论文部分内容阅读
摘要 利用常规观测资料和NCEP 1°×1°的逐6 h再分析资料，采用天气学原理和天气学诊断方法对2017年5月4—5日冀中强沙尘天气的天气形势以及动力机制进行了重点分析。结果表明，4日下午，冀中天气静稳，西北部的沙尘通过高空偏西气流的引导到达其上空而形成大范围的浮尘。5日白天随着冷锋的临近，冀中地区变压梯度增大，5个经度内变压差达到5 hPa，冀中地区出现大风、扬沙天气，+ΔP3中心的增强对沙尘天气的短时预报预警有很好的指示意义，此次提前量达到了10～12 h。对流层顶“超低温”的出现、垂直风场“顺滚流”的形成以及上湿冷、下干暖的大氣分布有利于干对流不稳定层结的建立。高空急流入口区次级环流的形成加速了大气的上下交换，“漏斗”状西风和北风强风速带向地面伸展，激发了地面大风的出现。气温偏高，增加了大气不稳定度，有利于沙尘粒子向高层输送，形成较大范围的扬沙或沙尘天气。
关键词 沙尘;变压梯度;干对流;超低温;次级环流
中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）03-067-03
DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.029
气象学中将沙尘天气分为浮尘、扬沙和沙尘暴，浮尘是在无风或微风的气象条件下形成的天气现象，而扬沙和沙尘暴需要有强劲持久的风力、不稳定的大气层结和沙源[1-4]，三者的产生对大气环境都有很大的不利影响，进而影响人类健康。近年来气象学家对沙尘天气的研究增多，钱莉等[5-7]从大气环流和物理量条件等对沙尘天气进行了个例分析，彭小桐等[8]应用V-3θ建立回归方程对沙尘进行预测，但大部分分析重点都集中在西北地区，针对华北的沙尘研究还比较少。2017年春季华北的一次较强沙尘天气给公众出行和大气环境以及人体健康造成很大影响，所以有必要对其机理进行分析研究，以期寻找短期短时预报预警指标，更好地做好沙尘预报服务。
1 天气实况及环流形势
1.1 天气实况
2017年5月4—5日冀中地区出现该年范围最广、强度最强的沙尘天气。4日有19个县（市、区）气象观测站点出现浮尘，5日除了安国、蠡县外的17个县（市、区）出现扬沙天气。沙尘天气使大部分地区PM10、PM2.5浓度显著升高，PM10的最大IAQI指数均超过500，大部分地区PM2.5的最大IAQI指数超过250，部分地区PM2.5的最大IAQI指数超过350。能见度明显降低，除高碑店、阜平、顺平外，其他县（市、区）最小能见度不足2 000 m，东部平原部分地区能见度不足100 m。
1.2 影响系统
亚欧中高纬为两槽两脊型，5月4日甘肃到华北（40° N附近）为宽槽底部的偏西气流控制（图1a），高空冷空气以偏西路径东移，随着乌拉尔山高压脊的加强，脊前西北气流所携冷空气在贝湖附近堆积并形成-44℃的冷中心，河套到贝湖之间冷平流增强，形成北支高空锋区，地面气旋（气旋最大强度992.5 hPa）冷锋后部系统性偏北风加大，此时，冀中上游出现扬沙或沙尘暴天气。位于高空宽槽底部的冀中地区天气形势静稳，4日上午出现大范围雾霾，下午西北部的沙尘通过高空偏西气流的引导到达冀中地区上空，从而给冀中带来明显的浮尘天气。5日贝湖东部冷平流的加强使高空槽发展加深（图1b），同时，槽前正涡度加速了地面蒙古气旋的生成发展，华北上空锋区斜压性增强，5日白天冀中出现锋面大风。由于前10 d平均气温比历史同期偏高2℃左右，降水比同期偏少90%以上，大部分地区10 d累计降水量0～1.0 mm，大气不稳定度增加，所以随着大风的出现冀中出现大范围扬沙天气。
2 动力机制
2.1 地面3 h变压特征
