第八章 沙尘暴预报

第八章沙尘暴预报学习要点

本章介绍了影响我国的沙尘天气的统计特征和发生发展规律，重点介绍了沙尘暴天气监测、预报方法与预报思路。

沙尘暴天气是我国北方地区主要灾害性天气之一，当其形成之后，通过沙埋、狂风袭击、降温和污染大气等方式，使大片农田受到沙埋或被刮走沃土，农作物遭受霜冻之害，致使绝收或大幅度减产；它能加剧土地沙漠化，对大气环境造成严重污染，对生态环境造成巨大破坏，给人民生命财产造成严重损失。我国受到沙尘暴的危害严重，特别是西北地区的工矿、交通、新兴城镇及水利、电力、煤田和油气井等设施，均受风沙危害或威胁，一旦出现沙风暴或黑风暴，受害尤为严重。因此沙尘暴天气的预报服务是目前我们业务工作中十分重要的一项内容。8.1沙尘暴的时空分布特征8.1.1定义和标准沙尘暴是一种自然现象，是指强风把地面大量沙尘吹起，卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于1km的严重风沙天气现象。沙尘暴天气的标准是中国气象局2002年3月12日发布的《沙尘天气预警业务服务暂行规定》（气发[2002]43号文，自2002年3月20日起执行）。定义和标准如下：详情进入⑴沙尘暴定义和标准

沙尘暴：强风将地面尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1km的天气现象。

⑵沙尘暴过程的定义和标准

沙尘暴天气过程：在同一次天气过程中，我国天气预报区域内相邻3个或3个以上国家基本（准）站同时出现了沙尘暴天气。

⑶强沙尘暴的定义和标准

强沙尘暴：强风将地面尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于0.5km的天气现象。

⑷强沙尘暴过程的定义和标准

强沙尘暴天气过程：在同一次天气过程中，我国天气预报区域内相邻3个或3个以上国家基本（准）站同时出现了强沙尘暴天气。

⑸特强沙尘暴的定义和标准（为地方标准，暂未列入国家标准）

特强沙尘暴：强风将地面尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于0.05km的天气现象。隐藏8.1.2沙尘暴的空间分布特征根据国家气候中心制作的中国年沙尘暴日数图分析（图8.1），沙尘暴主要分布在我国北方地区，西北地区最为突出。多发区集中在南疆盆地及周围、塔里木盆地及周围、青藏高原西部、河西走廊－宁夏平原－陕北一线、内蒙古阿拉善高原、河套平原和鄂尔多斯高原。详情进入从图上可以看出两个沙尘暴高发中心，一个位于南疆盆地及附近地区，另外一个位于内蒙古西部及甘肃民勤（年平均在20次以上）。周自江(周自江，王锡稳等2002）通过对我国681个基本气象观测站，1954—2001年观测资料的统计分析，48年间，记有沙尘暴的站共469个，占68.9%。王式功等(王式功等2003）对沙尘天气易发区的降水和气温进行了统计分析，发现沙尘暴发生区年平均降水仅为198.5mm，按气候区划衡量，低于干旱区临界上限（200mm）。

隐藏8.1.3沙尘暴的时间分布特征根据国家气候中心制作的不同季节年平均沙尘暴平均日数图（图8.2）分析，春季是我国沙尘暴出现频率最高、范围最大的季节，多发区分布与全年的分布类似；其次为夏季，范围较春季缩小，高原西部的沙尘暴出现频率明显减少；详情进入秋、冬季节的沙尘暴出现频率和范围较小，冬季出现沙尘暴天气的中心位置在内蒙古中东部及甘肃民勤、青藏高原西部，而秋季多出现在内蒙古中东部及甘肃民勤、南疆和青藏高原西部地区。周自江等对北京、和田等6个代表站全年各月沙尘暴出现的次数进行了分析（图8.3），可以看出，沙尘暴全年的分布呈单峰型，主要集中在3—5月份，大部分地方的沙尘暴多出现在3—4月份，而和田的沙尘暴高发期在5月，兴海的沙尘暴高发期在3月，不同地区的沙尘暴出现频次有一定的季节差异，大部分地区在秋冬季节频次较低。

