李玲萍，李巖瑛，2，劉維成

（1.武威市氣象局，甘肅 武威733000；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅 蘭州730020；3.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州730020）

沙塵天氣是指強風從地面卷起大量沙塵， 使空氣混濁，水平能見度明顯下降的天氣現(xiàn)象，其可分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5 個等級[1-6]。 沙塵暴是強風將地面塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度＜1 km 的一種天氣現(xiàn)象，是危害極大的災害性天氣， 它會給人們的生活及生產帶來巨大影響[7-11]。 如：20 世紀30 年代發(fā)生在美國西南大平原的“黑風暴”，是一場危及人類的生態(tài)災難[12-15]，其影響持續(xù)了10 a，因“黑風暴”造成的農業(yè)荒廢延長了美國的經濟蕭條。 中國也是受沙塵暴危害最嚴重的國家之一，尤其是西北地區(qū)，幾乎每年都有強沙塵暴發(fā)生。甘肅河西走廊（以民勤為中心）是我國三大沙塵暴多發(fā)區(qū)之一[17]，特別是在河西走廊東部，沙塵暴已經成為春夏季最嚴重的氣象災害。

有關春季強沙塵暴天氣的沙塵源地、沙塵輸送、沙塵強度、 沙塵暴氣候特征和成因等方面國內外學者從各個角度做了大量的分析研究[18-24]。 2018 年3月19 日出現(xiàn)在河西走廊東部的強沙塵暴天氣，是繼2010 年4 月24 日以來河西走廊東部最嚴重的區(qū)域性大風強沙塵暴天氣， 但是此次沙塵暴天氣并不是典型的槽型沙塵暴天氣，因此，有必要對這次特強沙塵暴天氣從天氣學條件、 物理量場診斷等方面做細致分析，總結此類型沙塵暴發(fā)生特征和形成機理，以期提高沙塵暴天氣的預報準確率。

1 資料選取

選取2018 年3 月19 日強沙塵暴前后民勤地面自動站1 h 加密觀測資料、19 日08：00—20 日08：00 強沙塵暴爆發(fā)前后亞歐范圍內探空、地面監(jiān)測以及ECWMF 物理量場資料， 強沙塵暴出現(xiàn)的區(qū)域以甘肅民勤（38°38′N，103°05′E）為中心，采用天氣學診斷方法， 分析這次強沙塵暴的活動規(guī)律和天氣成因，總結強沙塵暴天氣的預報著眼點。

2 前期氣候特征及實況

2.1 前期氣候特征

甘肅省河西地區(qū)地處干旱、半干旱的內陸地區(qū)，植被稀疏， 沙漠戈壁眾多， 為沙塵暴提供了大量的沙源[6]。 此次強沙塵暴出現(xiàn)在早春，植被相當稀疏，前期連續(xù)三旬涼州、民勤未出現(xiàn)降水天氣，氣溫異常偏高，有利于地面解凍回暖，裸露地表土質疏松，為此次繼2010 年4 月24 日以來河西走廊東部最嚴重的區(qū)域性大風沙塵暴天氣提供了前期氣候背景。

表1 河西走廊東部民勤、涼州前期氣溫/℃、降水量/mm 及距平

2.2 實況

圖1 3 月19 日11：00—121：00 民勤地面自動站氣象要素變化曲線

從民勤逐時地面自動站觀測顯示（圖1）， 3 月19 日11：00 氣壓開始緩慢下降， 到14：00 降到最低， 為859.1 hPa，15：00—16：00 緩慢回升， 17：00開始迅速升高， 到20：00 氣壓值最高，為868.1 hPa，4 h 氣壓涌升了7.3 hPa； 氣溫的變化與氣壓相反，在14：00 氣壓達到最低時， 氣溫達到一日最高，為16.7 ℃， 隨著氣壓的升高， 氣溫驟降，20：00 氣溫降至3.8 ℃，4 h 氣溫下降了11.8 ℃；風速隨氣壓涌升開始迅速增大， 區(qū)域內先后有2 站出現(xiàn)沙塵暴，其中民勤16：45—17：52、18：30—18：54 出現(xiàn)強沙塵暴， 最小能見度為350 m ， 最大風速為19.8 m·s-1，涼州16：16—16：36 出現(xiàn)沙塵暴， 最小能見度為879 m ，最大風速為19.2 m·s-1，永昌出現(xiàn)揚沙， 最小能見度為3.4 km，最大風速為19.7 m·s-1。

