2021年4月內蒙古西中部一次沙塵天氣過程成因分析

霍志麗

(內蒙古自治區氣象臺，內蒙古 呼和浩特 010051)

沙塵是發生在干旱、半干旱、沙漠及其臨近地區的危害極大的災害性天氣。強風攜卷沙粒來襲時，會對農林業、畜牧業、電力、通訊、交通、人民生命財產安全等造成重大的危害。目前，對于沙塵暴的研究主要集中于沙塵冰雹的氣候學特征、沙塵天氣影響系統特征、沙塵暴發生發展的動力機制、沙塵氣溶膠物理化學特征、人類活動對沙塵影響等諸多方面。內蒙古自治區是我國沙塵的高發區，是我國北方主要的沙源地。王汝佛等[1]認為大部分沙塵天氣與大氣環流的短期變化密切相關，劉景濤[2]等將中國北方引起沙塵暴的天氣系統劃分為冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型及干颮線與冷鋒混合型4種類型，而冷鋒和氣旋型是最為常見的天氣尺度系統，氣旋型沙塵暴主要出現在氣旋冷鋒后部。顧潤源等[3]針對2009年4月23日—24日出現在我國內蒙古中西部的一次強沙塵暴天氣過程，分析沙塵暴發生前后及發生期間，近地層氣象要素變化及其內部熱力、動力結構特征變化，沙塵暴發生前，大氣層結是條件不穩定的，在沙塵暴過境時，低層大氣層結是穩定的。進一步分析其形成機理發現，降水和溫度則影響著地表環境與氣候變化，進而改變沙源與熱力條件，持續強勁的風力、豐富松散的塵粒及不穩定的熱力層結是沙塵暴產生的3個必要條件[5-7]。

筆者對2021年4月15日—16日內蒙古大部分地區發生的一次沙塵過程進行了分析，利用2021年4月14日—17日全區119個國家氣象站地面觀測資料、高空觀測資料以及NECP的FNL(1°×1°)逐6 h再分析資料。以期深入揭示此次沙塵過程的氣象要素變化及其動力結構特征。筆者采用的地圖是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2016)2884號的中國地圖(世界地圖)制作。

1 天氣形勢分析

2021年4月15日—17日，內蒙古出現了范圍廣、強度強的一次沙塵天氣過程。此次過程共11個盟市的95個國家站出現了沙塵天氣，阿拉善盟、巴彥淖爾市、烏海市、鄂爾多斯市、包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟和赤峰市出現了強沙塵暴，能見度不足300 m，空氣污染嚴重；通遼市、興安盟出現了揚沙和浮塵天氣(圖1a)。衛星云圖上也可以反應此次過程沙塵強度大、影響范圍廣(圖1b)。

2021年4月14日20時，高空500 hPa歐亞中高緯地區表現為“兩槽一脊”的環流形勢(見圖2)，兩槽位于95°E和135°E，一脊位于115°E，溫度槽落后于高度槽，極地寒冷空氣在新疆北部高壓脊一側偏北氣流迫使下不斷向南移動，內蒙古位于高壓脊底部，偏西氣流控制下。隨著“兩槽一脊”形勢東移南壓，15日08時，位于95°E的高空槽開始影響內蒙古。

2021年4月14日20時，700 hPa貝加爾湖至新疆形成閉合低渦(圖略)，內蒙古西中部地區受西北氣流影響。不同于500 hPa溫度場，700 hPa等溫線更密集，內蒙古地區受溫度脊控制，為大范圍強沙塵暴天氣提供了不穩定層結條件。

2021年4月14日地面圖上(見圖1)，內蒙古受位于蒙古國的低壓系統控制，低壓中心強度達872 hPa，冷鋒后部的高壓位于新疆北部地區。隨著蒙古氣旋的加強東移，15日鋒面系統開始影響內蒙古，變壓梯度達7 hPa。高空槽與地面鋒面之間水平距離較小，斜壓作用不明顯，使得內蒙古西中部地區在垂直方向上收到強烈的下沉運動與上升運動的作用，沙塵天氣出現在冷鋒附近。

(a)2021年4月15日08時 (b)2021年4月16日08時

(c)2021年4月15日08時 (d)2021年4月16日08時

圖2 2021年4月14日21時—15日20時雅布賴站(52575)

2 沙塵觀測特征

2.1 地面氣象要素演變特征

為了進一步了解此次沙塵過程，對單站各氣象要素的變化進行了分析，選取出現沙塵暴的雅布賴站點作為代表，由于該站點在2021年4月14日20時之前受氣旋控制，氣壓較低，為872.8 hPa。隨著氣旋逐漸東移，該站氣壓逐漸升高至1 016 hPa，沙塵暴趨于結束后，氣壓又略降。從溫度來看，沙塵暴發生時，氣溫明顯下降，這是由于西北氣流下的冷平流將蒙古國的冷空氣帶入內蒙古西中部地區。從風速來看，風速在能見度明顯下降的區域又突增，在14日22時能見度為1.5 km，此時逐時最大風速明顯增大為14 m/s，在15日09時，能見度為2.8 km，逐時最大風速明顯增大到11.5 m/s。風速的明顯增加，為沙塵暴的發生和發展提供了動力條件。在15日16時左右，能見度增大到10 km以上，此時氣溫明顯升高，風速明顯下降，氣壓也明顯下降，沙塵暴過程趨于結束。說明強沙塵過程往往伴隨著風速的增加、溫度的降低、氣壓的升高。