对于沙尘暴天气的空间分布和时间分布，由于不同的研究和分析需要，以及所应用资料的年代和标准不同，有一定的差异，在参考应用时要特别注意。

8.2沙尘暴的形成机制8.2.1沙尘暴的形成条件沙尘暴是由多种因素形成的，包括气候背景、地貌特征、季节变化、大气环流条件等，其形成需同时具备三个基本条件：即沙尘源、强风和不稳定的大气层结。详情进入

沙尘暴动画演示

沙尘源有内源和外源，内源包括我国的八大沙漠和四大沙地，即塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠、柴达木盆地沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、科尔沁沙地、浑善达克沙地、毛乌素沙地、呼伦贝尔沙地；外源指蒙古国南部戈壁地区（图8.4）。强风一般需达到6级(10m/s)，在南疆5级(≥8.0m/s)，但在有些地方本站的风力不一定很大，上游风力较大的情况下也会出现能见度小于1km的沙尘暴天气。不稳定的大气层结是导致大气垂直运动的主要原因。

隐藏8.2.2气压（变压）场的分析大风是造成沙尘暴最主要的原因。风是由于空气中水平方向上气压分布不均匀造成的，同时包括地形、不均匀的受热、地球自转、大气环流变化等其它因素的影响，但气压的不均匀分布和变化是大风产生的最直接原因之一，大风天气尤其是区域性大风天气产生前后在天气图上都有明显的气压变化特征，因此对气压场和变压场的分析是预报大风首要考虑的问题。详情进入一般出现大风时，地面图上都有天气尺度的高、低压中心配置，高压中心位于冷锋后面，锋面前后变压明显，特别是3h变压尤为明显，锋前和锋后的气压差可以直接造成大风，气压梯度越大风速越大。

北方路径大风沙尘暴天气。在地面图上，地面冷锋呈准东西走向。锋后冷高压中心在贝加尔湖到蒙古国北部，强度≥1035hPa。锋前蒙古低压发展，形成北高南低的气压场分布，冷锋南压，气压梯度加强，造成西北或偏北大风沙尘暴。

偏西路径冷空气造成的大风沙尘暴天气。地面图上，冷空气从中亚越过帕米尔高原进入南疆西部，沿塔里木盆地途经塔克拉玛干和库存姆塔格沙漠东移冷锋（70～105ºE，42～55ºN），蒙古国有低压发展，冷高压中心气压在1025～1040hPa之间，位置在60～105ºE，45～60ºN。冷锋过境，大风沙尘暴天气开始。当冷空气越过天山或帕米尔高原进入南疆盆地时，促使冷锋加强再东移，可造成较强的偏西大风沙尘暴。有时，当地面冷锋过境时，没有立即形成大风沙尘暴，而是在高空冷槽经过本站时大风沙尘暴才形成。过程前降压升温，大风开始升压降温，风力大小视气压梯度、变压梯度而定，一般气压梯度≥20hPa/经纬度（约111km）。如果大风与高空急流配合，风力将加大，沙尘暴天气会更强。

西北路径类冷空气造成的大风沙尘暴天气。地面图上，地面冷锋一般呈NE-SW走向。冷锋后冷高压中心位于北疆西北部，中心强度≥1030hPa，并且锋前有热低压或热倒槽发展，冷锋前后气压梯度、变压梯度和温度梯度都很大，有利于大风和沙尘暴的形成。另外，当冷空气特别强大时，受天山和其东部的喇叭口地形影响，冷空气倒灌，进入南疆盆地，在南疆和河西西部还可形成偏东大风沙尘暴。有时锋面云带前部有中尺度云团或中尺度飑线发展时，也能引发强沙尘暴发生。隐藏8.2.3地形对沙尘暴的影响我国的沙尘暴多发区大都有其特殊的地形特征。沙尘暴一般多发生在盆地、山口、两山之间的狭长地带等，这些特殊的地形条件对影响系统的移动和发展有动力和热力作用，如山脉前冷空气堆积和越过山脉后的俯冲作用、盆地的低层加热作用、狭长地带的狭管效应等，对风力的加大、方向路径的改变、垂直运动的发展都有很大的影响。

