引言

内蒙古自治区地处我国北方，是沙尘暴多发地区之一，在干旱的春季沙尘暴发生尤为频繁。给受灾地区农业生产、城市交通和人民生活造成了严重的危害。沙尘暴已成为我国北方地区严重的环境问题之一，受到国际和国内的广泛关注。对沙尘暴成因的相关研究表明，强冷空气爆发南下是沙尘暴天气形成的主要原因，蒙古气旋和冷锋^[1-7]是引起大范围沙尘暴天气的天气尺度系统，干飑线^[8]、副冷锋^[9]是产生局地强沙尘暴和起沙的重要中尺度系统。沙尘天气的发生取决与沙源分布、地面大风和不稳定层结等条件。

近年来，随着沙尘暴定量监测业务的开展，预报业务中可以获得TSP质量浓度、PM₁₀浓度、器测能见度等沙尘暴监测资料。为进一步深入、定量分析沙尘暴成因和沙尘暴定量预报提供了基础数据。目前，对沙尘天气的定量监测、分析与预报刚起步。现行沙尘暴等级国家标准^[10]，是根据人工观测水平能见度的大小定义沙尘天气的分级。关于沙尘暴的分级标准问题，国内外学者做了很多研究和讨论^[11-15]。万本太^[16]提出了根据一定时间内大气中总悬浮颗粒物(TSP)的浓度来确定沙尘暴强、中、弱的标准。Shao和Wang^[17]基于TSP浓度的观测，建立了沙尘能见度与TSP浓度的统计反演关系，并应用到沙尘数值预报模式的检验分析上。牛生杰^[18]对TSP的研究，在巴丹吉林和腾格里等沙漠边缘区春季的观察取样，背景大气、浮尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气下, 沙尘气溶胶的TSP浓度分别为82.8μg·m^-3、356.4μg·m^-3、1205.8μg·m^-3和3955.3μg·m^-3。从这些数据中可以看出, 浮尘天气是背景大气的4.35倍, 扬沙天气是浮尘天气的3.38倍, 沙尘暴天气是扬沙天气的3.28倍。矫梅燕、赵琳娜^[19]利用地面观测资料，采用沙尘天气的强度分类与反演的沙尘浓度分级的统计方法，建立了不同沙尘天气(扬沙、沙尘暴、强沙尘暴)对应的沙尘浓度等级，并建立了不同沙尘天气与沙尘数值预报模式输出浓度之间的定量分级关系。

本文对沙尘暴TSP质量浓度、PM₁₀浓度、器测能见度等器测资料与地面常规观测资料进行统计和对比分析，确定不同沙尘天气(扬沙、沙尘暴、强沙尘暴)对应的PM₁₀浓度、器测能见度的等级划分，进而分析形成沙尘天气的定量化指标。应用数值预报产品释用技术，建立沙尘天气的PM₁₀浓度、器测能见度的定量预报方程，在业务中对沙尘暴定量监测数据进行预报和检验，提高对沙尘暴预报服务的定量化水平。

1 资料

选取了2004—2007年间，发生在内蒙古自治区的10次较强沙尘暴天气过程。

针对10次过程，整理了内蒙古自治区六个沙尘暴监测站(乌拉特中旗、额济纳旗、东胜、朱日和、锡林浩特、通辽)的器测能见度、PM₁₀浓度、TSP质量浓度的连续观测资料；同时，整理了常规观测资料，得到3小时一次的天气现象、能见度等观测数据。

收集整理了10次较强沙尘暴天气过程的NCEP再分析资料，用于分析沙尘天气成因和定量预报指标。

2 沙尘暴定量监测数据分析与沙尘分级标准讨论

目前对沙尘暴强度和分级是基于人工观测的天气现象和能见度定义的，而能见度的观测明显存在一些缺陷，一方面，能见度的观测受人为主观的影响很大，如人的习惯、人的视力，环境光线照度等；另一方面，能见度的观测取值不连续、不定量，对沙尘暴的精细化定量分析是不利的。因此，在沙尘暴的分析、预报和服务中应用连续、定量的器测资料是迫切之需。

2.1 能见度与PM₁₀的统计关系

PM₁₀能较好地反映沙尘暴的强度和沙尘粒子浓度，是定量分析沙尘暴的重要指标。比较PM₁₀、能见度的相关关系(图 1a)与PM₁₀、器测能见度的相关关系(图 1b)：能见度的各点相对较分散，连续性较差；而器测能见度各点相对较集中，连续性较好。与PM₁₀的相关系数器测能见度为R=-0.8896，能见度为R=-0.7432。可见器测能见度较能见度具有连续、稳定、定量的优势。

