引 言

沙尘暴是一种发生在干旱、半干旱地区危害严重的灾害性天气，其对工农业生产、交通运输、人民财产和身体健康等方面危害严重。每年春季我国西北地区在特定的气候背景和天气形势下，受冷锋造成的强风作用，土壤中大量尘粒被卷入空中而导致沙尘暴的爆发。正是由于沙尘暴灾害的严重性和频发性，越来越受到科学家和全社会的广泛关注，学者们从观测分析研究(张强等，2004；岳平等，2008a；2008b)、天气气候特征统计分析(Gamo，1996；叶笃正等，2000；周秀骥等，2002；钱正安等，2002；尹晓惠，2009)、成因分析与预报技术(胡隐樵等，1996a；孙永刚等，2009；张金艳等，2010；贺哲，2012)、数值模拟与远程传输(王介民等，1990；左洪超等，1992；张亚妮等，2013；姜学恭等，2014)、沙尘暴期间高空、地面气象要素变化特征分析(胡隐樵等，1996b；胡泽勇等，2002)、沙尘粒子的物理化学特性(王伏村等，2012)、生态环境和气候效应以及辐射强迫(胡隐樵等，1990；张霭琛等，1994)等领域开展了深入研究。

大气层结条件是沙尘暴形成的重要影响因素之一。Carlson等(1972)对撒哈拉地区沙尘暴过程的研究发现，在沙尘暴传输过程中，沙尘层(850~500 hPa)维持一等熵混合层。Pauley等(1996)研究影响美国加州的强沙尘暴过程中也发现在强沙尘暴出现前形成了等熵混合层。Takemi(1999)在研究“9355”黑风暴过程中发现，在黑风暴出现之前，地面加热导致对流层低层形成了深厚的混合层，由于混合层明显减小了抬升气块所需的能量，使得冷锋前地面辐合触发了强干对流和黑风暴。王式功等(1995)对西北地区强沙尘暴过程的研究发现，在强沙尘暴出现之前往往在大气低层形成不稳定层结，为旺盛干对流的产生创造了有利条件。钱正安等(2004)给出的强沙尘暴天气模型把不稳定层结作为一个重要特征。姜学恭等(2006)对内蒙古地区两种不同类型沙尘暴过程的大气层结特征进行了对比分析表明，沙尘气溶胶的辐射强迫效应同时消弱白天的层结不稳定度和夜间的层结稳定度。孙永刚等(2011)对内蒙古一次强沙尘暴过程综合观测分析表明，混合层可能是沙尘暴干对流能量释放的一个平衡态，对流层中低层冷平流的强度、位置和层次，一定程度上影响着混合层的厚度和沙尘暴的强度。因此，沙尘暴发生时深厚混合层形成的原因和条件是什么？在沙尘暴预报中是否可以对沙尘扬起高度进行定量预报？很有必要进行深入的研究。

本文针对沙尘暴天气的大气层结问题，选取了内蒙古强沙尘暴天气过程、大风天气过程(以大风为主部分地区伴有扬沙天气)若干次进行对比分析。对强沙尘暴过程中温度平流对大气层结的影响，混合层形成的原因和条件进行分析，希望揭示内蒙古高原上在同样的大风天气中，为什么有时形成强沙尘暴而有时不会出现明显的沙尘天气，为沙尘暴落区预报提高技术支撑和指标依据。

1 沙尘暴与大风天气中温度平流分布差异

沙尘暴天气是强冷空气活动造成的，在沙尘暴天气过程中温度平流不仅存在并具有明显的分布特征，统计分析结果表明，600 hPa强冷平流中心控制区与沙尘暴发生区域关系密切。强冷空气活动通常会形成大风、沙尘暴天气，但是两者并非一定同时发生，有时会出现以大风为主的天气，局部地区可能伴有扬沙天气，春季也是如此。为什么同样的大风天气，有时出现沙尘暴而有时没有沙尘暴？我们从温度平流分布的角度对两种天气进行对比分析。2005年4月19日14—20时内蒙古中部地区出现大风，部分地区伴有扬沙天气，强冷平流中心在较低的850 hPa层，冷平流强度较强，中心达到-40×10^-3 ℃·s^-1，700 hPa以上各层次冷平流明显偏弱，中心只有-20×10^-3 ℃·s^-1左右。2010年3月19日沙尘暴天气中强冷平流中心位于较高的600 hPa层次。

