特強沙塵暴災害性天氣的研究及展望

賀沅平 ,張云偉,顧兆林 ,3* (1.中山大學大氣物理與大氣化學系,廣東 廣州 51075；.西安交通大學環(huán)境科學系,陜西西安 710049；3.中亞大氣科學研究中心,新疆 烏魯木齊 83000)

在地球上,風揚粉塵是一種常見的顆粒污染物,影響著人們的健康和日常生活[1].粉塵活動或風沙運動,與大陸干旱度、地表狀況及局部大氣運動有密切關系.從沙塵活動的空間尺度范圍和持續(xù)時間來看,不同氣象條件下發(fā)展的強風都可能揚起地表粉塵,粉塵活動范圍及時間具有各種尺度.中國西北部干旱、半干旱地區(qū)出現(xiàn)的粉塵活動主要有揚塵和揚沙、塵卷風、塵暴、強沙塵暴等.其中,沙塵暴可分為區(qū)域性沙塵暴以及局地性沙塵暴[2].根據(jù)能見度,沙塵暴又可分為:沙塵暴(0.5～1.0km)、強沙塵暴(0.05～0.5km)、特強沙塵暴(＜0.05km).特強沙塵暴(俗稱黑風暴),大多表現(xiàn)為局地性沙塵暴,是干旱、半干旱地區(qū)突發(fā)性的災害性天氣[3-4].

我國西北的新疆、甘肅、內(nèi)蒙等沙漠源區(qū)及沙漠邊緣地區(qū)時常出現(xiàn)特強沙塵暴災害性天氣.特強沙塵暴天氣過程與撒哈拉地區(qū)出現(xiàn)的哈布以及美國沙漠源區(qū)出現(xiàn)的美國哈布相似,誘發(fā)的關鍵都是存在強對流過程,塵暴來臨時其前緣具有實心粉塵墻的外形,壽命約 30min～1h[5-7].哈布沙暴主要出現(xiàn)在夏季的下午和傍晚,伴有大量沙塵揚起[8-11].特強沙塵暴或哈布沙暴的發(fā)展通常與強風有關,是復雜的天氣過程.形成初期,都有冷空氣密度流(冷鋒)過境,近地層的暖空氣在熱對流作用下進入大氣層,因此攜帶地表面粉塵向上揚起,在沙塵暴的前緣形成一堵高達幾百米的巨大黑墻[12-13].哈布沙暴與中國特強沙塵暴的主要區(qū)別在于冷空氣侵入形成的颮線相對濕度不同[14].蘇丹哈布沙暴和美國哈布沙暴主要發(fā)生在雨季,并伴有雷暴,而中國特強沙塵暴發(fā)生區(qū)大氣較為干燥,很少出現(xiàn)強烈雷暴降水過程.

在中國西北部干旱、半干旱地區(qū),每年的春季為塵暴事件多發(fā)期,大范圍揚沙、沙塵暴天氣等大氣邊界層內(nèi)的粉塵活動具有遠程輸送的特征.影響沙塵暴活動頻率的主要因素包括人類活動以及自然氣候變化[15].目前,對于大范圍揚沙天氣過程研究成果較多[16-19].袁國波[20]對 2001～2015年內(nèi)蒙古的氣象資料進行分析,結果發(fā)現(xiàn)區(qū)域性沙塵暴過程主要出現(xiàn)在冬半年(包括春季和冬季),尤其是春季.對于大范圍沙塵暴來說,出現(xiàn)在春季的次數(shù)占全年總次數(shù)的 97.6%.因而春季沙塵暴的變化動態(tài)就完全可以代表當?shù)厣硥m暴的變化趨勢.對于小范圍沙塵暴來說,出現(xiàn)在春季的次數(shù)占全年總次數(shù)的82.9%.

在夏半年(包括夏季和秋季),大氣邊界層內(nèi)的粉塵活動也比較頻繁,多以局地性沙塵暴或更小的塵卷風形式出現(xiàn).統(tǒng)計分析表明[4],局地性沙塵暴的次數(shù)以及持續(xù)時間在各月份的分布存在差異,夏季發(fā)生頻率最高、持續(xù)時間最長,分別占全年的 72.72%和69.94%,其中,7月和8月出現(xiàn)次數(shù)最多、持續(xù)時間最長.特強沙塵暴多發(fā)生在內(nèi)陸沙漠源地及周圍局部地區(qū).1993年5月5日,在甘肅省河西走廊東部,內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部和寧夏回族自治區(qū)西部與北部地區(qū),出現(xiàn)了一次歷史上罕見的大范圍強沙塵暴天氣,局部地區(qū)發(fā)展成了特強沙塵暴.特強沙塵暴天氣過程研究從此受到廣泛關注[21].

目前關于特強沙塵暴災害性天氣的特征及動力學機制還沒有一致的認識.本文結合目前特強沙塵暴災害性天氣的研究成果,分析特強沙塵暴災害性天氣及其風沙運動特征的幾個基本問題,如特強沙塵暴天氣事件的統(tǒng)計特征、天氣學研究、氣象條件及小尺度動力學觸發(fā)機制數(shù)值模擬、風沙流特征及能量耗散機制、預報方法等,討論尚未厘清的科學問題,以期加深特強沙塵暴天氣過程機理的認識.

