2019, Vol. 45 
2. 甘肃省武威市气象局, 武威 733000；
3. 甘省民勤县气象局, 民勤 733399
2. Wuwei Meteorological Office of Gansu Province, Wuwei 733000;
3. Minqin Meteorological Station of Gansu Province, Minqin 733399
河西走廊东部地处干旱、半干旱的内陆地区,境内北面为巴丹吉林沙漠包围，东面为腾格里沙漠环绕(图 1)，民勤地面96%为沙漠和戈壁，地表植被覆盖不足10%，这为沙尘暴提供了丰富的沙源(王式功等，2000)。常年受西风带天气系统影响，冷锋过境常形成大风天气，同时南边为祁连山脉，北部为蒙古高原，境内地势平坦(图 1)，冷空气在东移南下过程中，受河西走廊狭管效应的地形影响，风速增大，为沙尘暴的形成提供了动力条件(赵明瑞等，2012；李岩瑛等，2002)。尤其冬季地表植被覆盖差、土壤疏松，冷空气活动频繁, 是沙尘暴的次高发季节(刘洪兰等，2014)。
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图 1 河西走廊东部地形及冬季沙尘暴日数 (虚线：海拔高度，单位：m；实线：1971—2015年冬季沙尘暴平均日数，单位：d) Fig. 1 Terrain and winter sandstorm days in eastern Hexi Corridor (dashed line: altitude, unit: m; solid line: average days of winter dust storms in 1971-2015, unit: d) |
我国至今有关沙尘暴事件的个例分析和天气动力过程、沉降机制、沙尘源地的研究，多以春季或春夏时节的沙尘暴为例(高文康等，2014；余予等，2014；刘庆阳等，2014；王旗等，2011)，并且冬季是中国西北地区沙尘暴天气发生的最强烈时期(韩兰英等，2012)，但目前对于河西走廊东部冬季的沙尘暴研究较少(李岩瑛等，2004a；2004b)。冬季受冷高压控制大气层结稳定，难以形成沙尘暴天气，沙尘暴局地性强，区域性沙尘暴少，不具有春季沙尘暴天气的典型性与特点，在业务工作中容易错报、漏报。文中以1971—2015年河西走廊东部冬季沙尘暴为背景，重点选取2016年11月9—10日、18日发生在武威市的大风沙尘暴过程进行个例分析和诊断，由于这两次过程为近10年来河西走廊东部冬季发生强度最强的沙尘暴，其大风日数也最多(与2012年持平，为5d)，前期干旱少雨，气温异常偏高，在天气形势和气候背景上具有代表性，故从气候背景、天气学条件和物理量诊断等深入研究，以期得到冬季大风沙尘暴天气的发生规律和特点，提高冬季大风沙尘暴的预报能力。研究表明西北地区有3个沙尘暴高频区(钱正安等，1997)，其中一处在甘肃河西走廊及宁夏黄河灌区一带，中心在民勤地区，达15次，平均3年一遇(牛生杰等，2000)，所以河西走廊东部为沙尘暴预警和防御的关键区。由1971—2015年冬季沙暴平均日数(图 1)可见，民勤和凉州为河西走廊东部沙暴天气多发区，故选取凉州、民勤为代表站做深入研究。
1 2016年冬季两次沙尘暴个例对比分析 1.1 天气实况2016年11月9—10日民勤县出现大风沙尘暴，平均最大风速达11.7 m·s-1, 瞬间最大风速21.4 m·s-1(9级)，最小能见度为278 m。11月18日凉州区又出现沙尘暴，平均最大风速为5.9 m·s-1, 瞬间最大风速12.8 m·s-1，最小能见度为324m；而民勤只出现大风，平均最大风速为11.2 m·s-1，瞬间最大风速19.1 m·s-1(8级)。
1.2 前期气候状况河西走廊东部冬季11月至次年2月年均降水量不足10 mm，占全年降水量的2%~5%，≥0.1 mm降水日数不足8 d, 气温在-5~-3℃，属于极端干旱区。受2016年超强厄尔尼诺事件及其结束后期的影响，冬季以来新疆高压偏强，暖区位置偏北，武威市大部分时间处在暖脊控制下，影响河西走廊东部的冷空气次数少、强度弱，气温异常偏高，降雪过程少。2016年11月上旬平均温度为5.8℃，较历年平均温度高出2.4℃，11月中旬平均温度为5.4℃，较历年平均温度高出4.8℃，破自1951年建站以来的历史极值。10月27日至11月9日，民勤无降水，10月27日至11月18日凉州仅有0.2 mm的降水。高温少雨的气候条件，加剧了下垫面的沙尘化，土质疏松、地表干、土层增厚，为沙尘暴提供了较丰富的物质基础，导致武威市11月沙尘暴天气多发。一般沙漠地区的表面沙粒已经过沙尘暴天气无数次的筛刷，能够被大气动力过程远距离输送的沙粒并不多，干旱导致的荒漠化地带细沙尘丰富，是沙尘天气能够实现起沙的主要源地(张强和王胜，2005)。
