，12 日05—08 時，3 h 內地面氣壓上升了6.5 hPa。沙塵暴發生前，風速很小，以偏南風為主，冷鋒過境時，風速急增，轉為偏北風，為起沙提供了必要的動力條件；隨著冷鋒移出寧夏，地面風速逐漸減小。過程前期，能見度在10～20 km，冷鋒過境前后（11日23 時）能見度最差，最小能見度為900 m；后冷鋒移出，水平能見度逐漸轉好，沙塵天氣結束。

沙塵暴發生前期增溫顯著，地面氣溫（線2）逐步升高一段時間維持較高狀態且變化不大，11 日下午達到24 ℃，利于近地層不穩定層結形成，從而起沙。過程中后期氣溫迅速下降，11 日20—23 時氣溫下降尤為明顯，降溫幅度達7 ℃。

過程前露點溫度（線3）較高，偏南風利于水汽輸送，露點2～4 ℃，隨著冷鋒移入，露點驟減，從2 ℃減小至-5 ℃（11 日20 時），在氣溫直線下降的同時，露點溫度又迅速增加了2 ℃，表明爆發前大氣的干熱狀態有利于沙塵暴天氣的發生發展。冷鋒過境后，地面受冷高壓控制，露點直線下降。

6 地形作用

圖7 銀川站氣象要素演變圖

地形對沙塵天氣的發生有著重要影響。當河西地區有大風時，易引起揚沙，大風裹挾大量沙塵，經阿拉善高原東移，在山前受阻堆積，山脈的阻擋作用使冷鋒坡度變陡。冷空氣堆積到一定程度，翻越賀蘭山向銀川盆地俯沖，冷空氣迅速下沉，使鋒面坡度急劇減小，大量的位能轉化為動能，鋒前溫度較高，加之銀川盆地形成強烈輻合上升運動，氣壓梯度和溫度梯度進一步加大，系統加強，導致沙塵暴的形成。

7 沙塵源

沙塵源是沙塵暴天氣發生的基本條件之一，10日白天新疆到蒙古一線出現了揚沙天氣，11 日白天河西走廊一帶出現了揚沙或沙塵天氣。新疆北部形成的橫槽是此次過程的主要影響系統，低槽加深轉豎移至河西地區，后東移南壓影響寧夏。高空槽途經寧夏時經過了古爾班通古特沙漠、庫姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠和騰格里沙漠，大風裹挾著大量沙塵，經阿拉善高原東移影響寧夏。

8 衛星云圖

14 時，冷鋒前沿有積云生成，形成1 條較為清楚的冷鋒云帶，沙塵區清晰可見，其亮度介于云與地表之間，頂部光滑，范圍順冷鋒分布達上千公里（圖8-a）。17 時，冷鋒云系在東移過程中進一步變寬，后側有中低云生成，沙塵區寬度進一步加大，色調灰白，頂部光滑（圖8-b）。

圖8 衛星云圖

9 結論

一是新疆北部橫槽加深轉豎南下，蒙古氣旋及其配合的冷鋒造成了此次大風沙塵天氣。冷空氣在新疆東部到河西地區之間自西北路徑快速南下，河西地帶為一鋒生區，高空鋒區等溫線密集，冷平流強烈；地面冷高壓中心強度1 030 hPa，氣壓梯度非常大，河西地區冷空氣移速非常快，變壓風強勁，冷鋒來臨前寧夏上空有暖平流，地面有熱低壓發展，冷鋒前有明顯的降壓升溫，加劇了冷鋒前后的溫度梯度，使冷鋒進一步增強。

二是內外沙塵源共同影響、上游沙塵高空輸送沉降作用、本地地形及熱力作用、鋒面抬升作用及上冷下暖的不穩定層結共同造成了沙塵天氣的產生；氣旋、鋒面附近大風及鋒后下沉氣流致使近地面產生輻散大風。

三是過程發生前寧夏散度場呈現低空輻合，高空輻散的形勢，抽吸作用明顯，利于對流活動的發展。過程發生時，渦度值隨高度變化較小，有氣旋性渦柱，利于垂直運動發展。低層到高層垂直風切變明顯，動量下傳作用使得中低層和地面風速加大，急流使得冷鋒和沙塵暴移速較快，加強了中低層的斜壓不穩定性，觸發氣旋發展。

四是冷鋒過境前假相當位溫隨高度遞減，大氣呈現熱力不穩定狀態，會產生較強的上升運動；低層中層溫度露點差進一步加大，低層和高層越來越干，600 hPa 濕度增大，且有不穩定能量，層結變得不穩定，有熱對流發展；溫濕廓線圖上冷下暖，下干上濕，低層溫度高、相對濕度小，空氣干燥，高層強烈的冷平流利于形成大風。

五是衛星對沙塵暴有很好的監測預報作用。此次過程在衛星云圖上表現非常清楚，紅外云圖上沙塵區色調淺灰，沙塵最強處為灰色；可見光云圖上沙塵區色調與太陽高度角和沙塵厚度相關，沙塵起始階段可見光云圖上表現不明顯，但隨著沙塵發展，沙塵區強度增加，反照率增大，色調灰白。