1 特強沙塵暴災害性天氣事件的統(tǒng)計特征

劉景濤和鄭明倩[22]認為,黑風暴天氣是平均風速≥20m/s,能見度≤50m 的強沙塵暴天氣,惡劣能見度(≤200m)的水平尺度≥100km,局地持續(xù)時間≥1h.黑風暴天氣是達到最大程度的沙塵暴的一種罕見現(xiàn)象,是一種小概率事件.因此,可以把黑風暴這種短時局地性特強沙塵暴天氣過程,看成是干旱、半干旱地區(qū)突發(fā)性的局地氣象災害事件.

為研究近兩千年來亞洲沙塵暴的變化規(guī)律,陳發(fā)虎等[15]依托距今 2250a的高山湖泊記錄,對比粉塵源區(qū)人口數(shù)量、夏季風降水量和沙塵暴強度研究亞洲沙塵暴的歷史.該研究發(fā)現(xiàn),東亞夏季風增強時,降雨增加,生態(tài)趨好,戰(zhàn)亂減少,王朝興盛,人口迅速增加,農(nóng)業(yè)發(fā)展,開墾草原和荒漠草原為農(nóng)田,林草植被遭到破壞,進而粉塵源區(qū)擴展,最終導致沙塵暴活動快速上升;相反,東亞夏季風減弱時,降雨減少,氣候惡化,國家動亂紛爭,人口迅速減少,沙塵源區(qū)植被恢復,生態(tài)環(huán)境轉好,沙塵暴活動減少.以上研究表明,東亞夏季風降水變化可以產(chǎn)生巨大生態(tài)效應,人口密度與沙塵暴活動具有密切關系.

特強沙塵暴作為一種特殊的中尺度天氣系統(tǒng),與一般沙塵暴相比破壞力極強.它的強大風暴能摧毀房屋、毀壞農(nóng)田,低能見度會引發(fā)交通事故、危及人類生命.根據(jù) 1952～1994年我國西北地區(qū)沙塵暴的個例統(tǒng)計分析,其間發(fā)生強沙塵暴個例67個,其中特強沙塵暴有21個,而影響范圍涉及新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等省(區(qū))的有 1個[21].類似于 1993年 5月5日范圍廣、強度大的局地性特強沙塵暴天氣過程有3次,即1983年4月26～28日、1984年4月24～26日和1993年5月5日,這三個大范圍沙塵暴的典型個例中,1993年5月5日的天氣過程是最具有代表性的特強沙塵暴災害性天氣.

在2010年,中國總人口達13.4億,與1960年6.6億人口相比,翻了一倍[23].人類活動加劇直接導致中國旱地加速擴張,強沙塵暴呈現(xiàn)出不斷增長的態(tài)勢[17].表1是作者整理的2015～2017年期間公開報道的6次典型特強沙塵暴天氣事件發(fā)生的季節(jié)、時段及地點.

表1 6次特強沙塵暴天氣事件發(fā)生的季節(jié)與時段Table 1 The occurring season and time of 6local strong sandstorm events

可以看出,對于特強沙塵暴天氣的發(fā)生地,突發(fā)性沙塵暴天氣經(jīng)常出現(xiàn)在我國西北的新疆、甘肅、內(nèi)蒙等沙漠源區(qū)及沙漠邊緣地區(qū).對于特強沙塵暴天氣發(fā)生的時間,按照季節(jié)來說,一年四季都有可能出現(xiàn)強沙塵暴天氣事件,但春季居多,且多發(fā)生在下午到傍晚時段,特強沙塵暴天氣過程的持續(xù)時間短,一般幾十分鐘.春季容易出現(xiàn)強沙塵暴主要原因包括:經(jīng)歷了冬季的干旱西北區(qū)域地表干燥、春季冷空氣活動頻繁且較為強烈、春季太陽輻射開始增強[14].

圖1展現(xiàn)了特強沙塵暴(黑風暴)天氣過程前緣鋒面的照片.可以看出,在沙塵暴發(fā)生時,天空背景為天氣晴朗或多云條件,沙塵暴前緣沙墻高度在近地層范圍,是大氣中尺度環(huán)流條件與午后地面強烈熱對流耦合作用的結果.沙塵暴中心地帶的能見度不足幾十米,乃至幾米.沙塵暴形成的沙墻高幾十米,前緣沙墻邊界清晰可辨,其上空云層穩(wěn)定.局地性特強沙塵暴天氣事件的規(guī)模或影響范圍有限,通常影響一兩個縣(旗),幾十公里到數(shù)百公里.因此,局地性特強沙塵暴天氣過程的風沙運動通常不具有遠程輸送的特征.

圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)的黑風暴照片F(xiàn)ig.1 The front of black storm occurred in Inner Mongolia

基于1971～2013年夏季河西走廊東部民勤和涼州兩氣象觀測站點的地面氣象資料以及探空資料,李玲萍等[30]選取12個典型沙塵暴事件,民勤和涼州都有沙塵暴過程,統(tǒng)計分析了 6～8月沙塵暴過程中環(huán)境和氣象條件的變化特征以及沙塵暴的出現(xiàn)時間、持續(xù)時間.夏季沙塵暴主要發(fā)生在中小尺度天氣系統(tǒng)引發(fā)的局地熱對流中,下午到晚上地面增溫最明顯,易出現(xiàn)對流不穩(wěn)定,所以這一時段出現(xiàn)的沙塵暴較多,且持續(xù)時間較短.