2.2 高空探測特征

分析2021年4月15日14時垂直位溫圖可知(見圖3)，500 hPa以下θ和θse與x軸夾角近似為90°，說明此時大氣層結為絕熱狀態。同時，可以說明在500 hPa以下是較為深厚的混合層，氣塊在上升過程中減少所需能量，有利于促進對流的形成和發展。從垂直廓線中可知，500 hPa以下相對濕度上垂直方向上較小，水汽含量較少的層結，有利于沙塵天氣的發展和維持。4月16日后，θ和θse斜率明顯減小，大氣層結逐步趨于穩定，沙塵暴天氣過程結束。深厚混合層的存在，對此次沙塵過程的維持和發展起到了至關重要的作用。

圖3 2021年4月15日14時呼和浩特站高空V-3θ圖

(a)2021年4月15日02時溫度平流(填色，單位：10-5 ℃·s-1)(等值線，單位：℃)

2.3 物理量場分析

進一步分析此次過程中溫度平流的變化特點(見圖4a)，在2021年4月14日20時850 hPa溫度平流可知，隨著高空槽東移南壓，西北氣流將蒙古國的冷空氣輸送至內蒙古中西部地區，在阿拉善盟北部形成了冷平流中心，冷平流中心強度達-60×10-5℃·s-1。直至4月15日02時850hPa冷平流中心移入內蒙古西部地區，強度很強，且范圍較大，冷平流的入侵在沙塵暴形成過程中起重要作用。

在垂直運動和散度圖上可知(見圖4b)，在14日20時左右，700 hPa以下散度場均為負值，為輻合上升運動，大值中心達-2.5×10-6s-1，這與此時低壓控制沙塵區域有關，上升運動有利于沙塵在700 hPa以下混合均勻，形成較厚的混合層，不利于沙塵污染物的擴散，有利于沙塵天氣的維持。700 hPa以上為較弱的下沉運動，下沉運動與其下層的上升運動相比較弱，中心強度達0.5×10-6s-1，較弱的下沉運動不利于混合層中的污染物向更高層擴散。隨著低壓中心逐漸東移南壓，上升運動減弱，800 hPa下層為上升運動，上升運動強度明顯減小至-0.5×10-6s-1，其上層下沉運動明顯增強，為2.5×10-6s-1。此后能見度明顯增加，沙塵天氣趨于結束，此時上升運動的大值中心明顯減小，高層下沉運動明顯增加。

對垂直速度而言，散度輻合明顯的區域垂直速度為正值，為上升運動，中心值達1.0×10-3Pa/s，這與14日20時地面受低壓系統控制相吻合。隨著低壓中心逐漸東移，低壓中心移出42°N和122°E，此時垂直速度為負值，為下沉運動，下沉運動強度較小，為-0.2×10-3Pa/s。

總之，700 hPa以下的上升運動有利于沙塵污染物在混合層內混合均勻，700 hPa以上的下沉運動不利于沙塵污染物向更高層擴散，兩者結合，有利于沙塵過程的維持。

3 結束語

利用常規觀測資料、地面自動站資料、高空資料及NCEP 1°× 1°再分析資料等多源資料對 2021年4月15日—16日發生在內蒙古西中部地區的一次沙塵天氣過程的成因進行分析。得出以下結論：①此次沙塵過程，高空表現為“兩槽一脊”的環流形勢，極地寒冷空氣在新疆北部高壓脊一側偏北氣流迫使下不斷向南移動，內蒙古受偏西氣流控制。700 hPa等溫線密集，為大范圍強沙塵暴天氣提供了不穩定層結條件。高空槽與地面鋒面之間水平距離較小，斜壓作用不明顯，使得內蒙古西中部地區在垂直方向上收到強烈的下沉運動與上升運動的作用，沙塵天氣出現在冷鋒附近，冷平流的入侵對沙塵暴的發生起到了至關重要的作用。②沙塵暴發生過程中與逐時氣壓、逐時氣溫、逐時最大風速以及大氣能見度具有明顯的波動變化，逐時最大風速、氣壓與沙塵暴強度明顯呈正相關，逐時氣溫、逐時大氣能見度呈明顯負相關。③沙塵暴發生時，大氣層結為絕熱狀態，在500 hPa形成較為深厚的混合層，有利于促進對流的形成和發展。水汽含量較少的層結，有利于沙塵天氣的發展和維持。④下沉運動與其下層的上升運動相比較弱，較弱的下沉運動不利于混合層中的污染物向更高層擴散，700 hPa以下的上升運動有利于沙塵污染物在混合層內混合均勻，700 hPa以上的下沉運動不利于沙塵污染物向更高層擴散，兩者結合，有利于沙塵過程的維持。