2021年4月内蒙古西中部一次沙尘天气过程成因分析

霍志丽

(内蒙古自治区气象台，内蒙古 呼和浩特 010051)

沙尘是发生在干旱、半干旱、沙漠及其临近地区的危害极大的灾害性天气。强风携卷沙粒来袭时，会对农林业、畜牧业、电力、通讯、交通、人民生命财产安全等造成重大的危害。目前，对于沙尘暴的研究主要集中于沙尘冰雹的气候学特征、沙尘天气影响系统特征、沙尘暴发生发展的动力机制、沙尘气溶胶物理化学特征、人类活动对沙尘影响等诸多方面。内蒙古自治区是我国沙尘的高发区，是我国北方主要的沙源地。王汝佛等[1]认为大部分沙尘天气与大气环流的短期变化密切相关，刘景涛[2]等将中国北方引起沙尘暴的天气系统划分为冷锋型、蒙古气旋与冷锋混合型、蒙古冷高压型及干飑线与冷锋混合型4种类型，而冷锋和气旋型是最为常见的天气尺度系统，气旋型沙尘暴主要出现在气旋冷锋后部。顾润源等[3]针对2009年4月23日—24日出现在我国内蒙古中西部的一次强沙尘暴天气过程，分析沙尘暴发生前后及发生期间，近地层气象要素变化及其内部热力、动力结构特征变化，沙尘暴发生前，大气层结是条件不稳定的，在沙尘暴过境时，低层大气层结是稳定的。进一步分析其形成机理发现，降水和温度则影响着地表环境与气候变化，进而改变沙源与热力条件，持续强劲的风力、丰富松散的尘粒及不稳定的热力层结是沙尘暴产生的3个必要条件[5-7]。

笔者对2021年4月15日—16日内蒙古大部分地区发生的一次沙尘过程进行了分析，利用2021年4月14日—17日全区119个国家气象站地面观测资料、高空观测资料以及NECP的FNL(1°×1°)逐6 h再分析资料。以期深入揭示此次沙尘过程的气象要素变化及其动力结构特征。笔者采用的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2884号的中国地图(世界地图)制作。

1 天气形势分析

2021年4月15日—17日，内蒙古出现了范围广、强度强的一次沙尘天气过程。此次过程共11个盟市的95个国家站出现了沙尘天气，阿拉善盟、巴彦淖尔市、乌海市、鄂尔多斯市、包头市、呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟和赤峰市出现了强沙尘暴，能见度不足300 m，空气污染严重；通辽市、兴安盟出现了扬沙和浮尘天气(图1a)。卫星云图上也可以反应此次过程沙尘强度大、影响范围广(图1b)。

2021年4月14日20时，高空500 hPa欧亚中高纬地区表现为“两槽一脊”的环流形势(见图2)，两槽位于95°E和135°E，一脊位于115°E，温度槽落后于高度槽，极地寒冷空气在新疆北部高压脊一侧偏北气流迫使下不断向南移动，内蒙古位于高压脊底部，偏西气流控制下。随着“两槽一脊”形势东移南压，15日08时，位于95°E的高空槽开始影响内蒙古。

2021年4月14日20时，700 hPa贝加尔湖至新疆形成闭合低涡(图略)，内蒙古西中部地区受西北气流影响。不同于500 hPa温度场，700 hPa等温线更密集，内蒙古地区受温度脊控制，为大范围强沙尘暴天气提供了不稳定层结条件。

2021年4月14日地面图上(见图1)，内蒙古受位于蒙古国的低压系统控制，低压中心强度达872 hPa，冷锋后部的高压位于新疆北部地区。随着蒙古气旋的加强东移，15日锋面系统开始影响内蒙古，变压梯度达7 hPa。高空槽与地面锋面之间水平距离较小，斜压作用不明显，使得内蒙古西中部地区在垂直方向上收到强烈的下沉运动与上升运动的作用，沙尘天气出现在冷锋附近。

(a)2021年4月15日08时 (b)2021年4月16日08时

(c)2021年4月15日08时 (d)2021年4月16日08时

图2 2021年4月14日21时—15日20时雅布赖站(52575)

2 沙尘观测特征

2.1 地面气象要素演变特征

为了进一步了解此次沙尘过程，对单站各气象要素的变化进行了分析，选取出现沙尘暴的雅布赖站点作为代表，由于该站点在2021年4月14日20时之前受气旋控制，气压较低，为872.8 hPa。随着气旋逐渐东移，该站气压逐渐升高至1 016 hPa，沙尘暴趋于结束后，气压又略降。从温度来看，沙尘暴发生时，气温明显下降，这是由于西北气流下的冷平流将蒙古国的冷空气带入内蒙古西中部地区。从风速来看，风速在能见度明显下降的区域又突增，在14日22时能见度为1.5 km，此时逐时最大风速明显增大为14 m/s，在15日09时，能见度为2.8 km，逐时最大风速明显增大到11.5 m/s。风速的明显增加，为沙尘暴的发生和发展提供了动力条件。在15日16时左右，能见度增大到10 km以上，此时气温明显升高，风速明显下降，气压也明显下降，沙尘暴过程趋于结束。说明强沙尘过程往往伴随着风速的增加、温度的降低、气压的升高。