详情进入贺兰山和银川盆地的阻挡和俯冲作用：突起的山脉与盆地相互配合容易造成沙尘暴。当甘肃河西有大风形成时，引起扬沙，大风挟着大量沙尘，经阿拉善高原东移，在贺兰山北面山前受阻堆积，冷锋受山脉阻挡作用，坡度变陡，当冷空气堆积到一定程度，一部分冷空气翻越贺兰山向银川盆地俯冲，由于冷空气迅速下沉，锋面坡度急剧减小，因而大量的位能转化为动能，加之冷锋前的高温，促使在银川盆地形成强烈辐合上升运动，气压梯度和温度进一步加大，促使系统加强，导致沙尘暴的形成。

河西走廊地形的狭管效应：河西走廊地形的狭管效应和特殊的流沙、尾矿砂地表为沙尘暴的形成提供了极为有利的地理环境。河西走廊呈西北-东南向，狭长大约1100km。当冷空气经过时，地形引起的狭管效应，可使风力明显加大。金昌位于龙首山与祁连山之间的狭窄处，南北宽度仅数十公里，狭管效应更为显著。到河西东部开口处狭管效应减弱，风力减小，沙尘暴也逐渐减弱。另外，沙尘源的类型和表面硬度是决定起沙量的重要因素。据监测，民勤、金昌等地物源类型属流沙和尾矿砂，表面硬度小，出现大风时容易扬沙起尘，为沙尘暴提供丰富的沙尘源。

柴达木盆地狭管加速和下滑效应：柴达木盆地海拔大约在3000m，地势从西北向东南倾斜，其东部为开阔地。这种特殊的地形，不但对风有狭管加速效应，并且还有使空气下滑势能转变为动能的作用，地面风速往往大于500hPa高度的风速。

南疆塔里木盆地中的塔克拉玛干沙漠沙尘平均粒径0.078mm，为超细沙，相对于国内外同类相似地区，形成沙尘暴天气的风力等级要小，经测定在塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴启动风速为8.0m/s。

“热岛”对形成沙尘暴的影响：西北地区部分新型工业城市的迅速发展，如金昌市、张掖市、银川市等。随着工业化程度的提高，城市规模扩大，人口增多，使该地区与周围地区之间的温差日趋加大，形成相对的“热岛”；当冷空气进入该地区时，使气压梯度和温度梯度明显加大，地面辐合上升运动增强，当冷锋进入该地区后，强度会有一明显的加强，也是该地区形成沙尘暴天气的一个不可忽视因素。8.3环流背景与天气系统8.3.1大尺度环流背景沙尘暴天气是在一定的大气环流背景下产生的。研究表明沙尘暴天气出现强的年份和弱的年份，北半球大气环流有明显的差异，详情进入沙尘暴天气是在一定的大气环流背景下产生的。研究表明沙尘暴天气出现强的年份和弱的年份，北半球大气环流有明显的差异，赵红岩等（2004）利用1955—2001年西北地区月平均降水、月平均气温、月北半球500hPa高度场及环流特征量、逐月太平洋平均海温场网格资料，对强沙尘暴年和少沙尘暴年环流特征和温度分布特征进行分析，认为在强沙尘暴年环流及温度有以下特征:极涡活动强、中高纬度经向环流明显、东亚大槽位置偏西、副高面积和强度小而弱（图8.5）、赤道海平面海温高、降水少等特点，而在弱沙尘暴年上述特征相反。

俞亚勋等（俞亚勋，赵建华2003）利用1955—2000年NCEP/NCAR全球月平均再分析(2.5°×2.5°纬度/经度)网格点资料和甘肃省区域性沙尘暴过程资料分析后认为，春季强沙尘暴年和弱沙尘暴年大尺度高低空环流场和有关动力、热力影响因子差异明显，具体表现在以下几方面：

