京津冀一次沙塵天氣的多源資料分析

黃浩杰?王鶴婷?許敏

摘要 利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、衛(wèi)星資料、ERA5再分析資料、微波輻射計(jì)資料及激光雷達(dá)資料，分析2021年3月15—17日京津冀地區(qū)的大范圍沙塵天氣，結(jié)果表明：在蒙古國(guó)前期異常干旱、高溫的氣候背景下，蒙古氣旋快速發(fā)展東移南下，配合地面冷鋒，形成京津冀第一階段的區(qū)域性沙塵天氣，部分地區(qū)達(dá)到沙塵暴強(qiáng)度;后期受較強(qiáng)偏南風(fēng)影響，出現(xiàn)了第二階段的回流型沙塵天氣，強(qiáng)度弱于第一階段;逆溫層的消失時(shí)間，以及不穩(wěn)定層結(jié)建立的時(shí)間與沙塵開始沉降時(shí)間一致，水平螺旋度負(fù)值區(qū)的東南方向出現(xiàn)沙塵概率較大，垂直螺旋度上負(fù)下正的區(qū)域與沙塵落區(qū)重合，且與衛(wèi)星云圖上的沙塵暴區(qū)大致相同，可用于沙塵落區(qū)的預(yù)報(bào)。

關(guān)鍵詞 沙塵暴;沙塵回流;螺旋度;等熵位渦;起沙量

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）06–0032–05

沙塵暴是京津冀地區(qū)冬春季節(jié)常見的一種災(zāi)害性天氣，破壞力強(qiáng)且影響范圍廣。京津冀地區(qū)沙塵暴的動(dòng)力學(xué)原理是當(dāng)蒙古氣旋等天氣系統(tǒng)在上游沙源地迅速發(fā)展時(shí)，在其底部風(fēng)速大于臨界風(fēng)速的地方，沙粒發(fā)生起動(dòng)，然后通過(guò)湍流的相干結(jié)構(gòu)從近地層進(jìn)入Ekman層中，再通過(guò)次級(jí)環(huán)流進(jìn)入垂直上升運(yùn)動(dòng)中，最終進(jìn)入自由大氣，在高空風(fēng)力較大的情況下，通過(guò)高空傳輸向本地輸送沉降，從而形成大范圍的沙塵天氣。

近年來(lái)，我國(guó)治沙理沙多項(xiàng)舉措并舉，京津冀地區(qū)沙塵暴總體呈下降趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心監(jiān)測(cè)顯示：自1961年以來(lái)，我國(guó)北方春季平均沙塵日數(shù)和沙塵暴日數(shù)均顯著減少。然而，2021年首次沙塵天氣過(guò)程明顯偏早，且春季沙塵天氣頻發(fā)，其中3月15—17日更是近10年強(qiáng)度最強(qiáng)、影響范圍最廣的沙塵天氣，給環(huán)境空氣質(zhì)量、人民日常出行及人體健康帶來(lái)嚴(yán)重影響，引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。

我國(guó)對(duì)于沙塵暴的特征分析已有許多研究，比如馬井會(huì)等[1]利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)資料反演得到的氣溶膠消光系數(shù)圖和垂直廓線圖，結(jié)合地面氣象數(shù)據(jù)和氣溶膠觀測(cè)資料及衛(wèi)星遙感資料，分析了上海地區(qū)連續(xù)浮沉天氣的原因。張亞妮等[2]通過(guò)分析等墑混合層厚度變化及其平流過(guò)程來(lái)追蹤沙塵天氣的輸送路徑和定位沉降地。郭虎等[3]分析了由于沙塵回流引起的重污染天氣過(guò)程。陳豫英等[4]診斷分析了寧夏 2013年3月9日強(qiáng)沙塵暴天氣過(guò)程的熱力和動(dòng)力條件。

