2011年4月28-29日中国北方强沙尘暴发生机制位涡分析

利用实况观测资料及NCEP1°×1°再分析资料和位涡理论,对2011年4月28-29日发生在中国北方的一次强沙尘暴发生机制进行研究.结果表明:500 hPa强斜压槽为此次沙尘暴的主要影响系统,同时,高原到新疆低层暖高压为沙尘暴的发生提供了有利的不稳定条件;沙尘暴主要发生在地面冷锋后部,是一次锋面后部大风型沙尘暴过程,地面3h变压(▽P3)对沙尘天气的移动路径有明显的指示作用;强沙尘暴发生前CAPE增大,形成了有利的不稳定条件;500 hPa位涡对沙尘暴影响系统有明显的指示意义,0.5 PVU等值线可作为沙尘天气区的分界线;此次沙尘暴发生过程在位温剖面上表现为高纬的冷空气向低纬度扩展的过程;等熵面高值位涡系统由高层向低层下滑中,由于等熵面坡度增加和位涡守恒,使低层垂直涡度增大,导致地面气旋环流的发展和风速的增强,从而导致了此次沙尘暴天气的发生.     

河西走廊罕见强沙尘天气传输及其过程持续特征

2021年3月15—19日河西走廊出现了近10 a范围最广、持续时间最长的罕见强沙尘天气过程。利用MICAPS常规气象观测资料以及物理量场资料,从天气气候成因、环流形势演变、物理量诊断等方面分析了此次强沙尘天气的传输及过程持续特征。结果表明：（1） 2021年3月14日受强烈发展的蒙古低压槽影响,蒙古国南部及内蒙古中西部爆发了强沙尘暴,前期蒙古国及中国北方异常增暖是导致沙尘暴爆发的诱因之一。（2） 受高空贝加尔湖深厚低压槽后西北气流引导冷空气东移南下、高空急流动量下传、配合地面冷锋过境共同影响,蒙古国中西部高低空的沙尘粒子被输送到河西走廊,造成河西走廊15日凌晨到上午出现局地强沙尘暴和扬沙天气。（3） 强沙尘暴出现后,700 hPa、850 hPa及近地面内蒙古、华北、宁夏及陕西一带盛行偏东气流将蒙古国及内蒙古的沙尘输送到了河西走廊,造成河西走廊15日下午至19日出现浮尘天气。（4） 沙尘天气维持期间,地面冷高压移速缓慢,河西走廊位于地面冷高压后部,地面风速和湿度较小,不利于沙尘的沉降和水平扩散;河西走廊上空盛行下气沉流、逆温层深厚、大气干燥及层结稳定,不利于低层沙尘的垂直扩散和沉降,对沙尘的持续维持起到促进作用。     

新世纪第一场沙尘暴初探

利用实时和历史常规气象观测资料与大气颗粒物污染监测资料,从沙尘暴天气实况、天气气候成因和对城市空气污染影响三方面,对世纪之交发生在我国北方的一次速度较快、强度较大的沙尘暴天气过程做了初步探讨。结果表明:①大型天气环流系统调整时的上下游效应,使乌拉尔山高压脊迅速发展东移,推动西伯利亚的一股较强冷空气南下,影响我国北方地区,加之高空急流动量的下传,是这次沙尘暴天气发生的环流背景和动能基础;②前期12月我国北方较正常年份温暖干燥,表层土质干燥疏松,沙尘源丰富,这是此次沙尘暴天气发生的物质基础;③沙尘天气的发生使我国北方城市空气污染雪上加霜,造成部分城市空气污染异常严重,大气颗粒物污染浓度增加100%~300%。     

影响中国西北及青藏高原沙尘天气变化的因子分析

利用1948—2006年的NCEP(2.5°×2.5°)月平均再分析资料,分析了影响西北及青藏高原沙尘天气变化的动力、热力因子。结果表明:①200 hPa副热带西风急流是影响沙尘天气的动力因子,高层天气系统的季节性变化,导致了其位置及强弱的季节性变化,从而导致了高原南部扬沙、沙尘暴季节性南北移动;急流的动力结构使局地环流得以形成,局地环流的下沉支流使得高空动量下传,使地面风速增大,从而使扬沙和沙尘暴发生。②浮尘和扬沙、沙尘暴天气成因有所不同,地表温度等热力因素对浮尘天气有直接影响;而急流等动力因子则影响浮尘天气的频率,对发生范围影响较小;动力因子是扬沙、沙尘暴发生的直接原因;500 hPa锋生函数大值带的季节性南北移动也是扬沙、沙尘暴南北季节性变化的重要原因。③500 hPa水汽输送带的边缘是扬沙和沙尘暴容易发生的区域。④地表湿度是沙尘天气发生的一个因子,当地表较干时,沙尘天气发生频率增加,而当地表湿度增大时,沙尘天气发生的频率减小。     

