2019 年5 月11 日宁夏大风沙尘天气过程分析

张泽瑾，张一星，高莹云，刘智贤

（1.中卫市气象局，宁夏中卫 755000；2.宁夏气象台，宁夏 银川 750002；3.中卫市沙坡头区气象局，宁夏 中卫 755000）

大风、沙尘暴是宁夏多发的气象灾害。李燕等[1]对宁夏沙尘暴的成因及特性的研究表明：宁夏是我国沙尘暴西路、西北路传输的主要路径、源区和加强区，是我国沙尘暴发生的高频区。宁夏位于西北地区东部，从西侧、北侧至东侧，被腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙地相围，南侧与黄土高原相连[2]，其上游也分布着沙漠和沙地，遭遇大风或大气不稳定时极易起沙。宁夏的大风沙尘天气受地形地貌影响较大且尤以春季发生最多[3]。沙尘天气对人类健康、生态环境有着不利的影响，严重时还引发安全事故，造成经济损失。在前人研究的基础上，对2019 年5月11 日宁夏大风沙尘天气过程从环流特征、热动力条件及气象要素变化等方面进行分析，研究天气成因及系统演变，以期为宁夏大风沙尘天气预报预警提供参考依据。

1 天气实况

2019 年5 月11 日夜间，宁夏大部出现了1 次大风沙尘天气，平均风普遍在5 级以上，阵风7～9级，贺兰山沿山段阵风普遍达10 级以上，最大瞬时风速出现在镇北堡镇循环现代农业基地，为38.1 m/s，北部4 市大部及西吉县出现了沙尘暴，主要出现在11 日22 时—12 日05 时，最低能见度出现在陶乐站，为572 m。

2 天气成因

2.1 环流背景分析

过程前（10 日20 时），欧亚中高纬以经向型环流为主，呈两脊一槽的态势，环流经向度大，乌拉尔山到欧洲东部为一较强的西北—东南向高压脊，在此大的脊前西北气流背景下，又有短波槽脊形成与其配合。脊前有一支宽广的风速＞20 m/s 的急流，冷空气自高纬度地区向南输送，在贝加尔湖附近加深，并在新疆北部形成一东北西南向的横槽，槽后的冷平流极强，冷空气在此堆积，中心温度-37 ℃。11日08 时（图1-a），高纬度地区冷空气沿脊南下，推动横槽开始东移南下，温度场落后于高度场，槽后冷平流明显，有利于高空槽发展加强[4]，低压槽具有较强的斜压性，气压梯度和温度梯度增大，锋生且锋区南压，高空冷中心位于贝加尔湖地区。11 日20 时（图1-b），低槽加深转竖移至河西地区，温度槽仍落后高度槽约4～5 个纬距，低压槽还将进一步发展加强，冷锋强度也随之加强；等温线垂直于等高线，温度梯度增大，斜压性增强，锋区加强且锋区里高空急流大，进一步增强了中低层的斜压不稳定性，宁夏位于高空急流出口区，对应有强的上升运动，地面气旋也将继续发展。

2.2 地面形势演变

10 日20 时，西西伯利亚到贝加尔湖为一高压区，蒙古国为一低压区，贝加尔湖到蒙古国北部等压线较密集，有利于锋生及气压梯度的加大，面冷锋呈准东西走向，宁夏位于大陆热低压里；11 日08 时（图2-a），冷空气由西西伯利亚平原东移南压至贝加尔湖附近，高压增强南压，冷高压中心位于贝加尔湖到蒙古国北部，中心强度为1 035 hPa，锋前蒙古热低压发展，形成北高南低的气压场分布，等压线比较密集，冷锋前后气压梯度大，宁夏位于热低压的底前部；11 日20 时（图2-b），冷锋转为东北—西南走向，加强东移南压，锋前有较强的上升运动，锋后为下沉区，冷锋附近中低层有强辐合，气压梯度加强，蒙古气旋及其配合的冷锋造成了大风沙尘天气。

