引言

沙尘暴是沙暴和尘暴两者的总称，是指强风把地表大量沙尘卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度低于1 km的天气现象，它是沙漠及其边缘等特殊下垫面条件下产生的一种灾害性天气。沙尘暴发生时的大风天气严重风蚀土壤，加剧土地荒漠化进程。由于我国北方地区气候干燥，植被稀疏，大风天气较多，所以也是沙尘暴天气的多发地。根据中国气象局的统计，从2000年1月到2009年5月^[1]这9年多共有147次沙尘天气，其中54次强度达到沙尘暴，给受灾地区都带来了很大的危害。关于引发沙尘暴的天气系统已经有了一些研究，不同地区沙尘暴的影响系统也不相同^[2-7]。王锡稳等^[5]利用红外云图对我国西北地区强沙尘暴天气的成因做了分析，认为强沙尘暴是由一些中尺度强对流系统形成和发展而造成的。申红喜等^[6]对比研究了蒙古气旋型和西风槽型沙尘天气，张志刚等^[7]对2006年引发强沙尘暴快速发展的蒙古气旋进行研究。上述研究都指出了沙尘暴与蒙古气旋关系密切。

为了研究和实时预报沙尘天气的起沙和输送过程，孙建华等^[8]将shao等^[9]发展的起沙模式和输送模式与PSU/NCAR发展的中尺度模式MM5V3耦合，建立了一个适用于我国北方地区的沙尘天气预测系统(IAPS 1.0)。雷航等^[10]在IAPS 1.0基础上选用了包含有更为先进的陆面模式(Noah LSM)MM5系统与起沙模式和输送模式进行了耦合，发展了新的中国科学院大气物理研究所沙尘(暴)数值预测系统(IAPS 2.0)。孙建华等^[11]利用该系统对2006年春季一次在华北地区发生强沉降的强沙尘暴过程进行了模拟研究，结果表明该沙尘天气预测系统对此次强沙尘暴过程的起沙和输送过程有较好的模拟能力，并且模拟出了沙尘受对流层中低层偏西风的作用输送到华北地区沉降的过程。

本文首先对2009年春季4月23—24日发生的一次强沙尘暴过程的影响系统、发生沙尘暴地区的气象要素以及沙尘浓度PM₁₀的变化进行分析，然后利用集成沙尘暴数值预报系统(IAPS 2.0) 对此次过程的沙尘浓度、起沙机制和输送过程进行模拟分析，研究结果可为沙尘暴天气的预报提供参考依据。

1 资料及过程概况

本文研究所用的资料包括：每天共4次1°×1°的NCEP再分析资料；地面每3小时1次的观测资料；每小时1次的自动气象站资料。沙尘定量观测资料采用地面观测能见度，PM₁₀浓度以及卫星遥感监测图像。为方便叙述，文中的时间均采用北京时间。

2009年4月23—24日，我国出现2009年的第6次，也是该年最强的一次沙尘天气过程。这次沙尘暴的特点是：强度大、范围广、持续时间长。4月23日凌晨至24日早晨，内蒙古中西部、甘肃中西部、宁夏、陕西北部、山西中北部、新疆南疆盆地等地出现扬沙或沙尘暴，甘肃中西部、内蒙古中西部的局部地区出现了强沙尘暴，其中甘肃敦煌出现特强沙尘暴。24日白天，沙尘影响的区域继续东移南下，河北中南部、山东北部、河南东北部及渤海湾等地上空都出现了浮尘或扬沙天气。这里主要分析的时段为4月22日20时至24日20时。