縱觀上述特強沙塵暴天氣事件出現(xiàn)季節(jié)、時段的統(tǒng)計分析,特強沙塵暴通常在沙塵源區(qū)以及源區(qū)附近發(fā)生,季節(jié)性分布特征顯著,春季居多,且多發(fā)生在下午到傍晚時段,其典型特征為突發(fā)性、局地性,持續(xù)時間相對較短,風沙運動不具有大范圍揚沙天氣的遠程輸送特征,對局地的大氣環(huán)境質量短時產(chǎn)生重大影響.特強沙塵暴初始形成階段,地面熱力對流旺盛,在沙塵暴形成后,氣象要素發(fā)生劇變.

2 特強沙塵暴發(fā)生的天氣條件

風作為一種動力,是風沙運動的能量來源,風場的結構特征直接影響到地表起沙過程以及垂直輸送.而風力的強弱與鋒區(qū)強度密切相關.每年春季或者秋季,鋒面低壓過境是大范圍沙塵暴形成的主要誘因,冷鋒前后出現(xiàn)的大風可將地面沙塵卷起,其中高空急流引導強冷空氣向下發(fā)展,形成高低空對流,進而觸發(fā)了粉塵的啟動和搬運過程[31-34].江吉喜等

[35]通過對 7次特強沙塵暴的研究,認為強沙塵暴天氣的發(fā)生可分為 3類:①鋒前颮線引起的強沙塵暴;②鋒尾強對流云團引起的強沙塵暴;③鋒前強對流云團引起的強沙塵暴.

特強沙塵暴一般都伴有大風,但瞿章等[36]研究發(fā)現(xiàn),有些不伴有沙塵暴的大風,卻比與沙塵暴相伴的風力更大,并提出對流層低層強烈的對流不穩(wěn)定是“起沙成暴”的最重要條件之一.李彰俊等[37]認為與高空急流相聯(lián)系的次級環(huán)流(冷區(qū)下沉、低層冷區(qū)流向暖區(qū)、暖區(qū)上升)的下沉支是對流層中強動量下傳的主要因素,即次級環(huán)流的下沉支比急流軸的下落更能引發(fā)高空動量的下傳.其主要依據(jù)是,急流軸的下落是一種大尺度現(xiàn)象,適應過程為風場向溫度場調(diào)整;而次級環(huán)流的下沉運動是次天氣尺度過程,更易形成對風場的調(diào)整.

根據(jù)區(qū)域性天氣形勢的分析方法,許多研究者從氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)分析、地面探空資料分析以及中尺度數(shù)值模式模擬等方面研究了特強沙塵暴天氣過程的中尺度環(huán)流條件[38-43].中國西北地區(qū)典型強沙塵暴事件的觸發(fā)和發(fā)展,都是基于大尺度有利的環(huán)流條件和中尺度氣旋(反氣旋)存在,而強冷鋒過境(氣壓梯度增大)是引發(fā)沙漠區(qū)形成強沙塵暴的必要條件[38-39].利用FY—3A/VIRR極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù),并結合FY—2C、FY—2D靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù),馬麗等[40]對中國西部最大的沙塵暴源區(qū)—塔克拉瑪干沙漠(位于新疆南部)進行了多星動態(tài)監(jiān)測,主要分析了“冷空氣東灌型”黑風暴和“冷空氣翻山型”黑風暴天氣啟動、發(fā)展、消散的演變過程,此外,采用國家衛(wèi)星氣象中心反映沙塵強度的參數(shù)產(chǎn)品〔IDDI〕對起沙閾值進行了驗證,確定了新疆地區(qū)特強沙塵暴的判識閾值方法.

對于沙塵暴天氣形勢的分析,研究方法包括沙塵暴天氣的個例研究和天氣形勢統(tǒng)計分析. 在特強沙塵暴天氣事件的個例天氣形勢研究方面,宋振鑫等[44]針對1993年5月5日發(fā)生在中國西北部、寧夏以及內(nèi)蒙古的特強沙塵暴(“93.5”黑風暴),利用程麟生等[45]對該風暴進行的中尺度數(shù)值模擬資料,并結合濕斜壓大氣的濕擾動能量方程,對黑風暴發(fā)展過程中的擾動能源進行診斷,分析其中擾動有效位能和擾動動能源的貢獻.診斷結果表明在行星邊界層以內(nèi),大量濕擾動有效位能的釋放是“93.5”黑風暴快速啟動并持續(xù)發(fā)展的主要能源;濕擾動有效位能源的產(chǎn)生不僅與濕斜壓大氣中存在強風速垂直切變有關,也與下墊面的強烈加熱增溫以及行星邊界層內(nèi)強對流不穩(wěn)定有關.使用具有高分辨行星邊界層參數(shù)化的 MM4模式,張小玲等[46]診斷分析“93.5”黑風暴天氣過程,發(fā)現(xiàn)“93.5”黑風暴的形成與具有氣旋性的中尺度渦旋相關,大氣總渦源發(fā)展過程中形成的柱狀垂直結構及其演變與黑風暴中渦旋的垂直結構及其演變是一致的,說明了黑風暴天氣過程中渦旋急劇發(fā)展的動力源受到大氣總渦源的控制.

另一方面,對于“93.5”黑風暴天氣過程,胡隱樵等[14,47]分析5月5日上午8:00地面天氣形勢圖,發(fā)現(xiàn)金昌附近有明顯的氣旋性環(huán)流存在.在同時間的700hPa圖上,金昌略偏西北方,正處在冷槽底部的強氣旋性切變輻合區(qū),這種地面和低空的環(huán)流配置,從流場上奠定了颮線中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的基礎.其次,冷鋒到達甘肅河西走廊中部的時間正是午后該區(qū)大氣層結最不穩(wěn)定的時段,由于鋒面的抬升作用,觸發(fā)了不穩(wěn)定能量迅速釋放,造成中尺度颮線系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展.正是由于這一颮線系統(tǒng)在河西走廊中、東部發(fā)生發(fā)展,并迭加在大尺度的鋒面系統(tǒng)上迅速東移,才造成了該區(qū)到寧夏西部大范圍的強沙塵暴區(qū),此沙塵暴區(qū)比賀蘭山附近的沙塵暴中心區(qū)范圍大、風力強的原因,也正是中尺度颮線作用的結果.