分析此次过程3 h变压分布：2017年5月4日14：00（图2a）蒙古国东部和中西部各有一个明显的正变压中心，最大正变压分别达到5和2 hPa，正变压中心前侧较大的变压梯度使中蒙交界处的风力增大，出现扬沙或沙尘暴天气。4日白天冀中地区受均匀的负变压控制，天气形势静稳，地面风力维持在1～2 m/s，西北部的沙尘通过高空偏西气流的引导到达冀中地区上空，从而给冀中带来明显的浮尘天气。4日20：00（图2b），蒙古中西部的正变压中心东移加强，5日02：00（图2c）正变压区到达河套地区，其中心值加强为5 hPa，冀西出现3 h强变压梯度，5个经度内变压差达到5 hPa，5日白天冀中地区出现大风、沙尘天气。+ΔP3中心的增强对沙尘天气的短时预报预警有很好的指示意义，此次提前量达到了10～12 h。
2.2 V3θ预测沙尘
V3θ图中的V是探空资料中直接观测的风向、风速信息，由于热量分布不均和变化是引起大气运动的本质性原因，所以选择能够体现热量垂直分布的位温，3θ分别为位温（θ）、假相当位温（θsed）、饱和假相当位温（θ*）。5月4日08：00（图3a）3θ线均随高度向右倾斜，上空未出现对流层超低温，说明大气层结较稳定。低层为偏北风，高空为西到西南风，垂直方向形成风矢逆滚流，预示4日白天天气平稳少变。4日20：00（图3b）350～500 hPa 3条θ线与横坐标T近似垂直，构成上冷下暖的大气垂直结构。对流层中下层位温θ和假相当位温θsed线靠近，对流层上层θsed和θ*线靠近，说明上湿、下干，有利于干对流不稳定层结的建立。低层为西南风，高层偏西风，整层表现为顺滚流，预示天气将转坏。5日08：00（图3c）300～400 hPa 3条θ线陡然左倾，说明层结极不稳定。偏西风随高度的升高而增大，风速的不均匀形成顺滚流[9-10]，对流层顶“超低温”的出现和“顺滚流”的形成预示着某种灾害天气极有可能要发生。上湿、下干的水汽分布有利于沙尘扬起。300 hPa高空风速达到60 m/s，高空急流的抽吸作用更加强了整层的垂直运动。 2.3 高空急流与风的垂直剖面分析
分析300 hPa高空急流（图4a），5日08：00高空偏西急流穿过河北上空，最大急流核达到60 m/s，冀中地区处在急流核的右后侧，右后侧对应着大片的水平辐散场（图4b），高空辐散上升有利于垂直运动的形成与加强。高空急流入口区36°～39° N有次级环流（图3c）形成，这与刘景涛等[3-4，11-12]的结论相一致，急流南侧辐散，形成一支上升气流，其北侧辐合，对应着气流下沉支，高空动量得以下传，使近地面层风速增大，形成大风天气。5日08：00高空为一致的西风气流（图4d），200～300 hPa存在一支西风急流，最大急流核在250 hPa的116°～118° E，中心最大风速70 m/s，115° E附近有“漏斗”状强风速带向近地面伸展，15 m/s的等风速线到达近地面层900 hPa以下，同时，北风（105°～116° E）向低层扩展（图4e），900 hPa的北风风速达到10 m/s，北风中心将南风中心向上抬起，高空动量传播到地面，激发冀中的大风沙尘天气。
3 小结
（1）5月4日华北上游出现扬沙或沙尘暴天气，位于高空宽槽底部的冀中地区天气形势静稳，地面风力维持在1～2 m/s，下午西北部的沙尘通过高空偏西气流的引导到达冀中上空，从而给冀中带来明显的浮尘天气。
（2）5月4日夜间由于高空槽后冷空气相对应的地面冷高压与蒙古气旋相配合，在冀中地区形成较大的气压梯度，变压差增大，5个经度内变压差达到5 hPa，5日白天冀中地区出现大风、沙尘天气。+ΔP3中心的增强对沙尘天气的短时预报预警有很好的指示意义，此次提前量达到了10～12 h。
（3）对流层顶“超低温”的出现和垂直风场“顺滚流”的形成预示着某种灾害天气极有可能要发生。上湿冷、下干暖的大气分布有利于干对流不稳定层结的建立。300 hPa高空风速达到60 m/s，高空急流的抽吸作用更加强了整层的垂直运动。高空急流入口区次级环流的形成加速了大气的上下交换，“漏斗”状西风和北风强风速带向地面伸展，激发了地面大风的出现。由于前10 d平均气温比历史同期偏高2℃左右，降水比同期偏少90%以上，大部分地区10 d累计降水量0～1.0 mm，大气不稳定度增加，有利于沙尘粒子往高层输送，形成较大范围的扬沙或沙尘天气。
参考文献
[1] 叶笃正，丑纪范，刘纪远，等.关于我国华北天气的成因与治理对策[J].地理学报，2000，55（5）：513-521.
