河西走廊一次大風(fēng)沙塵天氣診斷分析

安婷婷 ，郭萍萍 ，丁 凡 ，崔 宇

（1.甘肅省張掖市氣象局，甘肅 張掖 734000；2.山東省日照市氣象局，山東 日照 276800；3.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州730020）

沙塵天氣是指風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中，使空氣混濁的一種天氣現(xiàn)象的統(tǒng)稱，包括浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴。其中，沙塵暴是一種災(zāi)害性天氣，所引發(fā)的氣候?qū)W效應(yīng)對人類生存環(huán)境、社會經(jīng)濟活動均能造成一定影響, 是不可忽視的大氣和生態(tài)環(huán)境問題之一。通過對高、低空環(huán)流形勢，物理量場及衛(wèi)星云圖等資料進行分析，為提高大風(fēng)沙塵天氣過程的預(yù)報預(yù)警水平提供理論參考。

1 天氣實況

2018年3月19日甘肅省河西走廊大部及白銀、蘭州等地出現(xiàn)區(qū)域性大風(fēng)沙塵天氣，其中肅北、肅州區(qū)、高臺、臨澤、肅南出現(xiàn)浮塵，金塔、玉門、甘州區(qū)、永昌、白銀、景泰、靖遠、皋蘭出現(xiàn)揚沙，涼州區(qū)出現(xiàn)沙塵暴，民勤出現(xiàn)強沙塵暴，其最小能見度不足400m；最大風(fēng)速出現(xiàn)在烏鞘嶺達23m/s，其次是玉門、永昌、民勤達20m/s。此次大風(fēng)沙塵天氣風(fēng)速大，能見度低，對交通運輸、設(shè)施農(nóng)業(yè)及群眾生活產(chǎn)生了不利影響。

2 環(huán)流形勢

2.1 高空形勢

17日08時500hPa形勢場上，亞歐中高緯地區(qū)呈兩槽一脊型，烏拉爾山附近為高空淺脊控制，巴爾喀什湖西部的低渦東移至我國新疆邊境，低渦底部衍生出一條東北-西南走向的槽，該低渦和槽東移南壓并逐漸減弱。19日08時低渦減弱消失，槽東移至甘新交界處，槽后冷空氣沿西北氣流下滑（如圖1a所示），有利于增強地面風(fēng)速。對應(yīng)在700hPa上，有一冷溫槽位于甘新交界處（如圖1b所示），冷溫槽附近等溫線密集，且溫度梯度逐漸增大，至20時達最強。溫度梯度越大，鋒區(qū)強度越強，越有利于加大地面風(fēng)速。20日08時500hPa低槽移出甘肅省。

圖1 2018年3月19日08時高空形勢（a:500hPa,b:700hPa）

另外，19日08時300hPa河西走廊西部存在一條大風(fēng)速帶，風(fēng)速最大值出現(xiàn)在敦煌，達56m/s，有利于動量下傳，從而造成地面風(fēng)速增大。

2.2 地面形勢

從冷鋒動態(tài)圖（如圖2a所示）可以看出，3月18日20時，地面冷鋒開始進入河西走廊西部，并東移南壓。19日08時海平面氣壓場上貝加爾湖附近有一閉合的冷高壓中心，中心值達1044hPa；冷鋒移至河西走廊中部，繼續(xù)東移。至14時，冷鋒移至河西走廊東部，并在武威附近生成一閉合低壓中心，中心值達1010hPa，對應(yīng)形成一低壓倒槽。17時（如圖2b所示），低壓東移南壓至甘肅中部并繼續(xù)發(fā)展，中心值達1005hPa，低壓頂部等壓線密集，氣壓梯度越大則梯度風(fēng)越強，越有利于地面風(fēng)速加強。同時，冷鋒入侵，水平溫度梯度增大，使熱成風(fēng)加速并加強了大氣的斜壓性，從而加大了地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)，更加劇了強沙塵暴的發(fā)展。這與錢莉[1]等人通過對河西走廊東部強沙塵暴天氣的分析結(jié)論一致。

圖2 a:冷鋒動態(tài)圖,b:2018年3月19日17時地面圖

綜上所述，此次大風(fēng)沙塵天氣屬于典型的冷鋒后偏西大風(fēng)型。500hPa低槽、700hPa強鋒區(qū)、地面冷鋒和冷高壓是產(chǎn)生此次大風(fēng)沙塵天氣的主要影響系統(tǒng)。另外，300hPa強風(fēng)速帶也是此次大風(fēng)沙塵天氣形成的有利因素。