2 沙尘暴过程的天气形势和观测分析 2.1 高空环流形势

2009年4月23—24日500 hPa高空环流形势(图 1)显示，22日00时弱高压脊位于90°E以西的新疆北部和哈萨克斯坦地区，贝加尔湖地区为一切断低压，其中心强度为5400 gpm(图略)。22日20时(图略)是两槽一脊的环流形势，贝加尔湖的切断低压中心南移到蒙古北部，中心高度为5400 gpm的冷涡(50°N、105°E)稳定维持，伴随有－34 ℃的冷中心；贝加尔湖以西的高压脊稳定少动，影响着新疆及其以北地区。23日02时(图 1a)，蒙古冷涡逐渐南压东移，贝加尔湖高压脊向东北移动，西西伯利亚冷低压略有北移；温度场落后于高度场，位于蒙古国西南部的槽后较强冷平流使得蒙古冷涡加强南压。23日08时蒙古冷涡中心高度为5440 gpm，贝加尔湖高压脊继续北伸(图 1b)。高压脊不断向北发展，在23日20时(图略)开始分裂成两个主体，分别在西西伯利亚和贝加尔湖以东形成高压脊，24日02时(图 1c)高压脊加强形成闭合中心，蒙古冷涡继续东移。在24日08时中心强度有所减弱(图 1d)。此次沙尘天气过程发生在槽前。正是这个不断南压的低压槽造成了本文讨论的沙尘天气过程。

2.2 地面天气系统

分析造成2009年4月22—24日沙尘暴的天气过程的地面影响系统，首先分析海平面气压场的演变。23日02时(图 2a)中心位于43°N、107°E的蒙古气旋，中心气压达1000 hPa。此时地面冷锋后出现大范围的大风区，最大风速达到20 m·s^-1。此时蒙古国南部的戈壁地区出现了强沙尘暴天气，对我国的影响很小。除了蒙古气旋造成的沙尘天气外，在南疆盆地的南部和西部也有沙尘天气，主要由蒙古气旋后部的冷空气进入盆地造成。23日08时(图 2b)，蒙古气旋东移到蒙古国的东南部，发展到最强，中心气压达997.5 hPa。此时冷锋前后分别有-4 hPa和+12 hPa的3小时变压中心，较强的气压梯度，导致地面大风。此时地面沙尘观测我国共有57个站出现沙尘天气，其中16个站达到沙尘暴、强沙尘暴。其中敦煌能见度仅有400 m，风速超过了12 m·s^-1。南疆盆地的沙尘天气也维持。23日14时(图 2c)，蒙古气旋受到高空冷涡的冷空气引导东移，气旋中心位于43 °N、113 °E。冷锋东移，前后分别有－5 hPa和+10 hPa的3小时变压中心，蒙古气旋西部出现24 m·s^-1的风速大值。风速的增强和大范围大风区的形成使沙尘的范围加大，甘肃中部、宁夏、内蒙古中部和陕西北部大部分地区均出现沙尘天气，该时次地面沙尘观测我国共有137个站出现沙尘天气，其中33个站达到沙尘暴、强沙尘暴。23日20时(图 2d)，蒙古气旋中心位于内蒙古苏尼特左旗附近，强度减弱为1007.5 hPa。进入南疆盆地的冷空气强度也开始减弱，它所影响的南疆等地的沙尘天气也在减弱。同时次地面沙尘观测我国仅有15个站达到沙尘暴、强沙尘暴，大部分地区是浮尘、扬沙天气。24日开始蒙古气旋逐渐消亡，沙尘暴逐渐消失。此次过程中强沙尘暴主要出现在23日。上述分析表明：沙尘暴的强度，范围与蒙古气旋的发展和移动有着密切的关系，强沙尘暴主要出现在冷锋前后的强气压梯度区和平均风速超过15 m·s^-1的大风区，说明气压梯度造成的超地转偏差在大风的形成中起了很重要的作用，大风为此次沙尘暴提供了动力因子。