图2 地面气压场

沙尘天气发生前后，气压变化尤为明显。17 时（图3-a），宁夏处于锋前的负变压区，河西走廊到内蒙古西部为正变压区，气压分布不均匀，存在较强的变压梯度，锋面前后3 h 变压增大；20 时（图3-b），锋面南压影响宁夏，正变压区范围扩大，宁夏大部处于正变压区，地面冷高压进一步加强，中心值达到+8，有强的3 h 变压梯度和变压风，冷锋前后的气压差致使大风产生。

3 物理量场分析

如图4 所示，11 日08 时地面有逆温层，整层较干，湿度条件差，无不稳定能量，风随高度顺转，地面较暖，低层到高层存在垂直风切变，高空西风急流明显，动量下传作用使中低层风速加大（图4-a）；11 日20 时，有一定的不稳定能量，温湿层结曲线形成向上开口的喇叭口形状，400～500 hPa 有干冷空气侵入，600 hPa 露点增加，湿度增大，700 hPa 以下的低层和500 hPa 中层温度露点差进一步加大，越来越干，层结变得不稳定有热对流发展，中低层风速较小，高层风速较大（图4-b）；12 日08 时，冷锋已过境，在700～600 之间有明显的锋面逆温，低层较干，中低层风速较20 时明显增大，可见存在动量下传（图4-c）。

图3 地面3 h 变压场

图4 温度对数压力

11 日08 时，850～500 hPa 高度层内大气已经表现为条件不稳定。11 日20 时，地面温度非常高，925～700 hPa、600～500 hPa 假相当位温随高度递减，大气为热力不稳定状态，会产生较强的上升运动，饱和假相当位温随气压降低迅速减小，垂直方向的温度递减率非常大，饱和假相当位温和假相当位温之间距离非常大，表明低层大气极为干燥；在850～600 hPa 位温曲线几乎垂直于横坐标轴，即层结接近绝对不稳定，只要有一点外力，干空气即可不受阻力进行抬升，非常利于起沙。12 日08 时对流减弱，假相当位温和饱和假相当位温之间距离接近，即大气中的水汽在不断增加，中高层大气接近饱和状态，从地面到700 hPa 大气处于绝对稳定状态。

4 动力条件分析

如图5 所示，过程发生前（14—20 时）宁夏形成了低空辐合，高空辐散的流场形势，抽吸作用明显，有利于对流活动。最大散度负值在850 hPa 附近，散度“0”线在600 hPa 附近，最大散度正值出现在400～300 hPa 附近，说明在此高度上气流辐散达到最大，对垂直气流的发生极为有利[5]。

图5 散度场

如图6 所示，涡度场上，过程前期中高层为正涡度区，700 hPa 以下为负涡度区，表明700 hPa 以上有气旋式环流；沙尘暴天气发生时，涡度值随高度变化比较小，700～250 hPa 为负涡度区，有反气旋式环流，极值出现在600 hPa 附近，850 hPa 及其以下为涡度正值区，有气旋性涡柱，利于垂直运动发展。

图6 涡度场

5 气象要素分析

从图7 可以看出，沙尘天气过境时，气象要素变化剧烈。

前期地面气压（线1）较低，虽有小幅波动，但维持在1 010 hPa 左右，沙尘暴发生当天气压逐步降低，11 日14 时降至1 003.5 hPa；冷锋过境时，地面从低压转受高压控，气压迅速增大，为沙尘的爆发提供了动力条件；在沙尘暴中后期地面加压的趋势更加明显，12 日05—08 时，3 h 内地面气压上升了6.5 hPa。沙尘暴发生前，风速很小，以偏南风为主，冷锋过境时，风速急增，转为偏北风，为起沙提供了必要的动力条件；随着冷锋移出宁夏，地面风速逐渐减小。过程前期，能见度在10～20 km，冷锋过境前后（11日23 时）能见度最差，最小能见度为900 m；后冷锋移出，水平能见度逐渐转好，沙尘天气结束。

沙尘暴发生前期增温显著，地面气温（线2）逐步升高一段时间维持较高状态且变化不大，11 日下午达到24 ℃，利于近地层不稳定层结形成，从而起沙。过程中后期气温迅速下降，11 日20—23 时气温下降尤为明显，降温幅度达7 ℃。