为了更清楚地分析大风、沙尘暴天气中温度平流的垂直分布特征，我们对温度平流场制作过冷平流中心的经向和纬向剖面图(图 1)。在沙尘暴天气中，冷平流中心强度达到-50×10^-3 ℃·s^-1，中心位于660 hPa的较高位置，冷平流中心及其前部与近地层之间等值线密集，表明其存在较大的温度平流差异，最大温度平流差达到20×10^-3 ℃·s^-1，温度平流差异大值区域可达5~10经纬度。大风天气中，冷平流中心强度较强，但中心位于850 hPa以下的较低位置，冷平流中心基本位于近地层，与近地层之间没有明显的温度平流差异。可见，大风、沙尘暴两类天气温度平流的垂直分布特征差异明显。

普查了19730401、19740423、19760420、19790411、19800418、20010406、20020406、20060309、20100319共9次典型强沙尘暴天气过程和20030410、20040504、20050413、20070503、20100403共5次大风(无沙尘暴)天气过程，强冷平流中心垂直分布见表 1。9次强沙尘暴天气过程，强冷平流中心都位于700 hPa以上的较高位置，5次大风天气过程，强冷平流中心都位于850 hPa以下的较低位置。可见这样特征具有普遍性，对沙尘暴预报意义重大。

2 温度平流垂直分布差异对大气层结的影响 2.1 大气层结稳定度

大气层结稳定性是沙尘暴形成的重要因素，是沙尘暴预报的关键。相关研究表明，边界层内形成深厚的混合层，其厚度有时可达到500 hPa等压面高度，深厚的混合层是深厚干对流和强沙尘暴产生的主要原因。但在预报中我们常常会发现沙尘暴天气发生前并没有深厚的混合层形成，更多的深厚混合层是与沙尘暴天气同时发生的。在沙尘暴天气中，温度平流垂直分布差异直接影响大气层结稳定性，对流层700~500 hPa强冷平流中心的作用，其下层至近地层冷平流明显要弱得多。正是由于高低层这种温度平流差异，使得垂直气温直减率加大并保持这一趋势，形成沙尘暴发生的不稳定层结条件。在低层扰动的触发下形成干对流风暴，产生沙尘暴天气，能量交换不稳定能量释放，使该层大气趋于中性层结即混合层，混合层是能量交换的一个平衡态。因此，700~500 hPa较高的强冷平流中心与其下层的温度平流差异是形成干对流沙尘暴和深厚混合层的根本原因。

从2010年3月19日20时强冷平流中心高度与形成的沙尘暴混合层厚度对比分析(图 2)，可见，强冷平流中心高度为650 hPa，其形成的不稳定层结在650 hPa以下层，但在能量释放后形成较强干对流，在惯性作用下，其可以突破650 hPa达到500 hPa，在500 hPa以下形成混合层，强冷平流中心高度越高，混合层越深厚。因此，通过强冷平流中心高度可以对混合层厚度做出基本的判断和预报。

2.2 温度垂直廓线

为了进一步说明其影响，对比2010年3月19日沙尘暴与2010年4月3日大风天气过程代表站的温度垂直廓线。从2010年4月3日大风中心代表站二连浩特(53068站)(图 3a和3b)温度垂直廓线可见，08时大风前，850 hPa以下存在明显逆温层，地面温度较低，露点线与温度线距离大，整层干燥。20时大风后，混合层较低达到730 hPa，整层保持干燥。相比2010年3月19日沙尘暴中心代表站乌拉特中旗(53336站)(图 3c和3d), 08时沙尘暴前，没有逆温层，地面温度较高，低层干燥。20时大风后，混合层深厚，达到500 hPa，低层保持干燥。可见，两者主要差别在于，沙尘暴天气发生前地面温度较高，逆温层弱，在较高的冷平流中心作用下，形成了深厚的混合层，是形成沙尘暴的主要原因。而大风天气发生前地面温度较低，有明显的逆温层，冷平流中心较低，不利于形成深厚的混合层，形成大风天气但不利于沙尘在混合层中扬起。

