近年来北京沙尘天气特征及成因分析

针对2000-2002年北京沙尘天气增加和2003年沙尘天气迅速减少的现象,统计分析了近几年北京沙尘天气的特征和出现的特点,并从大气环流形势、气候特点、气象要素以及可能影响北京沙尘天气的沙源状况进行分析。2000-2002年春季,我国处于西北气流的控制之下,冷空气势力强,以西或西北路径影响我国。2003年春季亚洲东北部高压脊偏强和日本海气旋较弱,使得冷空气路径偏北,入侵我国的冷空气势力较弱,产生大风沙尘的动力条件减弱。气候特点分析表明,1999-2002年北方大部分地区降水量持续偏少,年平均气温偏高,造成土壤水分蒸发强烈,土壤干燥疏松。2002年冬季至2003年春季,北方地区降水量较常年明显偏多,北京周边地区的主要沙源地一直被积雪覆盖,植被覆盖度扩大,有效抑制了沙尘天气的形成。     

东亚中纬度地区前期降水对中国北方春季强沙尘暴影响初探

利用1980～2002年春季中国北方典型强沙尘暴序列和1979～2002年地面气象台站记录与卫星观测同化处理的格点降水资料(CMAP),分析了中国北方春季强沙尘暴活动与其前期大尺度降水异常的关系。研究结果表明,中国北方春季(3～5月)强沙尘暴活动与东亚中纬度地区前期年(前一年6月至当年5月)平均降水有较高相关,其中蒙古西南部和东南部,中国新疆北部局部地区和内蒙古中部为高相关中心,是重要的沙尘源地。前4个季度中前一年夏季(6～8月)降水与来年春季强沙尘暴活动负相关最高。另外,通过春季强沙尘暴活动与其前期土壤湿度和同期地表植被覆盖状况这两种和降水有关的下垫面因子的相关分析,发现前一年6月至当年5月的年平均土壤湿度及春季平均植被指数均与春季强沙尘暴序列有较高的负相关,而且高相关区的分布与降水场高相关区的分布大致相同。     

民勤大气边界层特征与沙尘天气的气候学关系研究

 为了更好地理解西北干旱区大气混合层(ML)厚度的变化特征及其对当地沙尘气候形成的影响, 利用民勤2006—2008年3—6月逐日08时和20时探空资料、降水和日最高气温,计算和分析了最大混合层厚度、逆温层特征和垂直风场及其对沙尘气候形成的影响。结果表明,民勤沙尘天气的大气边界层有显著的昼夜变化,白天厚、逆温强而多;沙尘天气的最大混合层厚度在2 600 m左右,介于无降水与有降水天气之间;扬沙主要由锋面中的冷空气引起,而沙尘暴主要由低层风场的剧烈扰动和500 m以上高层冷锋入侵引起。沙尘暴发生前近地面风场有明显的扰动,沙尘暴发生时在500 hPa以下有显著的冷空气活动,白天较强。能见度小于100 m的强沙尘暴夜间风速大,冷空气较强。     

西北地区沙尘天气的时空特征及影响因素分析

利用1960—2005年西北地区135个台站的沙尘日数、月降水和气温资料,以及500 hPa高度场和太平洋海表温度资料,通过常规统计和诊断方法,分析了沙尘天气的时空特征及其影响因素。结果表明,除北疆北部外,西北地区大部分地方年平均沙尘日数在5 d以上,沙尘日数25 d以上的地方主要在南疆、青海西部、甘肃河西及中部地区以及宁夏、内蒙古中西部和陕北一带,而50 d以上沙尘高频区主要集中在塔克拉玛干沙漠周边地区以及巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和毛乌素沙地一带。沙尘天气在春季发生最频繁,而很少发生在秋季。近46 a年沙尘日数总体上呈显著下降趋势,在沙尘天气高发区的下降趋势更为明显。20世纪70年代中期开始,沙尘天气发生频数由较多期跃变为一个相对较少期。当北太平洋地区位势高度偏低,青藏高原至新疆500 hPa高压脊异常偏强,亚洲大陆中高纬高度场较常年偏高时,西北地区沙尘日数偏少,反之亦然。当春季太平洋海温表现为厄尔尼诺(拉尼娜)典型态时,同期沙尘日数偏少（多）。     