过程前露点温度（线3）较高，偏南风利于水汽输送，露点2～4 ℃，随着冷锋移入，露点骤减，从2 ℃减小至-5 ℃（11 日20 时），在气温直线下降的同时，露点温度又迅速增加了2 ℃，表明爆发前大气的干热状态有利于沙尘暴天气的发生发展。冷锋过境后，地面受冷高压控制，露点直线下降。

6 地形作用

图7 银川站气象要素演变图

地形对沙尘天气的发生有着重要影响。当河西地区有大风时，易引起扬沙，大风裹挟大量沙尘，经阿拉善高原东移，在山前受阻堆积，山脉的阻挡作用使冷锋坡度变陡。冷空气堆积到一定程度，翻越贺兰山向银川盆地俯冲，冷空气迅速下沉，使锋面坡度急剧减小，大量的位能转化为动能，锋前温度较高，加之银川盆地形成强烈辐合上升运动，气压梯度和温度梯度进一步加大，系统加强，导致沙尘暴的形成。

7 沙尘源

沙尘源是沙尘暴天气发生的基本条件之一，10日白天新疆到蒙古一线出现了扬沙天气，11 日白天河西走廊一带出现了扬沙或沙尘天气。新疆北部形成的横槽是此次过程的主要影响系统，低槽加深转竖移至河西地区，后东移南压影响宁夏。高空槽途经宁夏时经过了古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠和腾格里沙漠，大风裹挟着大量沙尘，经阿拉善高原东移影响宁夏。

8 卫星云图

14 时，冷锋前沿有积云生成，形成1 条较为清楚的冷锋云带，沙尘区清晰可见，其亮度介于云与地表之间，顶部光滑，范围顺冷锋分布达上千公里（图8-a）。17 时，冷锋云系在东移过程中进一步变宽，后侧有中低云生成，沙尘区宽度进一步加大，色调灰白，顶部光滑（图8-b）。

图8 卫星云图

9 结论

一是新疆北部横槽加深转竖南下，蒙古气旋及其配合的冷锋造成了此次大风沙尘天气。冷空气在新疆东部到河西地区之间自西北路径快速南下，河西地带为一锋生区，高空锋区等温线密集，冷平流强烈；地面冷高压中心强度1 030 hPa，气压梯度非常大，河西地区冷空气移速非常快，变压风强劲，冷锋来临前宁夏上空有暖平流，地面有热低压发展，冷锋前有明显的降压升温，加剧了冷锋前后的温度梯度，使冷锋进一步增强。

二是内外沙尘源共同影响、上游沙尘高空输送沉降作用、本地地形及热力作用、锋面抬升作用及上冷下暖的不稳定层结共同造成了沙尘天气的产生；气旋、锋面附近大风及锋后下沉气流致使近地面产生辐散大风。

三是过程发生前宁夏散度场呈现低空辐合，高空辐散的形势，抽吸作用明显，利于对流活动的发展。过程发生时，涡度值随高度变化较小，有气旋性涡柱，利于垂直运动发展。低层到高层垂直风切变明显，动量下传作用使得中低层和地面风速加大，急流使得冷锋和沙尘暴移速较快，加强了中低层的斜压不稳定性，触发气旋发展。

四是冷锋过境前假相当位温随高度递减，大气呈现热力不稳定状态，会产生较强的上升运动；低层中层温度露点差进一步加大，低层和高层越来越干，600 hPa 湿度增大，且有不稳定能量，层结变得不稳定，有热对流发展；温湿廓线图上冷下暖，下干上湿，低层温度高、相对湿度小，空气干燥，高层强烈的冷平流利于形成大风。

五是卫星对沙尘暴有很好的监测预报作用。此次过程在卫星云图上表现非常清楚，红外云图上沙尘区色调浅灰，沙尘最强处为灰色；可见光云图上沙尘区色调与太阳高度角和沙尘厚度相关，沙尘起始阶段可见光云图上表现不明显，但随着沙尘发展，沙尘区强度增加，反照率增大，色调灰白。