⑴强沙尘暴年，500hPa层在中高纬从北欧巴伦支海经西西伯利亚平原、蒙古一直到日本上空位势高度呈现一负距平带，对应负温度距平区；东北太平洋上空为强大的位势高度正距平区，对应正温度距平。弱沙尘暴年，在中亚巴尔喀什湖至贝加尔湖一带表现为位势高度正距平区，对应正温度距平；东北太平洋上空为位势高度负距平区，对应负温度距平区。这表明中高纬欧亚范围对流层中层为“+、-、+”位势高度距平，对应“+、-、+”温度距平是春季强沙尘暴年的主要大气环流特征之一。

⑵强沙尘暴年，北半球极涡强，范围增大且南伸，东西半球各有一个极涡中心，冷空气势力强，活动范围大，而弱沙尘暴年，北半球极涡弱，范围缩小，北半球只有一个极涡中心，冷空气势力弱，活动范围小（图8.6）。

⑶强沙尘暴年，中纬度地区的正位势高度距平和正温度距平大于高纬度地区，而弱沙尘暴年反之，中纬度地区的正位势高度距平和正温度距平小于高纬度地区，表明强沙尘暴年中纬度地区的增温大于高纬度地区，弱沙尘暴年高纬度地区的增温大于中纬度地区。

⑷强沙尘暴年，在中亚至东亚范围中，中高纬地面气温明显偏低、海平面气压明显偏高，我国中部的黄淮流域地面气温也偏低，而北太平洋区域气温明显偏高，相应海平面气压明显偏低。这表明上述区域是强沙尘暴年与弱沙尘暴年的敏感区域。

⑸强沙尘暴年，在我国甘肃省以及北面相邻的蒙古出现正位涡距平，最大中心分别位于蒙古西南部、青海北部、南疆盆地东部和西部，而这些区域正是沙尘暴频繁发生之地。另外，在对流层上空，36ºN～51ºN之间有一个正位涡距平，正位涡距平中心自西向东从高层向低层移动，其中最强位涡制造区域位于95～100ºE之间，这充分表明位涡制造的大气动能是沙尘暴形成的原因之一。隐藏8.3.2沙尘暴天气的影响系统沙尘暴天气是在一定的大尺度环流背景条件下，由多种天气尺度的系统相互作用产生。通过对大量个例分析研究表明，造成沙尘暴天气的影响系统有：西风槽（包括横槽转竖类、长波槽东移类、脊前下滑槽类、短波槽东移类、高原槽东移类）、冷锋、气旋（温带气旋、锋前暖低压、高原暖低压、东北低压）、高空急流、中尺度系统（中尺度气旋、中尺度低压、中尺度切变线、干飑线）等。沙尘暴天气的形成与冷空气活动有关，其影响区域和影响程度与冷空气强弱和移动路径有直接的关系，在不同路径和强度的冷空气作用下，各影响系统的变化和作用不同。一般认为造成我国沙尘暴天气的移动路径有三条：分别为西北、北方、西方路径。下面分别讨论不同路径冷空气过程中各影响系统的特征。详情进入偏西路径类冷空气从中亚越过帕米尔高原进入南疆西部，沿塔里木盆地途经塔克拉玛干和库存姆塔格沙漠东移，影响南疆、甘肃河西及青海北部出现大风沙尘暴天气，此类沙尘暴占33%。

天气形势特点：前期500hPa图上，西西伯利亚附近为一长波槽，受地面蒙古高压阻挡较稳定，长波槽南部位于中亚地区的一段低槽经帕米尔高原，进入南疆盆地而引发偏西大风沙尘暴天气。对应地面图上，我国西部边境有冷锋生成，锋后冷高压位于40ºN附近的中亚地区，锋前塔里木盆地有热低压发展，低压中心位于和田附近，中心气压可下降到988hPa。卫星云图上，有盾状的冷锋云系位于我国西部国界附近，云系前边界与地面冷锋一致，近于南北向，冷锋云带的尾部伸至35ºN以南，当低槽冷锋云带的前边界越过帕米尔高原入侵盆地后，使南疆热低压开始东移。由于锋后加压显著，与锋前热低压之间在盆地南缘形成强的气压梯度力，西风迅速加强，引发沙尘暴天气。西北路径类强冷空气源于北冰洋气团，自西北向东南经我国北疆、内蒙古西部入侵河西走廊，冷空气穿过马丹吉林和腾格尔沙漠，然后东移至鄂尔多斯高原。造成大风沙尘暴，主要影响新疆、甘肃、宁夏、青海、内蒙古等省区，形成很强的黑风暴，西北、华北均可出现沙尘暴。此类沙尘暴具有范围广、强度大，灾害严重的特点，发生次数最多，占41%。