上述成果有助于預(yù)報(bào)員加深對(duì)風(fēng)沙天氣形成機(jī)理的了解并提高預(yù)報(bào)水平。但學(xué)者對(duì)于霾、沙塵暴與沙塵回流天氣混合存在的階段性沙塵天氣研究較少，對(duì)微波輻射計(jì)、激光雷達(dá)等新資料的運(yùn)用較少，且對(duì)沙塵暴天氣的落區(qū)、強(qiáng)度和時(shí)間的精細(xì)化預(yù)報(bào)研究較少。

結(jié)合前人成果，利用微波輻射計(jì)、激光雷達(dá)等新資料和ERA5再分析資料深入分析3月15—17日連續(xù)性沙塵天氣，探索這類天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

1 天氣實(shí)況及氣候背景

2021年3月14—17日，起源于蒙古的強(qiáng)沙塵暴天氣席卷我國(guó)，出現(xiàn)近10年來(lái)最強(qiáng)的大范圍沙塵天氣，影響區(qū)域北起內(nèi)蒙古和新疆，南至江蘇中北部、安徽中北部和湖北西部，面積超過(guò)380萬(wàn) km2，其中，內(nèi)蒙古中西部、甘肅西部、寧夏、陜西北部、山西北部、河北北部、北京、天津等地出現(xiàn)了沙塵暴;內(nèi)蒙古中西部、寧夏、陜西北部、山西北部、河北北部、北京等部分地區(qū)還出現(xiàn)了強(qiáng)沙塵暴（圖1）。

此次沙塵天氣影響京津冀地區(qū)的主要時(shí)間段為3月15—17日，從激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以判斷沙塵暴的具體影響時(shí)間，霸州站激光雷達(dá)的退偏比（沙塵具有較大的退偏比，在0.2以上[5]）與消光系數(shù)（能見度與消光系數(shù)的導(dǎo)數(shù)成正比[6]）顯示（圖2），14日夜間，消光系數(shù)已經(jīng)升高，退偏比較小，空中聚集著大量球形度高的細(xì)粒子氣溶膠，消光能力強(qiáng)，表明在沙塵天氣開始前存在霧霾天氣;08：00消光系數(shù)的高值區(qū)間隙減小，空氣中的氣溶膠濃度升高，且退偏比升高，非球形的沙塵粒子增多，出現(xiàn)沙塵天氣。15日夜間沙塵天氣短暫間歇，16日消光系數(shù)再次升高，且表征非球星粒子的退偏比同步升高，沙塵粒子的分布高度在2 000 m（700～850 hPa）左右，彌散在空中，且消光系數(shù)與退偏比的高值厚度較15日有所減小，沙塵天氣強(qiáng)度較弱。

本次沙塵主要分為兩個(gè)階段：第一階段為15日強(qiáng)沙塵天氣階段，第二階段為17日回流型沙塵天氣階段。

2 第一階段沙塵天氣（3月15日）

沙塵天氣的產(chǎn)生需具備沙（塵）源、強(qiáng)風(fēng)和不穩(wěn)定的大氣層結(jié)3個(gè)條件。

前期上游沙源地異常偏暖，降水持續(xù)偏少，氣候條件十分有利于形成沙塵天氣：從3月1日14日蒙古國(guó)平均氣溫分布圖（圖3a）來(lái)看，平均氣溫在0℃以上，有利于凍土解凍，冰雪消融;從1月1日到3月14日的累計(jì)降水量分布情況圖（圖3b）來(lái)看，過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)無(wú)有效降水，地表?xiàng)l件非常干燥，并且從衛(wèi)星反演植被指數(shù)（圖4）可以看出，該區(qū)域植被覆蓋較少，沙粒塵土都裸露在地表。

2.1 動(dòng)力條件

2.1.1 高低空形勢(shì)配置 200 hPa有高空急流通過(guò)，程海霞[7]等指出，沙塵暴總是與高空急流相伴出現(xiàn)的。高空急流對(duì)沙塵暴的發(fā)生發(fā)展具有重要作用：根據(jù)鋒生動(dòng)力學(xué)原理，急流入口區(qū)有利于鋒生。對(duì)流層鋒區(qū)增強(qiáng)，高層降溫，不僅有利于形成不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，使上升氣流得到維持和增強(qiáng)，而且引起地面減壓，有利于地面中低壓發(fā)展。在不穩(wěn)定層結(jié)的基礎(chǔ)上，湍流增強(qiáng)，有利于動(dòng)能下傳，導(dǎo)致下層西風(fēng)氣流明顯增大。高空急流為中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展及沙塵暴的產(chǎn)生提供了有利的大尺度背景。