甘肃春季(3～5月)沙尘暴成因分析

甘肃春季(3～5月)沙尘暴小波变换分析清楚地反映了甘肃春季沙尘暴不同时间尺度周期振荡的交替作用。甘肃中西部自20世纪80年代以来变暖,其变暖与太阳黑子周期长度(SCL)密切相关。甘肃春季沙尘暴与甘肃中西部热力因子和降水研究表明,当冬季冷空气活动频繁,春季气温回升快,气温波动幅度大,降水偏少,甘肃春季容易发生沙尘暴。     

中国北方春季起沙活动时间序列及其与气候要素的关系

利用1961—2002年春季中国681个站沙尘天气的实测资料,将起沙机理相似的扬沙、沙尘暴通过并集运算进行复合,得到一个新的能体现完整起沙活动的时间序列。统计学检验表明,新序列较单一的沙尘暴序列具有诸多优点。进一步从681个站中筛选出代表性较好的中国北方175个站,探讨了春季起沙活动（DBS）时间序列与冷空气、大风、气温、降水等气候要素的关系。结果表明:①春季DBS与大风日数、冷空气次数的相关系数分别为0.946和0.406。②春季DBS与平均气温、最低气温、最高气温的相关系数分别为-0.494、-0.607和-0.269。③春季降水对DBS的影响主要取决于降水的强度和降水的时间分布,5 mm以上的降水才能有效地抑制DBS的发生。     

近年来GRAPES-SDM沙尘模式预报效果检验评估

使用天气学检验方法,对中国气象局兰州干旱气象研究所目前使用的GRAPES-SDM沙尘暴预报业务模式在2008-2011年春季沙尘天气预报情况进行检验评估。结果表明：①自2008年以来,GRAPES-SDM沙尘暴模式对中国北方区域沙尘天气的模拟预报能力较好,TS评分和预报效率保持较高的水平;②模式对内蒙古地区、河套地区及甘肃河西地区的预报效果最好,但常有空报或预报沙尘强度偏强的现象;模式能预报出南疆盆地的沙尘天气,但常有预报范围偏小、强度偏弱的现象;对青海地区的沙尘天气常有漏报现象;③模式对沙尘暴频发地区的预报效果较好,对沙尘天气偶发地区容易漏报,模式对新疆东部、内蒙古中西部地区空报较多;④模式对大范围沙尘天气过程的预报能力较好,对零星沙尘天气预报能力较差。通过检验,我们还提出了改进和完善GRAPES-SDM沙尘暴预报系统的一些建议。     

曲靖罕见夏秋冬连旱天气分析

利用1951～2009年沾益测站的降水资料以及NCEP/NCARR的月平均气象场再分析资料分析了2009～2010年曲靖严重干旱天气成因。采用Z指数对曲靖秋冬春连旱异常年份进行划分,表明2009年是夏秋冬连旱最严重的年份。并通过分析曲靖历史上夏秋冬降水偏少年和偏多年的500 hPa高度距平场差值场来为2009年严重的连旱天气提供成因分析,认为:冷空气和偏南气流异常是造成曲靖降水正负异常的成因。2009年夏秋冬季环流与历史上旱年同期的中高纬槽脊强弱分布形势并不一致。从夏季到冬季,贝加尔湖附近位势高度经历了从偏高到异常偏低的变化,孟加拉湾到西太平洋的环流场位势高度持续性异常偏高,暖湿气流缺乏,即使北方有冷空气南下,由于云南下沉运动较常年明显偏强,冷空气也无法与水汽汇合,水汽输送少是产生持续气象干旱的关键原因。     

地面冻结状况与春季沙尘暴发生的关系

利用30年地面气象观测数据,以内蒙古锡林郭勒盟中西部地区为研究区,以土壤表面冻结终日与沙尘暴发生日数为指标,分析了地面冻结终日与春季沙尘暴发生日数之间的关系。研究结果表明:在研究区内,土壤表面冻结终日与春季沙尘暴发生日数之间呈现负的相关关系,说明土壤表面冻结终日对春季沙尘暴的发生有一定的影响,也表明了其对沙尘暴的发生有进行指示和监测的潜力;但部分地区的相关关系不显著,说明土壤表面冻结状况只是影响春季沙尘天气的一个因子,它对沙尘天气所产生的影响是有限的。     