2.2 能见度与器测能见度的统计关系

从能见度与器测能见度散点图中(图 2)可以分析出：(1)两种观测数据的正相关是明显的，相关系数：R=0.8190，通过了相关性检验。(2)两种观测存在明显差异，各点较分散。(3)能见度、器测能见度观测的目标是一个，理想情况下应趋于一“理想线”(图 2中对角线)。而实际各点趋势线为图中的曲线。说明器测能见度有系统差异。(4)能见度较小时，各点集中于“理想线”下方，器测能见度值大于能见度值；能见度较大时，各点集中于“理想线”上方，器测能见度值小于能见度值。从趋势线与“理想线”的相交也可以分析出这一特点。说明了以目前业务中使用的能见度为标准，器测能见度观测是“不准确的”，在能见度较小时(小于2000m)，器测能见度观测值偏高；相反，在能见度较大时(大于2000m)，器测能见度观测值偏低。器测能见度要应用到业务工作中需要进行订正(修正)或重新划定其对不同沙尘天气的分级标准。

2.3 沙尘暴的分级标准

重点讨论，在现有沙尘暴的分级标准基础上，确定不同沙尘天气(扬沙、沙尘暴、强沙尘暴)对应的PM₁₀浓度、器测能见度的等级划分，使新的沙尘暴监测资料能够应用在预报业务中，为进一步定量预报沙尘天气打好基础。

应用器测数据与业务沙尘天气分级标准进行统计和对比分析，得出PM₁₀沙尘天气分级统计结果(表 1)、器测能见度沙尘天气分级统计结果(表 2)。根据统计结果可以确定：

不同沙尘天气PM₁₀沙尘天气分级：

强沙尘暴：PM₁₀≥7000μg·m^-3

沙尘暴：4000μg·m^-3≤PM₁₀＜7000μg·m^-3

扬沙浮尘：600μg·m^-3≤PM₁₀＜4000μg·m^-3

不同沙尘天气器测能见度的等级划分：

强沙尘暴：器测能见度值≤1000m

沙尘暴：1000m＜器测能见度值≤1800m

扬沙浮尘：1800m＜器测能见度值≤7000m

3 沙尘暴的定量预报

目前的业务中，沙尘暴天气预报还是以主观预报为主，仅有沙尘暴模式输出一些沙尘浓度预报产品指导业务，真正意义的沙尘暴定量预报还没有开展。应用先进仪器对沙尘暴天气进行全面、连续、定量观测，为定量分析、预报沙尘暴天气打下基础。基于上述的定量分级标准，尝试应用中尺度数值预报模式输出量，根据沙尘暴形成的基本原理和条件，构造预报因子，建立预报方程，对器测能见度和PM₁₀进行业务预报，并进行业务检验。

3.1 沙尘暴成因的定量分析

我国北方的沙尘暴天气主要是受蒙古冷涡、强冷锋系统影响形成的。强冷空气南下，斜压大气中的温度平流和涡度平流的输送有利与蒙古冷涡和强冷锋系统的强烈发展，伴随着地面温、压、风等气象要事的剧烈变化，产生强沙尘暴天气。对选取的10次较强沙尘暴天气过程进行动力、热力诊断分析表明，存在着几点共同的定量特征。

3.1.1 沙尘暴发生区域都对应着对流层低层的大风急流区，以西风和西北风为主

蒙古冷涡和强冷锋系统的强烈发展，在对流层低层产生大风急流区，是沙尘暴形成的动力条件。2007年3月30日14时，内蒙古中西部地区发生沙尘暴天气，从WRF模拟该时刻的10m风速预报图(图 3a)可以看到沙尘暴发生区都在10m风速大于12m·s^-1的大风急流区中。从10次沙尘过程PM₁₀与10m风速散点图(图 3b)中可以看到PM₁₀大值区(沙尘暴天气)对应的10m风速集中在较大的风速区中。

3.1.2 沙尘暴发生区非常干燥，其相对湿度在40%以下

值得注意的是在分析相对湿度特征时，上述的大风急流配合一支干舌，“干急流”特征明显。从2007年3月30日14时WRF模拟的2m相对湿度预报图(图 4a)可以看到沙尘暴发生区都在2m相对湿度小于40%的“干急流”区域中。从10次沙尘过程PM₁₀与2m相对湿度散点图(图 4b)中可以看到PM₁₀大值区(沙尘暴天气)对应的2m相对湿度集中在较小值的区域中。

3.1.3 沙尘暴发生在850hPa与700hPa温度差的高值区中

沙尘暴的发生需要不稳定条件，850hPa与700hPa温度差可以反映出层结的不稳定性，从2007年3月30日14时WRF模拟的850hPa与700hPa温度差预报图(图 5a)可以看到沙尘暴发生区都在850hPa与700hPa温度差大值区域中。从10次沙尘过程PM₁₀与850hPa与700hPa温度差散点图(图 5b)中可以看到PM₁₀大值区(沙尘暴天气)对应的850hPa与700hPa温度差集中在较大值的区域中。