天气形势特点：前期500hPa图上，欧亚范围内多移动性槽脊活动，乌拉尔山高压脊发展明显。短波槽沿脊前东南气流南下，加入西西伯利亚低压区后，冷空气不断在此堆积加强，经新疆北部、蒙古国西部东移，造成我国北方地区西北大风和沙尘暴天气。地面冷锋一般呈NE-SW走向，向东南方向移动。锋后冷高压中心位于北疆西北部，强度≥1030hPa，锋前有热低压或热倒槽发展。冷锋前后气压梯度、变压梯度和温度梯度都很大，从而激发大风和沙尘暴。另外，当冷空气强时，受天山和其东部的喇叭口地形影响，冷空气倒灌，进入南疆盆地，在南疆和河西西部也可形成偏东大风沙尘暴。卫星云图上，冷锋云系呈带状分布，由于高空风速大，有时可以看到发散的卷云存在。云带与地面冷锋走向一致，呈东北—西南走向，由北疆进入河西走廊。有时锋面云带前部有中尺度云团或中尺度飑线发展，引发强沙尘暴天气。偏北路径类冷空气来自极地气团或变性气团，经贝加尔湖、蒙古国南下，主要影响西北地区东部、华北大部和东北南部，有时还会影响到黄淮等地。此类占25%。

环流形势特点：前期500hPa图上，欧亚范围内大气环流形势由纬向型转为经向型，经向环流加大。乌拉尔山到新疆是一较强的高压脊，脊前有一支宽广的风速＞20m/s的急流，极地冷空气沿脊东南下，在贝加尔湖附近加深，形成具有温度槽落后于高度槽的斜压性很强的低压槽，槽后的冷平流极强。地面图上，冷空气由西西伯利亚平原沿50ºN以北地区东移，至贝加尔湖附近经蒙古国南下入侵我国西北地区东部和华北地区。地面冷锋呈准东西走向。锋后冷高压中心在贝加尔湖到蒙古国北部，强度≥1035hPa。冷锋前蒙古低压发展，形成北高南低的气压分布，冷锋南压，气压梯度加强，造成西北或偏北大风沙尘暴。卫星云图上，冷锋云带由密实的中高云组成，其走向与地面冷锋一致，呈东西向，自北向南移动，至河套地区后随高空引导气流快速东移。此种类型冷空气来势猛，冷锋移动快，影响地区偏东。偏北路径类还有一种情况，高空环流形势基本类似，不同的是贝加尔湖冷高压南下至蒙古国后移速减慢，蒙古国被冷高压控制，而河西地区有热低压生成并加强，在西北地区形成东高西低的气压梯度，造成河西走廊偏东大风沙尘暴。北方路径沙尘暴从蒙古国南下过程中，在冷锋附近常有冷锋锋生现象和中尺度切变线生成。中尺度系统易激发强沙尘暴天气。

沙尘暴移动路径的不同，会导致沙尘暴出现的范围、落区和经度有着明显的差别。西北路径类影响范围广、强度大，冷锋移经之地均可出现沙尘暴。偏北路径类主要影响内蒙古、宁夏、陕北、甘肃河西东部、华北及东北等地；西北路径类多出现在南疆盆地，主要影响河西走廊西部及青海省，特别是沿祁连山一线的测站。急流对沙尘暴天气的影响急流在沙尘暴天气过程中有很重要的作用，急流的类型有：高层西风带急流（200～300hPa）、西风带急流和副热带急流合并类、中层急流（400～500hPa）、低层急流（700～850hPa）。