[2] 郑新江，徐建芬，罗敬宁，等.1998年4月14—15日强沙尘暴过程分析[J].高原气象，2001，20（2）：180-185.
[3] 刘景涛，钱正安，姜学恭，等.中国北方特强沙尘暴的天气系统分型研究[J].高原气象，2004，23（4）：540-547.
[4] 岳平，牛生杰，张强.民勤一次沙尘暴天气过程的稳定度分析[J].中国沙漠，2007，27（4）：668-671.
[5] 钱莉，滕杰，胡津革.“14.4.23”河西走廊特强沙尘暴演变过程特征分析[J].气象，2015，41（6）：745-754.
[6] 汤绪，俞亚勋，李耀辉，等.甘肃河西走廊春季强沙尘暴与低空急流[J].高原气象，2004，23（6）：840-846.
[7] 郭萍萍，杨建才，殷雪莲，等.甘肃省春季一次连续浮尘天气过程分析[J].干旱气象，2015，33（2）：303-309.
[8] 彭小桐，邓文彬，孙桂云.V-3θ 图与大风沙尘天气预测分析[J].内蒙古气象，2016（4）：13-16.
[9] 欧阳首承，陈刚毅，林益（美）.信息数字化预测[M].北京：气象出版社，2009.
[10] 欧阳首承.天气演化与结构预测[M].北京：气象出版社，1998.
[11] 徐建芬，陶健红，杨民，等.2000年4月12日特强沙尘暴天气分析[J].气象，2001，27（6）：22-26.
[12] 陳晓光，纪晓玲，刘庆军，等.200hPa高空急流与宁夏春季沙尘暴过程的特征分析[J].中国沙漠，2006，26（2）：238-242.
责任编辑：黄艳飞
关键词 沙尘;变压梯度;干对流;超低温;次级环流
中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）03-067-03
DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.029
气象学中将沙尘天气分为浮尘、扬沙和沙尘暴，浮尘是在无风或微风的气象条件下形成的天气现象，而扬沙和沙尘暴需要有强劲持久的风力、不稳定的大气层结和沙源[1-4]，三者的产生对大气环境都有很大的不利影响，进而影响人类健康。近年来气象学家对沙尘天气的研究增多，钱莉等[5-7]从大气环流和物理量条件等对沙尘天气进行了个例分析，彭小桐等[8]应用V-3θ建立回归方程对沙尘进行预测，但大部分分析重点都集中在西北地区，针对华北的沙尘研究还比较少。2017年春季华北的一次较强沙尘天气给公众出行和大气环境以及人体健康造成很大影响，所以有必要对其机理进行分析研究，以期寻找短期短时预报预警指标，更好地做好沙尘预报服务。
1 天气实况及环流形势
1.1 天气实况
2017年5月4—5日冀中地区出现该年范围最广、强度最强的沙尘天气。4日有19个县（市、区）气象观测站点出现浮尘，5日除了安国、蠡县外的17个县（市、区）出现扬沙天气。沙尘天气使大部分地区PM10、PM2.5浓度显著升高，PM10的最大IAQI指数均超过500，大部分地区PM2.5的最大IAQI指数超过250，部分地区PM2.5的最大IAQI指数超过350。能见度明显降低，除高碑店、阜平、顺平外，其他县（市、区）最小能见度不足2 000 m，东部平原部分地区能见度不足100 m。
1.2 影响系统
