等熵位渦分析法對內蒙古西部一次強沙塵暴特征的揭示

邢 彬

阿拉善盟氣象局，內蒙古阿拉善盟 750306

位渦是大氣運動中表征熱力和動力的特征量。在國內相關等熵位渦研究中，位渦理論已成為天氣動力學領域中的重要研究方法之一[1]。趙其庚[2]認為等熵位渦圖對分析大尺度天氣過程有明顯優點。周秋林等[3]研究浙北地區暴雨后指出，等熵面上的位渦演變反映了暴雨區的移動及西南急流的發展。壽紹文等[4]認為在等熵面位渦面的形態及其中的濕位渦演變過程中能清晰地反映出產生暴雨的冷空氣活動。程鵬等[5]研究西北地區連陰雨過程時得到等熵位渦高值區與降水區有較好的對應關系。黎惠金等[6]分析臺風“尤特”得到動力對流層頂異常區相對臺風位置與臺風移向相關。吳志彥等[7]對寒潮中高層擾動進行等熵位渦分析得到伴隨寒潮過程的醞釀和暴發。田秀霞等[8]認為等熵面位渦的演變反映了高低層冷空氣的分布及活動狀況。大多數研究關注于暴雨、連陰雨、臺風、寒潮等天氣研究，很少人關注在沙塵暴發生發展過程中等熵位渦的變化情況，因此，以總結沙塵暴發生時不同等熵面上位渦特征，為沙塵暴預報供一些新思路。

1 資料選取和計算方法

1.1 資料選取

天氣實況選取中國氣象局在阿拉善盟布設的6個地面觀測站的資料，其包含每小時的最小能見度、極大風速、最小能見度出現時間等資料。選取美國國家環境預報中心和美國大學大氣研究聯合會提供的FNL全球模式對流層GRIB2再分析資料，有每天02:00、08:00、14:00、20:00 4個時次，水平分辨率為1°×1°，其包含絕對渦度、位溫、位勢高度、溫度、u分量、v分量等資料。

1.2 計算方法

式（1）中，為等熵絕對渦度，取實際大氣中θ位溫值，可以得到該位溫下等熵面上的位渦就是等熵位渦，即IPV（Isentropic Potential Vorticity）。等熵位渦的單位為PVU。內蒙古處于中緯度地區，那么有地轉渦度參量大于等熵位渦垂直分量，可以簡化得到公式（2）：

2 沙塵暴的概況

2019年5月11—12日，阿拉善盟、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、烏海市、呼和浩特市出現大范圍強沙塵暴天氣（圖1）。FY-3B極軌氣象衛星通過VIRR監測內蒙古西部沙塵覆蓋面積可以得到11日124 221.88 km2、12日10 305.67 km2。

3 等熵面位溫的取值

位溫是表征干空氣塊絕熱膨脹或壓縮至1 000 hPa時的溫度。在三維空間中，等壓面上的位溫的變化是曲折的。大氣低層位溫隨著等壓面的升高不變，大氣中層位溫隨著等壓面的升高而逐漸增加，大氣高層位溫隨著等壓面的升高與地面基本平行且密集程度逐漸增加。通過確定各個等壓面上的位溫區間，為等熵位渦計算提供準確的位溫取值。由于內蒙古西部海拔高度在941.7 m（達來呼布）～1 651 m（烏拉特后旗，平均海拔約為1 200 m，低層大氣容易受到下墊面的影響，因此近似的選擇850～200 hPa等壓面進行分析。利用grib2資料選取14:00達來呼布至拐子湖（圖2a）、20:00巴丹吉林至烏海（圖2b）、02:00磴口至托克托（圖2c）、02:00海力素至烏拉特中旗（圖2d），制作位溫垂直剖面圖。由于850～700 hPa位溫垂直與坐標軸接近垂直，靜力穩定度基本為0，因此舍去。那么可以得到在700～200 hPa位 溫 取 值 范 圍 分 別 為299～340、298～342、290～342、290～354K，以 上 位溫取值范圍取交集可以得到298～340K（表1）。