為了分析特強沙塵暴形成的基本條件以及天氣因素,馬禹等[48]選取1998年4月18日新疆天山北麓出現(xiàn)的一次黑風暴事件作為個例研究,綜合分析常規(guī)觀測資料、13個氣象站的地面氣象自記記錄以及靜止氣象衛(wèi)星資料.結果表明:在黑風暴過境時風速、氣壓、濕度、溫度在短時間內(nèi)出現(xiàn)躍變;冷空氣在暖空氣之下向前推進,旋風將地面沙塵卷起,黑風暴前沿出現(xiàn)明顯的沙塵壁,呈鼻形狀,且鼻尖離地面近 100m;地面長時間加熱增溫使得低層擾動加強并形成深厚混合層,該混合層有利形成深厚對流,導致在冷鋒過境時易觸發(fā)深厚干對流,進而形成黑風暴.此外,Takemi[12]和He等[49]分別從地面監(jiān)測、數(shù)值模擬方法,同樣觀測到沙塵暴發(fā)展前期近地面出現(xiàn)混合層熱對流胞結構.

為了進一步分析黑風暴天氣發(fā)展過程中地面氣象要素的演變以及沙塵暴內(nèi)部熱力、動力結構的變化特征,顧潤源等[50]選取2009年4月23～24日在內(nèi)蒙古中西部出現(xiàn)的一次強沙塵暴天氣過程作為個例研究,綜合分析了常規(guī)觀測資料、地面自動觀測站逐時加密觀測資料、7個氣象站點的加密探空資料,結果表明在沙塵暴發(fā)生前期,大氣層結不穩(wěn)定,相對濕度較大,近地面風速小,且地面溫度較高,大氣溫度在垂直方向上遞減率大;當沙塵暴發(fā)生時,低層大氣層結穩(wěn)定,各層的大氣濕度都很小,與沙塵暴前期存在明顯差異,而大氣中各層風速明顯增強,且出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象;沙塵暴過境后,大氣的相對濕度迅速增大,各層風速減小,低層溫度顯著下降.此外,分析結果發(fā)現(xiàn)在沙塵暴爆發(fā)時,風暴的螺旋度快速增大,螺旋度越大、沙塵暴越強;強沙塵暴的啟動、發(fā)展演變不僅與環(huán)境風速有關,還有沙塵暴內(nèi)部的切向旋轉速度以及垂直運動速度相關.李巖瑛等[51]指出,螺旋度能夠反映沙塵暴強對流的空間物理結構,是沙塵暴發(fā)深發(fā)展的重要動力條件.

為了比較分析局地性沙塵暴與區(qū)域性沙塵的特征及差異,包括沙塵暴的持續(xù)時間、能見度、時間變化等特征,馬建勇等[4]選取新疆南部塔克拉瑪干沙漠腹地塔中氣象站及沙漠周邊地區(qū) 15個氣象臺站,基于 2005～2014年各站點記錄的沙塵暴資料,并根據(jù)沙塵暴在塔中過境時周邊氣象臺站的響應數(shù),對局地性沙塵暴以及區(qū)域性沙塵暴進行劃分.2005～2014年期間,塔中發(fā)生沙塵暴共 170d,局地性沙塵暴相比區(qū)域性沙塵暴持續(xù)時間短,平均每次1.32h,而區(qū)域性沙塵暴達 3.21h;特強沙塵暴主要為局地性沙塵暴,僅觀測到 1次為區(qū)域性沙塵暴;局定性沙塵暴大多在下午到傍晚時段發(fā)生,而區(qū)域性沙塵暴較為分散,在各時段都有發(fā)生.袁國波[20]研究分析2001～2015年冬半年由于大規(guī)模冷空氣活動而造成的大范圍沙塵暴天氣時,特別指出不包括夏半年由雷暴大風等造成的局地性沙塵暴.夏半年的局地性沙塵暴成因可能不同于春季大范圍的沙塵暴.夏秋季節(jié)出現(xiàn)的沙塵暴主要是在內(nèi)蒙古西部.當?shù)厣衬懿?深居內(nèi)陸,水汽輸送微弱,常年干旱少雨.沙漠地區(qū)午后局地熱力對流容易發(fā)展,這種對流常常表現(xiàn)為干對流.加之當?shù)刂脖粯O其稀疏,沙源豐富,因而干對流系統(tǒng)(例如雷暴大風或干颮線)就會造成沙塵暴天氣.

綜上,地表增溫不均勻促使地表大氣出現(xiàn)對熱流胞結構,形成混合層;夏半年地表大氣混合層深厚,而冬半年雖然地表溫度偏低,也能形成一定厚度的地表大氣混合層.其次,在中尺度天氣形勢上,夏半年的中尺度(反)氣旋性渦旋或許沒有冬半年的中尺度(反)氣旋性渦旋深厚,剛好與地面大氣混合層的厚度構成互補關系,二者相互作用就可能形成特強沙塵暴發(fā)生的氣象條件.再次,中尺度(反)氣旋性渦旋的渦度大小決定了干颮線的強弱,也決定了干颮線形成的局地性沙塵暴是否發(fā)展成為特強沙塵暴災害性天氣.