500 hPa為經(jīng)向型的環(huán)流形勢(shì)，槽后有強(qiáng)的冷中心，斜壓性強(qiáng)，系統(tǒng)發(fā)展迅速。地面槽前有強(qiáng)的蒙古氣旋，且不斷加深南下，槽后有強(qiáng)的冷高壓，氣壓梯度密集。冷鋒與蒙古氣旋配合，鋒后有強(qiáng)的冷平流，冷空氣較強(qiáng)（圖5）。

2.1.2 大風(fēng)形成原因分析 在高空槽前正渦度平流的影響下，地面蒙古氣旋快速發(fā)展，中心氣壓值從987.5 hPa降至982.5 hPa，氣壓梯度增大，梯度風(fēng)增大，與其配合的冷鋒在動(dòng)力學(xué)鋒生作用下進(jìn)一步加強(qiáng)，冷鋒前后的水平溫度梯度和大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增大，有利于地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)（變壓風(fēng)）增大及增強(qiáng)湍流作用。且變壓風(fēng)與梯度風(fēng)方向一致，在二者的矢量和作用下，實(shí)際風(fēng)速持續(xù)增大。風(fēng)速增大為起沙和揚(yáng)沙機(jī)制提供了有力條件，強(qiáng)沙塵暴天氣發(fā)生在變壓梯度最大的地方。

3 第二階段沙塵天氣（3月17日）

經(jīng)過(guò)一輪沙塵的沉降后，3月16日白天AQI指數(shù)有所好轉(zhuǎn)，但16日夜間至17日再次發(fā)生浮沉天氣，PM10和AQI指數(shù)均有所回升。HYSPLIT后向軌跡模型的模擬結(jié)果（圖6a）表明，這是一次典型的沙塵回流天氣，由沙塵在偏南風(fēng)的影響下從河北省南部往北傳輸所致。

分析沙塵回流階段，從環(huán)流形勢(shì)來(lái)看，與15日有明顯不同：從500 hPa高空?qǐng)D（圖6b）來(lái)看，17日環(huán)流形勢(shì)較為平直，為緯向型環(huán)流，無(wú)明顯強(qiáng)冷空氣。有弱短波槽東移，低空至地面為高壓后部的偏南氣流。偏南氣流有利于將本已傳輸至河北省南部的沙塵向北傳輸。

從17日08：00的700 hPa風(fēng)場(chǎng)圖（圖6c）來(lái)看，有切變線壓在河北省西部地區(qū)，存在有弱的輻合，而從垂直速度的演變情況來(lái)看，16日夜間至17日為弱的上升運(yùn)動(dòng)，有利于將沙塵向高空輸送，彌散在空中，污染物維持較高的濃度，一直持續(xù)到17日夜間。

4 沙塵天氣與物理量的相關(guān)性

4 .1 沙塵強(qiáng)度與物理量的關(guān)系

沙塵強(qiáng)度與風(fēng)速有著密切的關(guān)系，沙塵暴風(fēng)力普遍達(dá)到5～7級(jí)，但是風(fēng)力相對(duì)較小的3月15日沙塵天氣過(guò)程沙塵強(qiáng)度反而更強(qiáng)，說(shuō)明沙塵強(qiáng)度不僅與風(fēng)力有關(guān)，具體分析沙塵強(qiáng)度與以下幾個(gè)因素有關(guān)。

