中國北方一次沙塵天氣環流特征及其強度與感熱通量的關系

摘要 利用2020年5月2—3日地面常規觀測資料，采用天氣學分析法和分類統計學，研究中國北方大范圍沙塵天氣環流特征及其強度與感熱通量的關系。研究結果表明：高空槽加強為冷渦，冷空氣沿偏西氣流南下，有強冷平流。地面沙塵區域內形成北有冷高壓、南有低壓倒槽對峙的形式。等壓線密集區的氣壓梯度力大，形成偏東大風，產生沙塵天氣。在蒙古冷高壓底部形成準靜止鋒，使得天氣系統移動緩慢，沙塵天氣持續時間較長；沙塵天氣發生期間，總體上平均感熱通量大于0，地表放熱，空氣吸熱。從感熱通量絕對值的平均值看，強沙塵暴是沙塵暴的2～3倍，揚沙、浮塵是沙塵暴的2～4倍。在夜間，由于沙塵的保溫作用，使得地表溫度大于地面2 m溫度，感熱通量為正值，沙塵保溫作用對沙塵天氣發展起正反饋作用。

關鍵詞 沙塵；環流特征；強度；感熱通量

中圖分類號：P425.5+5 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0077-03

沙塵天氣是中國北方春秋季節常見的一種視程障礙天氣現象，按照能見度大小可以分為特強沙塵暴、強沙塵暴、沙塵暴、揚沙、浮塵[1]。針對沙塵天氣的研究在大氣科學和環境科學領域居多。以天氣學、大氣物理學、空氣污染氣象學、大氣化學、生態學、氣候學為主要方向。研究方法多為分類統計學、相關性及顯著性檢驗、數值模擬評估等。如張超等[2]分析了青藏高原中東部感熱通量的時空分布特征、變化周期和影響因子；黃珊等[3]通過研究ERA-Interim再分析資料得到中國西南地區地表感熱通量、潛熱通量的年代際變化特征；王美蓉等[4]采用CMIP6全球氣候模式對青藏高原中東部的感熱通量進行了數值模擬評估；車婧等[5]揭示了夏季渦旋與地面感熱通量強弱的相關性；謝晉等[6]運用Pearson相關法、曼-肯德爾檢驗、EOF法對氣候因子與感熱通量進行了相關性研究；張恬月等[7]討論了青藏高原渦旋生成頻率與感熱通量的空間相關性。從天氣學角度研究沙塵天氣的環流形式，從微氣象學角度研究近地層感熱通量與沙塵天氣強度的關系，以期為沙塵天氣的預報和氣象服務提供科學依據[8]。

1 數據來源與處理

1.1 數據來源

研究數據使用國家氣象科學數據中心提供的中國地面氣象站逐小時觀測資料。選取地區有41個國家氣象站，分布在甘肅、寧夏、青海和內蒙古。氣象要素包括能見度、風速、地表溫度、地面溫度、相對濕度。再分析資料選用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全球對流層模式Grib2分析資料，資料范圍90°S～90°N，180°W～180°E，每日02：00、08：00、14：00、20：00 4個時次，水平分辨率為1°×1°。

1.2 預處理

利用Excel 2021統計逐小時實況資料并計算感熱通量。使用Opengrads2.1.a2.oga.1軟件繪制位勢高度場、溫度場和海平面氣壓場圖。

2 研究方法

2.1 沙塵天氣強度分類

參考沙塵天氣的能見度分類方法和王宗海等[9]人的揚沙起動研究成果，由此得出，沙塵天氣按照極大風速和能見度可以分為浮塵、無大風揚沙、有大風揚沙、無大風沙塵暴、有大風沙塵暴、強沙塵暴、特強沙塵暴等7類（表1）。

