通遼市兩次大風沙塵天氣過程對比分析

劉夢迪，王一冰，于 靜，賈 寧，張 晨

(通遼市氣象局，內蒙古通遼 028000)

目前，國內外學者對沙塵暴的環流形勢和動力、熱力特征做了大量的分析研究。從大尺度環流特征來看，春季冷鋒型沙塵暴區域上空通常有冷槽向南發展，形成地面冷鋒，對地面的鋒面東移發展起主要作用，易造成大風沙塵的形成[1-4]。通遼市地處內蒙古東南部，屬于干旱和半干旱季風氣候，全市年降水量在305～485 mm之間變化，年降水的70%集中在6—8月，春季干旱、大風等天氣是影響農、牧、林業生產的主要自然災害[5-6]。2021年春季通遼市頻繁出現大風沙塵天氣，其中以5月6日大風沙塵過程最強(下簡稱“5·6”大風沙塵過程)，該過程影響范圍廣，波及內蒙古中部和東南部，4月16日大風沙塵過程(下簡稱“4·16”大風沙塵過程)主要以大風災害為主，沙塵影響范圍相對較小。

本文利用常規觀測資料及ECMWF ERA-Interim逐小時0.25°×0.25°再分析資料，對通遼市兩次大風沙塵天氣過程從多方面進行對比，分析兩次過程的異同點，研究其形成機制，加強對通遼市大風沙塵天氣過程認識，以期提高大風沙塵過程的預報監測水平。

1 大風沙塵天氣概況

2021年4月15日夜間至16日白天，通遼市11個國家氣象站均出現大風沙塵天氣，其中科左中旗、奈曼旗先后出現沙塵暴天氣，科左中旗、奈曼旗最小能見度分別為784 m、852 m，兩站沙塵暴天氣均持續1 h，其余8個站均出現大風揚沙天氣；冷鋒后西北大風從16日08時開始影響通遼全市，極大風速出現在12—13時青龍山站達25.4 m/s(10級)。

2021年5月6日午后到次日凌晨，通遼市出現了大風沙塵天氣，其中奈曼旗和科左后旗均出現沙塵暴天氣，且奈曼旗本站達到強沙塵暴級別，最小能見度僅為315 m，沙塵暴持續2 h，青龍山、科左后旗最小能見度分別為792 m、937 m，奈曼旗極大風速達31 m/s(11級)。

兩次大風沙塵過程對通遼市影響均較大，“4·16”大風沙塵過程冷空氣強度雖較“5·6”大風沙塵過程更強，但“5·6”過程的沙塵暴強度、影響范圍以及造成的經濟損失對通遼市影響更大。

2 氣候背景

“4·16”大風沙塵天氣發生前10 d，通遼市氣溫較常年平均氣溫偏高0.5 ℃，降水量較少，全市降水量不足10 mm，西南部地區不足5 mm；而“5·6”過程前10 d，全市降水較常年明顯偏少，10 d平均日降水量不足1 mm，較常年平均值偏少5～15 mm，但前期氣溫較常年偏低1.5 ℃。兩次過程前期均干旱少雨，土壤水分蒸發劇烈，導致土壤干燥疏松，且4月和5月初全市植物覆蓋率偏低，同時正值春播，田地翻耕，利于起沙，且通遼市擁有中國最大的科爾沁沙地，這些條件均為兩次過程提供了有利的沙源條件。

3 環流形勢特點

3.1 高空環流形勢

“4·16”大風沙塵過程屬于冷鋒型[6]。15日08時500 hPa天氣圖上，貝加爾湖北部存在一低槽，蒙古國至我國河套地區也存在一低槽(稱為北槽、南槽)，北槽對應-40 ℃冷中心，兩個高度槽超前于對應的溫度槽。發展過程中兩溫度槽逐漸合并，貝加爾湖西北部有極渦東移南下，伴隨鋒區南壓，16日08時，南槽加深為低渦，溫度槽位于內蒙古中部，等高線與等溫線交角近乎90°，大氣斜壓性加強，沙塵暴出現在槽后。700 hPa上，槽線位置較500 hPa偏東，表明斜壓槽隨高度向西北傾斜。16日08時，700 hPa低渦中心移至通遼市東北部，受冷鋒后大風影響，通遼市出現大風沙塵天氣。

“5·6”大風沙塵過程屬于蒙古氣旋型[6]。5日08時，500 hPa上內蒙古東部為東北冷渦后部的西北氣流控制，貝加爾湖西北部有冷渦分裂出來的冷槽，配合-36 ℃的冷中心，冷槽經向度迅速加強并向東南方向移動，20時，冷槽南壓至貝加爾湖南部。6日08時冷槽在內蒙古中部偏北地區形成一冷渦，配合-28 ℃冷中心緩慢東移，20時移至通遼市西部。6日08時高低空冷渦中心位置近乎重合，20時冷渦減弱為冷槽，有冷平流輸送至通遼中南部地區。

