段伯隆，劉新偉，郭潤霞，宋 強(qiáng)，狄瀟泓，段明鏗

(1.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020；2.南京信息工程大學(xué),氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044)

引 言

2021年3月14—18日，受蒙古氣旋和地面冷鋒影響，我國北方地區(qū)遭遇了近10 a來最強(qiáng)沙塵暴天氣，此次過程持續(xù)時(shí)間長，涉及范圍廣，14日夜間開始先后影響我國華北、西北、東北及江淮等地，部分地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴，整個(gè)過程持續(xù)至18日趨于結(jié)束。這是繼2010年“4·24”特強(qiáng)沙塵暴以后歷年中，西北地區(qū)持續(xù)時(shí)間最長、強(qiáng)度最強(qiáng)、影響范圍最廣的一次沙塵暴天氣。

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)從地面卷起大量沙塵，使水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象，是我國北方春季常見的災(zāi)害性天氣。沙塵暴發(fā)生時(shí)伴隨的強(qiáng)風(fēng)、低能見度，使交通運(yùn)輸、農(nóng)牧業(yè)、人民生產(chǎn)生活等受到很大影響。沙塵天氣的形成需要具備3個(gè)基本條件：大風(fēng)、沙塵源地以及不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，其中大風(fēng)和不穩(wěn)定層結(jié)是形成沙塵天氣的動力條件，而沙塵源地則是沙塵天氣的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。研究表明，我國沙塵暴天氣根據(jù)沙源地可分為外源型和內(nèi)源型兩種：影響范圍較大的沙塵暴天氣過程其沙源均在境外，即外源型；而內(nèi)源型沙塵暴主要沙源地在南疆的塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區(qū)、北疆的準(zhǔn)噶爾盆地南沿、甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古干燥沙漠及青海柴達(dá)木盆地等地，此外，土質(zhì)干燥松散、植被稀疏、地表裸露，即風(fēng)土地帶也最容易形成沙塵暴[2]。春季沙塵暴一般持續(xù)時(shí)間長、影響范圍大，主要影響系統(tǒng)是高空槽、蒙古冷渦和地面冷鋒；夏季沙塵暴一般出現(xiàn)時(shí)間短、范圍小，影響系統(tǒng)主要是高空小槽、切變線及熱低壓[3-6]。我國西北地區(qū)沙塵暴多發(fā)于春季，春季冷空氣能否翻越帕米爾高原和天山進(jìn)入南疆是強(qiáng)風(fēng)暴是否產(chǎn)生的關(guān)鍵[7]，西風(fēng)急流也是影響沙塵天氣的動力因子，高層天氣系統(tǒng)的季節(jié)性變化導(dǎo)致其位置及強(qiáng)弱變化，從而導(dǎo)致沙塵天氣的季節(jié)性南北移動[8]。在大環(huán)流背景形勢一致的情況下高空引導(dǎo)氣流、低層冷空氣以及局地地形作用是導(dǎo)致沙塵傳輸出現(xiàn)差異的主要影響因素[9]，而回流沙塵主要受大氣中低層偏南風(fēng)輸送帶的影響，且主要傳輸高度在1 km以下[10]。同時(shí)對流層中層風(fēng)場有大風(fēng)區(qū)且強(qiáng)風(fēng)經(jīng)動量下傳入侵到低層也是造成沙塵暴的一個(gè)原因[11]。研究表明大氣層結(jié)不穩(wěn)定，會加大動量下傳和風(fēng)速，對沙塵暴的發(fā)生發(fā)展有一定貢獻(xiàn)[12-13]。水平螺旋度作為大氣層結(jié)動力診斷量是開展沙塵暴研究的主要物理量之一[14]，通過對螺旋度的診斷表明，沙塵暴區(qū)上空螺旋度垂直分布為高層負(fù)值、低層正值，且高層螺旋度負(fù)值中心大小的演變對應(yīng)沙塵暴的強(qiáng)弱[15]；低層螺旋度正值中心變化對強(qiáng)沙塵暴預(yù)報(bào)有一定指示作用，且沙塵暴區(qū)位于低層螺旋度正值中心南側(cè)，沙塵暴爆發(fā)時(shí)，隨著螺旋度中心值增大沙塵暴強(qiáng)度增強(qiáng)，對沙塵暴爆發(fā)區(qū)有較好的指示意義[16]。