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。     

中国西北地区沙尘天气的时空位移特征

沙尘暴是一种灾害性的天气,具有明显的时空分布特征。中国西北地区风大、沙多,是沙尘天气和沙尘暴的易发地区。通过GIS技术,利用中国西北5省区和内蒙古西北部158个气象站的沙尘资料,对中国西北地区近45 a总沙尘天气（包括浮尘、扬沙）和沙尘暴的时空变化特征进行分析,初步探讨了不同时间、不同区域的沙尘天气和沙尘暴影响范围。结果表明,无论是沙尘天气还是沙尘暴,都具有明显的时空分布特征;各季节沙尘天气和沙尘暴的影响范围和发生程度不同,总的来说,中国西北地区以春季最为多发,约占全年总数的1/2,依次为夏季、冬季和秋季;不同的季节,不同程度沙尘天气和沙尘暴的影响范围不同,春季是低度易发生区和中度易发生区面积较大时期;夏秋冬是低度易发生区和不发生区面积较大的时期。上述分析表明,沙尘天气和沙尘暴发生的时间和空间都存在差异性。     

河西走廊边界层高度与风沙强度的关系

以中国风沙高发区河西走廊为研究对象，应用河西走廊敦煌、酒泉、张掖和民勤4站2006—2017年逐日19：00每50 m加密高空资料和07：00规定层、特性层高空资料，分别采用平滑位温法、T-LnP法，统计分析了该区边界层高度的变化特征及其影响因子、边界层高度与风沙强度的关系，得出边界层高度与风沙强度成正比。进一步从地面风速、相对湿度、地气温差日变化得到春季午后风沙天气多发和强发的主要成因，得到了沙尘暴不同环流形势下的边界层高度持征，以及高空风速≥15 m·s^-1的最低高度与风沙强度的关系，从而为风沙天气预报提供技术帮助。结果表明：河西走廊年均边界层高度1 700~2 200 m，4—6月较高，在3 000 m以上，敦煌4—5月在3 500 m以上。边界层高度与最高气温、最低气温和0 cm最高地温较密切，与最高气温、极大风速成正比。边界层高度随着风沙强度的增强而增高，4月强沙尘暴和大风的边界层高度均大于3 100 m。春季风速随着风沙强度的增强而增大，最大风速集中时间在12：00—18：00，春季13：00—14：00风速最大、相对湿度最小、地气温差最大，因而也是风沙天气出现最多和强度最强的时段。沙尘暴持续时间越短，边界层越高，4—6月下午的沙尘暴较高，为2 800~3 100 m。沙尘暴不同环流形势的边界层高度中西风槽型整体较低；平直西风型4、6月和8月较高，均达3 100 m以上，8月为3 580 m；而西北气流型高于西风槽型，5—6月大于3 200 m。不同风沙强度高空风速≥15 m·s^-1的最低高度，冬春季较低，夏秋季高；浮尘较高为4 884 m，大风伴沙尘最低为2 471 m，大风沙尘暴07：00较19：00高600 m左右，明显较边界层高1 000~2 000 m。     

1463～1913年华北地区沙尘天气序列复原及初步分析

作者系统查阅了华北地区明、清、民国时期地方志和有关正史、实录史料,搜集到1463～1913年的1401条有关沙尘天气记录,在对这些历史记录进行时间分布特征分析后发现,华北地区1463～1913年沙尘天气的年内和年际变化具有如下特点:1)70%左右的沙尘天气发生在春季,其中发生在4月份的沙尘天气大约占总数的30%;2)在过去的451年间,华北地区沙尘天气的发生数量没有明显的增加或减少的趋势,10年滑动平均曲线则表现出30年至50年的准周期振荡;3)历史时期沙尘天气序列与华北地区同期春季温度距平序列存在很显著的负相关,与华北中、北部地区的降水序列也存在显著的负相关。     