2002年春季中国沙尘天气与物理量场的相关分析

通过对2002年春季中国沙尘暴、扬沙、浮尘天气的综合分析,给出了各沙尘区沙尘天气发生的频率。并分析了沙尘天气分别与850 hPa全风速、散度,500 hPa全风速、散度、涡度、总能量、垂直速度,不稳定度指数K_i、K_y和S_i,300~850 hPa两层之间的风切变等11个物理量场的相关性。结果表明:2002年春季沙尘天气,除了具有往年的阶段性特点外,还具有明显的区域特点,即南疆区浮尘较多;河套区扬沙较多;蒙古区沙尘暴较为明显。沙尘天气与各物理量场的相关分析进一步证实,风是影响沙尘天气发生的最主要的气象要素,它与浮尘的出现有一定关系,但不是决定因素;而扬沙和沙尘暴的发生,风确是先决条件。     

南疆盆地翻山型沙尘暴环流动力结构分析

2003年4月8日至9日发生了一次超极地冷空气入侵新疆并翻越天山造成南疆盆地大范围强沙尘暴过程,分析沙尘暴强盛期的高度场、高空急流异变、螺旋度场、散度场和不稳定发展,揭示了该类沙尘暴强盛期的环流动力结构。结果表明:①伊朗高压的爆发性发展与乌拉尔山脊叠加形成长波脊,导致泰米尔半岛的极地强冷空气南下,并直插新疆越过天山到达塔里木盆地,造成大范围沙尘暴天气;②强沙尘暴天气产生的根本原因是西西伯利亚地面冷高压爆发性南下并强烈发展;③高空西风急流发生异变在南疆盆地上空形成急流区,并通过动量下传导致地面大风,是大范围沙尘暴发生的动力条件;④沙尘暴区上空螺旋度垂直分布低层为正值、高层为负值,揭示强的旋转上升运动是大范围沙尘暴发生的动力条件。⑤低层辐合高层辐散的垂直结构,易于发生近地面大风和上升气流;⑥该次沙尘暴是一次大范围强对流天气,大气层结处于对流中性或对流不稳定状态,但都有强的斜压不稳定发展,并冷暖空气交换剧烈。沙尘暴影响前塔里木盆地有一个能量明显聚集期,但聚集时间很短。     

内蒙古沙尘天气少发季节沙尘天气预报技术分析

本文对2010年11月沙尘天气少发季节出现在内蒙古自治区西部地区但漏报的一次沙尘天气过程进行了详细的分析,从实际预报的角度出发,利用实际预报工作中可以用到的高空、地面、数值预报产品等相关资料,从产生沙尘天气的有利条件、大尺度环流形势演变及可能造成的其他灾害性天气、沙尘气候概率等角度较全面剖析了此次沙尘天气过程的漏报。分析得出:(1)沙尘天气不是单一出现的,都会伴随大风天气,但沙尘和大风的落区不尽相同,往往先出现大风再有沙尘天气出现,强沙尘暴区都伴有大风天气;(2)沙尘天气出现前会出现明显升温,无有效降水,沙尘过后有时伴有寒潮、雨雪天气;(3)大气的强斜压不稳定是产生沙尘大风的主要因素;(4)锋前上升运动较强,可达对流层中上层（400 hPa以上）;(5)沙尘出现时段整层对应正涡度区;(6)在沙尘暴过程中,午后产生深厚混合层的区域容易产生高空动量下传并形成地面大风。通过对漏报原因的分析提醒广大预报员在今后的预报工作中要增强多种灾害天气同时出现的预报敏感性,一定要在关注重点灾害的同时,避免对沙尘天气少发期沙尘天气漏报的现象。     