3 要素場變化特征

3.1 三小時變壓

三小時變壓反映了氣壓場的最新變化，代表了冷暖空氣演變的最新動態(tài)。鋒后三小時正變壓越大，大風(fēng)沙塵天氣越強。19日08時，河西走廊西部三小時變壓達+2.8hPa，河西走廊中東部三小時變壓均小于零，正負變壓差達4.1hPa；冷空氣逐步東移南壓，11時張掖以西為正變壓，最大達+3.1hPa，張掖以東為負變壓，正負變壓差達5.2hPa；14時冷空氣移至河西走廊中部，三小時變壓達+2.7hPa，正負變壓差為6.4hPa；17時冷空氣東移南壓至河西走廊中東部，三小時變壓達+4.5hPa，正負變壓差為8.3hPa，達到最大。正負變壓差越大即變壓梯度越大，則變壓風(fēng)越強，越有利于大風(fēng)加強。王伏村[2]在甘肅河西走廊一次特強沙塵暴的診斷分析中發(fā)現(xiàn):由于在強鋒區(qū)附近,地轉(zhuǎn)關(guān)系破壞,大風(fēng)沙塵暴天氣主要出現(xiàn)在變壓梯度大,即變壓風(fēng)大的區(qū)域,變壓風(fēng)是產(chǎn)生地面強風(fēng)的主要成分。另外，正負三小時變壓中心連線的方向代表著冷空氣移動方向,也是大風(fēng)沙塵暴移動的方向。從三小時變壓圖中可以看出此次過程自西北向東南方向移動。

3.2 單站三線圖

從民勤站地面三線圖可以看出：19日14時至20時，由于地面冷鋒過境造成民勤站溫度驟降13℃，氣壓涌升16hPa。午后太陽輻射強，下墊面迅速升溫，近地層空氣受熱也快，使得大氣層結(jié)變得極不穩(wěn)定，有利于大風(fēng)沙塵天氣的產(chǎn)生和加強。劉開福[3]等人對黑風(fēng)暴前6h的天氣系統(tǒng)躍變的分析也證實了這一點。

綜上，鋒后三小時正變壓越大、變壓梯度越強,越有利于大風(fēng)沙塵天氣的形成和加強。

4 物理量診斷分析

4.1 渦度場

渦度是表征空氣質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)特征的物理量，根據(jù)渦度變化可大致知道氣壓變化。19日08時300hPa渦度場上，新疆東部有一正渦度中心，最強達140×10-6s-1。相應(yīng)的500hPa和700hPa渦度場上也有正渦度中心位于新疆東部，中心值分別達120×10-6s-1和40×10-6s-1。通過以上分析可以得出：新疆東部存在深厚的正渦度區(qū)，說明整層大氣有明顯的輻合上升運動，有利于大風(fēng)沙塵天氣的形成和加強。正渦度區(qū)東移南壓，影響河西走廊。

4.2 散度場

19日08時，300hPa散度場上新疆東部至河西走廊西部散度大于零，正散度中心位于甘新交界處，中心值達70×10-6s-1；700hPa河西走廊西部散度小于零，負散度中心位于酒泉，中心值達-30×10-6s-1。這種低層輻合、高層輻散的高低空配置有利于上升運動，增加大氣的不穩(wěn)定性，有利于大風(fēng)沙塵的發(fā)生發(fā)展。

4.3 垂直速度場

19日08時，河西走廊中西部從底層到高層一致表現(xiàn)為垂直速度小于零，即均為上升運動。500hPa 酒泉附近上升運動最強，達-50×10-3hPa·s-1。上升運動越強，越有利于大風(fēng)沙塵的發(fā)生發(fā)展。上升運動區(qū)東移，影響河套地區(qū)。17時民勤出現(xiàn)能見度不足400m的強沙塵暴，該地區(qū)有明顯的上升運動，殷雪蓮[4]在西北地區(qū)一次強沙塵暴天氣的成因分析中提出強上升運動區(qū)即為沙塵暴區(qū)。綜上，上升運動區(qū)與沙塵暴天氣發(fā)生區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，垂直上升速度區(qū)越強，對應(yīng)的沙塵暴天氣越強，上升運動區(qū)的移動方向?qū)ι硥m暴發(fā)生區(qū)的移動路徑具有較好的指示意義。

