引发强沙尘暴的蒙古气旋的动力特征分析

对造成2002年4月5—9日东亚地区一次引发强沙尘暴天气过程的蒙古气旋发生发展过程进行了动力学分析。结果发现,这次气旋发展发生在斜压区中,500 hPa涡度平流和对流层下部的温度平流、大气加热率均对气旋的发生有贡献;气旋的发展阶段以温度平流为主,在气旋发展最强盛阶段对流层下部温度平流的作用大于其他项;气旋减弱阶段大气加热率所起的作用占主导地位,涡度平流和温度平流作用较小;Q矢量锋生函数分析表明大气斜压性的作用不可忽视。位涡的垂直输送作用明显,并形成了对流层内的垂直位涡柱。在气旋的发生发展过程中,始终伴有高空急流,它不仅有利于气旋的发展,同时还激发了低空急流的出现,因此引发该次强沙尘暴的蒙古气旋发生发展过程中对流层内有高低空急流耦合作用。     

蒙古气旋天气过程中的沙尘传输特征

基于沙尘数值预报模式针对不同区域地面起沙的敏感性试验结果,分析讨论了蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘传输的特点及形成原因。结果表明：蒙古气旋沙尘暴过程的沙尘传输表现为:沙源区纬度越高,沙尘向东传输越强,纬度越低,向南传输越强;同时,高度越高,沙尘向东传输越强,高度越低,向南传输越强。其形成原因是萨彦岭山地背风坡效应、青藏高原东北侧地形强迫绕流等自然地理因素和蒙古气旋的动力、热力结构共同造成的,具有一定程度的普遍性。     

蒙古气旋产生强沙尘暴的诊断分析

利用MICAPS资料、FY-2C红外卫星云图和2.5°×2.5°NCEP再分析资料,对2008年5月25日至28日大范围沙尘暴过程进行了天气动力诊断和物理量场分析。结果表明,强沙尘暴主要出现在冷平流前的温度梯度密集区和涡度梯度密集、陡峭区。在这次强沙尘暴过程中,暖平流是蒙古气旋发生、发展的重要热力因子,大气热力不稳定和强风是起沙的动力;500 hPa阶梯槽快速东移是飚线产生的触发系统;对流风暴是引发强沙尘暴主要因素。蒙古气旋的发展加大了冷锋前后的气压和温度梯度,为对流风暴的发生提供了热力不稳定条件。700 hPa冷平流爆发性下沉、南下,为强沙尘暴的产生提供了强大动力。     

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。     

我国西北地区4.5沙尘暴天气研究

对１９９４年４月５日发生在中国西北地区的一次强沙尘暴天气，从天气事实、天气学成因以及动力诊断等方面进行了探讨分析，揭示了形成东大风沙尘暴天气的物理机制。采用ＮＣＡＲ客观分析方案进行的动力诊断表明，（１）地面热低压与正涡度中心相互对应，涡度随高度迅速减小（ξＺ＜０），有利于中低压的发展加强，沙尘暴产生在正涡度区域内；（２）沙尘暴垂直环流特征是南疆至河西中、东部发展一庞大的垂直环流圈，环流中心在１５０～２００ｈＰａ层，它起到组织低空中尺度系统的重要作用；（３）在南北经向剖面上，蒙古高压是一个非常深厚的大型天气系统，它一直伸展到对流层上部，形成了自南向北的正环流圈，在高压南部的上升气流中激发大风和沙尘暴；（４）４·５沙尘暴后期低层大气层结稳定，不利于浮尘消散，故浮尘持续时间长     

