特强沙尘暴灾害性天气的研究及展望

贺沅平 ,张云伟,顾兆林 ,3* (1.中山大学大气物理与大气化学系,广东 广州 51075；.西安交通大学环境科学系,陕西西安 710049；3.中亚大气科学研究中心,新疆 乌鲁木齐 83000)

在地球上,风扬粉尘是一种常见的颗粒污染物,影响着人们的健康和日常生活[1].粉尘活动或风沙运动,与大陆干旱度、地表状况及局部大气运动有密切关系.从沙尘活动的空间尺度范围和持续时间来看,不同气象条件下发展的强风都可能扬起地表粉尘,粉尘活动范围及时间具有各种尺度.中国西北部干旱、半干旱地区出现的粉尘活动主要有扬尘和扬沙、尘卷风、尘暴、强沙尘暴等.其中,沙尘暴可分为区域性沙尘暴以及局地性沙尘暴[2].根据能见度,沙尘暴又可分为:沙尘暴(0.5～1.0km)、强沙尘暴(0.05～0.5km)、特强沙尘暴(＜0.05km).特强沙尘暴(俗称黑风暴),大多表现为局地性沙尘暴,是干旱、半干旱地区突发性的灾害性天气[3-4].

我国西北的新疆、甘肃、内蒙等沙漠源区及沙漠边缘地区时常出现特强沙尘暴灾害性天气.特强沙尘暴天气过程与撒哈拉地区出现的哈布以及美国沙漠源区出现的美国哈布相似,诱发的关键都是存在强对流过程,尘暴来临时其前缘具有实心粉尘墙的外形,寿命约 30min～1h[5-7].哈布沙暴主要出现在夏季的下午和傍晚,伴有大量沙尘扬起[8-11].特强沙尘暴或哈布沙暴的发展通常与强风有关,是复杂的天气过程.形成初期,都有冷空气密度流(冷锋)过境,近地层的暖空气在热对流作用下进入大气层,因此携带地表面粉尘向上扬起,在沙尘暴的前缘形成一堵高达几百米的巨大黑墙[12-13].哈布沙暴与中国特强沙尘暴的主要区别在于冷空气侵入形成的飑线相对湿度不同[14].苏丹哈布沙暴和美国哈布沙暴主要发生在雨季,并伴有雷暴,而中国特强沙尘暴发生区大气较为干燥,很少出现强烈雷暴降水过程.

在中国西北部干旱、半干旱地区,每年的春季为尘暴事件多发期,大范围扬沙、沙尘暴天气等大气边界层内的粉尘活动具有远程输送的特征.影响沙尘暴活动频率的主要因素包括人类活动以及自然气候变化[15].目前,对于大范围扬沙天气过程研究成果较多[16-19].袁国波[20]对 2001～2015年内蒙古的气象资料进行分析,结果发现区域性沙尘暴过程主要出现在冬半年(包括春季和冬季),尤其是春季.对于大范围沙尘暴来说,出现在春季的次数占全年总次数的 97.6%.因而春季沙尘暴的变化动态就完全可以代表当地沙尘暴的变化趋势.对于小范围沙尘暴来说,出现在春季的次数占全年总次数的82.9%.

在夏半年(包括夏季和秋季),大气边界层内的粉尘活动也比较频繁,多以局地性沙尘暴或更小的尘卷风形式出现.统计分析表明[4],局地性沙尘暴的次数以及持续时间在各月份的分布存在差异,夏季发生频率最高、持续时间最长,分别占全年的 72.72%和69.94%,其中,7月和8月出现次数最多、持续时间最长.特强沙尘暴多发生在内陆沙漠源地及周围局部地区.1993年5月5日,在甘肃省河西走廊东部,内蒙古自治区西南部和宁夏回族自治区西部与北部地区,出现了一次历史上罕见的大范围强沙尘暴天气,局部地区发展成了特强沙尘暴.特强沙尘暴天气过程研究从此受到广泛关注[21].

目前关于特强沙尘暴灾害性天气的特征及动力学机制还没有一致的认识.本文结合目前特强沙尘暴灾害性天气的研究成果,分析特强沙尘暴灾害性天气及其风沙运动特征的几个基本问题,如特强沙尘暴天气事件的统计特征、天气学研究、气象条件及小尺度动力学触发机制数值模拟、风沙流特征及能量耗散机制、预报方法等,讨论尚未厘清的科学问题,以期加深特强沙尘暴天气过程机理的认识.

