基于环流形势及地面要素分析不同类型沙尘特征

纪源 白雪 娄芳蕾

摘要    应用2006—2015年地面观测资料、micaps常规天气图资料对辽宁西部锦州地区偏南大风和偏北大风型沙尘天气的环流形势及地面要素特征进行对比分析。结果表明，锦州市沙尘天气以扬沙为主，根据风向可分为偏南大风型和偏北大风型，偏北大风型沙尘发生时均受冷空气东移南下影响，850 hPa锋区迅速东移南压，偏北风风速20 m/s以上，冷平流显著;偏南大风型500 hPa锦州地区受高空槽前西南气流或中纬度较为平直的偏西气流控制，850 hPa受温度脊控制，暖平流明显，对流层低层干燥且升温显著，风力加大，大气层结为中性或弱不稳定;偏南大风型沙尘风力和相对湿度明显大于偏北大风型，伴随强烈的正变温和负变压，偏北大风型以负变温和正变压为主。

关键词    沙尘;蒙古气旋;环流形势;地面要素

中图分类号    P445.41        文献标识码    A

文章編号   1007-5739（2019）14-0181-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    Based on the ground observation data from 2006 to 2015 and the regular weather map data of micaps，the circulation situation and characteristics of ground elements of the southerly winds and northerly winds in the Jinzhou area of western Liaoning were compared and analyzed.The results showed that the dusty weather in Jinzhou City was dominated by sand，and it can be divided into southerly wind type and northerly wind type according to wind direction.When the northerly wind-type sand dust occurred，it was affected by the cold air moving eastward and southward.The 850hPa frontal area was rapidly moving eastward and southward.The northerly wind speed was above 20 m/s，and the cold advection was significant.The southerly windy type 500 hPa Jinzhou area was subject to high altitude.The southwest airflow in front of the trough or the relatively flat mid-latitude airflow control，the 850 hPa was controlled by the temperature ridge，the warm advection was obvious，the lower troposphere was dry and the temperature rose significantly，the wind was increased，the atmospheric layer was neutral or weakly unstable.The wind speed and relative humidity of south gale type dust were obviously greater than those of north gale type.South gale type dust was accompanied by a strong positive temperature change and a strong negative pressure change，when the north gale type dust was accompanied by a negative temperature change and a positive pressure change mainly.

Key words    sand dust;Mongolia cyclone;circulation situation;ground factor

沙尘是影响我国北方地区的主要灾害性天气之一，每年会造成巨大的经济损失。沙尘暴作为一种气象灾害和生态环境问题早已引起世界各国科学家和有关部门的关注。随着沙尘天气研究的不断深化，目前的科学研究已逐步明确了沙尘天气的时空分布特征、沙尘源地和传输路径、沙尘天气日变化特征以及沙尘起沙机制[1-6]。基于上述研究，沙尘天气预报、预警[7-9]和防治措施等方面也取得很大的进展。张任建等[10]指出，2000年以来中国沙尘暴天气呈现频次高、发生期时间长、强度大等新特征。王  涛等[11]将中国北方沙区划分出4个主要沙尘暴中心或源区。李一平等[12]对内蒙古沙尘天气少发季节的沙尘天气预报技术进行分析。辽宁地处于沙尘易发地区，研究表明，辽宁沙尘天气的沙尘源地有2处：外来沙源（分为西北、偏北、偏西、西南路径）与本地沙源（分布在辽宁西北部以及中部部分地区）[13]。辽宁西部地区由于与内蒙古毗邻，且春季干旱少雨，西南、西北大风频发[14]，所以更易受沙尘天气侵袭，而目前辽西地区关于沙尘天气的研究分析还不够全面，大多以沙尘天气过程分析为主。本文从时空分布、环流形势和地面要素特征3个方面对2006—2015年锦州地区偏北大风和偏南大风型沙尘进行对比分析，明确锦州地区沙尘天气的演变趋势、概念模型，为锦州地区的沙尘天气预报提供依据。

1    资料与样本

根据2006—2015年锦州地区5个常规观测站（锦州市区、凌海市、义县、北镇、黑山）的地面观测资料，确定沙尘天气样本。若某日中有≥1个站出现沙尘暴、扬沙或浮尘，则将该日定为1个沙尘日。在1个沙尘日内有≥3个站出现沙尘，为区域性沙尘过程;有≤2个站出现沙尘，为局地性沙尘过程。经统计，2006—2015年锦州地区共有70个沙尘日，其中扬沙59 d，浮尘4 d，1日中出现扬沙和浮尘有6 d，1日中出现扬沙和沙尘暴有1 d，可知锦州市的沙尘天气以扬沙为主，其次为浮尘，沙尘暴鲜少出现。造成锦州沙尘天气的大风以SSW风最多，占全部沙尘过程的46.0%;其次为NNW风，占16.0%;再次为NW、WNW、N、NNE和S风，分别占12.9%、10.0%、8.6%、4.3%和2.8%，由此将锦州沙尘天气分为偏南大风和偏北大风2种类型。利用micaps常规高空和地面天气图对偏南大风型和偏北大风型沙尘日的大尺度环流形势进行分析，并利用常规地面观测资料对沙尘发生期间地面气象要素进行对比分析。