2.2 感熱通量計算

根據袁國波等[10]在沙塵暴感熱通量研究中給出的感熱通量計算方法，計算公式如下：

SHF=1.72V | T1－T2 |（1）

計算公式中，SHF（Sensible Heat Flux）

為近地面感熱通量（單位：W/m2），V為10 min平均風速（單位：m/s），T1為0 cm地表溫度（單位：℃），T2為2 m地面溫度（單位：℃）。

3 沙塵天氣的環流背景

3.1 500 hPa位勢高度場和溫度場分析

5月2日20：00（圖1a），貝加爾湖西北側有一冷渦發展，冷渦底部溫度線與位勢高度線基本平行，冷平流弱，在沙塵天氣發生區域上游，外蒙古至新疆東部有短波槽發展，在短波槽前的弱暖脊中出現沙塵天氣；5月3日02：00（圖1b），冷渦減弱為高空槽，其西側冷空氣沿西北氣流南下，短波槽位于外蒙古至內蒙古西部地區，沙塵發生區域上游溫度線與位勢高度線有交角，有冷平流；5月3日08：00（圖1c），高空槽原地維持，沙塵天氣發生區域的短波槽緩慢東移至內蒙古中部地區；5月3日14：00（圖1d），高空槽加強為冷渦，冷渦附近溫度線垂直于位勢高度線，有強冷平流，冷空氣沿西風氣流繼續東移南下，外蒙古至沙塵天氣發生區域的短波槽移動至內蒙古東部地區，溫度槽落后于位勢高度槽。

3.2 海平面氣壓場分析

5月2日20：00（圖2a），沙塵天氣發生區域位于地面倒槽頂部，地面冷高壓位于巴爾克什湖以北，中心為

1 015 hPa；5月3日02：00（圖2b），地面倒槽西伸北抬，新疆北部地面冷空高壓東移加強為1 017.5 hPa；5月3日08：00（圖2c），在沙塵區域內形成“蒙古冷高壓底部倒槽”型的環流結構，北有蒙古冷高壓，南有河西走廊至河套地區低壓倒槽，呈“北高南低”的氣壓對峙，形成穩定的準靜止鋒，在冷高壓與倒槽之間等壓線密集、氣壓梯度力大形成偏東大風；5月3日14：00（圖2d），冷高壓繼續南壓，地面倒槽緩慢南撤[11]。

4 沙塵天氣強度與感熱通量之間的關系

4.1 不同強度的沙塵天氣持續時間與數值特征

分類統計了7種沙塵天氣持續時間、感熱通量的大小、平均感熱通量和感熱通量絕對值的平均值。沙塵天氣持續時間為156 h，無大風揚沙持續時間最長，有大風沙塵暴持續時間最短，未出現特強沙塵暴。沙塵天氣的感熱通量在-82～431 W/m2之間。沙塵天氣發生期間，總體上平均感熱通量＞0，地表放熱，空氣吸熱，浮塵數值最大，無大風沙塵暴數值最小。從感熱通量絕對值的平均值看，強沙塵暴是沙塵暴的2～3倍，揚沙、浮塵是沙塵暴的2～4倍，浮塵與揚沙的數值相對接近。

4.2 夜間沙塵天氣與感熱通量的關系

在沒有冷空氣影響且天氣晴好的情況下，白天地表吸收短波輻射，空氣吸收長波輻射，地表溫度高于地面溫度。夜間，地表和空氣向宇宙空間發射長波輻射，地表比空氣降溫更快，地表溫度低于空氣溫度[12]。以巴彥諾日公（52495）為例（表2），在2日22：00和3日04：00有大風揚沙天氣時，地表溫度小于地面2 m溫度，感熱通量為負值。在2日23：00—3日03：00有大風揚沙或強沙塵暴時，地表溫度大于地面2 m溫度，感熱通量為正值，因此得出大風揚沙、強沙塵暴對地表輻射具有強烈的保溫作用，該作用對沙塵天氣的發展具有正反饋作用。

5 結論

（1）在高空，高空槽加強為冷渦，冷空氣沿偏西氣流南下，有強冷平流，冷空氣活躍且深厚；在地面，沙塵區域內形成“蒙古冷高壓底部倒槽”型的環流結構，北有冷高壓，南有低壓倒槽對峙的形式，在蒙古冷高壓底部形成準靜止鋒，使得天氣系統移動緩慢，沙塵天氣持續時間較長。高低壓之間等壓線密集、氣壓梯度力大形成偏東大風，促使沙塵天氣發生。

