内蒙古中西部一次强暴风雨天气过程诊断分析

内蒙古中西部一次强暴风雨天气过程诊断分析

内蒙古位于内陆，水资源严重不足。干旱已成为制约内蒙古农业发展的重要因素。沙尘暴是一种发生在干旱、半干旱地区的剧烈的灾害性天气。沙尘暴天气的产生必须具备沙尘源、强风和不稳定的大气层结三个条件。沙尘暴的形成、发展、衰亡都伴随着天气系统的移动、发展和衰亡。对于沙尘暴,钱正安等系统分析了华北地区沙尘暴的天气气候特征,指出新疆、甘肃、宁夏及内蒙古西部是沙尘暴多发区,沙漠和荒漠化地区能够为沙尘暴提供丰富的沙尘物质。李彰俊等对沙尘暴过程进行的数值模拟及针对内蒙古中西部沙尘源地影响的敏感性试验表明:内蒙古中西部荒漠化草原生态的迅速恶化是沙尘天气频繁发生的部分原因。内蒙古沙尘暴的气候特征及对下游地区的影响,是一定的天气气候背景与本地下垫面特征共同影响造成的,多种天气尺度系统能够导致沙尘暴天气,冷锋、蒙古气旋是引发沙尘暴的主要天气尺度系统。2010年3月19日的强沙尘暴天气,是蒙古气旋向冷锋演变的过程中产生的,在引发沙尘暴的天气系统中不多见。文中拟对3.19沙尘暴的天气系统演变规律及影响沙尘暴的机制进行初步分析,为沙尘暴预报和研究提供一定的思路。1沙区时间序列及循环条件1.1日植物中出现的引领扩展天气2010年3月19日,内蒙古中西部地区发生了近几年最严重的沙尘暴天气。19日05时由蒙古国西部起沙,08时在内蒙古西部地区加强,形成沙尘暴天气。之后,沙尘暴天气在移动扩展中剧烈加强,形成强沙尘暴或特强沙尘暴天气。19日14时,海力素、额济纳旗出现能见度为0.1km、0.4km的强沙尘暴天气,巴彦诺尔、临河形成沙尘暴天气。19日17时,阿拉善盟、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、乌兰察布市、锡林郭勒盟有9个测站出现沙尘暴或强沙尘暴,其中,海力素出现特强沙尘暴,能见度为0km。19日20时,阿拉善盟至锡林郭勒盟沿线共有11个站出现沙尘暴或强沙尘暴,能见度为0.1km～0.8km(表1)。此时,沙尘暴前沿已到达河北、山西地区,20日08时沙尘暴(浮尘)天气到达黄河下游地区。已有的研究表明,沙尘暴天气与天气系统的发展、移动有密切关系,但沙尘暴多发于干旱、沙漠、荒漠化地区是公认的事实。内蒙古中西部沙漠和荒漠化地区是我国沙尘暴的一个重要的沙源地。1.2沙阿尔伯茨和气候系统1.2.1天气形势分析沙尘暴天气出现前期,500hpa欧亚大陆为两槽(低压)一脊(高压)形势,贝加尔湖到我国为高压脊前的西北气流区。18日20时,欧洲大槽分裂出两个短波槽,短波槽越过巴尔喀什湖到达新疆,内蒙古西部地区处于暖脊区中,地面锋区位于河套西部。19日08时,两个短波槽并入西北气流,西北气流与暖温度脊呈反位相配置,暖脊在黄河下游出现了闭合中心。暖脊后又狭窄的天气系统斜压性增强。20时,短波槽沿西北气流迅速移入内蒙古,高空锋区加强南下,地面引起大风、沙尘暴。1.2.2蒙古气旋冷锋高空西北气流下,地面为蒙古气旋,气旋中心即蒙古国南部首先起沙。随着高空冷槽南下并入西北气流,蒙古气旋后部新疆高压迅速加强并逼近内蒙古,蒙古气旋移入内蒙古西部地区并减弱。19日05时气旋中心气压值由997.5减弱为1000hpa。蒙古气旋后强冷高压中心在新疆地区以北,中心值维持在1040hpa左右。此时,内蒙古的海力素测站出现扬沙天气,沙尘区位于气旋冷锋后。19日08时,蒙古气旋减弱为低压向南扩展,地面系统由气旋演变为强冷锋形势。冷锋后,西北风风力明显加大,测站的风力几乎都>12m/s。内蒙古中西部地区位于冷锋后,海力素测站由扬沙转为沙尘暴。19日11时～17时,地面冷锋强烈发展,黄河套区位于锋后偏北大风区内,沙尘暴天气爆发、持续了近6小时。内蒙古、甘肃、宁夏、山西、河北、河南等地都出现了扬沙或沙尘暴天气。17时后,冷锋移动缓慢,地面低压再次加深为气旋。沙尘暴区域扩大至黄河中下游地区,山东等地也出现了扬沙天气。2沙区诊断分析2.1优势种单因素和干对流的影响干旱、半干旱地区对沙尘暴形成具有重要影响的另一因素是大气层结条件。沙尘暴多发于午后至傍晚,说明热力不稳定对沙尘暴形成具有重要影响,热力不稳定层结是沙尘暴形成的有利层结条件。在沙尘暴形成前期,高空不断有短波槽沿着高空脊越过阿尔泰山脉东移南下,短波槽受到华北高压脊阻挡,在内蒙古阿拉善盟至锡林郭勒盟、蒙古南部形成了很陡峭的脊,温度脊区范围小,强度大。由吉兰太温度变化曲线(图1)分析,近地面层短时间内增温、增温效果明显。近地面层加热产生混合层,深厚混合层对沙尘暴的意义在于混合层的中性层结有利于深厚对流的产生。遇到锋面抬升,产生大风、扬沙及沙尘暴天气现象。干旱、半干旱区地面热力属性差,大气层结不稳定对沙尘暴形成具有重要影响。