近40 a來中國北方沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)出一致減少趨勢[17]，自2001年開始我國降水格局出現(xiàn)了年代尺度的轉(zhuǎn)折性變化，南旱北澇的格局基本形成，西北地區(qū)氣候暖濕化轉(zhuǎn)變、生態(tài)環(huán)境逐步轉(zhuǎn)好且沙塵暴日趨減少的氣候背景不利于大范圍強(qiáng)沙塵暴的產(chǎn)生[18]。但2021年3月14—18日我國北方地區(qū)出現(xiàn)了近10 a來最強(qiáng)的沙塵暴天氣，且持續(xù)時(shí)間長、涉及范圍廣，造成的影響巨大，其影響機(jī)制明顯有別于以往的沙塵暴過程，因此有必要對此次天氣進(jìn)行分析，以期對北方沙塵天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作提供支撐。

1 資料和方法

1.1 資 料

(1)美國國家航天航空局(NASA)地球觀測系統(tǒng)計(jì)劃發(fā)布的MODIS植被覆蓋產(chǎn)品集(MOD13)，其空間分辨率為50 km，時(shí)間分辨率為30 d，時(shí)間序列為2000—2021年，用于此次沙塵過程前期地表狀況分析。

(2)地面觀測數(shù)據(jù)為2021年3月14—18日逐小時(shí)自動觀測站資料及2011—2021年2月逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)、PM10質(zhì)量濃度資料，用于地面要素對比分析。

(3)風(fēng)云4A多通道合成圖像，用于天氣實(shí)況分析。

(4)再分析資料采用NCEP FNL(National Center for Environmental Prediction, global final analysis)，空間分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為6 h，用于環(huán)流場及物理量場分析。

文中圖1和圖6底圖由中國氣象局國家氣象信息中心定制生成，中華人民共和國自然資源部審核批準(zhǔn)，審圖號為GS(2019)3082號，地圖內(nèi)容審查意見書為國審字(2019)第3488號；其余涉及地圖的附圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)3320號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。文中標(biāo)注時(shí)間均為北京時(shí)。

1.2 方 法

螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動的動力特征物理量，其嚴(yán)格定義為風(fēng)場與渦度點(diǎn)乘的體積分[19-21]。

螺旋度的大小反映流體旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動的強(qiáng)弱程度，其單位為m2·s-2。通常所說的螺旋度是局地螺旋度h，其計(jì)算公式如下：

(1)

公式(1)右邊3項(xiàng)分別與x,y,z方向的風(fēng)速和渦度的分量聯(lián)系在一起，其中x和y方向合稱為水平螺旋度，z方向稱為垂直螺旋度。文中采用水平螺旋度分析沙塵暴移動方向及沙塵暴發(fā)生區(qū)域。

2 天氣實(shí)況

2021年3月14—18日受蒙古氣旋影響，我國北方地區(qū)發(fā)生了一次大范圍的強(qiáng)沙塵天氣。此次天氣過程呈現(xiàn)3個(gè)特點(diǎn)：影響范圍廣，波及西北、華北、東北等地共10多個(gè)省市，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西、山西、河北、北京、天津等地均位于明顯的沙塵影響之中；沙塵強(qiáng)度強(qiáng)，西北和華北出現(xiàn)揚(yáng)沙和沙塵暴的站數(shù)占其總站數(shù)的75%以上，且分別出現(xiàn)26站次、22站次強(qiáng)沙塵暴(能見度小于500 m)；第三是持續(xù)時(shí)間長，自14日20:00出現(xiàn)大范圍的沙塵天氣到18日08:00基本結(jié)束，沙塵持續(xù)時(shí)間超過80 h。