2    结果与分析

2.1    环流形势分析

2.1.1    偏北大风型。根据地面天气形势偏北大风型可分为冷锋型、蒙古气旋—冷锋后部型。冷锋型偏北大风沙尘发生前期，500 hPa 中高纬度地区一般为两脊一槽型，在贝加尔湖及其以西地区和鄂霍次克海附近为高压脊控制，我国东部以北地区受深厚的低压槽或冷性低涡控制，环流经向度较大，贝湖脊前冷空气沿偏北或西北气流迅速东移南下，到达辽宁省;850 hPa 受南北向切变或低涡系统控制，低层锋区明显，已经南移到华北一带，切变前后冷暖平流显著，锦州地区受槽后西北或偏北风影响，风速可达20 m/s以上，850 hPa降温明显;地面图表现为蒙古气旋后部或南部倒槽后部冷高压南下，冷锋过境，北风风力较大，锦州发生偏北大风沙尘天气（图1）。

蒙古气旋—冷锋后部型沙尘发生在高空槽伴随较强冷空气东移南下或高空横槽转竖后，辽宁转为高空槽前控制（图2）。850 hPa锋区随着高空槽东移迅速南压到锦州地区，偏北风风速20 m/s以上，冷平流较强。地面图上蒙古气旋冷锋扫过，锦州地区转为锋后西北大风伴有沙尘天气出现。这2种类型的不同之处在于地面冷锋是否经过低压中心。

2.1.2    偏南大风型。偏南大风型根据地面天气形势可分为蒙古气旋—冷锋前部型、东高西低型和南高北低型。蒙古气旋—冷锋结合型沙尘发生在锋前暖区时的高空形势，500 hPa中高纬度为两脊一槽型，槽位于贝加尔湖附近且位置偏北，锦州地区受高空槽底前部弱高压脊控制（图3）。冷空气落后于高空槽，锦州地区位于槽前暖脊中。850 hPa锋区明显，但位置偏北压在蒙古一带，锦州地区位于锋前暖脊中，暖平流较强。地面蒙古气旋位置偏北，我区位于蒙古气旋冷锋前部，偏南风较大。

南高北低型和东高西低型500 hPa上冷空气主体偏北，中纬度地区环流比较平直，锦州地区受高压脊控制或宽广的低涡底部偏西或西北气流影响;850 hPa东北地区受温度脊控制，暖平流明显;地面图上辽宁处于低压前部，高压后部或低压底部高压顶部，午后由于太阳辐射，地面明显升温，负变压明显，气压梯度加大，加之辽宁地形的影响，西南或偏南风风力明显加大，对流层低层干燥且升温显著，大气层结为中性或弱不稳定，混合层加深，使辽宁本地沙源升空，加重沙尘天气危害（图4）。有时南高北低型和东高西低型很难界定，多数情况下为东南高西北低。此种类型与蒙古气旋—冷锋结合型沙尘均位于低压前部，但前者海上高压强盛并稳定维持，沙尘产生在高低压之间的强气压梯度带内。

2.2    地面气象要素对比分析

沙尘天气与地面风向风速、变压、变温、湿度等要素紧密相关，选取2006—2015年56个典型沙尘个例，按不同风向对其沙尘发生期间地面最大风风向、风速、地面极大风风向、风速、24h变温、6 h变温、24 h变压、3 h变压、6 h变压、相对湿度等10个地面气象要素进行统计分析。

锦州市偏北大风型沙尘地面最大风风向以NW风和WNW风出现频率最高，各占30.8%。80%以上个例最大风力 >5级，最大值14.9 m/s，最小值5 m/s，平均值10.5 m/s;80%以上个例极大风力>7级，最大值为23.2 m/s，最小值6.3 m/s，平均值16.5 m/s。24 h变温正负均有，但以负变温居多，占70%以上，且负变温绝对值明显大于正变温;出现正变温时以蒙古气旋冷锋型沙尘天气居多，其主要原因为冷锋过境，地面刚转北风时，冷空气下沉增温，导致气温上升，另外出现正变温还受到天空状况和冷高压强度影响;6 h变温正变温和负变温各占50%，其主要受沙尘出现时间、气温日变化和冷空气强度影响。80%以上个例24 h变压为正值，最大为11 hPa，最小为-6 hPa;3 h变压几乎均为正值，最大值为7 hPa;6 h变压90%以上为正变压，最大值为12 hPa，最小值为-3 hPa。沙尘期间相对湿度最小值在8%～50%之间，80%以上个例最小相对湿度<30%，沙尘天气发生时相对湿度明显下降。

