保定两次沙尘天气过程分析及对比.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 6作者简介:刘通(1 9 9 9),男,河北保定涿州人,助理工程师,本科,理学学士。保定两次沙尘天气过程分析及对比刘 通(保定市气象局,河北 保定 0 7 1 0 0 0)摘 要:利用M i c a p s常规高空资料、E R A 5再分析资料、国家基本气象站观测资料,对2 0 2 1年3月1 5日以及4月1 5日保定地区的两次沙尘天气过程进行分析以及对比。结果表明:在过程发生时,伴随着风力增大,能见度明显下降,同时空气质量急剧下降,空气质量指数(AQ I)迅速升至5 0 0,污染物PM1 0和PM2.5浓度的升幅明显,并且空气质量的变化相对于风力变化存在一定的滞后性;两次过程皆发生在高空槽引导冷空气东移南下,地面上蒙古气旋发展加强,冷锋自西向东移过的天气形势下,两次过程的沙尘源地分别为蒙古北部-贝加尔湖一带和蒙古西部-内蒙古西部一带,沙尘入侵路径分别为西北偏北和西北偏西,在近地面大风以及中低层不稳定条件的配合下,导致沙尘物质抬升并向东南方向输送,进而影响包括保定在内的中国北方的大范围地区,在保定污染物强浓度出现时间的前后,两次过程皆表现出了垂直方向运动短时间内大幅变化的特征,由于保定本地的不稳定条件以及风力都较弱,导致3月1 5日的过程更为严重。关键词:沙尘;大风;不稳定;垂直运动 中图分类号:P 4 2 5.5+5(2 2 2)文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 60 0 9 10 7 沙尘天气是春季我国北方较为常见的一种灾害性天气,可造成房屋倒塌、交通供电受阻或中断、火灾、人畜伤亡等危害,并且会污染自然环境,破坏作物生长。中国北方的沙尘天气活动具有明显的年代际变化特征,2 0世纪6 07 0年代波动上升,8 09 0年代波动减少,2 0 0 0年之后又急剧上升,且沙尘活动的变化与东亚大气环流的年代际变化和生态环境的变化有关1-3。近年以来,众多学者对沙尘天气做出了 许 多 研 究 工 作,在 沙 尘 暴 的 天 气 气 候 特征4-6、环 流 背 景 特 征7-8、沙 尘 暴 的 形 成 机制9-1 0、中尺度系统特征分析1 1等方面取得了丰硕的成果。相较于其他灾害性天气,沙尘天气的发生频率较低,且多发生于春季,但致灾性较强。2 0 2 1年,我国沙尘天气次数明显增多,在3月1 5日和4月1 5日,保定地区发生了两次较为严重的沙尘天气过程,其中3月1 5日的过程也是全国近几年以来强度最强、影响范围最广的。1 过程概况2 0 2 1年3月1 5以及4月1 5日前后,包括保定在内的华北地区出现大范围沙尘天气,单日影响范围为历史同期最大。两次过程中均伴有风速增加、能见度降低以及空气质量的急剧下降,AQ I指数、PM1 0浓度以及PM2.5浓度均明显增加。以AQ I指数来看,受沙尘影响的严重污染区域在3月1 5日的过程以自北向南的趋势扩张,在4月1 5日的过程中则表现为由西向东。选取保定站为例,分别做2 0 2 1年3月1 5日与4月1 5日的PM2.5浓度、PM1 0浓度、AQ I指数以及风速的折线图,由图1可见,两次过程在整体趋势上较为相似,都在污染程度加剧的前几小时风速开始增大,前者在6时左右风速开始明显增强,AQ I、PM1 0以及PM2.5浓度在1 2时左右急剧增加,在1 4时左右达到最大,此时风速仍较大,但随后PM1 0、PM2.5浓度呈现为下降趋势。4月1 5日过程中,在8时左右风速开始明显增强,1 5时左右AQ I、PM1 0以及PM2.5浓度开始急剧上升并在1 6时达到最高值,随 后 风 速 仍 维 持 在 一 个 较 高 的 水 平,PM1 0、PM2.5浓度呈下降趋势,在2 3时又迎来一个较小的峰值,随后持续下降。