2.3 单站气象要素和观测PM₁₀

已有研究表明，沙尘暴过境时气象要素的变化较明显，但不同的天气系统其变化特征有较大不同，分析地面气象要素的变化对于判断沙尘暴的天气过程特征有重要意义。根据逐日8个时次的地面沙尘观测，23日凌晨开始，甘肃省西北部出现沙尘暴天气，其中玉门、景泰、白银等地出现沙尘暴，民勤和敦煌达强沙尘暴。图 3是2009年4月22日12时至24日12时民勤、额济纳旗两站气象要素演变。民勤的海平面气压在23日05时突然上升到1010.7 hPa，此后气压一直不断升高，23日11时达到1020.7 hPa。强烈变压形成的变压风使地面风速增加，这一时段风速从2 m·s^-1逐渐增加到9 m·s^-1，大风是沙尘暴产生的主要原因之一。温度也由沙尘暴发生前的23 ℃下降到7 ℃。额济纳旗从22日22时开始受到此次沙尘暴的影响，整个沙尘过程也有海平面气压上升、气温下降、风速增大的特点。可见这两站沙尘暴过境时气象要素具有气压跃升、风速猛增、气温降低等特征。张仁健等^[13]分析2000年4月的一次沙尘暴, 证实此次沙尘暴期间, 北京近地层气象要素也有一些明显的变化。

中国环境监测总站万本太等^[14]参考国外有关标准，通过统计近年来我国沙尘天气过程中的颗粒物浓度，结合我国沙尘天气发生的情况和特点，提出了基于沙尘浓度的沙尘天气分级标准(表 1)。本文采用这种基于颗粒物浓度的沙尘天气分级标准来进行对比分析。图 4给出了民勤、额济纳旗两个站的沙尘暴前后的PM₁₀的变化情况。民勤站在22日20时之前(图 4a)，PM₁₀的值为100 μg·m^-3·h^-1左右，23日04时达到2063.9 μg·m^-3·h^-1，一直到23日21时，PM₁₀一直维持在2000 μg·m^-3·h^-1以上，根据万本太的标准达到了沙尘暴级别。在这段时间额济纳旗记录的天气现象为强沙尘暴。24日02时PM₁₀的值降低到了1000 μg·m^-3·h^-1以下，24日12时以后PM₁₀又降低了很多，处于200~300 μg·m^-3·h^-1之间，25日沙尘天气逐渐结束。从图 4b可以看出：22日14时之前内蒙古西部的额济纳旗站PM₁₀的值较小，22日16时，PM₁₀为2025.7 μg·m^-3·h^-1，22日22时，额济纳旗PM₁₀值急剧增大到达2505.6 μg·m^-3·h^-1，一直到23日15时，PM₁₀的一直维持在2000 μg·m^-3·h^-1以上，根据万本太的标准达到了沙尘暴级别。在这段时间额济纳旗记录的天气现象为沙尘暴。23日18时PM₁₀的值降低到了1000 μg·m^-3·h^-1以下，24日19时开始，PM₁₀的值降低较多，均在200 μg·m^-3·h^-1以下，沙尘天气逐渐结束。与图 3比较分析得知，PM₁₀浓度峰值的出现较地面风速峰值出现的时间滞后，这与岳平等^[15]的研究结果相近。还有研究^[16-17]表明利用PM₁₀的监测可以准确判断沙尘暴前沿的到达时间。

3 沙尘过程模拟分析 3.1 模式介绍

本文的模拟采用雷航等^[11]发展的中国科学院大气物理研究所的沙尘(暴)数值预测系统IAPS 2.0，选择模拟区域大致是(15°~65°N、75°~135°E)，中心点取为(40°N、105°E)。水平格距采用45 km，垂直分层22层。模拟时初值采用每隔6小时的水平分辨率为1°×1°的NCEP再分析资料。模拟时间是2006年4月22日20时至24日20时，积分48小时。模式中将起沙粒径(d)分为6组：d≤2 μm (黏土)，2 μm < d≤11 μm (细粉土)，11 μm < d≤22 μm (中粉土)，22 μm < d≤52 μm (大粉土)，52 μm < d≤90 μm (细沙)，90 μm < d≤125 μm (中沙)。