3.2 地面冷鋒及蒙古氣旋

“4·16”過程前，15日08時地面圖上，蒙古氣旋位于錫林郭勒盟與蒙古國交界處，后部冷高壓在蒙古國西部至里海北部呈帶狀分布，內部有多個冷高壓中心，東移發展過程中，逐漸合并加強。16日08時，冷高壓主體移至貝加爾湖西南地區，中心強度達1 035 hPa，蒙古氣旋則移至內蒙古東部，中心強度為997.5 hPa，冷鋒過境后出現西北大風，通遼市西南部局地出現沙塵暴天氣。

“5·6”過程期間，5日08時，位于貝加爾湖西部的冷高壓前部有兩個閉合的低壓中心，其中位于我國東北地區的氣旋中心強度為995 hPa，此時通遼市位于東北氣旋底部等壓線密集帶中，而位于蒙古國地區的低壓中心迅速加強東移。6日08時，蒙古氣旋中心強度達997.5 hPa，氣旋前部出現西南大風，造成內蒙古東南部地區大范圍大風沙塵天氣。20時，蒙古氣旋減弱移出，中心位置位于通遼市東部，鋒面逐漸過境。

4 氣象要素變化

地面氣象要素對冷鋒過境及沙塵暴爆發有強烈反應, 可以在沙塵暴預報中作為參考依據[7]，圖1為兩次過程地面氣象要素變化情況。“4·16”大風沙塵過程期間，蒙古氣旋強度較強且移動緩慢，冷鋒后西北大風影響通遼市時間較長，冷空氣主體移動過程中在內蒙古西部南下，且強度減弱。由奈曼站氣象要素變化(圖1a)可看出，過程期間，冷鋒過境后，奈曼本站氣壓逐漸上升，速度較緩慢，12 h共上升7.1 hPa。相對濕度在09—12時下降6%，此時段為沙塵暴發生時段，極大風速在09時后加大，由20.5 m/s上升至24.5 m/s，大風持續8 h，氣溫變化不明顯，在沙塵暴期間溫度略有升高。

“5·6”過程冷鋒過境前后，奈曼站氣象要素變化劇烈(圖1b)。冷鋒前，氣壓下降，相對濕度很低，氣溫升高，風速不大；冷鋒過境后，風速加大，氣壓急升，濕度增加，氣溫下降。08—14時，氣壓持續下降，14時下降至948.4 hPa，氣溫在08—13時由23.4 ℃上升至27.2 ℃，相對濕度在13時降至12%，極大風速略有加大，14時為14.2 m/s。沙塵暴發生時，氣壓急升，14—17時氣壓上升了9.4 hPa，氣溫下降13.7 ℃，此時段奈曼旗發生了強沙塵暴天氣。

5 高低空急流配置

分析300 hPa高空急流演變發現：4月15日20時，我國中部地區存在西風急流核，核區最大風速達58 m/s；16日08時，大風核區北移至華北至渤海東部，核區最大風速加強至80 m/s，通遼市位于西風急流北側正渦度平流區，其下部產生輻合上升運動，造成地面氣旋增強。700 hPa西北風急流和切變線逐漸東移，16日08時，通遼市開始受大風影響，最大風速超過20 m/s，且高低空風向均在通遼市南部地區呈氣旋式彎曲，沙塵暴出現在高空西風急流左側和低空西北風急流入口區左側。

分析“5·6”過程高空300 hPa和低層700 hPa的急流形勢演變發現：沙塵暴發生前期，5日08時，高空西風急流發展強盛，大風核區位于渤海一帶，核區最大風速達70 m/s，通遼市位于急流核左側，東部存在氣旋式切變；低層對應西北急流，最大風速達26 m/s。6日20時，高空西風急流轉為西南急流，且大風速核明顯北抬至山東西部，最大風速62 m/s；700 hPa轉為西南急流，急流核位置向北移動，風速加大，最大風速達30 m/s，通遼市位于低空西南急流左側。

以上分析可看出，“4·16”過程高空到低空為強西風和西北風，“5·6”過程高、低空為強西南風，“4·16過程”的高空急流較“5·6”過程更強，但低空急流位置偏南，故造成沙塵暴區域較小，“5·6”過程高低空急流位置更靠近內蒙古東南部，所以造成沙塵暴區域更大，強度更強[8]。

6 垂直速度和大氣層結穩定度

6.1 垂直速度

4月16日11時沿43°N垂直速度剖面圖(圖2a)上，在124°E以東整層大氣幾乎全部為上升氣流區，最大上升速度在600 hPa附近，達到-12×10-3hPa/s。124°E以西基本為下沉氣流區，最大下沉速度在奈曼旗以西上空700 hPa附近，為9×10-3hPa/s。14時(圖2b)，下沉氣流區迅速東移至125°E，上升氣流區收縮至400 hPa以下，最大上升速度也明顯減弱。表明此時冷空氣在東移過程中迅速減弱，預示大風沙塵過程趨于結束。