14日05:00開始(圖略)，蒙古國西部開始出現(xiàn)沙塵天氣，部分站點(diǎn)出現(xiàn)沙塵暴，之后逐漸東移，11:00—20:00蒙古國中南部區(qū)域幾乎全部出現(xiàn)沙塵暴；20:00開始[圖1(a)]，蒙古國境內(nèi)沙塵天氣維持，我國內(nèi)蒙古北部邊境開始出現(xiàn)沙塵天氣，二連浩特最低能見度400 m；之后沙塵天氣東移南壓。15日08:00[圖1(b)]，沙塵區(qū)域已經(jīng)明顯南壓入侵我國北方地區(qū)，內(nèi)蒙古中西部、甘肅河西、寧夏、陜西北部及華北北部籠罩在沙塵中，能見度迅速降低，其中北京市能見度降至400 m，出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴天氣；20:00[圖1(c)]，內(nèi)蒙古東部及東北大部出現(xiàn)降水天氣,華北北部能見度迅速轉(zhuǎn)好，沙塵南壓至華北南部，以揚(yáng)沙和浮塵為主，能見度在3～6 km，而西北地區(qū)沙塵范圍反而增大，向西擴(kuò)展至南疆盆地，向南擴(kuò)散至陜西中部。16日08:00[圖1(d)]，華北地區(qū)沙塵天氣影響減弱，除山西省中南部、河北省南部受浮塵、揚(yáng)沙影響，其余地方能見度均在16 km以上，而西北地區(qū)能見度進(jìn)一步降低，由揚(yáng)沙浮塵增強(qiáng)為沙塵暴；20:00[圖1(e)]，華北地區(qū)沙塵天氣過程已經(jīng)完全結(jié)束，西北地區(qū)能見度雖有好轉(zhuǎn)，但仍以揚(yáng)沙和浮塵為主。17日08:00[圖1(f)]，西北地區(qū)沙塵范圍略微南壓，北部沙塵邊界收縮至寧夏、陜西境內(nèi)，能見度上升至4～6 km。18日08:00[圖1(h)]，只有南疆盆地小部分地方及河西走廊東段受浮塵揚(yáng)沙影響，其余地區(qū)能見度上升至10 km以上，影響西北地區(qū)的沙塵天氣基本趨于結(jié)束。

圖1 2021年3月14日20:00至18日08:00地面風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)及能見度(數(shù)值，單位：km)(陰影為揚(yáng)沙、沙塵暴區(qū)域)

3 前期氣象條件

3.1 中國境內(nèi)站點(diǎn)前期氣溫及降水情況

通過統(tǒng)計(jì)分析沙塵發(fā)生前一個(gè)月我國北方平均氣溫與近10 a同期差值[圖2(a)]發(fā)現(xiàn)，2021年2月12日至3月12日西北、華北及東北地區(qū)平均氣溫較往年明顯偏高，其中新疆東部、甘肅河西走廊、寧夏、陜西北部及河北北部平均氣溫偏高4～6 ℃，內(nèi)蒙古中西部大部平均氣溫異常偏高6～8 ℃。累計(jì)降水量與近10 a同期差值的空間分布[圖2(b)]顯示，西北地區(qū)大部降水量較歷年同期平均明顯偏少，大部分地方偏少1～3 mm。如酒泉站、銀川站10 a平均累計(jì)降水量分別為1.4、1.5 mm，而2021年此時(shí)段累計(jì)降水量均為0 mm；內(nèi)蒙古中部、河北北部及北京大部地區(qū)降水較往年偏多2～4 mm，但是3月1日后整個(gè)華北地區(qū)無降水產(chǎn)生。