近几年沙尘天气对中国北方环保重点城市可吸入颗粒物污染的影响

 利用2000—2008年中国北方17个环保重点城市API指数资料和同期气象资料,评估沙尘天气对中国北方城市大气环境的整体影响,对比分析不同城市空气质量受春季沙尘影响的程度,并以一次强沙尘暴过程为例,探讨其影响中国北方城市空气质量的范围、程度和过程。结果表明,2000—2008年北方环保重点城市大气的首要污染物是可吸入颗粒物,污染状况严重。春季颗粒物高污染状况主要与沙尘天气有关。不同城市受沙尘影响的程度也不同,影响程度自西向东降低,其中对银川、兰州和西宁影响最大。沙尘天气容易造成严重颗粒物污染事件,颗粒物浓度变化可以清楚地反映沙尘的输送、移动及强度变化。即使在并未出现沙尘天气的地区,在上游沙尘输送作用下,颗粒物浓度也会受较大影响。     

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。     

一次强沙尘暴活动对中国城市空气质量的影响

对2006年4月8—12日发生在中国北方地区的一次强沙尘暴天气过程及其对中国大陆城市空气质量的影响进行了分析研究。结果表明：①造成此次沙尘天气过程的直接原因是伴随着西伯利亚强冷空气南下的冷锋自西北向东南方向的移动。沙尘暴鼎盛时期卫星观测的中国境内大气沙尘气溶胶指数（AI）的分布存在一个高值区和两个次高值区。高值区位于内蒙古西部地区、河西走廊和河套地区;两个次高值区分别位于塔克拉玛干沙漠及华北至东北地区。与此同时,地面观测的最小能见度小于10 km的气象站点分布最密集的地区也主要分布在上述3个区域。AI的分布与最小能见度的分布之间有着很好的一致性。②这次沙尘天气过程的影响范围主要在33°N以北。从西到东沙尘天气影响的程度逐渐减轻,受污染最严重的城市集中在西北地区东部。根据锋面过境时间与发生大气污染事件时间的对比可将受沙尘天气影响的城市大致分为两类：第一类城市大气污染事件发生在冷锋过境期间（Ⅰ类城市）,第二类城市大气污染事件发生在冷锋过境前（Ⅱ类城市）。Ⅰ类城市受沙尘过程影响发生空气污染事件的持续时间相对较短,空气污染事件主要出现在锋面过境前后。Ⅱ类城市受沙尘过程影响发生空气污染事件的持续时间相对较长,空气污染事件的出现时间要明显超前于锋面过境时间。两类城市的共同特征是能见度与空气污染指数（API）之间存在着良好的反位相关系。     

宁夏一次大风扬沙天气过程机制分析

利用宁夏25个常规地面观测站逐时资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-Interim逐6 h 0.125º×0.125º分辨率再分析资料,对宁夏2016年5月11日大风扬沙天气过程的天气形势、影响系统及其热力、动力条件和形成机制进行了分析。结果表明：（1）大风和扬沙呈现出时间位相上的不一致性,沙尘超前大风约6 h。（2）200 hPa高空急流、500 hPa锋区、700 hPa低空急流和地面冷锋是此次过程的主要影响系统。（3）大风在不同阶段对扬沙起不同作用,在初期有利于扬沙的传输,后期对扬沙起抑制作用。（4）动量下传和变压风是大风形成和发展的直接原因,感热通量通过加强地面湍流形成混合层,从而引导动量下传是其间接原因,动量下传的重要机制是对流层高层高位涡的下传,过程风力最强时位涡高值区（≥2.0 PVU）由200 hPa下传至520 hPa。（5）扬沙的产生主要是冷平流和感热通量形成的热力不稳定共同作用的结果,变压风和动量下传大风是扬沙的输送机制,次级环流缺失和冷平流中心过低（750 hPa）对沙尘输送高度的抑制作用是沙尘天气偏弱的主要原因。     

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。     

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。     

春季东亚副热带西风急流的变化特征及其与中国沙尘天气的关系

利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA-Interim全球大气再分析资料及1980-2012年中国北方逐月沙尘暴发生日数资料, 研究了春季东亚副热带西风急流(70°-120°E)的变化特征及其与中国春季沙尘天气之间的关系。结果表明:1980-2012年春季中国上空急流轴存在北移的趋势, 急流中心略向东移, 急流相对强度随年份增强, 与春季沙尘暴发生总站日数的年际变化呈显著负相关。春季沙尘暴多发年, 东亚副热带西风急流有所减弱, 而在哈萨克斯坦东部、蒙古国、中国内蒙古大部分地区及南疆地区等沙尘源地, 200 hPa纬向风速增大; 500、850 hPa风速、位势高度差值场的分布都有利于中国沙尘源地地面风速增大。在中国沙尘源地, 高层西风风速增大, 动量下传, 引起地面大风, 从而容易产生沙尘暴。     