4.1.1 沙塵強(qiáng)度與傳輸路徑的相關(guān)性分析 對(duì)于京津冀地區(qū)而言，沙塵天氣的沙源主要是其上游地區(qū)，尤其是蒙古國(guó)中南部的戈壁沙漠。分析表明：2/3的沙塵天氣起源于蒙古國(guó)南部地區(qū)，在途經(jīng)我國(guó)北方時(shí)得到沙塵物質(zhì)的補(bǔ)充而增強(qiáng);境內(nèi)沙源僅為1/3左右[8]。蒙古氣旋強(qiáng)烈發(fā)展的地理位置及高空大風(fēng)速區(qū)與沙源地的配合度對(duì)于沙塵強(qiáng)度有很大的影響，當(dāng)上游關(guān)鍵區(qū)域發(fā)生大范圍沙塵天氣之后，高空風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速與沙源地的配合情況是預(yù)報(bào)未來(lái)下游地區(qū)沙塵天氣的一個(gè)重要參照指標(biāo)。

4.1.2 沙塵強(qiáng)度與能見度的相關(guān)性分析 Shao et al.（2003）[9]提出了一個(gè)通過(guò)能見度推算TSP濃度的經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，CTSP是沙塵濃度（單位：μg m-3），Dv是能見度（單位：km）。利用ERA5再分析資料的能見度來(lái)表征含沙量，盡管有一些不確定性因素，但在含沙量觀測(cè)量缺乏的情況下具有一定的參考意義。

3月14日，上游地蒙古國(guó)出現(xiàn)大范圍強(qiáng)沙塵暴時(shí)，最低能見度不足0.1 km，低于另外兩次過(guò)程的初始階段的能見度，蒙古國(guó)起沙過(guò)程中TSP濃度最大?？梢姡晒艊?guó)作為京津冀地區(qū)的上游沙源地，爆發(fā)沙塵暴時(shí)的最低能見度對(duì)于下游沙塵天氣強(qiáng)度具有一定的指示意義。

4.2 沙塵沉降時(shí)間與物理量的關(guān)系

動(dòng)量下傳對(duì)沙塵暴的發(fā)生起到十分重要的作用[10]。在日常業(yè)務(wù)工作中，可以結(jié)合探空?qǐng)D與位勢(shì)渦度的垂直分布情況來(lái)判斷垂直方向的速度及方向。

4.2.1 T-Lnp圖 利用微波輻射計(jì)對(duì)大廠上空物理要素進(jìn)行反演，得到了大廠在沙塵天氣過(guò)程中的逐小時(shí)探空?qǐng)D（圖8）。3月15日00：00～08：00，探空?qǐng)D中低層有一逆溫層穩(wěn)定維持，逆溫層高度達(dá)925 hPa且整層濕度較好（圖7a、b），結(jié)合地面自動(dòng)觀測(cè)站資料（圖7c）可知，3月14日夜間大廠出現(xiàn)了輕霧。逆溫層結(jié)的存在有利于不穩(wěn)定能量的聚集，隨著09：00逆溫層的破壞，溫度露點(diǎn)差迅速增大，溫度層結(jié)曲線接近于干絕熱遞減率，轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)，湍流增大，使高空傳輸?shù)纳硥m向下傳播，彌散在空中，出現(xiàn)沙塵天氣，能見度低于5 km。同時(shí)，隨著湍流的增大，鉛直方向交換增大，空氣的動(dòng)量下傳增強(qiáng)，地面風(fēng)速明顯加大。逆溫層的消失時(shí)間、不穩(wěn)定層結(jié)建立的時(shí)間與沙塵開始沉降的時(shí)間一致，結(jié)合本地反演探空?qǐng)D可以彌補(bǔ)探空資料時(shí)間分辨率低的缺點(diǎn)，對(duì)于提高沙塵預(yù)報(bào)的精細(xì)化具有重要意義。

4.2.2 等熵面位渦分析 位渦是動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)混合的一個(gè)物理量。根據(jù)位渦公式：

其中，表示相對(duì)渦度，表示地球自轉(zhuǎn)渦度。位渦的數(shù)量級(jí)為10-6m2·K/（s·kg）=1 PVU，PVU為位渦單位。高值位渦對(duì)應(yīng)氣旋性環(huán)流，低值位渦對(duì)應(yīng)反氣旋環(huán)流;對(duì)流層高層的高位渦系統(tǒng)是導(dǎo)致動(dòng)量下傳的重要機(jī)制[11]。3月14日14：00，200 hPa的高位渦值下傳到500 hPa附近，有利于高空急流中心的高動(dòng)量向下傳播，而14日20：00，850 hPa出現(xiàn)了明顯的西北方向的低空急流，有利于地面風(fēng)速和沙塵發(fā)展（圖8）。

