阿拉善盟2022年4月26日大風沙塵天氣形成機制研究

楊嘉琦

阿拉善盟氣象局，內蒙古阿拉善盟 750306

沙塵天氣是我國北方地區春季常見的一種災害性天氣，不僅影響本地區，還可以通過大氣傳輸影響上、下游地區的生態、環境和氣候[1]。根據《沙塵暴天氣等級》國家標準（GB/T 20480—2006）沙塵天氣可分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴五個等級，分別指在風速較大的前提下，最小水平能見度小于10 km、介于1～10 km、小于1 km、小于500 m和小于50 m的天氣現象[2]。關于強沙塵天氣形成機制，姜學恭等[3]在對內蒙古持續性沙塵暴天氣特征的研究中表示，在高壓底部型沙塵暴過程中，暖平流導致地面倒槽和平直對流層中尺度低壓發展旺盛，為沙塵暴的發生提供了動力條件。錢莉等[4]在對河西走廊東部大風強沙塵暴的天氣動力診斷指出，地面摩擦風引發的強動量通量為沙塵卷起提供了基本的動能，地面熱低壓的發展加大了冷鋒前后氣壓梯度和溫度梯度，為對流發展提供了熱力不穩定條件。翟志麗[5]在對2021年4月內蒙古中西部一次沙塵天氣過程成因分析中提出，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三個必要條件。

阿拉善盟（97°10′E～106°52′E，37°24′N～42°47′N）地處內蒙古自治區最西端，總面積約270 000 km2，北鄰蒙古國，并與巴彥淖爾市、烏海市、寧夏、甘肅接壤，地表植被覆蓋率低，土地荒漠化嚴重，不僅為本地沙塵天氣提供了物質條件，還是周邊地區和下游地區沙塵天氣的主要沙源。阿拉善盟作為我國沙塵天氣多發地，深入研究、探索、總結其沙塵天氣發生、發展的規律特點，對提高對強沙塵天氣的預報預警準確率，提高應對強沙塵天氣防災減災能力十分有幫助。

1 天氣實況

2022年4月26日，阿拉善盟境內出現了一次持續時間長、影響范圍廣的大風沙塵天氣過程。如表1所示，全盟大部地區平均極大風速6級以上，陣風8級以上，最小能見度小于3 000 m。其中，拐子湖和孿井灘出現強沙塵暴，平均極大風速均達7級以上，陣風均達9級，最小能見度出現在拐子湖為392 m。

表1 2022年 4月26日阿拉善盟國家站天氣實況

2 天氣分析

2.1 環流背景

500 hPa等壓面上，歐亞大陸中高緯環流場呈“兩槽兩脊”型，2022年4月25日20:00（圖1a）在巴爾喀什湖以北和貝加爾湖附近各有一高空槽，“兩脊”則分別處于我國新疆和東北地區，中緯度地區（40°N～50°N）基本處于偏西風緯向環流帶中，西風急流中心風速≥20 m/s。阿拉善盟處于貝加爾湖高空槽底部，高空槽槽區寬廣，振幅＞10緯距，波長＞30經距。26日08:00（圖1c），貝加爾湖高空槽東移加強形成冷渦，阿拉善盟則受槽后西北氣流控制，高空有暖平流流入。

700 hPa等壓面上，25日20:00（圖1b）阿拉善盟處于東西向平直鋒區（110°E～120°E，40°N～50°N）底部，鋒區內等溫線密集，溫度梯度大，鋒區兩側溫差最大達20 ℃，溫度場落后于高度場，等溫線與等高線間夾角近30°，大風沙塵天氣發生前期中低層大氣斜壓性較強，大氣層結不穩定。26日08:00（圖1d），鋒區維持少動，鋒區內溫度梯度增大，等溫線與等高線夾角近60°，大氣斜壓性進一步增強。

圖1 2022年4月25—26日高空環流形勢

海平面氣壓場上（圖略），25日20:00阿拉善盟大部地區處于鞍型均壓場內，北部高壓中心位于蒙古國，強度為1 025 hPa，26日凌晨高壓南壓，08:00高壓中心升至1 032.5 hPa,等壓線密度增大，達10 hPa/5緯距。阿拉善盟處于高壓底部、等壓線密集帶，地面偏東風風速增大，沙塵天氣被觸發。

此次大風沙塵天氣過程處于貝加爾湖高空槽東移加強，大氣斜壓不穩定的環流背景下，中低層鋒區增強配合地面冷高壓南壓，使地面偏東風風速增大從而導致沙塵天氣被觸發。

2.2 動力條件

沙塵天氣尤其是沙塵暴天氣的生成、發展和維持不僅需要地面大風這一起沙條件，還需要沙塵區域有強烈的垂直上升運動為沙塵粒子的垂直運動提供動力條件。作26日03:00穿過拐子湖站的經向、緯向垂直剖面圖（圖2）。

圖2 26日03時拐子湖站經向（102°E）（a）、緯向（41°N）（b）垂直剖面圖

由經向剖面圖2a可見，850～700 hPa南北風交匯于42°N附近，即鋒區位置，交匯區隨高度向南傾斜，坡度較緩，南北風流線密度相當，故鋒區移速較慢，中低層大氣斜壓不穩定長時間維持有利于拐子湖沙塵暴加強。在垂直方向上有2個次級環流，環流中心沿42°N分布在700 hPa和200 hPa高度，低層流線密度較大，表示低層風速較大。在2個次級環流的作用下，整層大氣以垂直上升運動為主，為地面沙塵粒子揚起提供了動力條件。