急流在沙尘暴天气中有以下作用：

⑴造成动量下传使中低层和地面风速加大。高空急流高空动量下传必须具备两条件：一是层结不稳定，二是要有较大的风速垂直切变。

⑵加快冷锋和沙尘暴的移速。

⑶加强中低层的斜压不稳定性，触发气旋发展，造成大气层结不稳定，触发中尺度系统发生（如飑线，中尺度低压，次级环流等）。

研究认为，沙尘暴过程期间，沙尘暴一般位于高层急流大于30m/s等风速线围区内，而强沙尘暴中心则发生在200hPa急流出口区右侧，高空急流以下形成的反环流(通常，对流层的径圈环流存在3个圈：低纬度是正环流或直接环流又称为哈得来环流；中纬度是反环流或间接环流（中低纬气流下沉，低空向北，中高纬上升，高空向南，又称为费雷尔环流)的发展起到输送动量和加强锋区的作用。反环流是诱发大风沙尘暴重要的动力和热力机制，强沙尘暴区位于上升运动区内。反环流的作用有二：其一，调整高低空垂直切变，使西风随高度增大的流场切变减小，高空动量向低层传递；其二，由于北部上升绝热降温、南部下沉增温作用，导致南北水平温度梯度加大，锋区加强。两者共同作用的结果，使非热成风向热成风平衡，热成风平衡过程也就是环流加速制造动能的过程。

由于高低空急流相互配置及耦合对中小尺度系统的发展十分有利，当高空急流移到地面冷锋和低空急流的上方时，低层的辐合上升运动与高空急流环流的上升支叠加，对流发展加强。天气事实表明，沙尘暴多发生在高空急流出口区的正涡度区与低空急流大风核左前方相叠加的部位。8.4物理量特征8.4.1动力学特征相对涡度和垂直速度研究表明，相对涡度和垂直速度的不对称结构建立与沙尘暴的发生发展有着密切的联系，相对涡度和垂直速度不对称结构最强阶段，也对应着沙尘暴发展最强阶段，但早于沙尘暴范围达到最大的时刻，随着相对涡度和垂直速度不对称结构的减弱，沙尘暴的强度和范围也逐渐减弱（彭艳，王钊，许新田2009）。

2006年4月9—11日，受西伯利亚强冷空气和蒙古气旋的共同影响，蒙古国及我国西北地区的新疆、内蒙、青海、甘肃、宁夏、陕西等地出现了一次沙尘天气过程。4月9日08:00在甘肃西部的敦煌最先出现浮尘，9日11:00—17:00南疆盆地西部、甘肃西部、内蒙古中部主要以扬沙、浮尘天气为主，而这期间蒙古国自西向东出现沙尘暴。9日20:00—10日05:00南疆盆地和河西走廊沙尘天气开始发展，逐渐出现沙尘暴并且向东发展，而蒙古国、内蒙古中部的沙尘天气开始减弱、消失。10日08:00-20:00在蒙古国和内蒙古中部再次产生大范围沙尘暴、扬沙天气；河西走廊沙尘天气逐渐向东移动，10日14:00—20:00宁夏北部、陕西省定边地区出现大范围扬沙天气。11日05:00—14:00，陕西省秦岭山脉以南的地区，沿府谷—吴堡—长武一线，由东北向西南方向出现沙尘暴、扬沙天气。11日08:00，西北地区自西向东出现了一次降水过程，沙尘天气也自西向东逐步结束（彭艳，王钊，许新田2009）。