1.3 环流特征 1.3.1 500 hPa冷锋和700 hPa强冷平流输送通过对比分析11月9—10日和18日两次大风沙尘暴的高空形势图发现(图 2)，两次过程的主要影响系统都是冷锋，伴随高空锋区东移南压的过程中，700 hPa温度槽滞后于高度槽，温度梯度大，河西走廊的冷平流输送特别强，同时由于地面热低压的存在，延缓了锋面的移动，在河西走廊一带形成了强的气压梯度区，是引发沙尘暴的关键。8日08时500 hPa亚欧大陆为两槽一脊型，巴尔喀什湖以北为一冷槽，贝加尔湖处为一暖脊，伴随高空锋区东移南压，8日20时，在55°~65°N、80°~90°E处形成一冷涡，冷中心为-41℃。9日08时，高空锋区加强，继续东移南压，等温线与等压线交角变大，冷平流增强。9日20时，温度槽东移南压至河西走廊中部，冷空气爆发，引发了该地的大风沙尘暴天气。
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图 2 2016年11月9日20时(a，b)和18日08时(c，d)的500 hPa(a，c)及700 hPa(b，d)高空环流形势场 Fig. 2 Upper-air circulation fields at 500 hPa (a, c) and 700 hPa (b, d) at 20:00 BT 9 November (a, b), and 08:00 BT 18 November (c, d) 2016 |
系统性锋面是造成这两次沙尘暴过程的直接原因。在9日20时沙尘暴过程中，蒙古地区有热低压形成，热低压的存在延缓了地面冷高压的移动，在河西走廊形成了强的气压梯度区。9日08时地面冷高压位于新疆北部，中心气压值为1044 hPa，热低压位于蒙古地区中部，中心强度为1023 hPa。14时位于新疆东部冷高压东移至青海甘肃境内，蒙古热低压加强略东移，地面强气压梯度区位于河西走廊西部，玉门、鼎新等地出现大风扬沙天气。17时锋面东移至河西走廊东部，酒泉、张掖等地出现大风扬沙天气。20时(图 3a)地面冷高压东移并加强，中心值为1038 hPa，3 h变压差最大值为5.6 hPa，大风的风速及其范围、沙尘的强度及其范围进一步加大, 民勤出现沙尘暴天气。18日08时(图 3b)锋面在河西走廊中西部，3 h变压最大值为6.6 hPa。18日10:18凉州爆发了沙尘暴天气。9日18日的沙尘暴天气均出现在地面冷锋后部、冷高压前部、3 h变压最大的地区。
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图 3 2016年11月9日20时(a)和18日08时(b)地面气压场(实线，单位：hPa)、3 h变压及锋线 Fig. 3 Surface pressure field (solid line, unit: hPa), 3 h transformer and front line at 20:00 BT 9 November (a) and 08:00 BT 18 November (b) 2016 |
垂直速度是天气分析和预报中必须考虑的一个重要物理量，垂直运动造成的水汽、热量、动量、涡度等物理量的垂直输送对天气系统发展有很大影响(刘景涛等，2004)。2016年11月9—10日，民勤上空的垂直速度有一个明显的增大过程(图 4a)，从低层到高层为一致的上升运动，最大上升中心位于500 hPa，中心值达-34×10-5 Pa·s-1。11月18日凉州400 hPa以下、250 hPa以上为上升运动，250~400 hPa为下沉运动，最大上升中心位于700 hPa，中心值为-10×10-5 Pa·s-1。与9—10日沙尘暴过程不同，18日的沙尘暴爆发于低层上升运动，中上层为下沉运动，垂直速度较9日明显减弱(图 4b)。故9日沙尘暴的沙源一部分是由强上升运动使本地裸露地表的沙尘扬起所造成，而18日沙尘暴的沙源大部分来自于上游地区沙尘，本地沙尘的影响较小。