關于夏半年中尺度(反)氣旋的生成機制,熱低壓是沙漠源區(qū)上空大氣的強感熱加熱形成的,也是夏季和低緯度地區(qū)太陽入射能量強時最顯著的特征.熱低壓表現(xiàn)為沙漠源區(qū)上空熱氣柱內(nèi)為上升運動,周圍是下降運動.地表熱低壓為氣旋性旋轉,對應高層高壓為反氣旋性旋轉[52].高層反氣旋性云團的移動可能為下風區(qū)提供了渦量來源.理論上,中尺度(反)氣旋性渦旋以及地面混合層作為相互獨立的氣象過程,沙漠地區(qū)四季均可存在,因此中尺度(反)氣旋性渦旋是如何與地面深厚混合層相互作用才能誘發(fā)特強沙塵暴天氣的風場,是一個需要進一步厘清的關鍵問題.

3 特強沙塵暴的動力觸發(fā)機制數(shù)值模擬及分析

如上所述,特強沙塵暴天氣的氣象條件須有沙漠源區(qū)及沙漠邊緣地面大氣熱胞對流形成的深厚混合層,中尺度氣旋性渦旋的發(fā)展.一般說來,沙漠源區(qū)地面的深厚混合層,其溫度垂直廓線是“中性”溫度廓線,遵循干絕熱直減率,即位溫隨高度不變[52],而中尺度(反)氣旋性渦旋具有水平移動特性,其水平移動速度須在一定范圍內(nèi)才能確保中尺度(反)氣旋性渦旋的動量有效下傳至地面混合層,下沉冷氣團在混合層中激發(fā)強對流運動才能誘發(fā)局地性特強沙塵暴天氣過程.Oke等[53]觀測塵卷風存在的風力范圍為1.5～7.5m/s,并認為較低風速及其垂直切變可能擾動地面大氣并提供初始的旋轉運動;風速過大則渦量不能維持,因為粗糙表面上風速越大,地面的剪切作用越大,有可能破壞垂直切變形成的渦量.因此,特強沙塵暴天氣的動力學觸發(fā)機制應該是,地面深厚混合層的蜂窩狀對流結構充分發(fā)育,混合層上部有一定渦量(螺旋度)的弱冷氣團過境是觸發(fā)的關鍵因素,而且弱冷氣團的移動速度需要在一定范圍內(nèi),才能誘導地面混合層的簡單蜂窩狀對流結構向群發(fā)性旋轉對流胞對流結構的轉變.中尺度(反)氣旋性渦旋的水平尺度決定了沙塵暴的發(fā)生范圍,地面混合層風場參數(shù)劇變,表現(xiàn)出颮線特征.

大渦模擬方法(LES)和雷諾時均方法(RANS)是兩種用于湍流模擬的計算流體動力學(CFD)方法,與傳統(tǒng)的中尺度對流模型相比,流動結構分辨率更高[32].通過建立冷氣團與近地表混合層相互作用的數(shù)學模型,應用湍流計算方法模擬冷氣團外流,有助于闡明冷氣團與近地表混合層相互作用的機理.Huang等[54]采用LES模擬了強沙塵暴的發(fā)展和耗散過程.通過在二維模型中加入一個理想的冷池表示冷氣團入侵,然后在不同網(wǎng)格精度下進行模擬,結果表明將模型水平網(wǎng)格間距從1.0km減小到100m,可以捕獲更多的湍流信息,局部風速增大,對流混合增強.He等[49]采用RANS在三維模型中模擬渦旋云團與地面深厚混合層的相互作用,成功再現(xiàn)了局地強沙塵暴發(fā)展的不同階段.結果表明,30min內(nèi)冷渦云團和地面深厚混合層實現(xiàn)充分作用,計算區(qū)域的風場動能達到最大值,其后能量開始耗散.地面二次渦的出現(xiàn)是冷渦云團旋轉的下沉氣流和地面混合層上升氣流共同作用的結果.圖2為CFD模型中典型位置隨高度變化的氣流速度,其特征曲線與圖 1所示的沙塵暴前緣的“象鼻狀”形態(tài)一致.速度隨高度變化的特征表明了沙粒被氣流夾帶的高度與速度大小有關;地面速度大,大量的沙粒被氣體夾帶進入空中.

圖2 強沙塵暴模擬區(qū)域2個測點隨高度變化的氣流速度曲線[49]Fig.2 The resultant velocity at 2 different horizontal points of strong sandstorm model

此外,He等[49]模擬了對于不同尺度的冷渦云團和多個冷渦云團作用下,地面深厚混合層蜂窩狀對流結構向群發(fā)性旋轉對流胞對流結構的轉變,數(shù)值模擬表明不同冷渦條件與地面深厚混合層相互作用形成特強沙塵暴天氣風場的時間有所差異,如二次渦的數(shù)量不同,冷渦溫度場會影響到局地強沙塵暴發(fā)生時“象鼻狀”曲線所處的高度.

4 特強沙塵暴的風沙流特征及能量耗散機制

特強沙塵暴天氣過程中風沙流運動特征以及如何快速將能量消耗的機制也是需要進行深層次探討的問題.目前關于特強沙塵暴天氣過程的研究,主要從沙塵源區(qū)的地表輻射過程、熱對流胞運動以及旋轉熱對流胞的形成的角度,描述中尺度(反)氣旋性渦旋觸發(fā)小尺度對流胞形成過程以及旋轉風場風沙運動的微觀機制.