3.1.4 沙尘暴发生在摩擦速度UST的高值区中

摩擦速度UST反映了大气对地表的作用力，从2007年3月30日14时WRF模拟的摩擦速度UST预报图(图 6)可以看到沙尘暴发生区都在摩擦速度UST大值区域中。

3.2 沙尘暴预报因子

沙尘天气与对流层低层的大风急流、干燥区、850hPa与700hPa温度差(层结的不稳定)都有很好的定量关系，其中大风急流条件是关键，起决定作用，没有大风条件，干燥区和不稳定区中并不能发生沙尘天气。在具备大风的条件下，干燥区和不稳定区才会起重要作用。因此，干燥条件和不稳定条件单独作为预报因子是不合适的，综合考虑这3个条件，建立了沙尘综合指数：

$ \begin{array}{l} {X_1} = {V_{10}} \cdot \left[ {1 + \frac{{\left( {{T_{850}} - {T_{700}}} \right) - a}}{b}} \right] \cdot \\ \;\;\;\;\;\;\;\left[ {1 + \frac{{1 - R{H_{2{\rm{m}}}}}}{c}} \right] \end{array} $

式中X₁为沙尘综合指数，V₁₀为10m的全风速(单位：m·s^-1)，T₈₅₀-T₇₀₀为850hPa与700hPa温度差(单位：℃)，RH_2m为2m相对湿度，a、b、c为经验系数(a=5.0；b=20.0；c=4.0)。指数综合考虑了沙尘暴天气发生时，低层配合一支干急流的特征，同时考虑了层结不稳定条件。另外选取了850hPa全风速作为对流层低层的动力因子；摩擦速度项UST作为沙尘暴起沙条件因子。

3.3 沙尘暴预报方程

应用10次沙尘天气过程的观测资料、WRF中尺度模式输出产品，计算上述沙尘暴预报因子，建立统计样本序列。应用统计方法建立器测能见度和PM₁₀的PP定量预报方程。

PM₁₀=-4310.913+474.253X₁+62.666X₂+619.908X₃

r²=0.674

VIS=10741.74-182.63X₁-89.437X₂-3675.54X₃

r²=0.638

方程中：X₁：沙尘综合指数；X₂：850hPa全风速；X₃：摩擦速度；r：相关系数

3.4 预报效果检验

2008年5月28日11时至夜间，内蒙古自治区中西部地区出现扬沙和沙尘暴天气过程。此次沙尘天气过程发生时间晚(在5月底)、强度大、影响范围广、是往年少见的。对此次沙尘天气过程，定量预报方法作出了较好的预报，对比2008年5月27日20时24小时PM₁₀(见图 7)、器测能见度(图略)预报与2008年5月28日20时实况可以看出：总体来说预报是成功的，准确地报出了锡林郭勒盟西部、乌兰察布市北部、鄂尔多斯市北部的沙尘暴区，扬沙区域也预报准确。但对呼和浩特市的预报偏弱，将沙尘暴报为扬沙。

4 小结

(1) 统计分析表明，沙尘天气的仪器观测数据与目前常规业务应用的沙尘天气观测数据，相关关系显著，都可以通过显著性检验。同时可以得出器测数据具有连续、稳定、定量优势的结论，有很好的业务应用前景。

(2) 仪器能见度存在系统误差，在能见度较小时(小于2000m)，器测能见度观测值偏高；相反，在能见度较大时(大于2000m)，器测能见度观测值偏低。因此，器测能见度在业务应用中需要进行订正(修正)。

(3) 确定了对不同沙尘天气，器测能见度的等级划分。强沙尘暴：器测能见度值≤1000m；沙尘暴：1000m＜器测能见度值≤1800m；扬沙浮尘：1800m＜器测能见度值≤7000m。

(4) 确定了对不同沙尘天气，PM₁₀的等级划分。强沙尘暴，PM₁₀≥7000μg·m^-3；沙尘暴，4000μg·m^-3≤PM₁₀＜7000μg·m^-3；扬沙浮尘，600μg·m^-3≤PM₁₀＜4000μg·m^-3。

(5) 对10次沙尘天气诊断分析表明，10m大风急流、2m相对湿度干燥区、850hPa与700hPa温度差、与沙尘区有很好的定量关系，三者综合建立的“沙尘综合指数”作为预报因子效果更好。

(6) 在确定不同沙尘天气仪器观测数据等级划分基础上，开展沙尘天气仪器观测数据的业务应用是切实可行的。建立的沙尘器测数据定量预报方法在业务实践中取得了很好的效果，是沙尘天气定量预报的有益尝试。