圖2 2021年2月12日至3月12日平均氣溫(a，單位：℃)及累計(jì)降水(b，單位：mm)與10 a(2010—2020年)同期差值分布

3.2 植被覆蓋情況

由于無法獲取蒙古國長時(shí)間序列的實(shí)況資料，文中利用NASA的MODIS植被覆蓋產(chǎn)品代替前期氣象條件的分析。

借鑒趙軍等[22]植被覆蓋劃分標(biāo)準(zhǔn)：植被覆蓋度小于等于0.1，相當(dāng)于高強(qiáng)度沙漠化土地、裸巖、裸土、水域；植被覆蓋度介于0.1與0.3，相當(dāng)于中度沙漠化土地、低產(chǎn)草地及疏林地；植被覆蓋度介于0.3與0.5，相當(dāng)于輕度沙漠化土地、中產(chǎn)草地、低郁閉林地、耕地；植被覆蓋度介于0.5與0.7，相當(dāng)于中高產(chǎn)草地、林地、耕地；植被覆蓋度大于0.7，相當(dāng)于高產(chǎn)草地、林地、耕地。從圖3(a)可以看出，蒙古國大部分地區(qū)植被覆蓋度低于0.1，尤其在中西部和東部與我國接壤的地區(qū)植被覆蓋度低于0.05，甚至出現(xiàn)負(fù)值，參照植被覆蓋劃分表明其土地沙化嚴(yán)重；我國境內(nèi)除內(nèi)蒙古中西部和甘肅省酒泉、民勤等地植被覆蓋度低于0.1外，其余地方植被覆蓋度都高于0.1，其中華北西北部植被覆蓋度超過0.2。為了進(jìn)一步分析此次過程的沙源，對蒙古國和中國北方的植被覆蓋度進(jìn)行區(qū)域平均，可以看出中國北方的植被覆蓋度平均為0.12，明顯高于蒙古國(0.07)，從線性趨勢可以了解到中國北方植被增長率同樣高于蒙古國，且植被覆蓋度在逐年穩(wěn)步上升，而蒙古國植被覆蓋度增長波動區(qū)間大，其中2013年植被覆蓋度僅為0.056，甚至低于2001年的0.058，可見其植被治理效果收效甚微[圖3(b)]。對于我國境內(nèi)而言,國家自2000年開始大力實(shí)施部署生態(tài)建設(shè)工程，在近21 a的時(shí)間里大部分區(qū)域植被覆蓋度在逐年上升，內(nèi)蒙古植被覆蓋改善面積達(dá)32.82%[23]。

圖3 2021年2月植被覆蓋狀況(a)及蒙古國與中國北方植被覆蓋度逐年變化及線性趨勢(b)(矩形1代表蒙古國，矩形2代表中國北方)

綜上所述，此次沙塵暴天氣過程發(fā)生前，蒙古國及中國北方地區(qū)大范圍的氣溫異常偏高、降水偏少，且處于土壤逐漸解凍時(shí)期，為沙塵天氣的發(fā)生提供了良好的沙源。

4 環(huán)流形勢及云圖特征

4.1 環(huán)流形勢

2021年3月14日08:00[圖4(a)]，500 hPa高度場上，歐亞大陸整體呈“兩脊一槽”形勢，極渦位于泰梅爾半島附近，其底部東移的短波槽位于貝加爾湖以西，中心(508 dagpm)位于98°E、52°N，槽前最大風(fēng)速達(dá)42 m·s-1，中緯度地區(qū)基本處于平直的緯向環(huán)流控制下；20:00[圖4(b)]，短波槽東移南壓，中心移至110°E、48°N，中心強(qiáng)度基本不變，等高線密集度顯著增大(約為5 dagpm/緯度)，槽前最大風(fēng)速達(dá)42 m·s-1，對應(yīng)地面蒙古國出現(xiàn)大范圍的沙塵天氣。15日08:00[圖4(c)]，短波槽進(jìn)一步加強(qiáng)形成蒙古氣旋，中心強(qiáng)度達(dá)到504 dagpm，且東移南壓，中心移至120°E、48°N，等高線密集度仍保持在5 dagpm/緯度，槽底及槽前最大風(fēng)速達(dá)40 m·s-1；20:00[圖4(d)]，蒙古氣旋繼續(xù)東移且有所南壓，中心移至126°E、47°N，等高線密集度繼續(xù)保持，受其影響，東北地區(qū)風(fēng)速增大，之后其對我國的影響逐漸結(jié)束。