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图 4 2016年11月9—10日(a，38.63°N、103.08°E)和18日(b，37.92°N、102.67°E)垂直速度的高度-时间演变(单位: 10-5 Pa·s-1) Fig. 4 The height-time evolution of vertical velocity 9 to 10 November (a; 38.63°N, 103.08°E) and 18 November (b; 37.92°N, 102.67°E) 2016 (unit: 10-5 Pa·s-1) |
应用2006—2016年民勤逐日07和19时每隔10 m高空加密资料，深入分析两次沙暴过程的近地层气温、风速和湿度特征。民勤秋、冬季逆温层厚度厚，日变化中19时较07时逆温层厚度显著变薄，逆温强度减弱，逆温层高度升高。如2016年11月07时逆温层厚度为350 m，平均逆温强度达到0.12 ℃·m-1，最大逆温强度所在平均高度为352 m；19时逆温层厚度为170 m，平均逆温强度为0.08 ℃·m-1，最大逆温强度所在平均高度达624 m。9日07时逆温层厚度为290 m，最大逆温层强度达0.05 ℃·m-1，最强逆温层所在高度为70 m；19时逆温层厚度仅为20 m, 最大逆温层强度较弱为0.01 ℃·m-1，最强逆温层所在高度较高达1570 m，大气层结不稳定，有利于沙尘暴天气的发生。18日07时，沙尘暴天气发生前逆温层厚度较厚为320 m，最大逆温层强度较强为0.21 ℃·m-1，最强逆温层所在高度为100 m，18日沙尘暴天气发生于10:18，大气层结较9日沙尘暴天气发生时稳定，故18日沙尘暴强度比9日弱。对比9日与18日的逆温层变化来看，傍晚的逆温层比早晨的逆温层厚度薄，最大逆温强度弱，最强逆温层所在高度高，大气层结比早晨的更加不稳定，所以锋面在傍晚过境时，更有利于沙尘暴天气的发生(魏倩等，2018)。
两次过程中高低空急流差别不大：如9日20时200、500和700 hPa急流分别为50、44和20 m·s-1，18日08时则分别为54、38和20 m·s-1。近一步分析两次沙尘暴过程发生前后民勤近地面至3 km气象要素变化(图 5)：9日2355 m以下沙尘暴天气发生前(07时)的风速远小于沙尘暴发生临近时(19时)，19时1555 m处风速最大达32 m·s-1。18日655 m以下沙尘暴天气发生临近前(07时)风速大于沙尘暴天气发生后(19时)，07时近地面层风速最大为17 m·s-1。强风力条件为沙尘暴天气的发生提供了好的动力条件。9日255 m以下沙尘暴天气发生临近时(19时)温度露点差大于沙尘暴天气发生前(07时)；18日3000 m以下沙尘暴天气发生临近前(07时)温度露点差远大于沙尘暴天气发生后(19时)，沙尘暴天气发生时，近地面层温度露点差大，空气干燥，有利于沙尘暴天气发生。9日19时近地面2000 m以下风速远大于18日近地面风速，因而沙尘暴强度较18日强，近地层风速是影响沙尘暴天气强弱的最主要因素。
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图 5 2016年11月9日和18日07和19时民勤近地面层(3 km以下)每隔100 m的风速(a)和温度露点差(b)垂直廓线 Fig. 5 Vertical profile of wind speed (a) and T-Td (b) at intervals of 100 m in the near surface layer (below 3 km) of Minqin at 07:00 BT and 19:00 BT 9 and 18 November 2016 |
两次沙尘暴都发生在高温少雨的典型气候条件下，具有相同的天气环流形势，但物理量场、边界层特征，以及气象要素等存在差异(表 1)，表明冬季大风沙尘暴天气发生的原因除与前期气候条件、大型冷暖空气强度及环流形势有关外，主要还与近地层空气热力稳定性的日变化有关(毛东雷等，2018)。河西走廊东部戈壁沙漠广为分布，由于沙漠戈壁受热快散热也快，气温日较差特别大，使风速日变化比其他地方更为突出。白天尤其是午后，下垫面迅速升温。当高空有西风急流扰动时，午后的增温导致大气高低空层结不稳定，易使动量下传作用加强，导致午后风速加大。到了夜间至清晨，沙漠戈壁迅速散热，近地层空气变冷的同时形成很厚的逆温层，大气层结稳定，风速减小，即使很强的冷空气过境也很少形成强度大破坏性强的大风沙尘暴天气(刘景涛等，2004)。
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表 1 两次沙尘暴过程气象要素对比 Table 1 Comparison of meteorological elements in two sandstorm processes |