2.2 高空探测特征

分析2021年4月15日14时垂直位温图可知(见图3)，500 hPa以下θ和θse与x轴夹角近似为90°，说明此时大气层结为绝热状态。同时，可以说明在500 hPa以下是较为深厚的混合层，气块在上升过程中减少所需能量，有利于促进对流的形成和发展。从垂直廓线中可知，500 hPa以下相对湿度上垂直方向上较小，水汽含量较少的层结，有利于沙尘天气的发展和维持。4月16日后，θ和θse斜率明显减小，大气层结逐步趋于稳定，沙尘暴天气过程结束。深厚混合层的存在，对此次沙尘过程的维持和发展起到了至关重要的作用。

图3 2021年4月15日14时呼和浩特站高空V-3θ图

(a)2021年4月15日02时温度平流(填色，单位：10-5 ℃·s-1)(等值线，单位：℃)

2.3 物理量场分析

进一步分析此次过程中温度平流的变化特点(见图4a)，在2021年4月14日20时850 hPa温度平流可知，随着高空槽东移南压，西北气流将蒙古国的冷空气输送至内蒙古中西部地区，在阿拉善盟北部形成了冷平流中心，冷平流中心强度达-60×10-5℃·s-1。直至4月15日02时850hPa冷平流中心移入内蒙古西部地区，强度很强，且范围较大，冷平流的入侵在沙尘暴形成过程中起重要作用。

在垂直运动和散度图上可知(见图4b)，在14日20时左右，700 hPa以下散度场均为负值，为辐合上升运动，大值中心达-2.5×10-6s-1，这与此时低压控制沙尘区域有关，上升运动有利于沙尘在700 hPa以下混合均匀，形成较厚的混合层，不利于沙尘污染物的扩散，有利于沙尘天气的维持。700 hPa以上为较弱的下沉运动，下沉运动与其下层的上升运动相比较弱，中心强度达0.5×10-6s-1，较弱的下沉运动不利于混合层中的污染物向更高层扩散。随着低压中心逐渐东移南压，上升运动减弱，800 hPa下层为上升运动，上升运动强度明显减小至-0.5×10-6s-1，其上层下沉运动明显增强，为2.5×10-6s-1。此后能见度明显增加，沙尘天气趋于结束，此时上升运动的大值中心明显减小，高层下沉运动明显增加。

对垂直速度而言，散度辐合明显的区域垂直速度为正值，为上升运动，中心值达1.0×10-3Pa/s，这与14日20时地面受低压系统控制相吻合。随着低压中心逐渐东移，低压中心移出42°N和122°E，此时垂直速度为负值，为下沉运动，下沉运动强度较小，为-0.2×10-3Pa/s。

总之，700 hPa以下的上升运动有利于沙尘污染物在混合层内混合均匀，700 hPa以上的下沉运动不利于沙尘污染物向更高层扩散，两者结合，有利于沙尘过程的维持。

3 结束语

利用常规观测资料、地面自动站资料、高空资料及NCEP 1°× 1°再分析资料等多源资料对 2021年4月15日—16日发生在内蒙古西中部地区的一次沙尘天气过程的成因进行分析。得出以下结论：①此次沙尘过程，高空表现为“两槽一脊”的环流形势，极地寒冷空气在新疆北部高压脊一侧偏北气流迫使下不断向南移动，内蒙古受偏西气流控制。700 hPa等温线密集，为大范围强沙尘暴天气提供了不稳定层结条件。高空槽与地面锋面之间水平距离较小，斜压作用不明显，使得内蒙古西中部地区在垂直方向上收到强烈的下沉运动与上升运动的作用，沙尘天气出现在冷锋附近，冷平流的入侵对沙尘暴的发生起到了至关重要的作用。②沙尘暴发生过程中与逐时气压、逐时气温、逐时最大风速以及大气能见度具有明显的波动变化，逐时最大风速、气压与沙尘暴强度明显呈正相关，逐时气温、逐时大气能见度呈明显负相关。③沙尘暴发生时，大气层结为绝热状态，在500 hPa形成较为深厚的混合层，有利于促进对流的形成和发展。水汽含量较少的层结，有利于沙尘天气的发展和维持。④下沉运动与其下层的上升运动相比较弱，较弱的下沉运动不利于混合层中的污染物向更高层扩散，700 hPa以下的上升运动有利于沙尘污染物在混合层内混合均匀，700 hPa以上的下沉运动不利于沙尘污染物向更高层扩散，两者结合，有利于沙尘过程的维持。