1 特强沙尘暴灾害性天气事件的统计特征

刘景涛和郑明倩[22]认为,黑风暴天气是平均风速≥20m/s,能见度≤50m 的强沙尘暴天气,恶劣能见度(≤200m)的水平尺度≥100km,局地持续时间≥1h.黑风暴天气是达到最大程度的沙尘暴的一种罕见现象,是一种小概率事件.因此,可以把黑风暴这种短时局地性特强沙尘暴天气过程,看成是干旱、半干旱地区突发性的局地气象灾害事件.

为研究近两千年来亚洲沙尘暴的变化规律,陈发虎等[15]依托距今 2250a的高山湖泊记录,对比粉尘源区人口数量、夏季风降水量和沙尘暴强度研究亚洲沙尘暴的历史.该研究发现,东亚夏季风增强时,降雨增加,生态趋好,战乱减少,王朝兴盛,人口迅速增加,农业发展,开垦草原和荒漠草原为农田,林草植被遭到破坏,进而粉尘源区扩展,最终导致沙尘暴活动快速上升;相反,东亚夏季风减弱时,降雨减少,气候恶化,国家动乱纷争,人口迅速减少,沙尘源区植被恢复,生态环境转好,沙尘暴活动减少.以上研究表明,东亚夏季风降水变化可以产生巨大生态效应,人口密度与沙尘暴活动具有密切关系.

特强沙尘暴作为一种特殊的中尺度天气系统,与一般沙尘暴相比破坏力极强.它的强大风暴能摧毁房屋、毁坏农田,低能见度会引发交通事故、危及人类生命.根据 1952～1994年我国西北地区沙尘暴的个例统计分析,其间发生强沙尘暴个例67个,其中特强沙尘暴有21个,而影响范围涉及新疆、内蒙古、甘肃、宁夏等省(区)的有 1个[21].类似于 1993年 5月5日范围广、强度大的局地性特强沙尘暴天气过程有3次,即1983年4月26～28日、1984年4月24～26日和1993年5月5日,这三个大范围沙尘暴的典型个例中,1993年5月5日的天气过程是最具有代表性的特强沙尘暴灾害性天气.

在2010年,中国总人口达13.4亿,与1960年6.6亿人口相比,翻了一倍[23].人类活动加剧直接导致中国旱地加速扩张,强沙尘暴呈现出不断增长的态势[17].表1是作者整理的2015～2017年期间公开报道的6次典型特强沙尘暴天气事件发生的季节、时段及地点.

表1 6次特强沙尘暴天气事件发生的季节与时段Table 1 The occurring season and time of 6local strong sandstorm events

可以看出,对于特强沙尘暴天气的发生地,突发性沙尘暴天气经常出现在我国西北的新疆、甘肃、内蒙等沙漠源区及沙漠边缘地区.对于特强沙尘暴天气发生的时间,按照季节来说,一年四季都有可能出现强沙尘暴天气事件,但春季居多,且多发生在下午到傍晚时段,特强沙尘暴天气过程的持续时间短,一般几十分钟.春季容易出现强沙尘暴主要原因包括:经历了冬季的干旱西北区域地表干燥、春季冷空气活动频繁且较为强烈、春季太阳辐射开始增强[14].

图1展现了特强沙尘暴(黑风暴)天气过程前缘锋面的照片.可以看出,在沙尘暴发生时,天空背景为天气晴朗或多云条件,沙尘暴前缘沙墙高度在近地层范围,是大气中尺度环流条件与午后地面强烈热对流耦合作用的结果.沙尘暴中心地带的能见度不足几十米,乃至几米.沙尘暴形成的沙墙高几十米,前缘沙墙边界清晰可辨,其上空云层稳定.局地性特强沙尘暴天气事件的规模或影响范围有限,通常影响一两个县(旗),几十公里到数百公里.因此,局地性特强沙尘暴天气过程的风沙运动通常不具有远程输送的特征.

图1 内蒙古地区的黑风暴照片Fig.1 The front of black storm occurred in Inner Mongolia

基于1971～2013年夏季河西走廊东部民勤和凉州两气象观测站点的地面气象资料以及探空资料,李玲萍等[30]选取12个典型沙尘暴事件,民勤和凉州都有沙尘暴过程,统计分析了 6～8月沙尘暴过程中环境和气象条件的变化特征以及沙尘暴的出现时间、持续时间.夏季沙尘暴主要发生在中小尺度天气系统引发的局地热对流中,下午到晚上地面增温最明显,易出现对流不稳定,所以这一时段出现的沙尘暴较多,且持续时间较短.

纵观上述特强沙尘暴天气事件出现季节、时段的统计分析,特强沙尘暴通常在沙尘源区以及源区附近发生,季节性分布特征显著,春季居多,且多发生在下午到傍晚时段,其典型特征为突发性、局地性,持续时间相对较短,风沙运动不具有大范围扬沙天气的远程输送特征,对局地的大气环境质量短时产生重大影响.特强沙尘暴初始形成阶段,地面热力对流旺盛,在沙尘暴形成后,气象要素发生剧变.