民勤西北东三面被沙漠包围，大风多，其下垫面和气候背景有利于沙尘暴形成，是河西东部沙尘暴出现最多、灾情最重的地方，故选取民勤为代表站进行分析。民勤冬季沙尘暴偏多年与偏少年的气温距平、降水距平、冷空气活动日数，以及大风日数表明(表 2)：在比较寒冷的气候背景下冷空气的活动频繁，容易具备足以扬起沙尘的强风力条件(张德二和陆风，1999)，在沙尘暴偏多年(1971、1978、1979、1982年)，冬季气温偏低，大风日数较多，所以气候冷时段的沙尘暴日数多于暖时段。而无沙尘暴年(偏少年；1991、1995、2011、2013、2014年)，气温较高，大风日数较少。由于全球气候变暖使冷空气强度减弱、频次减少，使大风日数减少(赵宗慈等，2016；丁荣等，2006)，沙尘暴呈较少趋势。统计民勤1971—2016年逐年冬季沙尘暴日数与大风日数、气温距平、地气温差和降水距平之间的相关得出：民勤地区冬季沙尘暴日数的变化与大风日数存在显著的正相关，建立沙尘暴日数(y)与大风日数(x)的逐步回归预报方程如下：y=-0.268+1.095x。通过预报方程可知，大风与沙尘暴有很好的相关性，相关系数为0.76，冬季沙尘暴日数与同期气温距平存在显著负相关，相关系数为-0.5，均通过了0.01的显著性水平检验；说明大风对沙尘暴天气的发生起主导作用，并且气温偏低的年份，沙尘暴天气发生频率高。沙尘暴出现日数还与地气温差呈正相关，相关系数为0.32，通过0.05显著性水平检验，这说明地气温差越大，大气层结越不稳定，更加有利于沙尘暴天气的发生。进一步分析沙尘暴日数与降水距平无明显相关，相关系数仅为0.06。民勤冬季降水稀少，11月至次年2月平均总降水量不足5 mm，地面96%为沙漠和戈壁，地表植被覆盖率不足10%，这为沙尘暴提供了丰富的沙源，所以只要有大风天气就有出现沙尘暴的可能。2016年冬季大风日数较多，故沙尘暴发生次数呈增多趋势。
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表 2 民勤沙尘暴极端年的气候特征 Table 2 Climatic characteristics in sandstorm extreme years in Minqin |
由近45年冬季沙尘暴统计得出：民勤在1971、1977、1978、1979和1982年冬季出现沙尘暴日数最多，均超过12 d，而1991、1995、2011、2013和2014年冬季都没有出现沙尘暴天气。研究使用NCEP月平均资料，对上述沙尘暴偏多年、偏少年分别沿民勤(39°N、103°E)做从地面至300 hPa的经向5年平均，得出民勤(30°~45°N)的冬季平均温度平流、垂直速度和风场垂直剖面，从而更深入地分析沙尘暴的成因机制。
2.2.1 温度平流从沙尘暴冬季平均温度平流剖面来看(图 6)，偏多年450~650 hPa为强冷平流，冷中心在600 hPa，冷中心强度为-1×10-5 ℃·s-1；650~850 hPa为强暖平流，暖中心强度大于1×10-5 ℃·s-1，位于850 hPa。沙尘暴偏多年冬季对流层为上冷下暖的不稳定层结结构。而沙尘暴偏少年750 hPa以上为强的冷平流，冷中心强度为-1.5×10-5 ℃·s-1，位于600 hPa；近地面层为弱的暖平流，850 hPa暖平流强度仅为0.5×10-5 ℃·s-1。沙尘暴偏少年冬季对流层以冷平流为主，层结较为稳定。
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图 6 经过民勤(沿103°E)冬季沙尘暴偏多年(a)和偏少年(b)平均温度平流剖面(单位:10-5 ℃·s-1) Fig. 6 The winter average temperature advection profiles in more sandstorm years (a) and less sandstorm years (b) through Minqin (along 103°E) (unit: 10-5 ℃·s-1) |
从沙尘暴冬季平均垂直速度剖面来看(图 7)，偏多年300~850 hPa为一致的上升运动，近地面中心垂直速度在-7×10-5~-6×10-5 hPa·s-1。偏少年近地面中心垂直速度较小，为-5×10-5 hPa·s-1。沙尘暴偏多年近地面层的垂直上升运动比偏少年的强，存在将沙尘扬起的较好动力条件。