圖4 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20：00(d)500 hPa位勢高度(黑實(shí)線，單位：dagpm)、溫度(紅虛線，單位：℃)及風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

16日08:00以后，500 hPa高度上，除東北地區(qū)仍受蒙古氣旋影響外，歐亞大陸基本處于平直的緯向環(huán)流控制下，風(fēng)速在20 m·s-1左右，直至18日08:00，新疆南部、甘肅北部、內(nèi)蒙古中西部等地風(fēng)速均小于20 m·s-1。700 hPa的環(huán)流形勢(圖5)也同樣類似，華北地區(qū)主要受蒙古氣旋后部的西北大風(fēng)影響，風(fēng)速基本在24 m·s-1以上，低渦影響結(jié)束后風(fēng)速明顯減小，同時(shí)沙塵影響也趨于結(jié)束；西北地區(qū)主要受偏北風(fēng)和回流東風(fēng)影響，且風(fēng)速(8～10 m·s-1)明顯小于華北地區(qū)，并隨著時(shí)間推移減小至4～6 m·s-1，但沙塵天氣持續(xù)至18日。

圖5 2021年3月14日20:00(a)、15日08:00(b)及16日08;00(c)、20:00(d)700 hPa溫度場(實(shí)線，單位：℃)和風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

4.2 衛(wèi)星云圖特征

風(fēng)云4A真彩色圖像為國家衛(wèi)星氣象中心采用改進(jìn)的AGRI真彩色算法將波長為0.47、0.65和0.82 μm通道進(jìn)行合成后的RGB真彩色圖[24]，符合人眼觀察世界的規(guī)律，能夠很好地觀察地表目標(biāo)類型[25]。從3月14日16:15的云圖[圖6(a)]可以看出，對應(yīng)高空的蒙古氣旋，蒙古國上空形成一個(gè)明顯的鋒面云系，云系下方隱約呈現(xiàn)出黃色沙帶，正好對應(yīng)蒙古國地面產(chǎn)生的大范圍沙塵暴天氣。15日15:34[圖6(b)]，鋒面云系東移，鋒后風(fēng)速減小，我國北方大部上空形成一條明顯的沙帶，南北寬度約300～700 km，且沙塵帶較為密實(shí)，表明上游的大風(fēng)天氣將沙塵裹挾至高空，華北及其以東的沙帶隨著大風(fēng)減弱消散，但是西北地區(qū)上空并沒有消散。16日12:53[圖6(c)]，沙塵帶不再密實(shí)，華北大部上空已經(jīng)消散，而西北地區(qū)的沙塵帶有所南壓，主要維持在甘肅中東部、內(nèi)蒙古中部及寧夏一帶。17日12:30[圖6(d)]，蒙古國南部出現(xiàn)浮塵天氣，合成圖上沙塵帶的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，蒙古南部、內(nèi)蒙古中西部、甘肅大部及南疆均處于沙塵覆蓋之下。

圖6 2021年3月14日16:15(a)、15日15:34(b)、16日12:53(c)及17日12:30(d)風(fēng)云4A真彩圖像

可以看出，極渦底部的短波槽東移加強(qiáng)，促使蒙古氣旋強(qiáng)烈發(fā)展，是造成此次大風(fēng)沙塵天氣的主要原因。此次沙塵天氣可分為兩個(gè)階段：第一階段是15日20:00之前，蒙古國、內(nèi)蒙古中東部、華北地區(qū)伴隨冷鋒過境時(shí)的大風(fēng)，出現(xiàn)沙塵天氣；第二階段是15日20:00之后，北方大部風(fēng)速減小，不具備產(chǎn)生沙塵天氣的條件，但受前期大風(fēng)吹起沙塵向南移動的影響，西北大部雖然風(fēng)速較小，仍然出現(xiàn)了沙塵天氣。