2 特强沙尘暴发生的天气条件

风作为一种动力,是风沙运动的能量来源,风场的结构特征直接影响到地表起沙过程以及垂直输送.而风力的强弱与锋区强度密切相关.每年春季或者秋季,锋面低压过境是大范围沙尘暴形成的主要诱因,冷锋前后出现的大风可将地面沙尘卷起,其中高空急流引导强冷空气向下发展,形成高低空对流,进而触发了粉尘的启动和搬运过程[31-34].江吉喜等

[35]通过对 7次特强沙尘暴的研究,认为强沙尘暴天气的发生可分为 3类:①锋前飑线引起的强沙尘暴;②锋尾强对流云团引起的强沙尘暴;③锋前强对流云团引起的强沙尘暴.

特强沙尘暴一般都伴有大风,但瞿章等[36]研究发现,有些不伴有沙尘暴的大风,却比与沙尘暴相伴的风力更大,并提出对流层低层强烈的对流不稳定是“起沙成暴”的最重要条件之一.李彰俊等[37]认为与高空急流相联系的次级环流(冷区下沉、低层冷区流向暖区、暖区上升)的下沉支是对流层中强动量下传的主要因素,即次级环流的下沉支比急流轴的下落更能引发高空动量的下传.其主要依据是,急流轴的下落是一种大尺度现象,适应过程为风场向温度场调整;而次级环流的下沉运动是次天气尺度过程,更易形成对风场的调整.

根据区域性天气形势的分析方法,许多研究者从气象卫星观测数据分析、地面探空资料分析以及中尺度数值模式模拟等方面研究了特强沙尘暴天气过程的中尺度环流条件[38-43].中国西北地区典型强沙尘暴事件的触发和发展,都是基于大尺度有利的环流条件和中尺度气旋(反气旋)存在,而强冷锋过境(气压梯度增大)是引发沙漠区形成强沙尘暴的必要条件[38-39].利用FY—3A/VIRR极轨气象卫星数据,并结合FY—2C、FY—2D静止气象卫星数据,马丽等[40]对中国西部最大的沙尘暴源区—塔克拉玛干沙漠(位于新疆南部)进行了多星动态监测,主要分析了“冷空气东灌型”黑风暴和“冷空气翻山型”黑风暴天气启动、发展、消散的演变过程,此外,采用国家卫星气象中心反映沙尘强度的参数产品〔IDDI〕对起沙阈值进行了验证,确定了新疆地区特强沙尘暴的判识阈值方法.

对于沙尘暴天气形势的分析,研究方法包括沙尘暴天气的个例研究和天气形势统计分析. 在特强沙尘暴天气事件的个例天气形势研究方面,宋振鑫等[44]针对1993年5月5日发生在中国西北部、宁夏以及内蒙古的特强沙尘暴(“93.5”黑风暴),利用程麟生等[45]对该风暴进行的中尺度数值模拟资料,并结合湿斜压大气的湿扰动能量方程,对黑风暴发展过程中的扰动能源进行诊断,分析其中扰动有效位能和扰动动能源的贡献.诊断结果表明在行星边界层以内,大量湿扰动有效位能的释放是“93.5”黑风暴快速启动并持续发展的主要能源;湿扰动有效位能源的产生不仅与湿斜压大气中存在强风速垂直切变有关,也与下垫面的强烈加热增温以及行星边界层内强对流不稳定有关.使用具有高分辨行星边界层参数化的 MM4模式,张小玲等[46]诊断分析“93.5”黑风暴天气过程,发现“93.5”黑风暴的形成与具有气旋性的中尺度涡旋相关,大气总涡源发展过程中形成的柱状垂直结构及其演变与黑风暴中涡旋的垂直结构及其演变是一致的,说明了黑风暴天气过程中涡旋急剧发展的动力源受到大气总涡源的控制.

另一方面,对于“93.5”黑风暴天气过程,胡隐樵等[14,47]分析5月5日上午8:00地面天气形势图,发现金昌附近有明显的气旋性环流存在.在同时间的700hPa图上,金昌略偏西北方,正处在冷槽底部的强气旋性切变辐合区,这种地面和低空的环流配置,从流场上奠定了飑线中尺度系统发生发展的基础.其次,冷锋到达甘肃河西走廊中部的时间正是午后该区大气层结最不稳定的时段,由于锋面的抬升作用,触发了不稳定能量迅速释放,造成中尺度飑线系统的发生、发展.正是由于这一飑线系统在河西走廊中、东部发生发展,并迭加在大尺度的锋面系统上迅速东移,才造成了该区到宁夏西部大范围的强沙尘暴区,此沙尘暴区比贺兰山附近的沙尘暴中心区范围大、风力强的原因,也正是中尺度飑线作用的结果.