4.4 鋒生

鋒生是指密度不連續(xù)形成的一種過程，或是指已有的一條鋒面，其溫度（或位溫）水平梯度加大的過程。王伏村[5]等人的研究表明，鋒生過程使鋒面次級環(huán)流加強，有利于大風(fēng)沙塵天氣的形成和增強。19日08時700hPa河西走廊西部鋒生函數(shù)大于零，中心值達 20×10-5K·m-1，有鋒生作用，溫度水平梯度將加大，有利于大風(fēng)沙塵天氣的產(chǎn)生和增強。

4.5 700hPa與500hPa的溫度差

從19日08時700hPa與500hPa的溫度差可以看出，河西走廊大部溫差達到20℃，最大溫差達到23℃，大氣具有熱力不穩(wěn)定特征。溫差越大，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。強熱力不穩(wěn)定有利于沙塵的卷起[6]。

4.6 T-lnP圖

分析19日張掖站T-lnP圖可見，溫度層結(jié)曲線和露點層結(jié)曲線呈“喇叭口”狀，空氣干燥，有利于地面大風(fēng)的生成。從T-lnP圖上也可以看出高空風(fēng)速較大，而且高低空有明顯的垂直風(fēng)切變，有利于地面風(fēng)速增大。

另外，此次大風(fēng)沙塵天氣爆發(fā)前期，河西走廊地區(qū)地面增溫顯著，當(dāng)有冷空氣過境時，易形成“上冷下暖”的不穩(wěn)定大氣層結(jié)，有利于高空強風(fēng)動量下傳[7]，進而激發(fā)大風(fēng)沙塵天氣。

5 衛(wèi)星云圖

分析衛(wèi)星云圖紅外圖像的演變過程可見，19日03時，酒泉西部出現(xiàn)塊狀云系，云系東移發(fā)展；06時形成東北-西南走向的帶狀云系（如圖3a所示），云系南部移速快于北部移速，于16時轉(zhuǎn)為南北走向，云系邊界模糊；東移過程中冷鋒云系不斷發(fā)展，至20時冷鋒云系后邊界光滑整齊，強度達到最強（如圖3b所示）；23時移出河西走廊。衛(wèi)星云圖的演變對大風(fēng)沙塵天氣的影響范圍及移動路徑等有較好反映，為短時臨近預(yù)報提供了依據(jù)。

圖3 3月19日衛(wèi)星云圖（a:06時b:20時）

6 小結(jié)

1）此次大風(fēng)沙塵天氣是典型的冷鋒后偏西大風(fēng)型。500hPa 低槽、700hPa強鋒區(qū)、地面冷鋒和冷高壓是產(chǎn)生此次大風(fēng)沙塵天氣的主要影響系統(tǒng)。

2）大風(fēng)是產(chǎn)生沙塵暴的動力條件。高空強鋒區(qū)、動量下傳作用、地面強冷高壓、強梯度風(fēng)、強變壓風(fēng)均有利于大風(fēng)的生成和加強。此外，河西走廊位于祁連山和北山之間的峽谷地帶，冷峰進入河西走廊后，受地形狹管效應(yīng)的作用，使得地面風(fēng)速加大，強度增強。

3）不穩(wěn)定層結(jié)是形成沙塵暴的必要條件之一。深厚的正渦度區(qū)，低層輻合、高層輻散的高低空配置，強烈的上升運動，鋒生及700hPa與500hPa的溫度差達20℃以上等均有利于增強大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性。另外，大風(fēng)沙塵天氣爆發(fā)前，地面增溫顯著，冷空氣過境時，易形成不穩(wěn)定大氣層結(jié)，進而激發(fā)大風(fēng)沙塵天氣。

4）沙源是沙塵暴爆發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)。河西走廊沙源極其豐富，是我國沙塵暴天氣高發(fā)的地方。另外，前期暖干的氣候背景為沙塵暴天氣的爆發(fā)提供了有利條件[8]。春季河西走廊植被稀少，地表裸露，土壤解凍，有利于起沙。

5）衛(wèi)星云圖上有明顯的冷鋒云系東移發(fā)展。衛(wèi)星云圖的演變對大風(fēng)沙塵天氣的影響范圍及移動路徑等有較好反映，為短時臨近預(yù)報提供了依據(jù)。