5 物理量對比

5.1 水平螺旋度

螺旋度是表征大氣邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動的動力特征物理量。它比渦度包含了更多輻散風(fēng)效應(yīng)，更能體現(xiàn)大氣的運(yùn)動狀況[26]。王錫穩(wěn)等[6]研究表明，螺旋度對沙塵暴有較好的指示意義，螺旋度正值越大，大氣不穩(wěn)定性越強(qiáng)，出現(xiàn)沙塵暴的可能性越大。3月14—18日，北方大部分區(qū)域均處于水平螺旋度正值區(qū)，14日08:00[圖7(a)]，水平螺旋度大值區(qū)位于蒙古國西部，中心數(shù)值達(dá)5×10-1m2·s-2，700 hPa與500 hPa溫度差等值線密集度在此區(qū)域達(dá)到最大，而溫度差等值線越密集大氣不穩(wěn)定度越大；14日20:00[圖7(b)]，水平螺旋度大值區(qū)東移，范圍擴(kuò)大，700 hPa與500 hPa溫度差等值線密集區(qū)東移，位于蒙古國東部，與發(fā)生沙塵區(qū)域相對應(yīng)；15日08:00[圖7(c)]，水平螺旋度大值區(qū)東移進(jìn)入我國華北地區(qū)，中心數(shù)值為4×10-1m2·s-2，此時(shí)沙塵已控制華北大部分地區(qū)，華中和西北地區(qū)北部，溫差等值線密集區(qū)南壓；15日20:00[圖7(d)]，水平螺旋度大值區(qū)已從華北轉(zhuǎn)移至西北地區(qū)，大值中心位于寧夏回族自治區(qū)，中心數(shù)值為4×10-1m2·s-2，溫差等值線密集區(qū)與水平螺旋度大值區(qū)變化一致。結(jié)合實(shí)況沙塵天氣出現(xiàn)范圍可以看出，螺旋度大值區(qū)與700 hPa與500 hPa溫度差等值線密集帶正對應(yīng)沙塵暴最強(qiáng)區(qū)域。結(jié)合強(qiáng)螺旋度演變來看，大范圍沙塵天氣的發(fā)生從蒙古國開始，之后逐漸東移南壓，15日08:00南壓的沙塵在華北達(dá)到最強(qiáng)，之后逐漸減弱，對應(yīng)沙塵天氣發(fā)生的第一階段。而沙塵天氣的第二階段，螺旋度值均較小，大氣不穩(wěn)定性較弱，本地起沙條件能力較弱。

圖7 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20:00(d)水平螺旋度(填色，單位：10-1 m2·s-2)及700 hPa與500 hPa溫差(實(shí)線，單位：℃)