为了分析特强沙尘暴形成的基本条件以及天气因素,马禹等[48]选取1998年4月18日新疆天山北麓出现的一次黑风暴事件作为个例研究,综合分析常规观测资料、13个气象站的地面气象自记记录以及静止气象卫星资料.结果表明:在黑风暴过境时风速、气压、湿度、温度在短时间内出现跃变;冷空气在暖空气之下向前推进,旋风将地面沙尘卷起,黑风暴前沿出现明显的沙尘壁,呈鼻形状,且鼻尖离地面近 100m;地面长时间加热增温使得低层扰动加强并形成深厚混合层,该混合层有利形成深厚对流,导致在冷锋过境时易触发深厚干对流,进而形成黑风暴.此外,Takemi[12]和He等[49]分别从地面监测、数值模拟方法,同样观测到沙尘暴发展前期近地面出现混合层热对流胞结构.

为了进一步分析黑风暴天气发展过程中地面气象要素的演变以及沙尘暴内部热力、动力结构的变化特征,顾润源等[50]选取2009年4月23～24日在内蒙古中西部出现的一次强沙尘暴天气过程作为个例研究,综合分析了常规观测资料、地面自动观测站逐时加密观测资料、7个气象站点的加密探空资料,结果表明在沙尘暴发生前期,大气层结不稳定,相对湿度较大,近地面风速小,且地面温度较高,大气温度在垂直方向上递减率大;当沙尘暴发生时,低层大气层结稳定,各层的大气湿度都很小,与沙尘暴前期存在明显差异,而大气中各层风速明显增强,且出现逆温现象;沙尘暴过境后,大气的相对湿度迅速增大,各层风速减小,低层温度显著下降.此外,分析结果发现在沙尘暴爆发时,风暴的螺旋度快速增大,螺旋度越大、沙尘暴越强;强沙尘暴的启动、发展演变不仅与环境风速有关,还有沙尘暴内部的切向旋转速度以及垂直运动速度相关.李岩瑛等[51]指出,螺旋度能够反映沙尘暴强对流的空间物理结构,是沙尘暴发深发展的重要动力条件.

为了比较分析局地性沙尘暴与区域性沙尘的特征及差异,包括沙尘暴的持续时间、能见度、时间变化等特征,马建勇等[4]选取新疆南部塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站及沙漠周边地区 15个气象台站,基于 2005～2014年各站点记录的沙尘暴资料,并根据沙尘暴在塔中过境时周边气象台站的响应数,对局地性沙尘暴以及区域性沙尘暴进行划分.2005～2014年期间,塔中发生沙尘暴共 170d,局地性沙尘暴相比区域性沙尘暴持续时间短,平均每次1.32h,而区域性沙尘暴达 3.21h;特强沙尘暴主要为局地性沙尘暴,仅观测到 1次为区域性沙尘暴;局定性沙尘暴大多在下午到傍晚时段发生,而区域性沙尘暴较为分散,在各时段都有发生.袁国波[20]研究分析2001～2015年冬半年由于大规模冷空气活动而造成的大范围沙尘暴天气时,特别指出不包括夏半年由雷暴大风等造成的局地性沙尘暴.夏半年的局地性沙尘暴成因可能不同于春季大范围的沙尘暴.夏秋季节出现的沙尘暴主要是在内蒙古西部.当地沙漠密布,深居内陆,水汽输送微弱,常年干旱少雨.沙漠地区午后局地热力对流容易发展,这种对流常常表现为干对流.加之当地植被极其稀疏,沙源丰富,因而干对流系统(例如雷暴大风或干飑线)就会造成沙尘暴天气.

综上,地表增温不均匀促使地表大气出现对热流胞结构,形成混合层;夏半年地表大气混合层深厚,而冬半年虽然地表温度偏低,也能形成一定厚度的地表大气混合层.其次,在中尺度天气形势上,夏半年的中尺度(反)气旋性涡旋或许没有冬半年的中尺度(反)气旋性涡旋深厚,刚好与地面大气混合层的厚度构成互补关系,二者相互作用就可能形成特强沙尘暴发生的气象条件.再次,中尺度(反)气旋性涡旋的涡度大小决定了干飑线的强弱,也决定了干飑线形成的局地性沙尘暴是否发展成为特强沙尘暴灾害性天气.