影响北京的两次沙尘过程传输特征对比分析

2017年5月4-5日和2015年3月28-30日两次影响北京的沙尘天气均包含外来输送及沙尘回流过程。采用常规气象观测资料、大气成分资料、CALIPSO卫星监测及风廓线雷达数据等，对两次过程中的气象要素变化、传输轨迹、天气学条件、边界层特征等进行分析。结果表明：两次过程均由蒙古气旋引起，远距离传输过程中经沙源地传输的沙尘气溶胶可被抬升至700 hPa以上高度，主要传输层位于对流层中低层；高空急流强度、入口区位置及次级环流的结构对沙尘传输及影响区域有重要指示意义；沙尘回流主要受大气中低层偏南风输送带的影响，主要传输高度为1 km以下的低层大气，北京与回流上游城市PM₁₀浓度变化的时间滞后性与前期沙尘天气是否得到彻底清除有关。     

2009年中国一次沙尘暴过程中的水汽变化特征及WRF回报

通过对2009年4月22日至25日发生在甘肃、宁夏、内蒙古的一次沙尘暴观测和模拟回报试验,分析了沙尘暴过程中水汽及水热的变化特征,检验了天气研究和预报模式（WRF）对沙尘暴过程的模拟能力。结果表明,WRF能较好地再现出沙尘暴过程中水汽变化的基本特征。沙尘暴发生前,地面感热明显增加,大气中水汽明显减少。在沙尘暴过程中,扩散作用和气溶胶的凝结作用影响水汽的变化,而水汽的垂直方向变化较小;高空云水和云冰含量异常偏小,低层大气的温度和水汽含量下降。热力诊断的结果表明,沙尘暴过程中,由于水汽的相变,在600～800 hPa高度处,水汽凝结产生的视热源的加热率高达6 ℃·d-1,表明非绝热加热作用在沙尘暴的维持和发展起着重要的作用。     

城市地表灰尘重金属研究进展及展望

城市地表灰尘是城市环境科学研究的对象之一,在对国内外有关城市灰尘概念界定研究成果进行总结的基础上,对城市地表灰尘提出新的概念和新的认识。城市地表灰尘是城市生态环境中具有环境指示作用的地表颗粒物,是含有重金属、多环芳烃等多种污染物的源与汇。对国内外地表灰尘重金属的含量水平、时空分布特征、迁移循环、赋存形态及生物有效性等方面的研究成果进行比较系统的阐述;灰尘中重金属的来源识别的方法主要有GIS空间分析,元素示踪技术,统计学方法等。并提出在今后的研究中应进一步完善城市地表灰尘中重金属的时间变化规律、地表灰尘在环境中的滞留时间、粒径的划分以及区域人体健康影响及风险评估模型优化四个方面的研究。     

春季天气变率对华北沙尘暴频次的影响

利用欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料,分析华北春季沙尘暴日数与500 hPa月平均环流及与近地面环流天气变率长期变化的关系,分析时段为1962~2000年。研究发现华北地区春季沙尘暴频次与东亚地区中高纬度500 hPa高度场有显著的负相关,相关中心区在蒙古国及西伯利亚一带,这可能说明高空环流场在这种形势下易于造成高纬度冷空气南下,因此使得华北沙尘暴频次增加。天气过程是形成沙尘暴的直接原因,东亚地区天气变率存在明显的年际和长期变化,研究发现天气变率与沙尘暴频次之间有非常显著的关系：当天气尺度变率增大 (减少) 时,沙尘暴频次也增加 (减少)。其中具体分析了850 hPa低压和地面冷高压活动与沙尘暴的关系,发现东北低压及自蒙古和西伯利亚南下的冷空气活动都对华北沙尘暴频次有明显的影响。近40年来东亚天气变率有显著的减弱趋势,这也在很大程度上解释了沙尘暴频数的显著减少。另外,北极涛动对东亚天气变率和华北沙尘暴频次的年际变化也有一定的影响,北极涛动强的年份华北沙尘暴次数偏少。