土壤濕度對地表熱量平衡的分配有很大的影響.在干旱、半干旱地區(qū),天氣干燥,用于蒸發(fā)耗熱的能量支出很少,凈輻射能量主要用于向大氣的熱傳導和對流輸送[55].沙塵源區(qū)近地面干燥高熱的性質為沙塵天氣提供有利熱力和不穩(wěn)定條件.高慶先等[56]通過假設一個由沙漠、荒原、草原、森林組成的地表,分析其地表輻射以及垂直不穩(wěn)定的形成過程.結果表明,地表反照率存在差異直接導致貼地層的大氣加熱增溫不均勻,沙漠(荒漠)地區(qū)地表反照率高(沙漠0.35,荒漠 0.25),對貼地層大氣加熱較大,在荒漠區(qū)上空,大氣受熱膨脹,熱空氣開始上升.由于大氣流體的連續(xù)性作用,周邊空氣向內(nèi)補充,形成局地的熱力環(huán)流.沙漠與周邊草原或森林的反照率的差異越大,所形成的局地勢力環(huán)流越強,上升運動也越強.在條件穩(wěn)定層結下,上述的局地上升運動通常呈現(xiàn)有序的蜂窩狀對流結構[57-58],這些蜂窩狀的對流胞可以分為開式的對流胞和閉式的對流胞.在開式的對流胞中,氣流在對流胞的中心下沉而在對流胞的邊緣上升.在閉式的對流胞中則恰恰相反,氣流在對流胞的中心上升而在對流胞的邊緣下降.云經(jīng)常在氣流上升的區(qū)域形成,對于開式的對流胞結構,形成的云則常常為六邊形狀[59].在有冷氣團入侵時,如果冷氣團貼近地面進入,所形成的水平風,并且在地形作用下,水平風的垂直切變可能給蜂窩狀對流結構提供渦量來源.如果冷氣團從空中進入混合層上部,混合層垂直溫度梯度增大可能使局地的蜂窩狀對流胞垂直不穩(wěn)定,并形成大規(guī)模的強對流不穩(wěn)定[60-61].

對于風沙源區(qū)的熱胞對流,Gu[55]認為,當中尺度(反)氣旋性渦旋從空中侵入混合層上部,中尺度(反)氣旋性渦旋與蜂窩狀對流的相互作用將導致局地的蜂窩狀對流胞在垂直方向上發(fā)生擾動,對流胞的持續(xù)不穩(wěn)定將觸發(fā)對流胞群的強對流過程.混合層上部遇到有一定渦量(螺旋度)的弱冷云團,對于開式的對流胞結構,中尺度(反)氣旋性渦旋的渦量隨著氣流在對流胞的中心下沉而向下輸送,垂直渦量的下傳導致對流胞的氣流旋轉起來,下沉氣流顯著增加,形成旋轉對流胞結構.為了維持平衡,對流胞邊緣的上升氣流速度顯著增加,形成垂直不穩(wěn)定,最終形成大規(guī)模的強對流不穩(wěn)定.

圖3為1993年5月5日中國西北地區(qū)特大沙塵暴前緣的形態(tài)特征[33].由于旋轉對流胞轉角風區(qū)的存在,按照沙塵在塵卷風流場的卷吸機制[59],近地面的沙塵升空后外拋,將形成圖 3(a)所示的冷空氣“鼻”[33].由于旋轉對流胞流場對不同直徑的沙粒所形成的分層[62],可以看到圖 3(b)中的深淺不均勻的層次,實際上層次G和H區(qū)域是非常細的顆粒聚集區(qū),A和B區(qū)域是中等顆粒的聚集區(qū),接近地面的部分是粗顆粒的聚集區(qū).

圖3 沙塵暴前緣形態(tài)特征[33]Fig.3 The front features of dust storm

事實上,關于1993年5月5日黑風暴的觀測,其沙墻高約 300m,而濃密沙塵帶甚至更高,估計約700m 左右.而且,在沙塵暴發(fā)生前期,近地層大氣層結很不穩(wěn)定,在沙塵暴發(fā)生時,不穩(wěn)定加劇,黑風暴中心沙塵團團翻滾,該過程屬于典型的對流天氣,具有颮線特征[14,47].上述的理論分析結果與特強沙塵暴觀測事實的一致表明:強沙塵暴天氣過程可能是一種中尺度渦旋作用下的局地小尺度對流胞群的旋轉對流運動[60].

因此,Gu等[62]提出,特強沙塵暴災害性天氣的觸發(fā)機制是中尺度(反)氣旋性渦旋誘導下的地面混合層簡單蜂窩狀對流結構向群發(fā)性旋轉對流胞對流結構的轉變,在百米小尺度上,沙塵暴前緣的風沙流呈旋轉式沙塵團.1993年5月5日的特大沙塵暴,沙塵暴臨近前,可看到上黃、中紅、下黑三種顏色的旋轉式沙塵團[63].王式功等[63-64]對這一現(xiàn)象從光學角度給予了解釋,由于沙粒在旋轉氣流中的分層機制,沙塵暴內(nèi)不同高度上沙粒直徑相對集中,呈現(xiàn)高度方向上的垂直分布特征,低層粒徑最大.又由于不同直徑的顆粒對光線的反射與吸收不同,使得沙塵暴前緣的沙塵墻顏色可劃分為上中下三層,其中上層的細顆粒層呈黃色,中間的中等顆粒層呈紅色,下部的粗顆粒混合層呈灰黑色.