5.2 混合層高度

混合層高度是表征污染物在垂直方向被熱力和動力湍流輸送所能到達(dá)的高度，是影響污染物擴(kuò)散的重要參數(shù)[27]。混合層高度越低，越不利于污染物在垂直方向的擴(kuò)散，容易造成污染物堆積，反之混合層高度越高，越有利于污染物擴(kuò)散[28]。文中混合層高度取自NCEP FNL中的HPBLsfc(surface planetary boundary layer height, https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/index.html#sfol-wl-/data/ds083.2?g=22021)。一般情況下，混合層高度有明顯的日變化，白天大氣湍流作用不斷增強(qiáng)，混合層高度不斷增高；夜間湍流作用下降，混合層高度隨之降低?；旌蠈痈叨韧瑯涌梢员碚魃硥m天氣的影響，3月14日08:00[圖8(a)]，蒙古國沙塵天氣發(fā)生時(shí)，其大部分地方混合層高度低于300 m，大風(fēng)將沙塵吹起后不易擴(kuò)散，更容易在其上空造成堆積，這可能是沙塵暴天氣發(fā)生時(shí)容易形成沙墻的原因；14:00到15日02:00[圖8(b)、圖8(c)、圖8(d)]，蒙古國上空混合層高度基本維持在1000 m以上，此時(shí)段利于沙塵粒子的擴(kuò)散，一方面容易把沙塵粒子吹到更高的高度，另一方面也容易隨大風(fēng)將沙塵粒子向下游傳播；14日20:00至15日08:00[圖8(c)、圖8(d)]，甘肅以東38°N—42°N區(qū)域逐漸形成一條混合層高度在50～500 m的低值帶，受蒙古國向南傳輸?shù)纳硥m及15日02:00內(nèi)蒙古再次增強(qiáng)的沙塵影響，沙塵粒子在此范圍集聚，形成一條明顯的沙帶；15日14:00[圖8(e)]，北方大部混合層高度超過1000 m，華北東北受偏北大風(fēng)影響，沙塵進(jìn)一步向東南方向擴(kuò)散，而地處西北地區(qū)的甘肅、寧夏大部處于槽后反氣旋環(huán)流的底部，受偏南風(fēng)影響，北方的沙帶穩(wěn)定少動，混合層高度條件利于沙塵向高空擴(kuò)散；20:00以后[圖8(f)]，西北地區(qū)混合層高度大多低于300 m，不利于沙塵粒子的擴(kuò)散，并一直持續(xù)至18日。

圖8 2021年3月14日08:00(a)、14:00(b)、20:00(c)與15日02:00(d)、14:00(e)及16日02:00(f)混合層高度(等值線，單位：m)和700 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

5.3 垂直速度

為了分析沙塵自西北向東南的發(fā)展趨勢，自蒙古國肯特省溫都爾汗西部(47°N、110°E)至中國河北廊坊三河市(40°N,117°E)做垂直速度剖面?？梢钥闯?，14日08:00—14:00[圖9(a)、圖9(b)]，44°N以北有明顯的上升運(yùn)動，且一直延伸至300 hPa以上，700 hPa最大上升速度達(dá)2 Pa·s-1，表明此時(shí)大風(fēng)將沙塵吹起，并向高空輸送；14日20:00至15日08:00[圖9(c)、圖9(d)]，44°N以南區(qū)域基本以下沉氣流為主，上升運(yùn)動不明顯，表明44°N以南區(qū)域基本上受上游沙塵輸送影響，本地沙塵貢獻(xiàn)很小。同時(shí)為了揭示西北地區(qū)沙塵由北向南的發(fā)展過程，沿104°E做垂直速度剖面?？梢钥闯觯?4日08:00至15日02:00[圖10(a)、圖10(b)]，42°N以北區(qū)域有明顯上升運(yùn)動，中心最大上升速度為2 Pa·s-1，且一直延伸至300 hPa以上，對應(yīng)此時(shí)段的蒙古國沙塵暴，強(qiáng)垂直運(yùn)動將沙塵向高層輸送；15日08:00—20:00[圖10(c)、圖10(d)]，42°N以南區(qū)域低層表現(xiàn)為弱上升運(yùn)動，中高層為下沉運(yùn)動，這為沙塵沉降提供了條件，16日02:00以后[圖10(e)、圖10(f)]，42°N以南區(qū)域上升運(yùn)動轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動，更利于沙塵沉降，充分說明本地沙塵的貢獻(xiàn)很小。

圖9 2021年3月14日08:00(a)、14:00(b)、20:00(c)及15日08:00(d)華北地區(qū)垂直速度斜剖面(陰影為地形；垂直速度為等值線，單位: Pa·s-1)

圖10 2021年3月14日08:00(a)、20:00(b)及15日08:00(c)、20:00(d)以及16日08:00(e)、20:00(f)西北地區(qū)垂直速度沿104°E的經(jīng)向剖面 (陰影為地形；等值線為垂直速度，單位: Pa·s-1)

