内蒙古中西部沙源地影响沙尘暴扩展过程的数值模拟研究

 通过对2002年3月18—22日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研究，结果表明, 内蒙古中西部荒漠化草原生态的迅速恶化是2001年前后沙尘天气的频繁发生的部分原因。由于沙源地海拔高度的不同和风速随高度的变化，在沙尘远距离输送过程中可能出现两个不同高度而相互孤立的优势沙尘输送带，分别位于对流层和地面附近。其传输距离、传输速度、影响地区、影响时间存在巨大差异。内蒙古中西部沙源地的起沙主要通过地面附近的沙尘输送带向东、向南传输。其通过对流层的传输随沙尘区的不断扩展而越来越弱，进而被其他更高海拔高度的沙源地起沙所取代。     

冷锋型和蒙古气旋型沙尘天气过程典型个例对比分析

利用观测资料和NCEP再分析资料,对冷锋型和蒙古气旋型两类沙尘天气过程的典型个例进行对比分析。结果表明:斜压强迫在两类过程中均较为显著,冷锋型沙尘天气过程中,随高度降低高空槽明显加深;蒙古气旋型则在对流层低层（850 hPa）、中层（500 hPa）形成切断低压。冷锋型沙尘天气过程高空锋区位置较蒙古气旋型偏南,且南压更为明显;冷锋型沙尘天气过程沙尘天气区位置也较蒙古气旋型偏南,且主要向东南方向扩展。冷锋型地面高、低压强度对比明显大于蒙古气旋型,且地面风速与能见度的反相关性高于蒙古气旋型,锋后降温也较蒙古气旋型显著。冷锋型锋前上升运动中心位于700 hPa,锋后下沉运动中心位于600 hPa。蒙古气旋型气旋中心及其附近300 hPa以下均有强的上升运动。冷锋型锋面附近正涡度随高度增高而增大,蒙古气旋型气旋中心及其附近为正涡度。最后给出了冷锋型和蒙古气旋型沙尘天气过程的天气学概念模型。     

内蒙古沙尘暴天气系统及预报指标探讨

根据21 世纪15 a 来出现在内蒙古的沙尘暴个例,归纳形成沙尘暴的高空环流背景和地面天气系统,提炼预报指标。结果显示：沙尘暴是强冷空气爆发南下的过程,具有冷空气强、锋区强、高空急流强的特征;造成内蒙古沙尘暴的高空环流背景可分为高脊移动型、冷槽下滑型、横槽型和低涡旋转型等四个类型;强烈发展的蒙古气旋和冷锋是造成沙尘暴的主要地面天气系统。沙尘暴预报应主要着眼于高空急流轴的位置、乌拉尔山高压脊、高空锋区、蒙古气旋及冷锋、地面变压中心、高空正涡度平流中心与地面气旋相叠置的区域等方面。     

基于卫星遥感的中国西北地区沙尘天气发生机理及传输路径分析

利用CALIOP/CALIPSO以及OMI/Aura卫星资料,结合HYSPLIT后向轨迹模式,分析了2009、2010、2011年4月下旬西北3次沙尘暴过程中高空流场分布、沙尘气溶胶的垂直分布以及输送气流轨迹.蒙古气旋和冷锋是导致沙尘天气的主要系统,在对流层的中下层区域,沙尘气溶胶在混合型天气系统下主要分布在0～7 km,自西向东移动;在纯冷锋型天气系统下,沙尘气溶胶则主要分布在0～4 km,自西向东南移动;两种天气系统在发展最强烈时,沙尘气溶胶的垂直分布高度均在3 km以上,退偏振比为0.5左右,双波信号比为1.0以上;在沙尘天气减弱时,沙尘气溶胶的垂直分布高度在0～2 km,退偏振比为0.3,双波信号比为0.8左右.混合型天气沙尘气溶胶主要垂直分布高度为3～7 km,较纯冷锋型沙尘粒子高.     