3.2 地面沙尘浓度模拟与验证

由于目前常规的观测资料没有沙尘浓度和垂直沙通量的结果，本文采用每3小时地面天气现象和模拟的地面沙尘浓度做定性比较，用来检验模式在范围、强度上对沙尘过程的模拟效果。地面观测天气现象是大气底层起沙、输送和沉降的综合效果，采用地面天气观测现象与模拟沙尘浓度比较虽然不是很严格，但是不失为一种检验模拟结果的方法^[14]。图 5是2009年4月23日模拟的沙尘浓度与同时刻地面沙尘天气现象对比。从地面沙尘记录看，22日沙尘暴发生在蒙古国西南部的阿尔泰山和杭爱山之间的戈壁，然后东移南下影响我国的新疆、甘肃、内蒙古等地，并在内蒙古中部加强(图略)。23日08—17时，蒙古国的南部戈壁部分地区仍有特强沙尘暴，沙尘范围扩大到内蒙古中西部、甘肃中西部、宁夏、陕西北部以及山西中北部等地。其中在甘肃的敦煌、内蒙古西部局部地区出现了强沙尘暴。模拟的沙尘浓度大值区与强沙尘暴的范围较为一致，玉门、敦煌等地区强沙尘暴也模拟出来了。比较白天早间和下午的沙尘浓度分布，可以发现，下午的强度和范围都要小一些，具有日变化。沙尘暴的强度以及强度演变均与地面天气现象较为一致。从气象卫星沙尘监测图(图 6)中可以看到，从内蒙古的中西部一直到蒙古国的南部，有很长的沙尘带，据国家卫星气象中心^[18]估算沙尘的影响范围有23×10⁴ km²。

上述检验表明，模式模拟沙尘的范围和强度(定性的)的时间和空间变化与实况比较一致，模式具有较高的合理性和可用性。但是可以看到模拟的区域比观测的偏大一些。

3.3 模拟的地面PM₁₀与观测的比较

为了进一步对地面沙尘浓度的模拟效果进行检验，本文利用1小时平均的PM₁₀的观测资料与模式模拟的粒径在11 μm以下的沙尘浓度进行单站检验，选取民勤(代表河西走廊)、额济纳旗(代表内蒙古西部地区)为代表站。从图 7可以看出，民勤地区沙尘天气观测的最强值出现在23日06—20时左右，模拟的沙尘强度最强值也出现在07—17时这一时段，相对观测沙尘天气持续的时间要短一些。额济纳旗地区观测的沙尘浓度最大值出现在23日13时，模拟的PM₁₀浓度的较大值出现的时间要早一些，出现在23日10时左右，但是PM₁₀总的变化趋势是基本一致的。模拟结果与单站观测资料的对比表明，模式能比较好地再现出沙尘浓度随时间的演变趋势，但由于模拟的沙尘浓度是瞬时值，而观测是每小时的平均，因此，模拟的沙尘浓度比观测值明显偏大。

3.4 起沙机制的分析

本文采用模式输出的每小时垂直沙通量来分析起沙源地以及起沙强度。图 8是模拟的4月23日08时至24日08时总的地面起沙量，可以看到这次大范围的沙尘天气的起沙中心分别是我国南疆盆地、甘肃、内蒙古的西部以及蒙古国南部。从起沙的量来看，在内蒙古巴彦淖尔盟附近的起沙量超过了100 mg·m^-2·s^-1，塔里木盆地地区也有一个超过50 mg·m^-2·s^-1的大值中心。其次在新疆东部、甘肃北部、蒙古国南部也出现了超过50 mg·m^-2·s^-1的小中心。从图 8各粒径的起沙可以看出, 起沙过程贡献最大的沙尘粒子的粒径不尽相同，但是明显看出起沙量贡献最大的是粒径在2 μm < d≤11 μm的沙尘粒子(图 8b)。

3.5 沙尘输送分析

沙尘的垂直输送主要是靠气流一定的上升运动和中低层大气流场决定的。为了解沙尘高低空差异和沙尘输送机制，我们分析沙尘浓度垂直剖面图。23日08时(图 9a)，蒙古气旋发展最强，纬向分布来看，三个区域的沙尘浓度大于50 mg·m^-3，从地面到700 hPa之间。此时105°~110°E之间低层风速增大，超过20 m·s^-1，沙尘向东输送。23日11时(图略)，沙尘暴发展最强，沙尘浓度垂直输送从地面到550 hPa附近，110°~115°E之间，低层风速超过20 m·s^-1，沙尘继续向东输送。23日20时(图 9b)开始，沙尘浓度减小，97°~105°E之间沙尘浓度均小于1 mg·m^-3，沙尘垂直输送的高度在700 hPa附近，较前几个时次垂直输送的高度下降。一直到24日又出现了比较大范围的沙尘浓度区域，低层风速减小到16 m·s^-1，沙尘不再被大风向东输送。这些变化与地面观测天气现象的变化趋势是一致的。综合分析整个沙尘浓度的垂直变化，可以发现：此次沙尘过程中，沙尘垂直输送的高度在550 hPa以下，沙尘输送白天强于晚上，起沙后的沙尘粒子的输送主要靠对流层低层的大风来输送，大风能将沙尘远距离地输送。