从两次过程的能见度与风速的折线图上可以看出,在沙尘天气初期,大风有利于沙尘物质的输送,两者呈负相关,随着风力逐渐增大,能见度逐渐降低,而在沙尘减弱结束阶段,大风有利沙尘物质的扩散,导致两者呈正相关,风力增大,能见度也随之增大。通过计算PM1 0浓度与极大风速 变 化 情 况 之 间 的 相 关 系 数,3月1 5日 为0.5 1 0,4月1 5日为0.7 8 2,都达到了较高的置信水平。综上所述,这两次过程中空气污染物浓度的变化与风速关系较为明显,并且存在着一定的滞后性。192 0 2 3年8月内 蒙 古 科 技 与 经 济A u g u s t 2 0 2 3第1 6期 总第5 3 0期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 6 T o t a l N o.5 3 0图1 保定市2 0 2 1年3月1 5日(左)、4月1 5日(右)PM2.5浓度、PM1 0浓度、AQ I指数、极大风速以及最小能见度、极大风速变化折线图2 沙尘源地沙尘发源地裸露的地表、气温偏高降水稀少均可为沙尘天气的发生提供有利条件。蒙古国南部地区由于过度放牧等原因导致植被快速减少;国家气候中心显示2 0 2 1年第一季度中蒙交界地区气温普遍偏高,同时我国华北、西北地区降水异常偏少,这均为沙尘过程提供了有利的条件。利用美国大气海洋局研制的HY S P L I T轨迹模式分别计算3月1 5日与4月1 5日过程中沙尘到达保定的3 6 h后向轨迹,每天4个时次,每个时次间隔6 h,轨迹的起始高度分别为距离地面5 0 m、5 0 0 m以及1 0 0 0 m。不同高度上沙尘轨迹的路线和方向表示到达保定前所经过的地区,不同高度的轨迹其各自格点的时间间隔相同,根据其长短可判断其移动速度,长轨迹相较于短轨迹移动速度更快。由图2可知,3月1 5日与4月1 5日两次过程中沙尘皆来源于西北方向,前者更偏北,后者更偏西。前者的3个高度层次上的沙尘轨迹皆起始自蒙古北部至贝加尔湖一带,三者移动路径和移动速度都较为相近,自蒙古北部向东南方向移动,移动至蒙古与我国交界处,随后继续穿过内蒙古中部地区,自西北部侵入河北,进而影响到保定地区。4月1 5日过程中,5 0 0 m和1 0 0 0 m高度的沙尘轨迹显示其来源于蒙古西部,较低的5 0 m高度的沙尘则来自内蒙古的西部地区。前两者的移动速度更快,后者的移动速度较慢,三者在内蒙古的中部偏西一带汇合后继续沿西北偏西路径向东移动,进而影响到保定地区。图2 保定市2 0 2 1年3月1 5日(左)、4月1 5日(右)HY S P L I T模式3 6 h后向轨迹图29总第5 3 0期内 蒙 古 科 技 与 经 济3 影响系统分析在2 0 2 1年3月1 4日2 0时,3个层次上的沙尘轨迹都呈现升高趋势,达到最高点。由图3可知,与此时的环流形势相对应,5 0 0 h P a、7 0 0 h P a上蒙古附近低槽发展加深东移,槽前上升气流发展旺盛,槽后有较强的冷平流,系统持续东移。3月1 5日2 0时,5 0 0 h P a、7 0 0 h P a上槽线已移动至东北至渤海一带,保定受槽后西北风下沉气流的控制,有利于沙尘天气的维持。