4.23北方地区一次强沙尘暴成因分析

　　摘要：本文对2009年4月23日～24日发生在我国西北大部、华北西部等地的一次强沙尘暴天气过程从天气事实天气学成因等方面进行了分析和诊断指出这次沙尘暴过程发生是由于极地冷空气南下以及蒙古气旋共同影响下产生的。通过对内蒙古临河站沙尘暴发生前后各气象要素的变化进行对比分析，发现在沙尘暴发生前期，持续剧烈的升温为沙尘暴的发生提供了有利的热力条件，高空急流的变化导致了对流层中下层锋区的加强为沙尘暴的发生提供了有利的大尺度环流背景，而且高低层环境风对沙尘暴生命史的各阶段有较好的指示性。
　　关键词：沙尘暴 蒙古气旋 高空急流 动力条件 热力条件
　　中图分类号：P4文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（c）-0241-02
　　沙尘暴天气是干旱和荒漠区特有的灾害性天气，是指强风把地面大量沙尘卷入空中，使空气特别浑浊，水平能见度小于1km的天气现象，其强大的风力，裹挟着大量的沙尘给工农业生产、交通运输、人们生活及生态环境等都造成了严重的危害，引起了人们的广泛关注。我国已发生荒漠化的面积达262.2万平方公里，占陆地国土面积的27.3%，仅西北五省和内蒙古自治区荒漠化面积就占全国荒漠化面积的80%左右，所以它又是西北地区特有的灾害天气之一。沙尘天气包括沙尘暴、扬沙、浮尘是由大风造成的能见度恶劣的天气现象尽管其产生的原因十分复杂但很多学者研究表明沙尘天气的发生需要三个必要条件：一是足够强的风力；二是热力不稳定低层处于垂直不稳定状态；三是大风经过的区域内下垫面植被稀疏土质干燥疏松存在着丰富的沙尘源。
　　1 天气实况
　　2009年4月23日～24日发生在我国北方地区的沙尘暴是入春以来影响范围最广，强度最大的一次强沙尘暴天气过程，先后影响甘肃大部，内蒙古中西部、宁夏、山西、陕西北部，在沙尘暴天气影响的范围内风力较大，乌拉特后旗最大瞬时风速达29.7m/s，海力素的最小能见度为200m，空气浑浊，路上行人行走十分困难。23日02时受冷空气南下以及地面气旋的共同在作用，甘肃北部地区2个站点出现扬沙天气，随后05时，由于地面气旋的进一步东移发展，甘肃出现沙尘天气站点增加为9个，其中4个出现沙尘暴，同时，沙尘天气已经扩张到内蒙古阿拉善盟南部，23日14时后，沙尘暴发展到最强，内蒙古巴彦淖尔市全境出现沙尘暴天气，此时沙尘天气已经影响到甘肃大部地区、内蒙古西部以及陕西北部，23日20时以后，内蒙古巴彦淖尔市北部海力素以及乌拉特中旗陆续出现降水，沙尘暴趋于结束，表1为内蒙古巴彦淖尔市沙尘天气情况。
　　2 高空环流形势
　　2.1 500hPa形势
　　4月下旬前期，500hPa高空中高纬度为两槽一脊型。贝加尔湖至乌拉尔山为一暖脊，其西侧咸海以及里海由冷槽控制，我国东北地区处于深厚的东北冷涡控制，整个西北地区处于乌拉尔山暖脊前沿西北气流中。4月19日，新地岛以北的冷气团东移，在西西伯利亚堆积，并形成一个-38℃的冷中心。4月20日，乌拉尔山上游暖平流促使该地暖脊迅速发展北伸，并于21日、22日持续发展，致使经向度不断加大，冷中心沿高脊前西北气流滑落南下，4月23日凌晨，高空锋区加强南压至河套地区与青海中部之间，导致我国西北地区甘肃、宁夏、内蒙古、陕西等地暴发大风沙尘暴天气，在沙尘天气出现时，500hPa中高纬径向环流明显，以两槽一脊形势为主，上游暖舌、高脊发展强盛，振幅非常大，北脊点已经深入到极地且有闭合的高中心形成，温度槽明显落后于高度槽，等高线与等温线之间最大夹角呈现90°冷槽在贝加尔湖以东110-120E，40-50N之间形成-33℃强冷中心。在阻塞高压东侧的东北气流引导下，极地强冷空气由北向南输送。此时高度梯度密集区正好位于内蒙古巴彦淖尔市，10个纬距内有近6根等高线通过，临河单站的高空风力达到40m/s以上。
　　2.2 700hPa形势场
　　700hPa与500hPa低槽底部相对应位置上，形成两圈闭合低涡中心，低涡后部有强冷空气南下插入，温度槽落后高度槽7～8个经距，从阿拉善盟北部至其南部1根等高线穿过4根等温线，并全部呈现近似90°夹角，温度梯度非常大，此时冷涡强烈发展，在冷平流最强的地区正是出现沙尘暴天气，说明高空冷空气的产生后迅速下沉，致使冷锋后的强冷空气下冲是地面大风的形成关键因素，巴彦淖尔市整体处于冷涡中心控制，高空风以偏西风为主，临河站风速达24m/s以上。
　　3 地面高压、气旋系统的发展及冷锋动态