关于夏半年中尺度(反)气旋的生成机制,热低压是沙漠源区上空大气的强感热加热形成的,也是夏季和低纬度地区太阳入射能量强时最显著的特征.热低压表现为沙漠源区上空热气柱内为上升运动,周围是下降运动.地表热低压为气旋性旋转,对应高层高压为反气旋性旋转[52].高层反气旋性云团的移动可能为下风区提供了涡量来源.理论上,中尺度(反)气旋性涡旋以及地面混合层作为相互独立的气象过程,沙漠地区四季均可存在,因此中尺度(反)气旋性涡旋是如何与地面深厚混合层相互作用才能诱发特强沙尘暴天气的风场,是一个需要进一步厘清的关键问题.

3 特强沙尘暴的动力触发机制数值模拟及分析

如上所述,特强沙尘暴天气的气象条件须有沙漠源区及沙漠边缘地面大气热胞对流形成的深厚混合层,中尺度气旋性涡旋的发展.一般说来,沙漠源区地面的深厚混合层,其温度垂直廓线是“中性”温度廓线,遵循干绝热直减率,即位温随高度不变[52],而中尺度(反)气旋性涡旋具有水平移动特性,其水平移动速度须在一定范围内才能确保中尺度(反)气旋性涡旋的动量有效下传至地面混合层,下沉冷气团在混合层中激发强对流运动才能诱发局地性特强沙尘暴天气过程.Oke等[53]观测尘卷风存在的风力范围为1.5～7.5m/s,并认为较低风速及其垂直切变可能扰动地面大气并提供初始的旋转运动;风速过大则涡量不能维持,因为粗糙表面上风速越大,地面的剪切作用越大,有可能破坏垂直切变形成的涡量.因此,特强沙尘暴天气的动力学触发机制应该是,地面深厚混合层的蜂窝状对流结构充分发育,混合层上部有一定涡量(螺旋度)的弱冷气团过境是触发的关键因素,而且弱冷气团的移动速度需要在一定范围内,才能诱导地面混合层的简单蜂窝状对流结构向群发性旋转对流胞对流结构的转变.中尺度(反)气旋性涡旋的水平尺度决定了沙尘暴的发生范围,地面混合层风场参数剧变,表现出飑线特征.

大涡模拟方法(LES)和雷诺时均方法(RANS)是两种用于湍流模拟的计算流体动力学(CFD)方法,与传统的中尺度对流模型相比,流动结构分辨率更高[32].通过建立冷气团与近地表混合层相互作用的数学模型,应用湍流计算方法模拟冷气团外流,有助于阐明冷气团与近地表混合层相互作用的机理.Huang等[54]采用LES模拟了强沙尘暴的发展和耗散过程.通过在二维模型中加入一个理想的冷池表示冷气团入侵,然后在不同网格精度下进行模拟,结果表明将模型水平网格间距从1.0km减小到100m,可以捕获更多的湍流信息,局部风速增大,对流混合增强.He等[49]采用RANS在三维模型中模拟涡旋云团与地面深厚混合层的相互作用,成功再现了局地强沙尘暴发展的不同阶段.结果表明,30min内冷涡云团和地面深厚混合层实现充分作用,计算区域的风场动能达到最大值,其后能量开始耗散.地面二次涡的出现是冷涡云团旋转的下沉气流和地面混合层上升气流共同作用的结果.图2为CFD模型中典型位置随高度变化的气流速度,其特征曲线与图 1所示的沙尘暴前缘的“象鼻状”形态一致.速度随高度变化的特征表明了沙粒被气流夹带的高度与速度大小有关;地面速度大,大量的沙粒被气体夹带进入空中.

图2 强沙尘暴模拟区域2个测点随高度变化的气流速度曲线[49]Fig.2 The resultant velocity at 2 different horizontal points of strong sandstorm model

此外,He等[49]模拟了对于不同尺度的冷涡云团和多个冷涡云团作用下,地面深厚混合层蜂窝状对流结构向群发性旋转对流胞对流结构的转变,数值模拟表明不同冷涡条件与地面深厚混合层相互作用形成特强沙尘暴天气风场的时间有所差异,如二次涡的数量不同,冷涡温度场会影响到局地强沙尘暴发生时“象鼻状”曲线所处的高度.

4 特强沙尘暴的风沙流特征及能量耗散机制

特强沙尘暴天气过程中风沙流运动特征以及如何快速将能量消耗的机制也是需要进行深层次探讨的问题.目前关于特强沙尘暴天气过程的研究,主要从沙尘源区的地表辐射过程、热对流胞运动以及旋转热对流胞的形成的角度,描述中尺度(反)气旋性涡旋触发小尺度对流胞形成过程以及旋转风场风沙运动的微观机制.