图3 2 0 2 1年3月1 4日2 0时5 0 0 h P a(a)、7 0 0 h P a(b);3月1 5日2 0时5 0 0 h P a(c)、7 0 0 h P a(d)温度场、高度场、高空填图图4 2 0 2 1年3月1 4日0 8时(a)、3月1 4日2 0时(b)、1 5日2 0时(c)海平面气压场、地面填图图5 2 0 2 1年4月1 4日0 8时海平面气压场、地面填图(a)、4月1 5日2 0时5 0 0 h P a高度场、温度场(b)由图4可知,在2 0 2 1年3月1 4日2 0时蒙古西部存在一高压中心,中心强度1 0 4 0 h P a,我国内蒙古北部存在一低压,中心强度9 8 5 h P a,冷锋位于内蒙古由北至南一带,锋后有较强的正变压,最大3 h正变压达到了1 0 h P a,等压线十分密集,锋后有强西北风,最大风速达1 8 m/s,到了1 5日0 8时,高压东移并有所加强,中心强度增大至1 0 4 2.5 h P a,内蒙古北部低压也逐渐东移,冷锋快速南下,移动至东北三省的西部至河北省中南部一带,锋后最大风速达到了2 0 m/s。而到了3月1 5日2 0时,高压中心39刘通 保定两次沙尘天气过程分析及对比2 0 2 3年第1 6期与低压中心继续东移,分别移动至贝加尔湖东侧和我国黑龙江以北,两者强度也都逐渐减弱,高压中心和低压中心分别减弱至1 0 3 2.5 h P a和9 9 7.5 h P a,地面风速随之减弱,风速最大站点为1 6 m/s,其他站点大部分都小于6 m/s,此时保定的沙尘强度也逐渐减弱。由图5可以看出,2 0 2 1年4月1 5日过程的影响系统相比于3月1 5日过程较弱,且位置偏南。4月1 4日2 0时在蒙古的西部和东部分别存在高压和低压中心,两者气压分别为1 0 3 0 h P a和1 0 0 0 h P a,随后逐渐东移,到1 5日0 8时略有加强,为1 0 3 2.5 h P a和9 9 7.5 h P a,到1 5日2 0时高压又明显减弱,且在内蒙古西部又有一低压中心生成,河北省风向偏西分量更大。高空5 0 0 h P a槽较浅,位置偏南,0 8时位于内蒙古中西部,2 0时移动至内蒙古中部起至河北省中南部一带,并呈现出一定的横槽转竖的特征。其次河北附近等温线与等高线较为重合,温度平流较弱。4 探空图分析由探空图可以看出,两次过程存在的相同点有:整层都比较干,同时都存在着一定的D C A P E,不同点:低层风向不同,前者是西北偏北风,后者是西南风转为西北风,这也解释了两次过程的沙尘影响路径的差别。另外,2 0 2 1年3月1 5日0 8时8 5 0 h P a附近存在逆温层,近地面附近也存在一浅薄的逆温层,2 0时7 5 0 h P a附近存在明显的逆温层,而后者的不稳定有一个明显的发展增强,4月1 5日0 8时8 5 0 h P a附近有逆温层存在,而到了2 0时便消失了,同时从1 0 0 0 h P a到7 0 0 h P a附近,层结曲线与状态曲线几乎重合。逆温层会阻碍空气的对流上升运动,抑制空气的湍流运动,有利于污染物的堆积,不利于其扩散1 2-1 4,前者的条件更有利于沙尘在地面的维持。图6 北京2 0 2 1年3月1 5日0 8时(a)、3月1 5日2 0时(b)、4月1 5日0 8时(c)、4月1 5日2 0时(d)探空图5 成因分析5.1 风速与不稳定条件通常来讲,沙尘天气的形成要素包括强风、不稳定条件以及沙尘物质,这两次过程的沙尘源地都为蒙古及附近地区,植被较为稀疏,多荒漠、沙漠,且前期降水偏少、气温偏高,沙尘物质丰富。起沙是离不开风的,一般认为,风速达到一定程度之后,沙尘源地的沙尘粒子即可脱离地面进入空中。在风沙物理学中,对于起沙机制,有很多种理论,而从气象学的角度来看,通常对水平风速、垂直速度、大气不稳定性等方面进行研究1 5。沙尘的起动以及输送分为多个阶段,首先在沙尘源地,由于强风的作用使得沙尘物质进入到空中,随后受大气垂直上升运动的影响,进入到高空的大气系统中。强的不稳定层结有利于沙尘的上升,若从低层到高层皆处于超绝热层结,此时,当大风扬起沙尘后,其几乎可以不受阻力的上升到高空当中1 6。