通過對螺旋度、穩(wěn)定層高度及垂直速度的分析表明，第一階段的沙塵由蒙古國吹起，在其國內(nèi)集聚，之后隨大風(fēng)向東南方向擴(kuò)散，14日20:00與內(nèi)蒙古中部吹起的沙塵疊加，共同影響華北及東北地區(qū)；而第二階段沙塵是第一階段的延續(xù)，吹起的沙塵受穩(wěn)定層高度影響，在甘肅以東38°N—42°N區(qū)域形成一條沙帶，之后緩慢東移南壓，造成西北地區(qū)大范圍沙塵天氣持續(xù)。

5.4 沙塵溯源

為了說明此次沙塵來源及其在不同高度的傳輸軌跡，利用美國大氣海洋局研制的HYSPLIT軌跡模式分別計(jì)算沙塵到達(dá)北京的24 h后向軌跡和到達(dá)蘭州的48 h后向軌跡。每天計(jì)算4個(gè)時(shí)次，間隔6 h。軌跡的起始高度分別為距離地面100、500和1000 m。北京[圖11(a)]沙塵軌跡的路線和方向表示氣團(tuán)到達(dá)北京以前所經(jīng)過的地區(qū)，根據(jù)其長短可以判斷氣團(tuán)移動速度，長軌跡對應(yīng)移動快的氣團(tuán)，短軌跡表示移動緩慢的氣團(tuán)，3條不同高度的軌跡其來源都為西北方向，且移動速度較快，移動過程中氣團(tuán)下沉，攜帶的沙塵也隨軌跡不斷沉降，對應(yīng)蒙古氣旋和地面冷鋒快速移動及低層下沉運(yùn)動，氣團(tuán)從俄羅斯北部快速移動進(jìn)入蒙古國境內(nèi)，夾卷蒙古國沙塵進(jìn)入我國內(nèi)蒙古、河北直至北京。蘭州市3條不同高度沙塵傳播軌跡明顯不同于北京[圖11(b)]，其移動方向和移動速度與天氣系統(tǒng)的影響密切相關(guān)，距離地面100 m沙塵移動速度慢，其沙塵來源于寧夏地區(qū)，自東至西受高壓下部回流東風(fēng)影響，隨后受偏北風(fēng)影響南下進(jìn)入蘭州，同時(shí)受低層弱上升運(yùn)動影響，沙塵不易沉降，距離地面500、1000 m的沙塵傳播軌跡相似，前期受高壓前部偏北風(fēng)影響快速南下，之后受高壓下部偏東風(fēng)影響向西傳播，隨后在偏北風(fēng)影響下南下影響蘭州，在西進(jìn)和南下過程中風(fēng)速明顯小于高壓前偏北風(fēng)，移速較慢。

圖11 北京(a)和蘭州(b)沙塵后向軌跡聚類分布(紅色、藍(lán)色、綠色實(shí)線分別為距離地面100、500及1000 m 沙塵軌跡)

6 結(jié) 論

(1)前期干旱少雨、氣溫偏高是造成此次沙塵天氣過程的重要原因，植被覆蓋度偏低的蒙古國中南部為強(qiáng)沙塵天氣的發(fā)生提供了很好的沙源。

(2)此次我國沙塵暴天氣的主要成因是蒙古氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展，其底部偏北大風(fēng)攜帶上游沙塵一路南下。

(3)沙塵過程分為兩個(gè)階段：第一階段由地面冷鋒后部的大風(fēng)過境造成，集中發(fā)生在華北、東北等地；第二階段是第一階段的延續(xù)，主要受前期沒有消散的高空沙塵南壓擴(kuò)散及回流造成，集中發(fā)生在西北地區(qū)。

(4)水平螺旋度、邊界層高度、垂直速度及沙塵后向軌跡分析表明，我國大部分地區(qū)的起沙條件較弱，沙塵主要為外來輸入。我國東部地區(qū)沙塵主要由蒙古國南部區(qū)域起沙貢獻(xiàn)；而西北地區(qū)沙塵主要是蒙古國及其自身產(chǎn)生的沙塵貢獻(xiàn)。