土壤湿度对地表热量平衡的分配有很大的影响.在干旱、半干旱地区,天气干燥,用于蒸发耗热的能量支出很少,净辐射能量主要用于向大气的热传导和对流输送[55].沙尘源区近地面干燥高热的性质为沙尘天气提供有利热力和不稳定条件.高庆先等[56]通过假设一个由沙漠、荒原、草原、森林组成的地表,分析其地表辐射以及垂直不稳定的形成过程.结果表明,地表反照率存在差异直接导致贴地层的大气加热增温不均匀,沙漠(荒漠)地区地表反照率高(沙漠0.35,荒漠 0.25),对贴地层大气加热较大,在荒漠区上空,大气受热膨胀,热空气开始上升.由于大气流体的连续性作用,周边空气向内补充,形成局地的热力环流.沙漠与周边草原或森林的反照率的差异越大,所形成的局地势力环流越强,上升运动也越强.在条件稳定层结下,上述的局地上升运动通常呈现有序的蜂窝状对流结构[57-58],这些蜂窝状的对流胞可以分为开式的对流胞和闭式的对流胞.在开式的对流胞中,气流在对流胞的中心下沉而在对流胞的边缘上升.在闭式的对流胞中则恰恰相反,气流在对流胞的中心上升而在对流胞的边缘下降.云经常在气流上升的区域形成,对于开式的对流胞结构,形成的云则常常为六边形状[59].在有冷气团入侵时,如果冷气团贴近地面进入,所形成的水平风,并且在地形作用下,水平风的垂直切变可能给蜂窝状对流结构提供涡量来源.如果冷气团从空中进入混合层上部,混合层垂直温度梯度增大可能使局地的蜂窝状对流胞垂直不稳定,并形成大规模的强对流不稳定[60-61].

对于风沙源区的热胞对流,Gu[55]认为,当中尺度(反)气旋性涡旋从空中侵入混合层上部,中尺度(反)气旋性涡旋与蜂窝状对流的相互作用将导致局地的蜂窝状对流胞在垂直方向上发生扰动,对流胞的持续不稳定将触发对流胞群的强对流过程.混合层上部遇到有一定涡量(螺旋度)的弱冷云团,对于开式的对流胞结构,中尺度(反)气旋性涡旋的涡量随着气流在对流胞的中心下沉而向下输送,垂直涡量的下传导致对流胞的气流旋转起来,下沉气流显著增加,形成旋转对流胞结构.为了维持平衡,对流胞边缘的上升气流速度显著增加,形成垂直不稳定,最终形成大规模的强对流不稳定.

图3为1993年5月5日中国西北地区特大沙尘暴前缘的形态特征[33].由于旋转对流胞转角风区的存在,按照沙尘在尘卷风流场的卷吸机制[59],近地面的沙尘升空后外抛,将形成图 3(a)所示的冷空气“鼻”[33].由于旋转对流胞流场对不同直径的沙粒所形成的分层[62],可以看到图 3(b)中的深浅不均匀的层次,实际上层次G和H区域是非常细的颗粒聚集区,A和B区域是中等颗粒的聚集区,接近地面的部分是粗颗粒的聚集区.

图3 沙尘暴前缘形态特征[33]Fig.3 The front features of dust storm

事实上,关于1993年5月5日黑风暴的观测,其沙墙高约 300m,而浓密沙尘带甚至更高,估计约700m 左右.而且,在沙尘暴发生前期,近地层大气层结很不稳定,在沙尘暴发生时,不稳定加剧,黑风暴中心沙尘团团翻滚,该过程属于典型的对流天气,具有飑线特征[14,47].上述的理论分析结果与特强沙尘暴观测事实的一致表明:强沙尘暴天气过程可能是一种中尺度涡旋作用下的局地小尺度对流胞群的旋转对流运动[60].

因此,Gu等[62]提出,特强沙尘暴灾害性天气的触发机制是中尺度(反)气旋性涡旋诱导下的地面混合层简单蜂窝状对流结构向群发性旋转对流胞对流结构的转变,在百米小尺度上,沙尘暴前缘的风沙流呈旋转式沙尘团.1993年5月5日的特大沙尘暴,沙尘暴临近前,可看到上黄、中红、下黑三种颜色的旋转式沙尘团[63].王式功等[63-64]对这一现象从光学角度给予了解释,由于沙粒在旋转气流中的分层机制,沙尘暴内不同高度上沙粒直径相对集中,呈现高度方向上的垂直分布特征,低层粒径最大.又由于不同直径的颗粒对光线的反射与吸收不同,使得沙尘暴前缘的沙尘墙颜色可划分为上中下三层,其中上层的细颗粒层呈黄色,中间的中等颗粒层呈红色,下部的粗颗粒混合层呈灰黑色.