由图7可知在沙尘天气开始阶段(2 0 2 1年3月1 4日0 8时、2 0时),0 8时可见蒙古北部存在大风速中心,最大值超过2 4 m/s,在其位置略偏南处8 5 0 h P a与5 0 0 h P a温差超过3 2,存在有利的不稳定条件,随后大风速区逐渐向东南移动至内蒙古中部一带,且与此时的8 5 0 h P a与5 0 0 h P a温差的大值中心(3 3)相重合,十分有利于沙尘的抬升以及49总第5 3 0期内 蒙 古 科 技 与 经 济输送。在对保定市的主要影响时段,开始于2 0 2 1年1 5日1 2时左右(见图8),8 5 0 h P a与5 0 0 h P a温差的大值区逐渐缩减,最大值也逐渐减小,对于沙尘物质的抬升,其条件变得不再有利,但此时风速仍处在一个较高值,在河北省附近超过1 2 m/s。在沙尘过程的减弱消散阶段(1 6日0 5时左右),风速也逐渐减弱,河北省大部分地区风速减弱至4 m/s以下。图7 2 0 2 1年3月1 4日0 8时(左)、2 0时(右)T8 5 0-5 0 0(填色,单位:)与风速(等值线,单位:m/s)图8 2 0 2 1年3月1 5日1 2时(左)、1 6日0 6时(右)T8 5 0-5 0 0(填色,单位:)与风速(等值线,单位:m/s)在2 0 2 1年4月1 5日过程中,在沙尘天气生成的初期,1 4日0 8时左右(见图9),与3月1 5日过程情况类似,在蒙古西部,存在风速大于1 6 m/s的大值区,与8 5 0 h P a和5 0 0 h P a温差大于3 1 的区域相重合,有利于沙尘的起动以及抬升,在移动以及发展阶段(1 4日2 0时),风速大值区以及高低空温差大值区同时向东南方向移动至内蒙古西部一带,此时条件对沙尘的起动、抬升以及高空输送仍十分有利,结合前文可知,此次过程中内蒙古的西部地区一带也是此次过程的沙源地之一。在对河北省包括保定市在内的主要影响阶段,4月1 5日的这次过程与3月1 5日区别较大,在4月1 5日的1 2时左右(图略),河北西部同时存在风速达1 21 6 m/s的区域以及温差3 43 6 的区域,此时条件对于沙尘维持在空中同时向东输送十分有利,而3月1 5日过程中,在沙尘移动至河北省一带时,由于风速相对较低,并且中低空层结稳定,有逆温层存在,更有利于沙尘物质在地面附近维持。图9 2 0 2 1年4月1 4日1 2时(左)、1 4日2 0时(右)T8 5 0-5 0 0(填色,单位:)与风速(等值线,单位:m/s)59刘通 保定两次沙尘天气过程分析及对比2 0 2 3年第1 6期 2 0 2 1年4月1 5日1 5时(见图1 0),是此次过程影响的强盛时期,与1 2时相同,在河北地区同时可见风速大值区与高低空温差大值区的重叠区,而在蒙古西部一带又有一风速大值区与温差大值区的重合区产生,并继续向东南方向移动,前部的重叠区移过后,风速仍较大,但不稳定条件减弱,此时的强风有利于沙尘物质的扩散,导致沙尘强度有所减弱,而在后部的风速与温差大值区的重叠区再次移来时,沙尘强度再次增强,迎来第二个能见度的低值以及污染物浓度的峰值。在过程的后半阶段,虽然河北省附近存在较好的不稳定条件,但风力减弱,不利于沙尘物质的输送、扩散,导致沙尘天气维持。图1 0 2 0 2 1年4月1 5日1 5时(左)、1 6日1 5时(右)T8 5 0-5 0 0(填色,单位:)与风速(等值线,单位:m/s)图1 1 2 0 2 1年3月1 41 6日(左)、4月1 41 6日(右)保定风场、垂直螺旋度(填色,单位:1 0-2 h P as-2)、风速(等值线,单位:m/s)垂直剖面图5.2 垂直螺旋度负垂直螺旋度代表负涡度即下沉运动,正垂直螺旋度代表正涡度即上升运动1 7-1 8。