相关研究指出:热力不稳定层结,即在近地面层形成超绝热层(∂θ/∂z<0),是沙尘暴发生的有利层结条件。呼和浩特站T-lop图(图略),19日08时内蒙古中西部低层大气存在一个明显的逆温层,这种类似不稳定层的层结结构在大气低层出现扰动时很容易产生深厚对流。沙尘暴前期低层大气受地表加热,形成热力不稳定层结,逆温层的作用还有在大气低层内部贮积能量,当受到中高空冷平流的触发,不稳定能量释放,产生深厚的对流,由于干旱、半干旱区大气相对湿度小,没有水汽输送,因此只有干对流产生,干对流的天气现象是沙尘暴天气。随着干燥大气的涡旋运动,沙尘暴逐渐加强、扩展。2.2热力强迫上升内蒙古大风灾害的因素中,冷锋后偏北大风占重要比例。3.19沙尘暴的加强南扩也伴随着地面偏北大风的剧烈加强,冷锋后地面大风是沙尘暴形成的必备条件。沙尘暴天气的高空动量下传,常由锋后冷平流、地形强迫下沉等过程诱发。18日20时前,内蒙古西部中低层一直为暖平流区,19日08时之后,随着高空冷性短波槽频繁活动,500hpa～850hpa中低层转为冷平流区,冷平流强度迅速增大,冷中心位于内蒙古西部110°E以西,冷平流中心值-750*10-6℃/s,比低层的暖平流值大一个量级。平流过程是使地转平衡破坏的原因。对流层中低层的暖平流使高层等压面升高,低层等压面降低,从而产生热力强迫上升。这是沙尘暴初期地面蒙古气旋起沙的热力强迫因子。19日08时之后,高空冷平流加强,地面转为冷锋。冷平流激发高空动量下传,动量下传带动了锋面次级环流,下沉气流落在冷锋后,引起地面大风增强,加剧了内蒙古沙尘暴。08时～17时,高空斜压扰动是温度场向高度场适应,斜压能转化为动能下传。内蒙古中西部地区沙尘暴天气由弱到强,之后出现特强沙尘暴天气,主要由高空动量下传增强地面风引发。分析19日14时穿过锋面的高空风垂直剖面图(图2)可知,内蒙古中西部地区上空存在锋面次级环流:110°E以西有很强的下沉气流。地面冷锋在110°E附近,锋后110°E以西主要是高空冷空气下沉,及地,其垂直速度中心分布在两个层次:300hpa和700hpa附近。其中,300hpa附近的垂直速度中心可能与高空急流激发下沉气流有关。700hpa附近的垂直速度中心与500hpa的冷槽活动密不可分。另外,110°E以东的上升气流,其低层不存在暖平流,即低层没有热力强迫因子。上升气流是由于冷锋后部下沉气流的契入,冷锋前部空气受到强迫而上升。相应的,地面系统在17时后重新加深为气旋,也应该是这种冷空气侵入使暖空气强迫抬升引起的。伴随高空短波槽移动,高空下沉气流区也发生东移,地面冷锋向南移动,沙尘暴区与地面冷锋仍然对应,有所东移南扩。3高空全风速、风向和环流分布3.19沙尘暴天气的大风因素还与高空急流动量下传有关。高空急流出口区次级环流下沉支能够导致对流层高层动量的下传。高空急流动量下传、锋面和锋面次级环流对西风的增强对沙尘暴的形成有重要作用。19日08时至20时,高空500hpa新疆短波槽东移,高空槽、槽后西北气流与温度脊呈反位相配置,高空斜压性加强。高空锋区内等温线密集,温度梯度加大。200hpa～300hpa高度处在43°N附近存在西北-东走向的高空急流(图3a),急流核位于100°E附近,急流强度42m/s以上。由文中前面的分析可知:此高度处急流出口区的右侧存在一个下沉速度中心。说明高空急流出口区的右侧激发了很强的下沉气流,高空急流出口区次级环流下沉支能够导致对流层高层动量的下传。高空急流出口区激发的下沉支,位于110°E以西。下沉支落在地面冷锋后,产生了中高层的动量下传,高空急流动量下传和高空冷锋的冷空气下沉,引起大风,加强了沙尘暴。分析沙尘暴过程的全风速垂直分布(图3),可以看到高空急流的位置与强度变化。沙尘暴过程中,高空43°N附近始终存在急流。19日08时高空急流核的位置在300hpa,强度为42m/s。500hpa～850hpa高空风速、风向(一直为北风)切变小,说明沙尘暴开始时中高层急流动量下传显著,下沉气流获得了大量动能,为沙尘暴天气提供了动能。到20时,高空急流剧烈加强,在100°E附近核心强度增为72m/s,并且急流中心向低层有明显传播,400hpa还出现了66m/s大值。高空急流核心下降,是动量下传的重要标志。对流层低层风切变一直很小,说明对流层低层空气混合充分,有利于沙尘起扬、传播。内蒙古中西部地区处于高空急流出口区右侧,即急流出口区下沉支区域,引起大风及特强沙尘暴天气。4蒙古气旋大风将内蒙古干旱、半干旱区的自然地貌与天气气候背景相结合,针对3.19沙尘暴天气过程进行了分析诊断,得到以下结论:(1)3.19强沙尘暴、特强沙尘暴天气过程,是下垫面前期强烈增温,导致地表热力不稳定,由蒙古气旋产生上升运动起沙。(2)欧洲大槽内短波槽分裂东移,叠