實際上,特強沙塵暴的發(fā)生除了地面混合層的蜂窩狀對流結構充分發(fā)育外,混合層上部有一定渦量(螺旋度)的中尺度(反)氣旋性渦旋過境是觸發(fā)的關鍵因素,而且中尺度(反)氣旋性渦旋的移動速度需要在一定范圍內(nèi),才能誘導簡單蜂窩狀對流結構向群發(fā)性旋轉對流胞對流結構的轉變.開式對流胞中心旋轉下沉氣流形成的旋轉對流胞群在蜂窩狀對流結構中造成許多低壓區(qū),能將地表裸露的沙粒或塵土吸起、升空,并隨著冷氣團的緩慢移動而水平遷移.在氣固兩相相互作用以及流場內(nèi)二次旋渦作用下,中尺度(反)氣旋性渦旋的能量迅速消耗殆盡,風速降低,局地性揚沙過程停止.

5 特強沙塵暴的預報方法

強沙塵暴的物理過程是一個包含大氣、土壤和陸面相互作用的復雜過程,涉及到氣象學、流體力學、土壤物理學等多學科的研究.提高強沙塵暴天氣的預報預警水平,可以減輕沙塵暴的危害程度.

關于沙塵暴的預報,李巖瑛等[65]認為沙塵暴的長期預報取決于冬春季氣溫、降水量和大風日數(shù),中期主要依靠使用國內(nèi)外數(shù)值預報產(chǎn)品,短期與大氣環(huán)流條件、分型指標有關,短時臨近預報與高空大風形勢、地面上游有無大風沙塵暴天氣有關.Gao等[66]指出大氣環(huán)流作為預報指數(shù)在一定程度上可以為我國北方春季沙塵暴季節(jié)預報提供定量預報信號,沙塵暴預報準確率達 52.0%,其中特強沙塵暴預報準確率為66.7%.郭萍萍等[67]通過對1969～2004年中國河西走廊中部特強沙塵暴個例資料進行統(tǒng)計,總結歸納出了不同天氣形勢下(冷鋒型、動量下傳型、地面冷高壓型)特強沙塵暴的短期(24h)預報指標和預報方程,并應用于 2005～2009年沙塵暴預報中,準確率達 80%以上.劉開福等[68]對特強沙塵暴天氣系統(tǒng)的發(fā)展作了研究,指出強沙塵暴過程前 6h左右天氣尺度系統(tǒng)發(fā)展最強,高空、地面特征量及本地氣象要素值都有劇烈變化.因此,高空、地面特征量及本地氣象要素值的躍變對短時臨近預報(6h)具有很好的指示性,將預報的重點放在短時時效上,可以提高減災效益.

目前,國內(nèi)外學者發(fā)展了不同的數(shù)值預報系統(tǒng),對沙塵暴進行實時預報.國家氣象中心[69]發(fā)展了一個適用東亞地區(qū)的集成沙塵數(shù)值預報業(yè)務系統(tǒng),該系統(tǒng)包括中尺度氣象模式、陸面模式、風蝕方案、沙塵傳輸模式、地理信息系統(tǒng),該沙塵數(shù)值預報系統(tǒng)既能夠預測風沙天氣的氣象場,也能完整地描述風沙源地的分布,大氣中的沙塵含量輸送狀況等等.盧晶晶等[70]采用集成沙塵數(shù)值預報系統(tǒng)對2004年我國春季最強的一次沙塵天氣過程進行了數(shù)值預報試驗,結果表明該預報系統(tǒng)能夠給出沙塵發(fā)生、結束的時間以及在較大范圍的強度變化.GRAPES-SDM 是基于 GRAPES模式產(chǎn)生的中國新一代沙塵預報系統(tǒng),它是中國自主研發(fā)的天氣模式GRAPES和加拿大沙塵氣溶膠模式的耦合[71-72].該模式包括了沙塵的起動、傳輸、吸濕增長、并和、干沉降與云下清洗等詳細的物理過程,可以對沙塵暴的起沙和空氣中沙塵濃度進行模擬和預報.段海霞等[72]對 2008～2011年中國北方區(qū)域 GRAPESSDM 的預報結果進行檢驗,發(fā)現(xiàn)該預報模式對大范圍沙塵天氣過程的預報能力較好,對零星沙塵天氣預報能力較差.

天氣研究預報模式 WRF-Chem也已經(jīng)廣泛應用到強沙塵暴天氣預報中[73-75].Raman[75]基于 2011年7月5日美國亞利桑那州強沙塵暴事件,通過利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)與云氣溶膠激光雷達和紅外探路者衛(wèi)星(CALIPSO)等衛(wèi)星儀器反演氣溶膠光學特性和質量濃度,并結合現(xiàn)有的地面PM10和PM2.5濃度的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),對WRF-Chem數(shù)值預報模式的可行性進行評估.研究結果表明,WRF-Chem能夠捕捉到強沙塵暴的時空分布,但在很大程度上低估了地表粉塵濃度以及氣溶膠光學厚度的大小.Vukovic等[76]利用NCEP/NMM非靜力大氣模式結合沙塵區(qū)域天氣預報模式 DREAM,同樣對 2011年7月5日美國亞利桑那州強沙塵暴事件進行了數(shù)值模擬,證明了使用高精度的粉塵源數(shù)據(jù)以及粉塵模型對于準確模擬強沙塵暴事件至關重要.國家統(tǒng)一業(yè)務預報能力(NUOPC)是美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和美國國防部(DoD)聯(lián)合打造的天氣預報平臺,該平臺可以使最好的預報分系統(tǒng)在預報平臺上形成合力,從而獲得最佳預報能力.Lee等[77]基于NUOPC平臺,在線耦合中尺度模型NAM以及多尺度空氣質量模型CMAQ,并以2014年5月11日發(fā)生在美國西南部的一次特強沙塵暴為例,對NUOPC聯(lián)合NAM-CMAQ的預報能力進行了測試,結果表明該模式可以較為準確地預測粉塵濃度.