3 有利于強沙塵暴生成、發(fā)展的環(huán)流特征

3.1 500 hPa 低槽

500 hPa 亞歐范圍內大的環(huán)流形勢為兩槽一脊型，3 月19 日08：00 500 hPa 上（圖2a）從歐洲東部到亞洲西部為一個廣闊的低壓帶， 并有-42 ℃的冷中心配合， 影響此次強沙塵暴天氣的是位于蒙古西部到新疆東部一帶的低槽，冷空氣較弱，冷中心強度為-28 ℃，低槽前后變高配置為西北—東南向，正負變高差僅為＋8 dagpm，槽后最大風速為28 m·s-1，低槽后西北氣流不斷攜帶歐洲東部到亞洲西部的冷空氣分裂東移南下；到20：00 低槽快速東移到河西走廊東部（圖2b），槽后河西走廊氣溫下降，風速加大，河西走廊東部出現(xiàn)強沙塵暴。 可見，500 hPa 低槽快速東移是造成此次區(qū)域性沙塵暴的影響系統(tǒng)。

圖2 3 月19 日8：00（a）和20：00（b）500 hPa 高度場、溫度場

3.2 700 hPa 輻合流場

對應在對流層低層700 hPa，3 月19 日20 時（圖3），在河西走廊東部有一明顯的變形場維持，變形場后部的強西北氣流不斷攜帶北部冷空氣東移南下，使水平溫度梯度加大，有利于地面鋒生，造成冷鋒前的抬升作用也相應加強， 由于變形場的鋒生作用，700 hPa 鋒區(qū)加強，等溫線密集，大氣斜壓性增強，有利于動量下傳[25]。河西走廊東部強沙塵暴天氣出現(xiàn)在輻合上升最強、斜壓性最強時段。 由此可見，低層變形場的輻合及造成的強斜壓性為此次強沙塵暴的形成和維持提供了輻合上升和動量下傳條件。

圖3 3 月19 日20：00 700 hPa 全風速

3.3 地面冷鋒

3 月19 日08：00 地面圖上， 熱低壓中心位于河西走廊西部的玉門， 地面冷鋒位于酒泉到張掖之間，冷鋒前后Δp3為4.9 hPa，冷鋒后玉門、酒泉出現(xiàn)大風和浮塵天氣；11：00 熱低壓中心位于河西走廊東部，地面冷鋒位于山丹和永昌之間，冷鋒前后Δp3由08：00 的4.9 hPa 增大到5.2 hPa， 冷鋒后河西走廊中西部出現(xiàn)大風沙塵天氣；14：00 地面熱低壓中心繼續(xù)東移，由于午后太陽輻射加強，熱低壓中心加強， 熱力作用加大了地面冷鋒前后的氣壓梯度和溫度梯度，地面冷鋒增強，熱低壓中心數(shù)值由11：00 的1016.0 hPa 降到1010.0 hPa， 冷鋒前后Δp3增大到6.4 hPa，地面冷鋒位于河西走廊東部永昌到民勤之間，冷鋒后永昌出現(xiàn)大風、揚沙天氣；17：00 地面熱低壓中心東移出武威（圖4），熱低壓中心數(shù)值降為996.0 hPa，地面冷鋒位于烏鞘嶺以東，冷鋒前后Δp3增大到8.3 hPa，冷鋒后河西走廊東部出現(xiàn)大風沙塵天氣，其中民勤出現(xiàn)強沙塵暴，涼州出現(xiàn)沙塵暴。17：00—20：00 熱低壓維持少動，所以河西走廊東部大風沙塵天氣一直持續(xù)到19：00，20：00 后熱低壓迅速移除甘肅，河西走廊東部大風沙塵天氣結束。午后氣溫日變化造成冷鋒移至河西走廊東部產生強烈鋒生是造成此次強沙塵暴爆發(fā)的主要原因。

圖4 3 月19 日17：00 地面形勢

4 整層大氣風場分布特征

強風是產生沙塵暴的三要素之一， 而強風能否產生沙塵暴，重點看大風是否動量下傳，卷起地面沙塵，產生沙塵暴[26-27]。所以本文利用ECMW 分析場資料，在沙塵暴區(qū)域沿38°N 分別做u、v 分量的緯向垂直剖面圖（圖5），分析沙塵暴期間整層大氣的風場結構特征。