　　此次形成强沙尘暴天气的主要原因是强冷空气的南下以及蒙古气旋的发展共同造成的，20日极地冷空沿着乌拉尔山高脊前沿南下堆积并不断补充，形成西西伯利亚冷高压并开始缓慢南下，高压中心起始气压值为1027.5hPa，当其于23日南下影响我国西北时，最强气压值增长到1037.5hPa。蒙古气旋的形成晚于高压的形成，22日午后影响我国西北地区以及蒙古国的地面低压带受西西伯利亚冷空气南下影响，开始快速发展加强，并在蒙古国境内形成为闭合中心，低压中心值为1000hPa，22日17时冷高压进一步南下，冷空气前沿开始影响甘肃北部以及阿拉善盟西北部地区，此时蒙古气旋发展到最强，中心气压值为997.5hPa，地面图显示蒙古国西部气压梯度密集地区出现沙尘暴天气，23日02时，蒙古气旋向东移动，其中心位于巴彦淖尔市，气压值为1002.5hPa，同时在甘肃北部有两个站出现扬沙，23日05时，蒙古气旋由于高压的南下扩张被推动继续向东缓慢移动，中心位于108°E，42°N，气压梯度明显加大，高低压中心压差为35hPa，甘肃中部以及北部已经出现大面积扬沙天气，个别地区出现沙尘暴，巴彦淖尔市海力素出现浮尘，08时冷空气继续南下，并在88°E，37°N处形成1022hPa的中心，气压梯度大值中心位于100°E，45°N附近，巴彦淖尔市全境出现扬沙天气，乌拉特中旗出现沙尘暴，14时，蒙古气旋的东移，气压梯度大值中心位于105°E，42°N附近，巴彦淖尔市全境能见度急剧下降，由扬沙转为沙尘暴天气，并于23日20时，随着蒙古气旋东移至华北一带，并开始减弱，各地沙尘天气趋于结束。从23日02时～23日23时，蒙古气旋在我国北部的强烈发展且缓慢移动，高空强劲的西风急流，在我国西北地区形成大范围的扬沙和沙尘暴天气。
　　4 温度的垂直变化特征
　　从图1临河站沙尘发生前后高空各层温度96小时变化可以看出，沙尘暴发生前期高空大气温差有两种变化，分别发生在地面至500hPa及500hPa以上，沙尘暴发生前500hPa以上温度基本保持不变或以降温为主，而500hPa以下的近地层温度急剧升高，48h内温度升高了11℃，22日08时，最大温差为69℃，这样就形成了高层降温，底层升温的垂直结构，使垂直方向的温度梯度加大，从而有利于对流的发展，促使上升运动加剧，在23日08时以后，由于冷空气东移开始影响临河地区，底层500hPa以下温度急剧下降，而此时高层500hPa以上温度反而开始增加，上下层温度梯度减少到54℃，气层趋于稳定，到24日08时温差进一步减少到48℃，气层已经稳定，此时冷空气完全控制临河地区。
　　5 动力特征
　　5.1 高空急流以及环境风演变
　　分析300～200hPa高空形势（图略），沙尘暴期间，在38°～45°N附近有一支强的急流，这支西北急流经西西伯利亚进入我国西北地区，22日20时，500hPa上38°～45°N风速为18～28m/s，23日08时，强风速带明显加强且南压，其中心强度也加强，35°～45°N范围内风速增20～42m/s。高空急流加强导致急流中心不断向下伸展，能量下传，下层西风急流不断加大，23日08时500hPa最大风速加大到42m/s。同时，对流层中、下层500，700hPa锋区明显加强。从临河单站高空风场随时间变化（图2）显示，在沙尘暴发生前以及发生时，临河市处于槽前，槽底偏西气流的控制中，风向基本以平直的偏西风为主，当沙尘暴发生趋于结束时，由于高空冷槽从临河站滑过，临河站处于槽后西北气流控制，同时，地面冷高压进一步推动锋面东移南压，所以环境风在400hPa以下有较明显变动。
　　5.2 垂直环流特征
　　在大风当日08时700hPa垂直速度与实况对比（图略），42°～45°N，98°～106°E区域内为下沉气流区，40°～43°N，108°～110°E区域为上升气流区，最大上升速度为60×10-3Pa/s，通过与地面实况图做对比不难发现强上升运动区与地面蒙古气旋基本重合，即为蒙古气旋所在的位置，同时对应当日锋区的位置可见，在冷锋前面为上升运动，冷锋后面为下沉运动，由于北部冷空气向南扩散且推动暖气团向东移动，此时锋区随之东移，从锋附近的垂直上升速度以及下沉速度的强度可以证明强上升与下沉加大了锋附近的空气垂直运动，锋附近空气垂直运动强烈，运动速度快，冲击前方的暖空气使之产生激烈的上升运动，从而造成沙尘暴夭气出现。
　　6 西北地区降水与温度状况
　　北方地区常年降水稀少，而且大都集中在夏秋季节，其降水具有季节不均匀性以及分布不均匀性，尤其进入2009春季后，阶段性的降水并没有改变整体干旱的局面，加上2009年1～4月份气温回升迅速，以巴彦淖尔市为例，季平均气温比常年偏高了1.6～2.9℃，尤其进入4月以后，气温明显偏高，平均比历年偏高3.6℃。同时，由于植被稀少，地表疏松，使沙尘源充足，当冷空气入侵时，极易形成沙尘暴天气。
　　7 结论
　　（1）在沙尘暴发生过程中沙尘暴过程发生在大气环流调整过程中、前期，持续增温为沙尘暴的发生提供了有利的热力条件。（2）沙尘暴期间，高空急流中心的不断下伸，致使动量下传，从而使近地面风速加大，动能增加，从而为沙尘暴的发生提供了基本条件。（3）强锋区、蒙古气旋以及冷锋是触发此次强沙尘暴的主要影响系统，也是发生此次沙尘暴天气的必要条件，同时也是沙尘暴的发生的动力条件。（4）北方地区的特殊地理特征以及入春以来降水稀少，气温偏高，气候异常导致沙尘暴天气频繁发