由緯向剖面圖2b可見，99°E～109°E水平方向上也有次級環流存在，于700 hPa高度101°E和107°E附近分布有2個環流中心，97°E～107°E為大氣上升運動區，109°E附近為下沉運動區，近地面為偏東風，水平方向上下沉運動強于上升運動，有利于加強次級環流，使偏東風風速加大，為沙塵天氣觸發提供動力條件，地面沙塵輸送通道的建立也為沙塵天氣加強和維持提供了動力支持。

2.3 大氣層結穩定度

大氣層結穩定度是影響沙塵暴發生發展的主要因素之一，層結條件不穩定有利于強沙塵天氣的觸發。從25日20:00額濟納旗達來呼布（52267）氣象站探空資料V-3θ曲線圖（圖3）來看，400～250 hPa水汽達到飽和狀態，500 hPa以下θ*與θse間隔較大，低層大氣極為干燥，整層大氣“上濕下干”，存在強潛在不穩定性；θ與θse線在700 hPa以下距離相近且近乎垂直于橫坐標，對流層中低層大氣層結接近絕對不穩定，干空氣做抬升運動時阻力減少，有利于地面沙塵粒子被揚起。同時，對流層中高層風速大于對流層中低層風速，高空動量下傳加大地面風速，有利于加強沙塵天氣的發展。

圖3 25日20:00達來呼布V-3θ圖

2.4 熱力條件

溫度平流指冷暖空氣水平運動引起的某些地區溫度降低或升高的現象。暖平流將導致空氣由暖區流向冷區，并使高層等壓面升高，在氣壓梯度力的作用下產生水平輻散，為保持大氣質量連續，該區域將進行補償上升運動。同理，冷平流區有下沉運動。如圖4所示，26日14:00高空槽移至我國東北地區，槽后有較強冷平流入侵，同時500 hPa和700 hPa暖平流分別以1.0×10-4℃/h和2.5×10-4℃/h進入阿拉善盟，我國華北地區西暖東冷。冷平流區大氣做下沉運動、暖平流區大氣做上升運動，隨著500 hPa偏西氣流與地面偏東風風速增大，溫度平流與高底層大氣流速構成正反饋。在正反饋機制作用下，暖平流使地表沙塵粒子受熱上升做上升運動，同時有利于地面風速增大，為沙塵區域范圍擴大、強度增強和時間維持提供了熱力條件。

圖4 26日14:00 500hPa溫度平流（a）、700 hPa溫度平流（b）

2.5 垂直速度診斷分析

大氣垂直速度是天氣分析與預報中常用的物理量，其大小表示大氣垂直運動的強烈程度，正負則表示大氣做垂直運動的方向。阿拉善盟沙塵天氣的主要沙源來自本地，上升運動引發揚沙是導致此次大范圍沙塵天氣的主要原因。26日08:00，垂直上升速度中心位于額濟納旗，為-0.3 Pa/s，表示額濟納旗垂直上升運動更劇烈，此時額濟納旗達來呼布站與拐子湖站最小能見度均小于700 m；26日20:00，垂直上升速度中心位于阿左旗南部，為-0.2 Pa/s，孿井灘氣象站23:00能見度達到最小。垂直上升運動區能與發生沙塵天氣的區域對應，垂直速度中心能與出現沙塵暴區域對應，因此垂直速度能較好地反映沙塵天氣范圍與強度。

26日額濟納旗上空大氣持續做上升運動，26日02:00～14:00上升運動最強，26日08:00在925～50 hPa高 度 垂 直速度中心為-0.25 Pa/s，達來呼布站26日04:00～12:00最小能見度小于1 000 m，出現沙塵暴。孿井灘站時間—高度垂直剖面圖中(圖略)，垂直速度中心位于26日20:00～27日02:00之間，達-0.25 Pa/s，而孿井灘氣象站最小能見度462 m，出現在26日23:00，與垂直速度中心出現時間相符合。因此，垂直速度對判斷沙塵天氣范圍、強度以及最小能見度出現時間都具有指導意義。

3 結論

（1）此次大風沙塵天氣過程處于貝加爾湖高空槽東移加強大氣斜壓不穩定的環流背景下，中低層鋒區增強配合地面冷高壓南壓，使地面偏東風風速增大，從而導致沙塵天氣被觸發。

（2）地面偏東大風是沙塵天氣的觸發條件。強沙塵暴發生區域內，在中小尺度次級環流作用下，地面偏東風風速增大，同時伴有強烈的垂直上升運動，為沙塵天氣維持和加強提供了動力條件。

（3）溫度平流與高底層大氣流速構成正反饋，在正反饋機制作用下，暖平流使地表沙塵粒子受熱上升做上升運動，同時有利于地面風速增大，為沙塵區域范圍擴大、強度增強和時間維持提供了熱力條件。

（4）根據垂直速度對沙塵過程的診斷，平面垂直上升運動區能與發生沙塵天氣的區域對應，時間—高度剖面圖中垂直速度中心能與出現沙塵暴區域對應，因此垂直速度對判斷沙塵天氣范圍、強度以及最小能見度出現時間具有指導意義。

（5）阿拉善盟境內巴丹吉林、烏蘭布和及騰格里三大沙漠是大風沙塵天氣過程的主要沙源，為沙塵天氣的發展與維持提供了物質基礎。