亚欧中高纬为两槽两脊型，5月4日甘肃到华北（40° N附近）为宽槽底部的偏西气流控制（图1a），高空冷空气以偏西路径东移，随着乌拉尔山高压脊的加强，脊前西北气流所携冷空气在贝湖附近堆积并形成-44℃的冷中心，河套到贝湖之间冷平流增强，形成北支高空锋区，地面气旋（气旋最大强度992.5 hPa）冷锋后部系统性偏北风加大，此时，冀中上游出现扬沙或沙尘暴天气。位于高空宽槽底部的冀中地区天气形势静稳，4日上午出现大范围雾霾，下午西北部的沙尘通过高空偏西气流的引导到达冀中地区上空，从而给冀中带来明显的浮尘天气。5日贝湖东部冷平流的加强使高空槽发展加深（图1b），同时，槽前正涡度加速了地面蒙古气旋的生成发展，华北上空锋区斜压性增强，5日白天冀中出现锋面大风。由于前10 d平均气温比历史同期偏高2℃左右，降水比同期偏少90%以上，大部分地区10 d累计降水量0～1.0 mm，大气不稳定度增加，所以随着大风的出现冀中出现大范围扬沙天气。
2 动力机制
2.1 地面3 h变压特征
分析此次过程3 h变压分布：2017年5月4日14：00（图2a）蒙古国东部和中西部各有一个明显的正变压中心，最大正变压分别达到5和2 hPa，正变压中心前侧较大的变压梯度使中蒙交界处的风力增大，出现扬沙或沙尘暴天气。4日白天冀中地区受均匀的负变压控制，天气形势静稳，地面风力维持在1～2 m/s，西北部的沙尘通过高空偏西气流的引导到达冀中地区上空，从而给冀中带来明显的浮尘天气。4日20：00（图2b），蒙古中西部的正变压中心东移加强，5日02：00（图2c）正变压区到达河套地区，其中心值加强为5 hPa，冀西出现3 h强变压梯度，5个经度内变压差达到5 hPa，5日白天冀中地区出现大风、沙尘天气。+ΔP3中心的增强对沙尘天气的短时预报预警有很好的指示意义，此次提前量达到了10～12 h。
2.2 V3θ预测沙尘
V3θ图中的V是探空资料中直接观测的风向、风速信息，由于热量分布不均和变化是引起大气运动的本质性原因，所以选择能够体现热量垂直分布的位温，3θ分别为位温（θ）、假相当位温（θsed）、饱和假相当位温（θ*）。5月4日08：00（图3a）3θ线均随高度向右倾斜，上空未出现对流层超低温，说明大气层结较稳定。低层为偏北风，高空为西到西南风，垂直方向形成风矢逆滚流，预示4日白天天气平稳少变。4日20：00（图3b）350～500 hPa 3条θ线与横坐标T近似垂直，构成上冷下暖的大气垂直结构。对流层中下层位温θ和假相当位温θsed线靠近，对流层上层θsed和θ*线靠近，说明上湿、下干，有利于干对流不稳定层结的建立。低层为西南风，高层偏西风，整层表现为顺滚流，预示天气将转坏。5日08：00（图3c）300～400 hPa 3条θ线陡然左倾，说明层结极不稳定。偏西风随高度的升高而增大，风速的不均匀形成顺滚流[9-10]，对流层顶“超低温”的出现和“顺滚流”的形成预示着某种灾害天气极有可能要发生。上湿、下干的水汽分布有利于沙尘扬起。300 hPa高空风速达到60 m/s，高空急流的抽吸作用更加强了整层的垂直运动。 2.3 高空急流与风的垂直剖面分析