实际上,特强沙尘暴的发生除了地面混合层的蜂窝状对流结构充分发育外,混合层上部有一定涡量(螺旋度)的中尺度(反)气旋性涡旋过境是触发的关键因素,而且中尺度(反)气旋性涡旋的移动速度需要在一定范围内,才能诱导简单蜂窝状对流结构向群发性旋转对流胞对流结构的转变.开式对流胞中心旋转下沉气流形成的旋转对流胞群在蜂窝状对流结构中造成许多低压区,能将地表裸露的沙粒或尘土吸起、升空,并随着冷气团的缓慢移动而水平迁移.在气固两相相互作用以及流场内二次旋涡作用下,中尺度(反)气旋性涡旋的能量迅速消耗殆尽,风速降低,局地性扬沙过程停止.

5 特强沙尘暴的预报方法

强沙尘暴的物理过程是一个包含大气、土壤和陆面相互作用的复杂过程,涉及到气象学、流体力学、土壤物理学等多学科的研究.提高强沙尘暴天气的预报预警水平,可以减轻沙尘暴的危害程度.

关于沙尘暴的预报,李岩瑛等[65]认为沙尘暴的长期预报取决于冬春季气温、降水量和大风日数,中期主要依靠使用国内外数值预报产品,短期与大气环流条件、分型指标有关,短时临近预报与高空大风形势、地面上游有无大风沙尘暴天气有关.Gao等[66]指出大气环流作为预报指数在一定程度上可以为我国北方春季沙尘暴季节预报提供定量预报信号,沙尘暴预报准确率达 52.0%,其中特强沙尘暴预报准确率为66.7%.郭萍萍等[67]通过对1969～2004年中国河西走廊中部特强沙尘暴个例资料进行统计,总结归纳出了不同天气形势下(冷锋型、动量下传型、地面冷高压型)特强沙尘暴的短期(24h)预报指标和预报方程,并应用于 2005～2009年沙尘暴预报中,准确率达 80%以上.刘开福等[68]对特强沙尘暴天气系统的发展作了研究,指出强沙尘暴过程前 6h左右天气尺度系统发展最强,高空、地面特征量及本地气象要素值都有剧烈变化.因此,高空、地面特征量及本地气象要素值的跃变对短时临近预报(6h)具有很好的指示性,将预报的重点放在短时时效上,可以提高减灾效益.

目前,国内外学者发展了不同的数值预报系统,对沙尘暴进行实时预报.国家气象中心[69]发展了一个适用东亚地区的集成沙尘数值预报业务系统,该系统包括中尺度气象模式、陆面模式、风蚀方案、沙尘传输模式、地理信息系统,该沙尘数值预报系统既能够预测风沙天气的气象场,也能完整地描述风沙源地的分布,大气中的沙尘含量输送状况等等.卢晶晶等[70]采用集成沙尘数值预报系统对2004年我国春季最强的一次沙尘天气过程进行了数值预报试验,结果表明该预报系统能够给出沙尘发生、结束的时间以及在较大范围的强度变化.GRAPES-SDM 是基于 GRAPES模式产生的中国新一代沙尘预报系统,它是中国自主研发的天气模式GRAPES和加拿大沙尘气溶胶模式的耦合[71-72].该模式包括了沙尘的起动、传输、吸湿增长、并和、干沉降与云下清洗等详细的物理过程,可以对沙尘暴的起沙和空气中沙尘浓度进行模拟和预报.段海霞等[72]对 2008～2011年中国北方区域 GRAPESSDM 的预报结果进行检验,发现该预报模式对大范围沙尘天气过程的预报能力较好,对零星沙尘天气预报能力较差.

天气研究预报模式 WRF-Chem也已经广泛应用到强沙尘暴天气预报中[73-75].Raman[75]基于 2011年7月5日美国亚利桑那州强沙尘暴事件,通过利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)与云气溶胶激光雷达和红外探路者卫星(CALIPSO)等卫星仪器反演气溶胶光学特性和质量浓度,并结合现有的地面PM10和PM2.5浓度的现场观测数据,对WRF-Chem数值预报模式的可行性进行评估.研究结果表明,WRF-Chem能够捕捉到强沙尘暴的时空分布,但在很大程度上低估了地表粉尘浓度以及气溶胶光学厚度的大小.Vukovic等[76]利用NCEP/NMM非静力大气模式结合沙尘区域天气预报模式 DREAM,同样对 2011年7月5日美国亚利桑那州强沙尘暴事件进行了数值模拟,证明了使用高精度的粉尘源数据以及粉尘模型对于准确模拟强沙尘暴事件至关重要.国家统一业务预报能力(NUOPC)是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和美国国防部(DoD)联合打造的天气预报平台,该平台可以使最好的预报分系统在预报平台上形成合力,从而获得最佳预报能力.Lee等[77]基于NUOPC平台,在线耦合中尺度模型NAM以及多尺度空气质量模型CMAQ,并以2014年5月11日发生在美国西南部的一次特强沙尘暴为例,对NUOPC联合NAM-CMAQ的预报能力进行了测试,结果表明该模式可以较为准确地预测粉尘浓度.