4.1 u 分量的變化特征

由u 分量垂直剖面可知， 沙塵暴發(fā)生之前（圖5a），90°E 以東整層大氣幾乎被西風控制，并在250～300 hPa 存在一支西風急流，急流核在300 hPa、95°E附近， 中心最大風速u 為49.2 m·s-1， 12 m·s-1的風速等值線在95°E 附近伸展到接近地面（本文沙塵暴研究區(qū)700～850 hPa 接近于地面）， 而河西走廊東部沙塵區(qū)近地面風速為4 m·s-1。 沙塵暴爆發(fā)后（圖5b），250～300 hPa 西風急流帶范圍擴大， 存在2 支急流核，最大風速軸線跟隨其向東移動，急流風速減小，300 hPa 一支急流核在95°E 附近， 中心最大風速u 為32.3 m·s-1，另一支急流核東移，在102.5°E附近，中心最大風速u 為34.0 m·s-1，急流中心的最大風速帶以“漏斗”狀向地面伸展，將高空動量向下傳播， 在河西走廊東部沙塵區(qū)接近地面的風速增大到14 m·s-1，激發(fā)了河西走廊東部強沙塵暴發(fā)生。 沙塵暴結束時，20 日08：00 急流中心最大風速減小東移。

4.2 v 分量的變化特征

從v 分量的分布和變化來看， 沙塵暴發(fā)生前（圖5c）， 河西走廊上空500 hPa 以下受南風控制，風速較小，500 hPa 以上受北風控制，250 hPa 最大風速位于97.5°E 附近，中心值達33.7 m·s-1。 沙塵暴爆發(fā)后（圖5d），在強沙塵暴爆發(fā)區(qū)河西走廊東部，北風區(qū)域向東南擴展， 沿西北—東南向插入到南風下部，將600 hPa 以下的南風向上抬升，河西走廊東部600 hPa 以下變?yōu)楸憋L控制，近地面風速增大。當沙塵天氣結束此后， 河西走廊近地層慢慢被南風控制。由此可見，北風的入侵是造成此次沙塵暴的直接原因。

5 沙塵暴過程的大氣邊界層結構特征

利用民勤國家基準氣候站GTS1 型數(shù)字式探空儀探測的數(shù)據，對沙塵暴出現(xiàn)前一天（18 日）、當天（19 日）、后一天（20 日）民勤08：00 和20：00 每隔50 m 的溫度、溫度露點差、風速進行邊界層特征分析。從溫度廓線（圖6a）看出，沙塵暴爆發(fā)當日08：00溫度明顯高于沙塵暴爆發(fā)前一日08：00 和后一日08：00 的溫度， 且19 日08：00 邊界層中出現(xiàn)了兩層逆溫，50 m 以上100～300 m 中出現(xiàn)了明顯的逆溫， 1450～1500 m 出現(xiàn)較弱的逆溫， 其中200 m 處逆溫最強， 50～200 m 逆溫強度達4.0 ℃，1450～1500 m 逆溫強度為0.4 ℃。 隨著冷空氣的不斷下沉，19 日16：00 以后沙塵暴天氣影響河西走廊東部，一直持續(xù)到19：00，到19 日20：00 逆溫層完全被破壞， 此時邊界層中的大氣混合均勻， 溫度迅速降低， 明顯低于前一日20：00 和后一日20：00 的溫度。

從溫度露點差廓線（圖6b）看出，沙塵暴爆發(fā)當日08：00 從低層到高層2000 m 溫度露點差都高于沙塵暴爆發(fā)前一日08：00 和后一日08：00， 到沙塵暴爆發(fā)后19 日20：00 溫度露點差迅速減小，小于沙塵暴爆發(fā)前一日20：00 和后一日20：00，150 m 以上T-Td＜5 ℃， 大氣為濕區(qū)，450 m 以上T-Td＜2 ℃，大氣飽和，說明前期中低層干熱有利于沙塵暴爆發(fā)。沙塵暴爆發(fā)后，中高層大氣接近飽和。

從風速廓線（圖6c）看出，沙塵暴爆發(fā)當天19日08：00 風速低層到高層開始增大， 大于沙塵暴爆發(fā)前一日08：00 和后一日08：00 的風速，19 日20：00開始邊界層風速急劇增大，0～600 m 處的風速都較19 日08：00 迅速增大， 近地面風速由19 日08：00的2 m·s-1急增到20：00 的15 m·s-1，50 m 處風速由19 日08：00 的4 m·s-1急增到20：00 的12 m·s-1，為起沙提供了動力條件。沙塵暴結束后，風速快速下降，19 日20：00 從低層到高層風速明顯大于沙塵暴爆發(fā)前一天20：00 和后一天20：00 的風速。