2.3 垂直运动

比较强冷平流中心位置的高低对两类天气发生时的垂直运动的影响可见，2010年4月3日14时大风天气过程中，大风区(104°~115°E)以下沉气流为主，中心强度达60×10^-2 Pa·s^-1，上升运动很弱且在800 hPa层以下，不利于沙尘扬起(图 4a)。2010年3月19日14时沙尘暴天气过程中，沙尘暴区域(102°~112°E)同样以下沉气流为主，中心强度达80×10^-2 Pa·s^-1以上，但是在下沉区中存在一支较强的上升运动气流，中心强度达-20×10^-2 Pa·s^-1以上，达到700 hPa层以上且与上层的上升运动区打通，在下沉气流背景中这支深厚的上升气流有利于沙尘的扬起(图 4b)。

3 沙尘扬起高度及落区分析

沙尘暴天气中沙尘扬起的高度就是混合层高度，通过探空曲线通常可以分析出混合层顶的逆温层存在，这是扬起的沙尘顶层受太阳辐射作用升温所致，沙尘可以受系统上升气流携带达到更高的平流层，但其浓度要小很多。对强沙尘暴天气统计表明，内蒙古高原上强沙尘暴的混合层厚度达到600 hPa以上，其东南下通常可以影响到我国江南沿海地区。即中心值达到-45×10^-3 ℃·s^-1以上的强冷平流中心位置达到700 hPa以上，就可以形成强沙尘暴并能够影响到我国江南沿海地区。

沙尘暴落区的预报指标是700 hPa强度达到-30×10^-3 ℃·s^-1以上的强冷平流影响地区，强冷平流中心与近地层冷平流差达到-15×10^-3 ℃·s^-1以上，可以确定为沙尘暴发生区域。以上两个指标达到-45×10^-3和-25×10^-3 ℃·s^-1以上时，影响区域可以确定为强沙尘暴发生区域。该预报指标在内蒙古沙尘暴预报中应用效果很好，当然，沙尘暴预报还要综合考虑地面积雪等其他因素。

4 结 论

(1) 沙尘暴、大风天气都有较强的冷平流活动，通常中心强度达到-40×10^-3 ℃·s^-1以上，但强冷平流的垂直分布明显不同。沙尘暴天气强冷平流中心位于较高的700~600 hPa层次，大风天气强冷平流中心位于较低的850 hPa以下层次。强冷平流中心位置高低，对层结稳定度、温度垂直廓线、垂直运动的分布产生影响，对产生沙尘暴和大风天气起到重要作用。

(2) 沙尘暴天气强冷平流中心位于较高的700~600 hPa层次，其与近地层弱冷平流叠加，形成高低层温度平流差异，使得垂直气温直减率加大并保持这一趋势，形成有利于沙尘暴发生的深厚不稳定层结条件，在低层扰动的触发下形成干对流风暴，能量交换不稳定能量释放，使该层大气趋于中性层结即混合层，混合层是能量交换的一个平衡态。

(3) 沙尘暴扬起的高度就是混合层厚度，比强冷平流中心位置高出150 hPa左右，中心强度达到-45×10^-3 ℃·s^-1强冷平流中心在700~600 hPa层次时，混合层厚度可达到500 hPa以上层次，这一强度的沙尘暴天气可以影响到我国江南沿海地区。

(4) 沙尘暴强度的预报指标当700 hPa强冷平流中心强度达到-30×10^-3 ℃·s^-1以上，强冷平流中心与近地层冷平流差达到-15×10^-3 ℃·s^-1以上时，影响地区可形成沙尘暴天气；当以上两个指标分别达到-45×10^-3和-25×10^-3 ℃·s^-1以上时，可形成强沙尘暴天气。