2010春季我国一次强沙尘暴过程分析

2010年3月18~23日,一次强沙尘暴天气过程先后影响了我国21个省(区、市),影响范围约282×104km2,2.7×108人口遭沙尘天气侵袭。通过应用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°全球格点再分析资料,从沙尘暴爆发前后的天气形势、气象要素场的特征以及起沙和传输的动力机制等方面对这次沙尘暴过程进行初步分析。同时,利用每日空气污染指数资料和北京能见度资料,分析了沙尘暴期间全国空气污染物浓度的分布和北京地区能见度的变化。结果表明:这次沙尘天气分两个阶段,第一阶段为3月18~21日,第二阶段为3月21~23日,从影响范围及强度方面来说,第一阶段沙尘过程强于第二阶段。蒙古气旋强烈发展是引发此次沙尘暴的主要原因。沙尘暴基本沿西北到华北,华北到华南的路径传播。空气污染指数及能见度变化基本反映了此次沙尘暴的移动路径和强度变化。此次沙尘暴天气的沙尘源地位于蒙古国南部以及中国的新疆南部、东部和内蒙古中西部地区。由于热力和动力(涡度)两种因子的联合作用,使地面气旋一面向前移动,一面加深发展,高空槽因冷平流加深,并因涡度平流而向前移动。冷锋锋生加强,产生大风天气,是引发沙尘暴和推动沙尘长距离输送的动力因子。     

中国北方一次强沙尘暴爆发的数值模拟研究

 利用意大利国际理论物理研究中心发展的耦合了沙尘模块的区域气候模式（RegCM3）对发生在中国北方2006年4月9~11日期间的一次强沙尘暴的爆发进行了数值模拟研究。与实际观测相比,RegCM3成功地模拟出了本次沙尘暴爆发区域、天气形势及相应的沙尘气溶胶光学厚度（AOD）分布。4月9日6时,沙尘暴首先爆发于塔里木和吐鲁番盆地。受蒙古气旋的影响,24 h后甘肃中部及内蒙古西部地区也开始爆发沙尘暴。源区地面起沙率大于3 mg·m-2·s-1,单位面积上的沙尘载荷量高于3 000 mg/m2。对流层中低层沙尘主要向东输送,可影响我国华北绝大部分地区,本次沙尘暴过程造成中国北方主要城市空气质量的下降。模拟的AOD分布特征与地面起沙率和载荷量分布特征相对应,并与TOMS 卫星观测的气溶胶指数(AI)的区域和中心值具有较好的一致性。AOD分布由西向东呈递减的趋势,且有两个大于2的高值中心,一个位于新疆塔里木、吐鲁番盆地和古尔班通古特沙漠地区;另一个位于河西走廊和内蒙古交界地区。对比他人研究结果,RegCM3对沙尘的起沙、传输等过程以及AOD的时空分布模拟合理。     

一次强沙尘暴过程中沙尘气溶胶空间分布的初步分析

利用地面观测资料分析了2008年5月25日至29日沙尘天气的发生、发展情况,利用Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations（CALIPSO）资料分析了沙尘气溶胶在传输过程中的垂直分布状况,结合HYSPLIT模式,对此次沙尘天气过程中沙尘气溶胶的传输路径做了分析。结果表明,此次沙尘天气过程是由蒙古气旋造成的,沙尘由低空急流向远方输送;地面沙尘天气主要发生在气旋和反气旋之间强烈的北风或西北风气流中;在此次沙尘天气过程中,沙尘气溶胶的退偏振比在0.10~0.38之间,沙尘主要分布在海拔2 km到4 km之间,最高可达到5 km。     

塔克拉玛干沙漠东南缘沙尘暴过程中近地表沙尘水平通量观测研究

沙漠是重要的沙尘源区,沙漠地区近地表水平输送的沙尘物质通量及其随高度的变化是沙尘输送过程的重要特征。在塔克拉玛干沙漠东南缘若羌平坦沙地的风沙观测场,利用BSNE集沙仪对沙尘暴天气过程中近地表2 m内不同高度沙尘物质的水平输送进行了观测,对其随高度变化特征进行了分析,并对近地表水平运动的沙尘通量进行了计算。结果表明:观测点沙尘物质的水平通量随高度的增加而减小,与高度的关系可用幂函数表示;约66%的沙尘在地表50 cm高度以内传输;80%的沙尘在地表100 cm高度以内传输;观测点2009—2010年12次沙尘暴天气过程,通过0～2 m高度的单宽总输沙量为3 627.9 kg·m-1,PM80、PM50的输送量分别为1 430.4 kg·m-1、216.2 kg·m-1。     