由于受數(shù)值模式的初始場、邊界條件、起沙過程、物理過程、地形、下墊面狀況、土壤濕度方案及模式本身設計等諸多因素的影響,無論從沙塵量級,還是從空間分布來看,沙塵預報結果都不可避免地存在一定誤差.準確預測特強沙塵暴的發(fā)生,必須先弄清沙塵暴天氣過程的多尺度觸發(fā)機制以及初始條件.

6 結論與展望

特強沙塵暴天氣通常出現(xiàn)于沙塵源區(qū)及源區(qū)附近,典型特征為突發(fā)性、局地性,持續(xù)時間相對較短,風沙運動不具有遠程輸送特征,對局地的大氣環(huán)境質量短時產(chǎn)生重大影響.特強沙塵暴發(fā)生的基本氣象條件,包括大風、沙源、干旱氣候、人類活動以及強對流過程.而強對流的形成主要基于:沙漠源區(qū)及沙漠邊緣地面大氣熱泡對流旺盛,形成深厚混合層;在中尺度天氣形勢上,存在一定螺旋度的氣團或中尺度(反)氣旋性渦旋過境.

作為一種特強沙塵暴,其颮線特征及揚沙過程具有特殊性,對于颮線的形成涉及強沙塵暴天氣的觸發(fā)條件.計算流體動力學的數(shù)值模擬表明,地面混合層的蜂窩狀對流結構充分發(fā)育,混合層上部有一定渦量(螺旋度)的中尺度(反)氣旋性渦旋過境;熱對流胞與混合層上部的中尺度(反)氣旋性渦旋耦合作用下,渦旋云團的渦量下傳,誘導混合層內(nèi)簡單蜂窩狀熱胞對流向群發(fā)性旋轉熱胞對流的對流結構性轉變;旋轉熱胞對流的蜂窩狀對流結構中有多低壓區(qū),可將地表裸露的沙粒和塵土吸起、升空,并隨著冷氣團的緩慢移動而水平遷移;沙粒在旋轉氣流中的分層機制,導致特強沙塵暴內(nèi)不同高度上沙粒直徑相對集中,呈現(xiàn)高度方向上的垂直分布特征.

沙漠源區(qū)不同地表輻射率下熱對流及對流胞的發(fā)生與演變過程是決定特強沙塵暴天氣過程的熱力條件和能量來源.中尺度(反)氣旋性渦旋的來源可以與大尺度環(huán)流有關,也可由沙漠原地上空邊界層持續(xù)加熱的風場對穩(wěn)定的氣壓梯度和科氏力的響應形成.由于中尺度(反)氣旋性渦旋的移動速度不大,一旦局地性沙塵暴形成,在風沙氣固兩相相互作用以及流場內(nèi)二次旋渦作用下,其能量快速消耗,持續(xù)時間較短,導致局地強沙塵暴的災害性天氣過程一般出現(xiàn)在沙塵源區(qū)及邊緣地區(qū).

目前,強沙塵氣的二相流特征及其數(shù)值模擬研究仍具有挑戰(zhàn)性.為深化對特強沙塵暴災害性天氣過程的認識,需要進一步的研究工作包括:

(1)加強沙漠源區(qū)及邊緣地區(qū)的氣象觀測,積累氣象觀測數(shù)據(jù)及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等.本研究對于特強沙塵暴的統(tǒng)計,采用公開報道的特強沙塵暴事件進行分析,樣本具有一定局限性.因此,完善特強沙塵暴事件歷史資料,同時,統(tǒng)計特強沙塵天氣發(fā)生前期下墊面的干濕狀況,為局地性沙塵暴災害性天氣的機理研究以及數(shù)值預報提供基礎資料.

(2)中尺度(反)氣旋性渦旋的模擬與天氣形勢圖分析.冷渦云團作為局地性沙塵暴的渦量來源,其大小決定了局地性沙塵暴是否可以發(fā)展成黑風暴災害性天氣.依據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)及中尺度數(shù)值模擬等手段,通過個例研究和局地性沙塵暴天氣形勢圖的統(tǒng)計分析,歸納總結局地性沙塵暴發(fā)展成特強沙塵暴災害性天氣的冷渦云團的來源及渦量大小、云團離近地層混合層的高度范圍等要素.

(3)(反)氣旋性渦旋與近地面深厚混合層相互作用的小尺度CFD數(shù)值模擬.特強沙塵暴災害性天氣可常年出現(xiàn),以夏半年為多.構建小尺度冷渦云團和近地面混合層的動力學演化數(shù)值模擬分析方法,分析不同季節(jié)特征的近地面混合層溫度場參數(shù)及冷渦云團渦量參數(shù)影響下,近地面混合層內(nèi)簡單蜂窩狀熱胞對流向群發(fā)性旋轉熱胞對流的對流結構性轉變條件,統(tǒng)計分析旋轉熱胞對流結構中低壓區(qū)參數(shù)及其起沙機制.