偏南大风型沙尘地面风向以SSW为主，最大风风力均在5级以上，最大值为17.2 m/s，最小值为7.8 m/s，平均值12.4 m/s。85%以上个例极大风力>7级，最大值为24.6 m/s，平均值17.9 m/s。24 h變温70%以上为正变温，均值为2.4 ℃，24 h负变温多出现在春季4月、5月，与天空状况、风力大小有关;其主要原因为春季4月、5月，冷空气活动较弱，沙尘前一日若天空晴朗则升温迅速，而沙尘日天空状况为多云，风力较大升温缓慢，虽然850 hPa暖平流明显仍会出现24 h负变温;6 h变温均为正值。24 h变压变化幅度为-20～4 hPa，仅1次个例出现正变压，其天气背景为受高压后部低压前部强气压梯度带控制，北镇市连续2 d出现偏南大风型沙尘天气，由于前一日降压幅度较大，后一日气压出现小幅上升，导致24 h正变压;6 h和3 h变压90%个例为负值。沙尘期间相对湿度最小值在14%～71%之间，80%以上个例最小相对湿度>30%。

综上所述，偏南大风型沙尘风速最大值和极大值均大于偏北大风型，可将平均风5级以上，阵风7级以上作为出现沙尘天气的风力判别指标;偏南大风型相对湿度明显大于偏北大风型;2种类型沙尘天气正负变压和正负变温均可出现，但偏南大风型以正变温和负变压为主，而偏北大风型以负变温和正变压为主。

3    结论

（1）锦州市沙尘以扬沙为主，根据沙尘天气出现时地面风向分为偏北大风型和偏南大风型。

（2）根据地面形势偏北大风型分为冷锋型和蒙古气旋—冷锋后部型。两者均受冷空气东移南下影响，850 hPa锋区随着高空槽东移迅速南压到锦州地区，偏北风风速20 m/s以上，冷平流显著，地面冷锋过境，沙尘天气伴随偏北大风出现。这2种类型的不同之处在于地面冷锋是否经过低压中心。

（3）偏南大风型根据地面天气形势分为蒙古气旋—冷锋前部型、东高西低型和南高北低型。此3种类型500 hPa锦州地区受高空槽前西南气流或中纬度较为平直的偏西气流控制;850 hPa受温度脊控制，暖平流明显;地面午后由于太阳辐射升温显著，西南或偏南风明显加大，大气层结为中性或弱不稳定，混合层加深，使辽宁本地沙源升空，加重沙尘天气危害。

（4）偏北大风型沙尘地面风向以NNW-WNW为主，偏南大风型以SSW为主。偏南大风型沙尘风力和相对湿度明显大于偏北大风型，伴随强烈的正变温和负变压，偏北大风型以负变温和正变压为主。

4    参考文献

[1] 王仁德，邹学勇，程宏，等.河北省沙尘天气时空分布特征及影响因素分析[J].水土保持通报，2009（6）：57-63.

[2] 刘泉，李铁松.我国沙尘天气的时空分布和成因分析[J].干旱区研究，2004（4）：461-465.

[3] 王宁，张红.吉林省沙尘天气的时空分布特征及其分型预报研究[J].吉林气象，2003（2）：24-26.

[4] 刘尊驰，刘彤，韩志全，等.新疆和田地区春季气流和沙尘传输路径的时空特征[J].干旱区资源与环境，2016（12）：129-134.

[5] 张志刚，高庆先，矫梅燕，等.影响北京地区沙尘天气的源地和传输路径分析[J].环境科学研究，2007（4）：21-27.

[6] 张志刚.影响北京沙尘天气的源地和传输路径分析[C]//中国气象学会.中国气象学会2006年年会“灾害性天气系统的活动及其预报技术”分会场论文集.成都：中国气象学会，2006.

[7] 宋煜，邹耀仁，隋洪起，等.大连地区沙尘天气预报预警业务平台[J].气象与环境学报，2009（2）：45-49.

[8] 刘伟东，程丛兰，张明英，等.北京地区沙尘天气监测预报预警业务系统[J].气象科技，2004（增刊1）：50-53.

[9] 鞠洪波.沙尘暴监测与预警技术研究[D].北京：中国科学院研究生院（遥感应用研究所），2004.

[10] 张任建，韩志伟，王明星，等.中国沙尘暴天气的新特征及其成因分析[J].第四纪研究，2002，22（4）：374-380.

[11] 王涛，陈广庭，钱正安，等.中国北方沙尘暴现状及对策[J].中国沙漠，2001，21（4）：322-327.

[12] 李一平，德勒格日瑪，斯琴，等.内蒙古沙尘天气少发季节沙尘天气预报技术分析[J].中国沙漠，2013，33（5）：1483-1491.

[13] 孙欣，陈力强，陈传雷，等.辽宁省高影响天气预报技术[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2015.

[14] 杨桂娟，鄢志宇.锦州地区大风气候特征及环流形势分析[J].安徽农业科学，2010，38（23）：12347-12349.