（2）沙塵天氣的感熱通量在-82～431 W/m2之間。沙塵天氣發生期間，總體上平均感熱通量＞0，地表放熱，空氣吸熱。從感熱通量絕對值的平均值來看，強沙塵暴是沙塵暴的2～3倍，揚沙、浮塵是沙塵暴的2～4倍，浮塵與揚沙的數值相對接近。

（3）夜間，由于沙塵的保溫作用，地表溫度＞地面2 m溫度，感熱通量為正值，空氣中的沙塵吸熱、地表放熱，沙塵保溫作用對沙塵天氣成正反饋。

參考文獻

[1] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003.

[2] 張超，田榮湘，茆慧玲，等.青藏高原中東部地區地表感熱通量的時空變化特征[J].氣候變化研究進展，2018，14（2）： 127-136.

[3] 黃珊，楊揚，王含嘉，等.中國西南地區地表感熱和潛熱通量時空變化特征[J].干旱氣象，2020，38（4）：601-661.

[4] 王美蓉，周順武，孫陽，等.CMIP6全球氣候模式對青藏高原中東部地表感熱通量模擬能力評估[J].大氣科學，2022， 46（5）：1225-1238.

[5] 車婧，張春玲.夏季青藏高原低渦與感熱通量的相關分析[J].海洋湖沼通報， 2021（4）：39-45.

[6] 謝晉，余曄，劉川，等.青藏高原地表感熱通量變化特征及其對氣候變化的響應[J].高原氣象，2018，37（1）：28-34.

[7] 張恬月，李國平.青藏高原夏季地面感熱通量與高原低渦生成的可能聯系[J].沙漠與綠洲氣象，2018，12（2）：1-6.

[8] 胡繼超，申雙和，孫衛國，等.微氣象學基礎[M].北京：氣象出版社，2014.

[9] 王宗海，陸劍紅，韓秀蘭.揚沙與浮塵的區分方法[J].陜西氣象，2002（6）：32.

[10] 袁國波，李枚潔.一次沙塵暴過程中的地面感熱通量分析[J].陜西氣象，2019 （1）：22-24.

[11] 顧潤源，孫永剛，韓經緯，等.內蒙古自治區天氣預報手冊[M].北京：氣象出版社，2012.

[12] 盛婓軒，毛節泰，李建國，等.大氣物理學[M].北京：北京大學出版社，2003.

責任編輯：黃艷飛

Characteristics of A Dust Storm Circulation in Northern China and Its Relationship with Sensible Heat Flux

Xing Bin （Alxa League Meteorological Bureau， Alxa League， Inner Mongolia 750306）

Abstract Based on the conventional ground observation data from May 2 to 3， 2020， the synoptic analysis method and classified statistics were used to study the circulation characteristics and the relationship between the intensity and sensible heat flux of large scale dust weather in northern China. The results show that the high trough was strengthened into a cold vortex， and the cold air flows southward along the westerly flow， with a strong cold advection. In the surface sand dust area， there was a cold high in the north and a low pressure trough in the south. The pressure gradient force in the concentrated area of isobars was large， forming a strong wind to the east， resulting in dust weather. A quasi-static front was formed at the bottom of Mongolia cold high， which makes the weather system move slowly and the dust weather lasts longer; During the sand dust weather， the average sensible heat flux was greater than 0 on the whole， the surface emits heat and the air absorbs heat. From the average value of the absolute value of sensible heat flux， the strong sandstorm was 2～3 times of the sandstorm， and the blowing sand and floating dust were 2～4 times of the sandstorm. At night， due to the heat preservation effect of sand dust， the surface temperature was 2m higher than the ground temperature， and the sensible heat flux was positive. The heat preservation effect of sand dust has a positive feedback effect on the development of sand dust weather.

Key words Sand dust; Circulation characteristic; Intensity; Sensible heat flux

作者簡介 邢彬（1983—），男，內蒙古阿拉善盟人，工程師，主要從事天氣氣候預報與災害天氣相關研究。

收稿日期 2023-01-08