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。     

2001年4月8日强沙尘暴天气的数值模拟研究

利用MM5中尺度气象模式对2001年4月7~9日发生在新疆南部、青海北部、甘肃大部、陕西北部、宁夏和内蒙古的大范围大风、强沙尘暴、寒潮和降雪天气过程进行模拟研究。结果表明:MM5中尺度模式能够模拟出这次天气过程的系统变化,小网格尺度的模拟结果较大网格更能够反映出系统的特征;在地形、地貌相对稳定的情况下,特殊的天气环流形势造成的强而持久的大风和激烈的中尺度垂直对流是这次天气过程的主要原因;从空中槽脊形式的配合、发展趋势,地貌、地形特征,地面大风,降温、降压等特征综合分析,提前24 h就能预示出这次大范围的大风、寒潮和沙尘天气的出现。这次过程的特殊之处是:整个模拟过程中模拟区域内在200 hPa以上有弱的层结不稳定状态出现,对流层中、低层层结稳定;沙尘暴发生区域的主要上升气流出现在上午。     

中国西北部“4.5”沙尘暴过程中尺度低压的数值模拟

利用改进型ＰＳＵ／ＮＣＡＲ中尺度数值模式（ＭＭ４标准版），取模式水平格距４０ｋｍ，４６×６１网格，垂直方向ａ取１５层，即从地面到模式顶（１００ｈＰａ），σ＝０．０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．７８、０．８４、０．８９、０．９３、０．９６、０．９８、０．９９、１．００，采用ＮＣＡＲ的３０＇×３０＇地形资料，以常规观测资料作为初始场，较好地模拟了此次沙尘暴过程的海平面气压的演变和分布，特别是张掖、柴达本盆地以及敦煌附近的三个中低压。同时，模拟了张掖中低压与蒙古冷高压之间的甘肃河西沙尘暴东大风。敏感性试验表明，沙尘暴中低压的形成发展主要是受于物理过程制约；沙尘暴中尺度系统的研究与暴雨中尺度系统的研究是有区别的，积云对流参数化并不是特别重要，在设计研究沙尘暴的数值模式中，应当合理地处理其他的热力、动力过程及大气外强迫源的作用。模式水平格距、地形真实程度对模拟中低压的位置、中心强度有重要贡献；下垫面变化中低压强度有一定影响。张掖热低压的形成发展主要是在有利的环境形势下，特殊地势起了重要作用，表现为直接动力强迫和间接热力强迫。     

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。     

南疆“3.12”强沙尘暴天气数值模拟与诊断分析

春季是南疆塔里木盆地沙尘暴天气的高发季节。利用GRAPES中尺度数值模式,以GFS资料作为初值场和侧边界值,对新疆2011年3月12日南疆出现的强沙尘暴天气进行数值模拟,并利用模式输出结果对这次过程作诊断分析。结果表明,GRAPES中尺度模式对高空槽、西风带、地面温度等强沙尘暴主要影响系统发生、发展及强度模拟效果较好,能模拟出产生这次强沙尘暴的强风天气形势和上升运动;西西伯利亚地面冷高压爆发性南下并强烈发展是造成强沙尘暴天气的重要地面天气系统;位涡的水平分布特征对沙尘暴的出现时间和落区有一定的指示意义;沙尘暴区上空螺旋度垂直分布为高层负值、低层正值;螺旋度正值的演变与沙尘暴的出现有一定的对应关系;上升运动转为下沉运动是沙尘暴的最强时段。     

中国北方一次沙尘天气过程的数值模拟

选取中国北方地区2012年4月22-24日的一次沙尘天气过程,综合分析了多种地面与卫星观测资料,并在此基础上采用WRF-Chem模式（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）对本次沙尘天气过程的起沙和传输进行数值模拟,并与卫星遥感、地面激光雷达等观测数据进行对比验证。结果表明：此次过程是由地面冷锋和高空短波槽共同作用引起的。WRF-Chem模式模拟结果较好再现了此次沙尘过程的时空分布特征,与地面观测的沙尘天气发生地点基本一致。沙尘天气发生前后,地面观测站各气象要素有明显变化,表现出大风、降温、正变压。WRF-Chem模式模拟的气温和湿度变化趋势与观测基本一致。地面观测得到的PM₁₀质量浓度与消光系数在沙尘过程期间均上升达到高值,模拟能够很好地反映PM₁₀质量浓度的整体变化趋势,但峰值低于观测结果。采用HYSPLIT模式进行后向轨迹模拟,进一步表明本次沙尘过程的源地主要为塔克拉玛干沙漠与古尔班通古特沙漠。前向轨迹模拟结果表明沙尘传输路径自新疆起始,途经内蒙古、甘肃、宁夏、陕西。     