分析300 hPa高空急流（图4a），5日08：00高空偏西急流穿过河北上空，最大急流核达到60 m/s，冀中地区处在急流核的右后侧，右后侧对应着大片的水平辐散场（图4b），高空辐散上升有利于垂直运动的形成与加强。高空急流入口区36°～39° N有次级环流（图3c）形成，这与刘景涛等[3-4，11-12]的结论相一致，急流南侧辐散，形成一支上升气流，其北侧辐合，对应着气流下沉支，高空动量得以下传，使近地面层风速增大，形成大风天气。5日08：00高空为一致的西风气流（图4d），200～300 hPa存在一支西风急流，最大急流核在250 hPa的116°～118° E，中心最大风速70 m/s，115° E附近有“漏斗”状强风速带向近地面伸展，15 m/s的等风速线到达近地面层900 hPa以下，同时，北风（105°～116° E）向低层扩展（图4e），900 hPa的北风风速达到10 m/s，北风中心将南风中心向上抬起，高空动量传播到地面，激发冀中的大风沙尘天气。
3 小结
（1）5月4日华北上游出现扬沙或沙尘暴天气，位于高空宽槽底部的冀中地区天气形势静稳，地面风力维持在1～2 m/s，下午西北部的沙尘通过高空偏西气流的引导到达冀中上空，从而给冀中带来明显的浮尘天气。
（2）5月4日夜间由于高空槽后冷空气相对应的地面冷高压与蒙古气旋相配合，在冀中地区形成较大的气压梯度，变压差增大，5个经度内变压差达到5 hPa，5日白天冀中地区出现大风、沙尘天气。+ΔP3中心的增强对沙尘天气的短时预报预警有很好的指示意义，此次提前量达到了10～12 h。
（3）对流层顶“超低温”的出现和垂直风场“顺滚流”的形成预示着某种灾害天气极有可能要发生。上湿冷、下干暖的大气分布有利于干对流不稳定层结的建立。300 hPa高空风速达到60 m/s，高空急流的抽吸作用更加强了整层的垂直运动。高空急流入口区次级环流的形成加速了大气的上下交换，“漏斗”状西风和北风强风速带向地面伸展，激发了地面大风的出现。由于前10 d平均气温比历史同期偏高2℃左右，降水比同期偏少90%以上，大部分地区10 d累计降水量0～1.0 mm，大气不稳定度增加，有利于沙尘粒子往高层输送，形成较大范围的扬沙或沙尘天气。
参考文献
[1] 叶笃正，丑纪范，刘纪远，等.关于我国华北天气的成因与治理对策[J].地理学报，2000，55（5）：513-521.
[2] 郑新江，徐建芬，罗敬宁，等.1998年4月14—15日强沙尘暴过程分析[J].高原气象，2001，20（2）：180-185.
[3] 刘景涛，钱正安，姜学恭，等.中国北方特强沙尘暴的天气系统分型研究[J].高原气象，2004，23（4）：540-547.
[4] 岳平，牛生杰，张强.民勤一次沙尘暴天气过程的稳定度分析[J].中国沙漠，2007，27（4）：668-671.
[5] 钱莉，滕杰，胡津革.“14.4.23”河西走廊特强沙尘暴演变过程特征分析[J].气象，2015，41（6）：745-754.
[6] 汤绪，俞亚勋，李耀辉，等.甘肃河西走廊春季强沙尘暴与低空急流[J].高原气象，2004，23（6）：840-846.
[7] 郭萍萍，杨建才，殷雪莲，等.甘肃省春季一次连续浮尘天气过程分析[J].干旱气象，2015，33（2）：303-309.
[8] 彭小桐，邓文彬，孙桂云.V-3θ 图与大风沙尘天气预测分析[J].内蒙古气象，2016（4）：13-16.
[9] 欧阳首承，陈刚毅，林益（美）.信息数字化预测[M].北京：气象出版社，2009.
[10] 欧阳首承.天气演化与结构预测[M].北京：气象出版社，1998.
[11] 徐建芬，陶健红，杨民，等.2000年4月12日特强沙尘暴天气分析[J].气象，2001，27（6）：22-26.
[12] 陳晓光，纪晓玲，刘庆军，等.200hPa高空急流与宁夏春季沙尘暴过程的特征分析[J].中国沙漠，2006，26（2）：238-242.
责任编辑：黄艳飞