4.3 沙塵范圍與物理量的關(guān)系

在上游關(guān)鍵地區(qū)出現(xiàn)大范圍沙塵暴甚至強(qiáng)沙塵暴天氣的氣候背景下，如何把握未來(lái)影響的落區(qū)是沙塵預(yù)報(bào)的一個(gè)難點(diǎn)，下面結(jié)合ERA5再分析資料進(jìn)行具體分析。

4.3.1 螺旋度 螺旋度為速度矢量和渦度矢量的協(xié)方差，它的大小可以反映旋轉(zhuǎn)和沿旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱[12]。通常螺旋度指局地或單位體積內(nèi)包含的螺旋度，在P坐標(biāo)系中螺旋度的公式可以表示為：

公式中，u、v為水平風(fēng)速（單位：m/s），ω為垂直速度0.1 Pa/s;hx、hy為水平螺旋度。

由于垂直速度在水平方向上變化較小，可以簡(jiǎn)化為：

=hx+hy+hp=hxy+hp

其中，hxy為水平螺旋度，是水平風(fēng)速與水平渦度的乘積，與天氣系統(tǒng)項(xiàng)相對(duì)應(yīng);hp垂直螺旋度，是垂直速度與垂直渦度的乘積，反映天氣系統(tǒng)的生成和發(fā)展，以及天氣現(xiàn)象的劇烈程度。

（1）水平螺旋度。相對(duì)風(fēng)暴螺旋度是衡量風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)的物理量，單位為m2/s2。李巖瑛等[13]的研究表明：水平螺旋度主要與水平方向的力管、渦度、氣壓梯度相聯(lián)系，較強(qiáng)的負(fù)水平螺旋度中心常常與3 h變壓中心相伴，表明近地面層風(fēng)速越大，水平方向上容易起沙，同時(shí)表明垂直風(fēng)切邊逆向增強(qiáng)，利于沙塵向空中輸送，因而沙塵暴發(fā)生的可能性增大，且負(fù)值區(qū)的東南方未來(lái)將會(huì)產(chǎn)生沙塵天氣。

采用計(jì)算以下公式計(jì)算水平螺旋度，并得出其水平分布情況如圖9所示：

圖9 3月14日20：00沿40°水平螺旋度分布圖（a）和3月15日08：00沿40°水平螺旋度分布圖（b）

從3月14日20：00的水平螺旋度的分布情況（圖9a）來(lái)看，最大負(fù)值中心出現(xiàn)在內(nèi)蒙古和黑龍江地區(qū)，與沙塵范圍落區(qū)所在位置一致。3月15日08：00，隨著蒙古氣旋東移發(fā)展（圖9b），水平螺旋度負(fù)值中心有所東移，且強(qiáng)度有所增大，京津冀地區(qū)在水平螺旋度負(fù)值中心的東南方與3月15日沙塵落區(qū)一致，可見相對(duì)螺旋度對(duì)于沙塵范圍的預(yù)報(bào)具有重要意義。

（2）垂直螺旋度。由圖10a可知，在京津冀地區(qū)發(fā)生大范圍沙塵過(guò)程的前期的3月14日20：00，垂直螺旋度在115°E附近550～750 hPa的高度上出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)值中心，而800 hPa附近為一明顯的正值中心維持，說(shuō)明本次過(guò)程前期具有中空負(fù)螺旋度區(qū)的分布特點(diǎn)。15日08：00為沙塵暴的發(fā)生階段，垂直螺旋度的負(fù)值中心有所減?。▓D10b），結(jié)合垂直速度隨時(shí)間的變化情況（圖10c），08：00下沉氣流明顯減小，而垂直螺旋度為垂直速度與相對(duì)渦度的乘積，因此垂直螺旋度負(fù)值中心隨之減小。且隨著最大下沉氣流高度的下降，垂直螺旋度負(fù)值中心所在高度也有所下降，可見當(dāng)系統(tǒng)加強(qiáng)發(fā)展及相對(duì)渦度增大的情況下，垂直螺旋度的垂直分布情況反映了沙塵沉降的時(shí)間和強(qiáng)度。