由图1 1可以看出,在2 0 2 1年3月1 5日过程中,1 5日0 6时左右之前从地面到8 0 0 h P a附近都为西南风控制,地面风力较弱,在24 m/s左右,在0 6时之后,由低到高,迅速转为偏北风控制,同时风力有所增加,增加至6 m/s左右。一直到1 5日1 0时左右,垂直螺旋度都比较弱,变化不明显,在1 0时1 4时之间,9 0 0 h P a附近由两个较弱的垂直螺旋度负值中心,在1 5时之后,垂直螺旋度出现明显变化,从8 5 0 h P a附近到近地面由有很强的正值中心出现,表面此时的上升运动比较明显,同时风向逐渐转为东北风,且存在动量下传的现象,近地面附近风速增加值8 m/s左右,此时沙尘发展旺盛。随后在2 1时左右,正值中心迅速消失转为一较强的负值中心,且更加靠近地面,风速又逐渐减弱,此时的下沉运动又有利于沙尘天气的维持。到了1 6日0 5时左右,负值中心也减弱消失,同时风速持续减弱,地面附近逐渐转为偏东风,过程逐渐减弱结束。强浓度出现前后均存在垂直螺旋度的正、负峰值,即垂直螺旋度短时变化幅度较大,表明存在较强的上升和下沉运动,有利于沙尘天气的发生发展1 9。2 0 2 1年4月1 5日过程前期与3月1 5日过程类似,中低层为西南风,地面风力较弱,垂直螺旋度较弱,无明显的正、负值中心,到了1 5日1 4时高空风速大值区向地面伸展,地面风速明显增大,达到1 01 2 m/s,较3月1 5日过程相比风速更大,同时风向由西南风迅速转为西北风,与3月1 5日过程中的东北偏北风有所不同。1 7时左右,垂直螺旋度正值中心转为负值中心,风速与风向变化不大,对应此时沙尘发展达到峰值,但随后迅速开始减弱。由于垂直螺旋度负值中心高度较高,且维持时间较短,在沙尘强度减弱后,地面上风力有所减弱,转为偏西69总第5 3 0期内 蒙 古 科 技 与 经 济风,且垂直螺旋度开始维持在一个较低的水平,导致沙尘强度又有所回升,出现第二个较弱的峰值,并且随后沙尘天气持续维持。在1 6日0 8时之后,出现一垂直螺旋度正值中心与风速弱值区相配合,此时又有污染物浓度小幅度上升,但随后垂直螺旋度正值中心减弱消失,同时地面风速又迅速增大,使得扩散条件转好,沙尘天气强度减弱趋于结束。6 结束语保定2 0 2 1年3月1 5日和4月1 5日的这两次沙尘过程皆发生在高空槽东移,地面蒙古气旋强烈发展,冷锋过境的天气形势下,两者影响系统的位置、强度的差异决定了大风、沙尘的侵入路径的不同以及强度的差异,3月1 5日过程为西北偏北路径,4月1 5日过程为西北偏西路径。过程发生时,风力增大、能见度下降,P M1 0、P M2.5等污染物浓度剧烈上升导致空气质量恶化,后者的大幅变化相对前者的存在一定的滞后性。两次过程中,沙尘的源地及移动路径中皆存在风速大值区与T 8 5 0-5 0 0大值区相叠加的情况,风速大值区与T 8 5 0-5 0 0大值区的重叠区对于沙尘的产生以及移动路径有着良好的指示作用。对于外来沙尘源影响的地区,层结稳定有利于沙尘天气的增强,在保定受影响的时段,3月1 5日过程的沙尘强度更大,但仅有风速大值区,而4月1 5日过程为风速大值区与T 8 5 0-5 0 0大值区的重叠区,不利于沙尘物质在近地面的维持。两次过程皆表现出短时间内垂直运动由正转负大幅变化的特征,同时伴有高空风的动量下传,地面风速明显增大。而不同点在于后者的垂直螺旋度大值区发展的高度更高,且不同高度上的风速相较前者都更大。参考文献1 钱正安,宋敏红,李万元.近5 0年来中国北方沙尘暴的分布及变化趋势分析J.中国沙漠,2 0 0 2,2 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