圖5 3 月19 日沙塵暴過程中08：00（a）、20；00（b）u 分量和08：00（c）、20；00（d）v 分量沿38°N 的緯向剖面（單位：m·s-1）

圖6 3 月18 日—20 日民勤站氣溫（a）、溫度露點差（b）、風速（c）垂直廓線

6 環(huán)境物理量場特征

6.1 強烈的垂直上升運動

3 月19 日20：00 民勤站散度和垂直速度的垂直剖面圖（圖7）顯示，強沙塵暴區(qū)低層強輻合對應高層強輻散， 最大輻合中心在500 hPa， 強度為-14.6×10-6s-1；最大輻散中心在300 hPa，強度達到9.1×10-6s-1，無輻散層出現(xiàn)在400 hPa 附近。 垂直速度的垂直分布顯示， 近地面層850 hPa 到對流層頂200 hPa 均為上升運動， 最強上升運動分別出現(xiàn)在500 hPa 和400 hPa， 最大值分別為-52.6×10-3hPa·s-1和-52.2×10-3hPa·s-1， 這與無輻散層高度一致。 說明低空輻合、 高層輻散有利于垂直運動的加強，使得上升運動到對流層中部達到最強。強烈的上升運動為強沙塵暴的形成、 發(fā)展提供了必要的動力條件。

圖7 3 月19 日20：00 沙塵暴出現(xiàn)時民勤站散度和垂直速度的垂直剖面

6.2 穩(wěn)定度

根據19 日民勤站V-3θ 曲線分析， 在沙塵暴出現(xiàn)前19 日08：00（圖8a），上下層風垂直切變明顯，低層850 hPa 為東南風，700 hPa 以上為偏西風， 且上層風速大于低層風速，有利于垂直運動發(fā)展，滿足潛在動力不穩(wěn)定條件；850 hPa 以上到400 hPa 位溫θ 出現(xiàn)明顯的向左彎曲現(xiàn)象，即隨氣壓減小，表明垂直方向的溫度遞減率較大， 且θse與θ 線在850 hPa以下很接近， 在中層850 hPa 以上到600 hPa 相差較大，表明低層大氣為干熱狀態(tài)，滿足熱力不穩(wěn)定條件。由V-3θ 曲線分析，19 日08：00 存在動力和熱力不穩(wěn)定， 一旦有冷平流沖擊觸發(fā)， 則可釋放能量，產生強的垂直運動， 使高空動量下傳， 增大低層的風速， 加劇強沙塵暴的發(fā)展。 到19 日20：00（圖8b）， 上下層風垂直切變減弱，700 hPa 以下為西北風，600 hPa 以上為西南風，且低層風速加大，風向自下而上轉變?yōu)槟鏁r針， 表示氣層抑制上升運動發(fā)展；θ 低層出現(xiàn)向右彎曲現(xiàn)象，表明低層有冷空氣進入，θse與θ 轉變?yōu)樽韵露虾芙咏貏e是500 hPa等壓面以上，θse與θ 兩條曲線幾乎重合， 表明中高層大氣接近飽和狀態(tài)，大風沙塵天氣減弱結束，河西走廊東部涼州及民勤部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降水天氣。

6.3 鋒生函數(shù)

鋒生是使鋒區(qū)溫度水平梯度加大的過程， 鋒消是作用相反的過程。在不考慮非絕熱加熱的情況下，標量鋒生函數(shù)表達式為：

圖8 3 月19 日08：00 和20：00 民勤V-3θ曲線

式（2）表示大氣水平運動對鋒生的作用，式（3）表示大氣垂直運動對鋒生的作用。

鋒生函數(shù)F＞0 為鋒生， 預示未來鋒區(qū)加強，鋒生函數(shù)F＜0 為鋒消，預示未來鋒區(qū)減弱。 本文利用ECMWF 數(shù)值預報產品， 進一步分析了河西走廊沙塵出現(xiàn)時段內的鋒生函數(shù)，從3 月19 日08：00 鋒生函數(shù)圖（圖9a）可以看出，在內蒙西部、甘肅河西走廊西部酒泉到青海西北部一帶有強的鋒生區(qū)， 中心強度在馬鬃山附近，達63.6×10-5K·m-1，強鋒生區(qū)處在700 hPa 等溫線密集帶的前側， 鋒區(qū)溫度梯度加大，對應地面圖上，酒泉、玉門出現(xiàn)浮塵。 到19 日20：00（圖9b），700 hPa 鋒生帶移到河西走廊東部，配合700 hPa 等溫線密集帶也移到河西走廊東部一帶，強鋒生中心已經移到甘肅省東部，隨著強鋒生帶逐漸東移，從16：00 開始，河西走廊東部涼州、民勤相繼出現(xiàn)大風沙塵暴天氣，到20：00 風速逐漸減小，河西走廊東部沙塵暴天氣結束， 到21：00 大風天氣結束。 鋒生過程對沙塵暴的產生起著重要作用[28]，即當冷鋒移到這一地區(qū)時， 由于強烈的局地鋒生加大了冷鋒前后的變壓和變溫梯度， 鋒生次級環(huán)流和地轉偏差風也會不斷加大， 并把沙塵吹起， 引起沙塵暴的發(fā)生。