5 結(jié)論

對(duì)3月14—17日發(fā)生在京津冀地區(qū)的大范圍沙塵天氣進(jìn)行了具體分析，并得出以下結(jié)論：

（1）該過(guò)程是在前期蒙古地區(qū)極端干旱、異常高溫的氣候背景條件下，由迅速發(fā)展的強(qiáng)盛蒙古氣旋引發(fā)。高空急流的次級(jí)環(huán)流與中層強(qiáng)的冷暖平流有利于進(jìn)一步增強(qiáng)沙塵強(qiáng)度。本次過(guò)程的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，先是大范圍冷空氣帶來(lái)的沙塵暴，隨后由冷空氣輸送到下游地區(qū)的沙塵在有利氣象條件下又回到京津冀地區(qū)。

（2）沙塵回流過(guò)程的特點(diǎn)為高空環(huán)流比較平直，低空到地面為高壓后部的偏南氣流，與沙塵暴最大的不同為發(fā)生沙塵回流過(guò)程時(shí)往往伴隨有弱的輻合上升運(yùn)動(dòng)，且沙塵的大值中心處于較高的高度，彌散在空中。沙塵回流作為一種特殊的個(gè)例，在今后沙塵天氣氣象條件預(yù)報(bào)中應(yīng)引起充分的關(guān)注和重視。

（3）利用ERA5再分析資料得出的位勢(shì)渦度和利用微波輻射計(jì)反演出來(lái)的探空資料與實(shí)況對(duì)比分析得出，沙塵沉降的時(shí)間與位勢(shì)渦度下傳及不穩(wěn)定層結(jié)的建立密切相關(guān)。

（4）沙塵強(qiáng)度不僅與地面最大風(fēng)速有關(guān)，而且與高空大風(fēng)速風(fēng)向、沙源地的配合度有關(guān)。此外，由于能見度對(duì)于含沙量具有一定的表征作用，上游地區(qū)產(chǎn)生沙塵暴時(shí)的能見度對(duì)于下游發(fā)生沙塵天氣的強(qiáng)度具有良好的指示意義。

（5）相對(duì)螺旋度的負(fù)值區(qū)為沙塵發(fā)生的區(qū)域且東南方的范圍內(nèi)未來(lái)將受到沙塵天氣的影響，垂直螺旋度上負(fù)下正的區(qū)域與沙塵落區(qū)重合，且與衛(wèi)星云圖上的沙塵暴區(qū)大致相同，有利于提高沙塵落區(qū)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Abstract Using conventional meteorolo-gical observation data， satellite data， ERA5 reanalysis data， microwave radiometer data， and lidar data to analyze the large-scale sand and dust weather in the Beijing-Tianjin-Hebei region from March 15th to 17th， 2021， the results show that： Under the background of the abnormal drought and high temperature in Mongolia in the early stage， the Mongolian cyclone developed rapidly and moved eastward and southward. In conjunction with the ground cold front， the first stage of the regional sandstorm weather in Beijing-Tianjin-Hebei was formed， and some areas reached the intensity of sandstorm Influenced by strong southerly winds， the second stage of recirculation sand dust weather appeared， and its intensity was weaker than that of the first stage; The disappearance time of the inversion layer and the establishment time of unstable stratification were consistent with the time when the dust began to settle. The negative value area of horizontal helicity has a higher probability of sand and dust in the southeast direction. The area with negative upper and lower vertical helicity overlaps with the sand dust area and is roughly the same as the dust storm area on the satellite cloud image. It can be used for the sand dust area forecast.

Key words Dust Storm; Dust return; Helicity; Isentropic potential vorticity; Sediment emission