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图 7 同图 6，但为平均垂直速度(单位: 10-5 hPa·s-1) Fig. 7 Same as Fig. 6, but for average vertical velocity (unit: 10-5 hPa·s-1) |
从沙尘暴冬季平均风场剖面来看(图 8)，偏多年近地面风速较大在3~4 m·s-1, 偏少年近地面风速较小，小于2 m·s-1。沙尘暴偏多年冬季近地面风速较偏少年大，为沙尘暴天气的发生提供了强风力条件。
通过以上分析可得，沙尘暴偏多年冬季对流层中下层为上冷下暖的不稳定层结，地面至800 hPa存在强的上升运动，并且近地面层的风速较大，为沙尘暴的发生发展提供了较好的热力条件和动力条件。
3 近45年冬季沙尘暴时间变化特征1971—2015年冬季沙尘暴日数的年际变化曲线表明沙尘暴日数在波动中逐步减少，民勤减少幅度较大(图 9)。20世纪70年代沙尘暴出现次数最多，为沙尘暴天气的高发时期。由于气候转暖与大规模的生态治理, 80年代后沙尘暴发生次数明显减少。凉州、民勤的沙尘暴日数年际变化的线性趋势线方程分别为：y=-0.05x+102.02，y=-0.28x+567.86，其中y为沙尘暴日数，x为年份，线性趋势线方程的相关系数(R)分别为：0.62、0.76，R的绝对值越大，变量间的线性相关程度越高。
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图 9 1971—2015年河西东部2个代表站冬季沙尘暴日数的年际变化及其趋势 Fig. 9 Annual variations of the number of winter sandstorm days and its trend over two representative stations in eastern Hexi Corridor during 1971-2015 |
1971—2016年河西东部2个代表站各年代际年均沙尘暴日数表明(表 3)：2001—2010年2个代表站沙尘暴日数均少于20世纪70年代，并且前后差异十分明显。例如，凉州、民勤70年代平均年总沙尘暴日数分别为2和10.8 d，而2001—2010年分别减少为0和1.6 d。可见近45年河西地区的沙尘暴日数是以减少为主的，70年代是冬季沙尘暴天气的高发期。研究表明，近50年西北地区风速减小十分明显，可达每10年减小0.2 m·s-1，尤其冬季风速减小最为明显(周自江，2001)。平均大风风速和大风日数的减少，使近45年沙尘暴日数呈减少趋势，2011—2016年随着大风日数的增多，凉州区沙尘暴日数增大。
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表 3 1971—2016年河西东部2个代表站各年代际冬季平均沙尘暴、大风日数(单位：d) Table 3 Interannual averaged winter sandstorm and gale days over two representative stations in the eastern Hexi Corridor during 1971-2016 (unit:d) |
通过对2016年冬季两次沙尘暴个例的总结，以及民勤、凉州两站点冬季沙尘暴的气候态和成因分析，得到河西走廊东部冬季沙尘暴发生规律。
(1) 在较寒冷的气候背景下，冷空气活动频繁，大风日数多，冬季沙尘暴频发，随着全球气候变暖，使冷空气强度减弱、频次减少，使大风日数减少，沙尘暴呈较少趋势。
(2) 大风对沙尘暴天气的发生起主导作用，大风日数较多年沙尘暴发生频率高。2016年冬季河西走廊东部大风日数明显增多，沙尘暴天气频发。
(3) 对流层中下层有上冷下暖的不稳定层结，配合强的上升运动以及近地层大风有利于沙尘暴天气的爆发。2016年冬季两次沙尘暴个例均具备以上条件。
(4) 大型冷暖空气强度及环流形势为沙尘暴天气爆发的基础条件，边界层特征与物理量场为沙尘暴天气的增强条件。
(5) 沙尘暴强度与冷锋过境时间、日变化、近地层风速和干湿程度关系密切。夜间至早晨近地面逆温厚而强，大气层结稳定，削弱沙暴强度，而午后到傍晚，逆温薄而弱，大气层结不稳定性强，加强动量下传和风速，增强沙暴强度。近地层越干，风速越大，沙暴越强。
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