由于受数值模式的初始场、边界条件、起沙过程、物理过程、地形、下垫面状况、土壤湿度方案及模式本身设计等诸多因素的影响,无论从沙尘量级,还是从空间分布来看,沙尘预报结果都不可避免地存在一定误差.准确预测特强沙尘暴的发生,必须先弄清沙尘暴天气过程的多尺度触发机制以及初始条件.

6 结论与展望

特强沙尘暴天气通常出现于沙尘源区及源区附近,典型特征为突发性、局地性,持续时间相对较短,风沙运动不具有远程输送特征,对局地的大气环境质量短时产生重大影响.特强沙尘暴发生的基本气象条件,包括大风、沙源、干旱气候、人类活动以及强对流过程.而强对流的形成主要基于:沙漠源区及沙漠边缘地面大气热泡对流旺盛,形成深厚混合层;在中尺度天气形势上,存在一定螺旋度的气团或中尺度(反)气旋性涡旋过境.

作为一种特强沙尘暴,其飑线特征及扬沙过程具有特殊性,对于飑线的形成涉及强沙尘暴天气的触发条件.计算流体动力学的数值模拟表明,地面混合层的蜂窝状对流结构充分发育,混合层上部有一定涡量(螺旋度)的中尺度(反)气旋性涡旋过境;热对流胞与混合层上部的中尺度(反)气旋性涡旋耦合作用下,涡旋云团的涡量下传,诱导混合层内简单蜂窝状热胞对流向群发性旋转热胞对流的对流结构性转变;旋转热胞对流的蜂窝状对流结构中有多低压区,可将地表裸露的沙粒和尘土吸起、升空,并随着冷气团的缓慢移动而水平迁移;沙粒在旋转气流中的分层机制,导致特强沙尘暴内不同高度上沙粒直径相对集中,呈现高度方向上的垂直分布特征.

沙漠源区不同地表辐射率下热对流及对流胞的发生与演变过程是决定特强沙尘暴天气过程的热力条件和能量来源.中尺度(反)气旋性涡旋的来源可以与大尺度环流有关,也可由沙漠原地上空边界层持续加热的风场对稳定的气压梯度和科氏力的响应形成.由于中尺度(反)气旋性涡旋的移动速度不大,一旦局地性沙尘暴形成,在风沙气固两相相互作用以及流场内二次旋涡作用下,其能量快速消耗,持续时间较短,导致局地强沙尘暴的灾害性天气过程一般出现在沙尘源区及边缘地区.

目前,强沙尘气的二相流特征及其数值模拟研究仍具有挑战性.为深化对特强沙尘暴灾害性天气过程的认识,需要进一步的研究工作包括:

(1)加强沙漠源区及边缘地区的气象观测,积累气象观测数据及卫星遥感数据等.本研究对于特强沙尘暴的统计,采用公开报道的特强沙尘暴事件进行分析,样本具有一定局限性.因此,完善特强沙尘暴事件历史资料,同时,统计特强沙尘天气发生前期下垫面的干湿状况,为局地性沙尘暴灾害性天气的机理研究以及数值预报提供基础资料.

(2)中尺度(反)气旋性涡旋的模拟与天气形势图分析.冷涡云团作为局地性沙尘暴的涡量来源,其大小决定了局地性沙尘暴是否可以发展成黑风暴灾害性天气.依据气象观测数据及中尺度数值模拟等手段,通过个例研究和局地性沙尘暴天气形势图的统计分析,归纳总结局地性沙尘暴发展成特强沙尘暴灾害性天气的冷涡云团的来源及涡量大小、云团离近地层混合层的高度范围等要素.

(3)(反)气旋性涡旋与近地面深厚混合层相互作用的小尺度CFD数值模拟.特强沙尘暴灾害性天气可常年出现,以夏半年为多.构建小尺度冷涡云团和近地面混合层的动力学演化数值模拟分析方法,分析不同季节特征的近地面混合层温度场参数及冷涡云团涡量参数影响下,近地面混合层内简单蜂窝状热胞对流向群发性旋转热胞对流的对流结构性转变条件,统计分析旋转热胞对流结构中低压区参数及其起沙机制.