连续强沙尘天气的发展和时空演变机制的数值模拟

2002年4月6-8日由蒙古气旋和地面冷锋引发了一次连续沙尘暴天气,特别是内蒙古中东部、华北和东北大部分地区沙尘持续影响时间较长,强度大。利用与非静力平衡中尺度气象模式完全耦合的区域沙尘数值模式,模拟研究这次强沙尘天气过程中沙尘浓度的空间分布结构和时间演变趋势。模拟结果与地面天气观测、定点沙尘颗粒物浓度观测资料进行对比和检验。结果表明:沙尘数值模式较逼真地刻画出这次连续强沙尘天气的形成、发展、移动、减弱的全过程;客观地揭示了强沙尘天气过程的垂直分布结构和沙尘浓度的时空演变机制;模拟的强沙尘以及输送至下游的浮尘天气范围、强度和出现时间与实况基本一致,特别是对我国华北和东北沙尘的模拟相当成功。高时空分辨率的数值模式对研究沙尘的发生、发展机制和预报预警有重要意义。     

内蒙古半干旱草原沙尘天气对近地层微气象学特征影响分析

利用锡林浩特国家气候观象台2011年4-5月近地层微气象、地表辐射和湍流通量观测数据,对比分析了内蒙古典型半干旱草原下垫面在晴天、扬沙和沙尘暴天气下各气象要素、地表辐射分量和能量平衡的变化特征。对于半干旱草原区,地面风速越大沙尘天气越强;沙尘过程开始前地面空气较暖,开始后地面空气转为相对较冷的状态;沙尘气溶胶含量越高,5 cm地温日变化趋势越弱,在沙尘过程中5 cm地温值越小。沙尘气溶胶含量越高,太阳总辐射越弱,大气长波辐射越强;地表反射辐射与总辐射有相同的日变化特征;沙尘气溶胶白天使净辐射值减小,夜间使净辐射值增大。沙尘天气直接辐射衰减非常明显,而且散射辐射在总辐射中占很大的比重。沙尘气溶胶对紫外辐射的削弱很强,并且沙尘含量越高,对紫外辐射的削弱越强。沙尘气溶胶的辐射强迫作用对地表能量平衡产生影响,使向上的感热和潜热输送减弱,使向上的土壤热通量增强或向下的土壤热通量减弱。     

地面加热对沙尘暴数值模拟结果的影响研究

利用沙尘数值预报模式并针对2002年3月18—20日典型沙尘暴过程,模拟研究了地面热通量对沙尘暴的影响及其机制。结果发现,沙尘天气数值预报模式较准确地模拟了本次沙尘暴过程。模式对白天地面加热强度和夜间地面冷却强度均有一定程度的高估。地面热通量能够使沙尘暴明显增强,同时也通过导致地面风速、层结稳定度、地面摩擦速度产生明显的日变化,进而导致沙尘暴强度的日变化。地面热通量影响地面风速的方式是导致混合层形成,从而有利于产生高空动量下传。另外,沙尘暴发生时地面热通量主要影响地面和行星边界层中的天气要素,随时间推移地面热通量能够持续影响上升运动强度,且这一影响从边界层逐渐向上扩展到自由大气,并达到500 hPa以上。     

中国北方2021年3月中旬持续性沙尘天气的特征及其成因

沙尘天气是多发于中国北方春季的灾害性天气,严重危害农业生产、交通运输、空气质量和人民的生命财产安全,长期受到社会各界的广泛关注。利用多源多尺度数据,采用天气学分析、物理量诊断、轨迹分析等方法对2021年3月中旬西北地区东部一次持续性沙尘重污染天气的成因进行了深入分析。结果表明：（1）受强烈发展的蒙古气旋影响,蒙古国南部及中国内蒙古中西部地区于3月14日首先出现强沙尘暴天气,并将沙尘传输至中国西北、华北、东北一带,西北东部的沙尘天气维持达到5 d。（2）沙尘天气维持期,西北东部中低层以弱上升运动为主,大气层结稳定,且西北东部不断有弱锋生发展,不利于沙尘的沉降;自北向南分布的银川、中卫、兰州3站的垂直螺旋度的波动与污染浓度的变化基本一致;混合层高度较其气候平均值明显偏低,不利于大气湍流发展。（3）此次影响西北东部的沙尘主要由蒙古国输入,近20年中蒙边境、蒙古国南部的植被减少可能是此次沙尘天气的沙源主要来自蒙古国南部的原因。     