5月6日14時沿43°N垂直速度剖面圖(圖2c)上，120°E附近上空存在強烈上升氣流，上升高度達300 hPa以上，最大上升速度達到-4×10-2hPa/s。118°E以西下沉氣流區隨高度向西北傾斜，但下沉速度最大為1×10-2hPa/s。上升速度和下沉速度均比“4·16”過程強。17時最強上升氣流區位置略有東移，但上升速度明顯減小(圖2d)，表明14—17時地面氣旋維持少動，導致大風沙塵天氣持續影響通遼市。

從上述分析可知，兩次大風沙塵天氣過程均存在鋒區后冷空氣較強且下沉氣流區隨高度向西北傾斜。冷鋒后冷空氣下沉，高空動量下傳，抬升前部暖空氣，從而造成冷鋒后部大風；而鋒區前強烈的上升運動可以使地面氣旋發展，使鋒后冷高壓和氣旋之間的氣壓梯度加大，造成近地面大風加強。兩次過程的區別是“4·16”過程冷空氣迅速東移造成冷鋒后部西北大風，而“5·6”過程蒙古氣旋維持少動，引起氣旋前部偏南大風。

6.2 大氣穩定度

動力因子滿足的條件下，熱力因子是判斷能否出現沙塵暴的敏感因子[9]，沙塵暴通常發生在不穩定大氣層結中[10]。從兩次大風沙塵過程前43°N假相當位溫(θse)垂直剖面圖和奈曼站的假相當位溫垂直變化(?θse/?p)圖可以看出(圖3)：4月16日125°E以西，400 hPa以下θse是低值區，呈東西向長條狀，最低值達284 K，表明鋒后干冷空氣已經侵入；而在110°E～125°E，700～500 hPa等θse線密集，表明中低空鋒區強盛；在125°E附近600～400 hPa，有θse高能舌向上凸起，表明中空層結不穩定(圖3a)；奈曼站的假相當位溫垂直變化(?θse/?p)圖(圖3b)上，近地層有?θse/?p>0，900～700 hPa有?θse/?p≈0，表明此時低層大氣層結呈現弱不穩定或中性狀態。

5月6日14時43°N假相當位溫垂直剖面圖(圖3c)上：120°E以西400 hPa以下為θse低值區，最低值達290 K，干冷空氣延伸至400 hPa，冷空氣向上擴展，向上凸起呈舌狀；120°E附近等θse線密集，1個經度內約有5根等θse線，表明鋒區發展強盛；120°E東側為θse高值區，最大值為312 K。奈曼站的假相當位溫垂直變化(?θse/?p)圖(圖3d)上，近地層?θse/?p>0，近地面層也呈現出弱不穩定層結，900～600 hPa，假相當位溫值隨高度變化不大，層結狀態基本為中性。

以上分析表明，兩次大風過程發生前大氣層結條件有所差別，“4·16”過程發生在冷鋒過境后，冷空氣較“5·6”過程強度更強，但由于冷鋒已過境，大氣層結趨于中性或弱不穩定。雖然通遼市全市均出現大風沙塵天氣，但沙塵暴發生范圍較小。而“5·6”過程中，基礎氣溫比“4·16”過程高，能量也更高，大氣層結為弱不穩定或中性，同時冷鋒強度更強，故造成沙塵暴范圍更廣。

7 結論

(1)兩次過程前期均干旱少雨，植物覆蓋率低，正值田地翻耕，同時存在本地沙源，這些條件均為兩次過程提供了充分的沙源條件。

(2)兩次過程高空和地面形勢類似，高空存在較強鋒區，大氣斜壓性強，地面雖均受蒙古氣旋影響，但“4·16”過程主要受冷鋒后的西北大風影響，“5·6”過程是受冷鋒過境前后的西南大風和偏西大風共同影響。兩次過程發生前后氣壓、相對濕度等氣象要素均出現明顯變化，“5·6”過程氣象要素變化更為劇烈。

(3)兩次過程中高低空急流配置有區別。“4·16”過程高空到低空為強西風和西北風。“5·6”過程高空到低空為強西南風，高空急流較“4·16”位置偏南，但低空急流位置偏北；因此造成“5·6”過程沙塵暴區域更大，強度更強。

(4)兩次過程均存在鋒區后較強冷空氣下沉，高空動量下傳，而鋒區前存在強烈的上升運動，從而使鋒后冷高壓和氣旋之間的氣壓梯度加大；但“4·16”過程冷空氣迅速東移造成冷鋒后部西北大風，而“5·6”過程蒙古氣旋維持少動，引起氣旋前部偏南大風和冷鋒后偏西大風。

(5)兩次大風過程發生前大氣層結條件有差別。“4·16”過程中，由于冷鋒已經過境，大氣層結處于中性或弱不穩定狀態，沙塵暴發生范圍較小；“5·6”過程中，基礎氣溫比“4·16”過程高，能量也更高，大氣層結為弱不穩定或中性，同時冷鋒強度更強，故造成沙塵暴范圍更廣。