7 討論

與歷史上春季區(qū)域性低槽強沙塵暴對比（表2），本次強沙塵暴過程的冷空氣強度、槽前后變高梯度、冷鋒前后變壓梯度均為最弱，河西走廊中西部只出現(xiàn)揚沙天氣， 只有冷鋒進入河西走廊東部后在民勤出現(xiàn)強沙塵暴， 強沙塵暴相比較也是最弱（2014年4 月23 日民勤未出現(xiàn)沙塵暴）， 為什么500 hPa如此弱的系統(tǒng)在河西走廊東部會出現(xiàn)強沙塵暴，究其原因：首先和冷鋒進入河西走廊東部的時間有關，此次過程冷鋒進入河西走廊東部是14：00， 是太陽輻射最強的時段， 所以氣溫日變化造成冷鋒移至河西走廊東部產生強烈鋒生引發(fā)強風是沙塵暴爆發(fā)的直接原因；其次河西走廊東部700 hPa 變形場造成的強烈輻合和強斜壓為此次沙塵暴的爆發(fā)提供了輻合上升和動量下傳條件；沙塵區(qū)域強烈的上升運動有利于增大近地面沙塵濃度；河西走廊東部上空隨高空西風急流動量下傳和北風插入南風下部，沙塵暴爆發(fā)；上濕下干、上冷下暖的分布特征，為沙塵暴爆發(fā)提供了潛在不穩(wěn)定的環(huán)境條件； 與河西走廊東部特殊地理位置有關，東、西、北三面被騰格里沙漠和巴丹吉林大沙漠包圍，具備豐富的沙源；與前期氣候背景有關，涼州、民勤前期連續(xù)一個月未出現(xiàn)降水天氣，氣溫異常偏高，有利于地面解凍回暖，裸露地表土質疏松，為沙塵暴的爆發(fā)提供了溫床。

圖9 3 月19 日08：00（a）和20：00（b）700 hPa 鋒生函數(shù)（單位：10-5 K·m-1）

表2 春季區(qū)域性低槽強沙塵暴歷史個例譜

8 結論

（1）此次沙塵暴天氣出現(xiàn)在午后，因午后太陽輻射加強，熱低壓中心加強，熱力作用加大了地面冷鋒前后的氣壓梯度和溫度梯度，冷鋒前后Δp3達8.3 hPa， 冷鋒后河西走廊東部出現(xiàn)大風沙塵天氣。因此日變化造成冷鋒移至河西走廊東部產生強烈鋒生引發(fā)強風是此次沙塵暴爆發(fā)的直接原因。

（2）500 hPa 蒙古西部到新疆東部低槽是此次區(qū)域性沙塵暴產生的影響系統(tǒng)， 700 hPa 河西走廊東部存在變形場有利于鋒生， 造成強烈輻合和強斜壓， 為此次沙塵暴的形成和維持提供了輻合上升和動力條件。

（3）低空輻合、高層輻散，以及400 hPa 的無輻散層和-52.2×10-3hPa·s-1的強上升運動區(qū)一致，有利于垂直運動的加強， 強烈的上升運動為強沙塵暴的形成和發(fā)展提供了必要的動力條件。

（4）沙塵區(qū)域上空，隨著高空西風急流動量下傳，即風速為14 m·s-1的強風速帶伸展到地面，以及北風插入到南風下部，600 hPa 以下為北風控制之處，沙塵暴爆發(fā)。

（5）V-3θ 曲線顯示， 上下層風垂直切變和垂直方向大的溫度遞減率及上濕下干的狀態(tài)， 為此次沙塵暴的發(fā)生提供了動力不穩(wěn)定和熱力不穩(wěn)定的環(huán)境條件。

（6）前期氣溫異常偏高、無降水的干旱氣候和邊界層逆溫層破壞，中低層干熱及地面風速增大，為沙塵暴天氣爆發(fā)提供了前期氣候背景和不穩(wěn)定及動力條件。