2011年一次蒙古气旋黑风暴过程综合分析

利用高空及地面常规观测资料、T639的物理量初始场和12 h以内的预报资料、锡林浩特市沙尘暴监测站的沙尘暴器测PM10、NEP、VIS资料,对2011年5月11日发生在锡林郭勒盟北部的黑风暴过程进行综合分析。结果表明:(1）700 hPa以下形成的伸展高度较高的混合层和超绝热层,为黑风暴的发生提供了非常有利的条件;(2）高空急流下落至700 hPa左右与700 hPa以下的混合层很好衔接为此次沙尘暴过程动量下传提供必要条件;(3）高空急流与地面气旋的配置为气旋的加强、特强沙尘暴维持较长时间提供有利的条件;(4）地面气象要素与沙尘暴器测微气象要素的变化很好地反映了沙尘暴发生期间的特征;(5）地面气象要素、器测微气象要素、多个物理量场的变化很好地反映了强沙尘暴的特性。     

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。     

“7.17”西北夏季沙尘暴数值模拟

 对2005年7月17日发生在西北地区近20 a来夏季最强的沙尘暴过程进行了数值模拟研究,结果得到:①沙尘暴发生前,沙源处于高温控制下;②起沙是水平低涡和垂直涡叠加而成的一种类似于Benard对流泡的系统扫掠沙源的结果;③起沙主要发生在水平低涡移动方向的右部。     

The Circulation Dynamical Structure of a Severe Dust Storm Process in Northwest China

 根据常规观测资料和美国NCEP/NCAR提供的1°×1° 6 h再分析资料,对2006年4月9—11日我国西北地区大范围沙尘天气过程环流动力特征等进行了分析。结果表明,高空急流、相对涡度和垂直速度在沙尘暴发生发展的不同时期有着较好的配置,沙尘暴发展的强盛期,相对涡度和垂直速度的不对称结构亦较强,在高空急流中心下方存在一个北部上升南部下沉的反环流,沙尘暴主要发生在高空急流中心南侧37°—44° N范围内,即在反环流区域的下沉气流区和热低压北部上升气流区。     

论特强沙尘暴(黑风)的物理特征及其气候效应

在总结过去研究结果的基础上,对特强沙尘暴的发生机制进行了进一步的理论分析,探讨了大气强对流对特强沙尘暴(黑风)形成的作用;从物理上系统解释了特强沙尘暴天气的沙尘壁特征;概述了特强沙尘暴的大气沙尘粒子尺度和垂直分布;定性评估了沙尘暴的直接和间接、短期和长期气候效应;最后,还讨论了沙尘暴研究中存在的一些关键科学问题。     

沙尘暴期间的温度脉动特征分析

 对沙尘暴期间的近地表0.5 m、1.0 m、8.0 m和16 m的高频风速和温度进行了同步测量,风速和温度的测量频率均为50 Hz。结果表明,4月24日发生在民勤地区的沙尘暴的前2 h为特强沙尘暴,其后为沙尘暴阶段,且在24—27日的沙尘暴期间风速经历了3个增大、平稳和衰减的变化阶段。对第一阶段(24日19时至25日18时)的分析表明,特强沙尘暴期间温度的脉动强度明显增大,其变化原因是温度平流输送引起的,而在其后沙尘暴阶段,温度的均值和脉动强度的变化则基本上是辐射变化导致的。对温度脉动的概率密度计算结果表明,沙尘暴期间温度脉动服从高斯分布,说明它不受沙尘颗粒的影响;而温度脉动的谱分析表明,在低于1 Hz的频率范围内证实了浮力标度区的存在,当频率高于1 Hz时分析表明,夜间和正午的温度谱有明显区别。