表1 位溫取值范圍

圖2 850～200 hPa位溫垂直剖面圖

4 等熵位渦的特征

選取300、310、340K 3個位溫面，對應700、500和200 hPa位勢高度場和全風速場。在300K上，14:00（圖3a）等熵位渦中心為3.5 PVU，其位于位勢高度中心西側。＞12 m/s全風速西風低空急流中心位于等熵位渦中心南側的密集位渦梯度區內。等熵位渦中心在位勢高度中心西側。強沙塵暴發生區域1～2 PVU，部分地區等熵位渦數值接近0，存在不閉合的等熵位渦等值線，呈現中性層結。20:00（圖3b）等熵位渦中心仍為3.5 PVU，＞12 m/s全風速西風低空急流中心和等熵位渦中心位置與14:00相同，等熵位渦中心在位勢高度中心南側，強沙塵暴發生區域0～1 PVU，同樣存在不閉合的等熵位渦等值線；02:00（圖3c）等熵位渦中心減弱為3 PVU，＞12 m/s全風速西風低空急流中心仍與14:00、20:00相同，但等熵位渦中心與位勢高度中心重合，強沙塵暴發生區域0～2.5 PVU。在310K上，14:00（圖3d）等熵位渦中心為7 PVU，20:00（圖3e）等熵位渦中心加強為8.5 PVU，02:00（圖3f）等熵位渦中心分裂為2個，分別為6.5 PVU和6 PVU。3個時次的等熵位渦中心與位勢高度中心重合。＞20 m/s全風速區位于等熵位渦中心南側的密集位渦梯度區內。在340K上，14:00（圖3g）、20:00（圖3h）、02:00（圖3i）等熵位渦中心均為8.5 PVU且位于高空槽前，＞30 m/s全風速高空急流中心位于等熵位渦中心南側。由此可知，強沙塵暴發生區域內低層等熵位渦為0～2.5 PVU，部分站點等熵位渦接近0，等熵位渦中心與位勢高度中心重合或在其南側，全風速（高低空急流）中心位于等熵位渦中心南側的密集位渦梯度區內。

圖3 2019年5月11—12日等熵位渦（紅色實線 單位：PVU）、位勢高度（藍色短虛線 單位：dagpm）、全風速（彩虹圖 單位：m/s）

5 混合層與等熵位渦的關系

在位溫垂直剖面圖中可以看到，在 低 層850～700 hPa上 有294～302K位溫線近似垂直與坐標軸，這表明低層大氣十分接近絕熱狀態，潛在不穩定能量基本為0，成中性層結（混合層）狀態（圖2）。由于靜力穩定度接近于0，可以近似得到等熵位渦接近于0。間接得到混合層中的等熵位渦接近于0，因此在沙塵暴發生時，在大氣低層850～700 hPa上等熵位渦的特征是其數值接近于0。

6 結論

（1）沙塵暴發生發展時，大氣低層位溫隨著等壓面的升高不變，大氣中層位溫隨著等壓面的升高而逐漸增加，大氣高層位溫隨著等壓面的升高與地面基本平行且密集程度逐漸增加。700～200 hPa位溫取值范圍可以確定為298～340K。

（2）取300、310、340K 3個 等 位 溫面，強沙塵暴發生區域內低層等熵位渦為0～2.5 PVU，部分站點等熵位渦接近0。等熵位渦中心與位勢高度中心重合或在其南側。全風速（高低空急流）中心位于等熵位渦中心南側的密集位渦梯度區內。

（3）在850～700 hPa上有等位溫線近似垂直與橫坐標，低層大氣十分接近絕熱狀態，潛在不穩定能量基本為0，成中性層結狀態。由于靜力穩定度接近于0，可以近似得到等熵位渦值接近于0。