2018年春季中国北方大范围沙尘天气对城市空气质量的影响及其天气学分析

利用多源卫星数据、空气质量数据和再分析资料ERA-Interim分析了2018年春季中国北方一次沙尘天气过程中沙尘气溶胶的光学特性及垂直结构、沙尘天气对颗粒物浓度及空气质量的影响及其机制。结果表明：（1）2018年3月27-30日中国北方地区气溶胶光学厚度、吸收性气溶胶光学厚度和气溶胶指数分别大于0.4、0.035和1.0。沙尘气溶胶主要分布在地面至8 km的范围内，且体积退偏比大部分在0.06~0.4，色比0.6~1.2。（2）各城市颗粒物浓度在一定程度上均受到沙尘天气的影响。3月27-28日，PM_2.5和PM₁₀的平均值分别是国家一级标准的4.1倍和4.3倍。29-30日，PM_2.5和PM₁₀的平均值分别是国家一级标准的3.5倍和3.4倍。28日河北张家口PM₁₀/PM_2.5达4 d之最，最大比值为10.9。（3）低层贝加尔湖高压南压对内蒙古西南部及河西走廊地区的起沙有重要影响，河套地区地面气旋和低层切变是造成华北西部起沙的关键因素，鄂海地区高压脊和东北地区地面的低压系统有利于东北地区的起沙。     

中国北部一次沙尘过程中沙尘气溶胶的时空分布及输送特性

利用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,结合气溶胶模式模拟,分析了2011年4月28—30日发生的强度较大的一次沙尘远距离输送过程中气溶胶的时空分布特征及输送特性。结果表明,此次沙尘过程有两个源区,分别为中国南疆盆地和蒙古国中南部,并在沙尘输送过程中交汇于内蒙古西南部和甘肃地区;源区一（南疆盆地）沙尘主要分布高度在1 km以下,退偏振比平均在0.35左右,色比值平均在0.6左右,且沙尘在输送过程中被抬升到自由对流层,并先后影响内蒙古西南部、甘肃、宁夏等地区,输送到内蒙古、甘肃地区时沙尘主要分布在2.5～3 km高度,退偏振比主要分布在0.3～0.5,色比值主要分布在0.5～0.9。源区二（蒙古国中南部）沙尘先后影响内蒙古中西部地区、甘肃、山西北部、内蒙古中东部地区、河北北部、北京天津和东北地区西部部分地区,沙尘输送到中国内蒙古东部、北京、河北等地区时主要分布在1～4 km高度,退偏振比值主要集中在0.3～0.5,色比值主要在0.7～1.2。     

蒙古气旋引发辽宁沙尘暴天气过程的数值模拟

从一次发生在辽宁,由蒙古气旋引发的沙尘暴过程入手,利用数值模拟手段,结合常规气象观测资料,围绕蒙古气旋的动力、热力特征以及如何促成此次沙尘暴的发生、发展和维持进行探讨。结果表明,高空气流的辐散抽吸是此次过程的主要起沙动力机制,由蒙古国中部向东南方向延伸至韩国南部的副热带西风急流为此次辽宁沙尘暴过程提供了充足的沙源。此外,蒙古气旋内部的垂直环流与控制辽宁地区的冷平流对此次沙尘暴和降温过程具有一定的触发与维持作用。     

宁夏不同强度沙尘天气动力机制

利用常规气象观测资料和ECMWF逐6 h 0.25°×0.25°再分析资料,对宁夏2013年5月18日雷暴大风、2月28日大风沙尘和3月9日大风强沙尘天气过程的环流形势和高、低空急流的耦合作用进行了对比分析。结果表明:在“西高东低”环流形势下,受蒙新高压脊、西风槽、地面气旋和冷锋、高低空急流的共同影响,在中低层90°-110°E形成次级环流,对流层中上部高空急流和高位涡通过次级环流动量下传使中低层形成低空急流,同时在边界层发生强烈湍流混合,产生地面强风及沙尘,但由于冷空气强度及南下方式、高压脊线位置及强度、高低空急流活动的区域、低空急流南下位置、高空强风速下传的高度、次级环流的强弱不同,高层高位涡和低层850 hPa低空急流在宁夏上空活动与否,是导致宁夏出现不同强度风沙天气的重要动力因素。