内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系

利用2002-2010年朱日和气象站观测资料,结合同期归一化植被指数(NDVI),叶面积指数(LAI),植被净初级生产力(NPP)资料,分析了内蒙古半干旱区朱日和地区2002-2010年的沙尘天气特征。结果表明：朱日和地区临界起沙风速为9.4 m·s-1,2002-2010年沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率呈波动变化,沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率有很好相关性,超过18 m·s-1的强风极易导致沙尘天气的发生;定义标准化的沙尘天气频率（NfDO）为沙尘天气频率与大于临界起沙风速频率之比,当夏季降水量大于100 mm,夏季最大NDVI、最大LAI和最大NPP分别大于0.24、0.3 g·m-2·d-1和0.6 g·m-2·d-1（以碳计算）时,次年春季NfDO较低,沙尘天气不易发生;反之沙尘天气较易发生。对沙尘天气发生机制的分析发现,夏季有效的降水促进了植物生长,夏季降水量、最大NDVI、最大LAI和最大NPP增大,来年春天土壤不容易侵蚀,沙尘天气不易发生。     

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。     

青藏高原及其周边区域沙尘天气的时空分布特征

基于站点观测的沙尘暴数据和卫星遥感（FY-3A）的沙尘数据，分析了青藏高原及塔里木盆地-河西走廊沙尘天气的时空分布特征。结果表明：在空间分布上，沙尘天气发生的次数和强度自塔里木盆地-河西走廊往青藏高原的东南方向递减。季节变化上，沙尘暴在青藏高原主要发生在冬、春季，而在塔里木盆地-河西走廊主要发生在春、夏季，这主要是由于地表大风中心在3月北移、10月南移； FY-3A反演的沙尘天气在两个区域均主要发生在冬、春季，发生强度与观测结果在季节变化上也存在差异。在1980—2007年，青藏高原的沙尘暴发生次数和强度上均呈减弱趋势，塔里木盆地-河西走廊的沙尘暴发生次数减弱而强度增强。     

策勒绿洲沙漠过渡带小气候的空间差异

对策勒2011年1—12月4个不同下垫面的风速、温度、湿度、光合有效辐射的月差异进行分析,同时选取夏季晴天天气作为背景,比较沙尘暴、扬沙、浮尘、阴雨天时4个下垫面气象要素的差异。结果标明:与流沙地相比,绿洲-沙漠过渡带半固定沙地、固定沙地、绿洲内部2.0 m高处的6月平均风速依次减少了25.22%、27.93%、65.27%,12月绿洲内部0.5 m高处平均气温分别高于流沙地、半固定沙地、固定沙地1.39 ℃、1.21 ℃、2.70 ℃。5—10月4个下垫面之间温、湿度差异较春、冬季显著,7月流沙前沿2.0 m高处平均气温分别比半固定沙地、固定沙地、绿洲内部高0.35 ℃、1.61 ℃、3.75 ℃。沙尘暴天气下4个下垫面之间的风速差值依次小于扬沙、浮尘、阴雨、晴天天气下;在浮尘和晴天天气下,气温从流沙前沿到绿洲内部逐渐减低,相对湿度逐渐增加;沙尘暴和阴雨天气下各下垫面的气温和相对湿度无明显差异,扬沙天气下各下垫面之间温、湿度差异大于阴天天气,但小于浮尘和晴天天气;4个下垫面之间的光合有效辐射（PAR）在沙尘暴天气下差异最为明显,浮尘和阴雨天气下4个下垫面之间的PAR接近,晴天天气下各点PAR明显大于扬沙天气下,且各下垫面之间差异大于扬沙天气下的差异。     

塔里木盆地沙尘天气日数的变化及其与北大西洋涛动的联系

基于塔里木盆地35站1961-2007年的沙尘暴、扬沙日数的观测资料,分析了塔里木盆地春、夏季沙尘天气日数的时空变化特征及其变化的可能原因。结果表明,沙尘暴和扬沙日数呈显著减少趋势,沙尘暴日数在盆地的西南部,扬沙日数在盆地的东北部,减少幅度最大。春、夏季沙尘暴日数的气候突变发生在20世纪80年代的中后期,而扬沙日数在90年代的中后期。春、夏季沙尘天气日数以单月发生为主,连续2月及以上发生概率较大的区域集中在天山南坡,尤其在阿克苏地区。近20 a来,沙尘天气日数异常站数迅速减少,尤其在2000年后。相关分析表明,前冬北大西洋涛动指数与春、夏季沙尘暴日数有较好的相关关系,可以作为其短期气候预测的一个因子。