4 结论与讨论

本文对2009年春季4月22—24日一次由蒙古气旋系统造成的强沙尘暴过程进行了分析，给出此次过程中几个观测站的气象要素和PM₁₀的演变与沙尘暴的关系，在分析的基础上采用沙尘数值模拟系统对此次过程进行了模拟研究，主要结论如下：

(1) 此次强沙尘暴天气是蒙古气旋引导冷空气东移南下，在南下过程中经过南疆盆地、内蒙古中西部、甘肃等地均出现沙尘天气，从观测资料分析沙尘暴的强度我们得到，范围与蒙古气旋的发展和移动有着密切的关系。地面冷锋入侵是沙尘暴爆发的重要动力机制。锋区前后存在强变压梯度，在梯度偏差风的作用下，使近地层风速陡升，掀起地表沙尘，形成沙尘暴或强沙尘暴天气。沙尘暴经过前后地面的温、压和风速有剧烈变化：沙尘暴天气来临前，地面空气呈干热状态，处于低气压控制之下，而在沙尘暴过境时，地面气温显得相对较低，地面气压急剧上升，处于高压控制之下，地面风速骤增，卷起大量沙尘。沙尘暴或强沙尘暴期间，PM₁₀一直维持在2000 μg·m^-3·h^-1以上，当PM₁₀等于或小于200 μg·m^-3·h^-1，沙尘暴天气趋于结束。PM₁₀浓度峰值的出现较地面风速峰值出现的时间滞后，可见观测的PM₁₀与沙尘暴强度有较好的对应关系。

(2) 沙尘数值预报系统对该次强沙尘暴过程的模拟表明，其结果能较好地反映出这次沙尘过程的主要时间和演变特征，模拟的沙尘浓度大值区与观测到的强沙尘暴的范围较为一致，比较白天早间和下午的沙尘浓度分布发现，下午的强度和范围都要小一些，具有日变化。为进一步验证模式效果，在此基础上利用PM₁₀的观测资料和模拟的粒径在11 μm以下的沙尘浓度进行单站检验，模式也能比较好地再现出沙尘浓度随时间的演变趋势。这次大范围的沙尘天气的起沙中心分别是南疆塔里木盆地、甘肃、内蒙古的西部及蒙古国南部，起沙量均超过50 mg·m^-2·s^-1。对不同地区起沙过程贡献最大的沙尘粒子的粒径不尽相同，但是对起沙量贡献最大的是粒径在2 μm < d≤11 μm的沙尘粒子。

(3) 此次强沙尘暴，沙尘垂直输送的高度在550 hPa以下，白天沙尘输送强于晚上，这可能是由于白天的上升运动较强，而白天大气的层结稳定度低于晚上导致的。起沙后的沙尘粒子主要靠对流层低层的大风长距离输送。这次沙尘暴与赵琳娜等^[19]研究2002年3月一次强沙尘暴的输送情况相似，沙尘输送都发生在对流层低层，但沙尘输送的高度要低一些。孙建华等^[12]分析2006年春季一次强沉降沙尘暴发现，这次过程是在对流层中低层偏西风作用下输送到华北等地。由此可以从一定程度上总结出沙尘暴过程输送的一些相似特征。

应当指出，近年来发生的强沙尘暴过程不是很多，本文只是对2009年的个例做了研究。此外，模式模拟的结果比实际观测沙尘暴出现站点范围要大一些，存在虚报，模式还有待于改进。