图8.7（彭艳，王钊，许新田2009）给出了4月10日02:00、08:00、14:00和20:00相对涡度沿90ºE的剖面图，分别代表沙尘暴开始增强、强度最强、范围最大以及开始减弱时期。图中37～44ºN区域实况为强沙尘暴发生区。02:00，在37～41ºN之间有一气旋性涡度柱建立，并由地面伸至300hPa，其中心位于450hPa附近，强度为9×10-5s-1，在其北侧41～46ºN之间为负涡度区，由地面延伸至200hPa，无明显的中心存在，且正负涡度分布较对称；08:00，37～41ºN之间气旋性涡度柱加强，高度降低至500hPa，其中心位于700～850hPa之间，强度为9×10-5s-1，其北侧的负涡度柱明显加强，并向北侧倾斜，在300和700hPa出现两个中心，强度达-12×10-5s-1，37～44ºN之间垂直涡度呈明显的不对称分布。垂直涡度此种配置的物理意义为：在低空有强烈的辐合入流，并伴有强烈的上升运动，在高空有强烈的辐散流出，并伴有非对称下沉运动，其结果是驱动整个涡度柱内的上升运动不断发展，使地面和低空水平风速持续增强，沙尘暴强度和范围进一步加大。14:00，37～44ºN之间正涡度中心无明显变化，负涡度中心强度略有减弱，涡度的非对称结构仍继续维持，表明此时非对称下沉运动仍较强；20:00，37～44ºN之间涡度的非对称性结构基本消失，沙尘天气逐步减弱。

图8.8（彭艳，王钊，许新田2009）给出了2006年4月10日08:00沙尘暴发展最强时沿90ºE的垂直速度剖面。其中负值表示下沉气流区。对比08:00涡度剖面特征，垂直速度也呈明显不对称分布，在36～39ºN之间为一致的上升气流区，上升气流延伸高度达300hPa，分别在450和700hPa均存在强度为0.45×10-2hPa·s-1的中心；在39～43ºN也存在一个强上升速度区，延伸高度达600hPa，在750hPa存在一个中心，强度达1.05×10-2hPa·s-1；在43～46ºN之间为一致的下沉气流区，延伸高度达150hPa，明显的向南侧倾斜，在450和700hPa存在两个强中心，分别为-1.05×10-2hPa·s-1和-1.35×10-2hPa·s-1，在46～50ºN之间为一致上升气流，形成了南部下沉、北部上升的反环流，高纬上升低纬下沉的反环流有两方面的作用：一是调整高低空西风垂直切变，使西风随高度增大的流场切变减小，高层动量向低层传递，低层风速增大；另一方面，由于北部上升绝热降温，南部下沉增温，导致南北温度梯度加大，锋区加强。两者共同作用的结果使非热成风向热成风平衡。由于非热成风向热成风平衡的过程也就是环流加速制造动能的过程。因此，在沙尘暴期间，如此反环流形成与发展起到动量下传加强锋区的作用。

散度场和涡度场散度和涡度均能表征流体的辐合辐散情况，沙尘暴作为一种强烈的对流天气，辐合辐散分布显著，用散度和涡度表征沙尘暴天气的辐合辐散，对了解沙尘暴天气的动力学特征等具有一定的指示意义。

2005年4月8日白天到夜间，银川、石嘴山、吴忠、中卫四市大部出现7级左右偏北风，并伴有扬沙天气。其中，大武口最大瞬时风力达9级，盐池、大武口、青铜峡出现沙尘暴，以本次过程为例，对散度场和涡度场配置与沙尘暴的动力学关系作一分析。

图8.9（a、b、c）分别是4月6日20:00500、700、850hPa散度场分布图（万明波2007）。可以看出在宁夏省境内，散度变化比较大。500hPa散度分布图上大部分地区为辐散层，只有一小部分为辐合层，辐散中心在(108ºE，39ºN)附近。700hPa辐散达到最大，最大辐散强度为20×10-5s-1。850hPa散度值明显下降，绝大部分区域为负散度值，只有部分区域为散度正值。这样的散度分布说明在沙尘暴发生前，其区域内已经形成了很强的高空辐散，低空辐合的流场形势，具备对流活动的有利条件。

图8.9（d）是沿106ºE对应垂直剖面图（万明波2007），可以看出最大散度负值在850hPa，值为-50×10-5s-1。散度“0”线在600hPa附近。最大散度正值出现在500hPa附近，值为20×10-5s-1，说明在此高度上气流辐散达到最大。这样的散度垂直分布特征表明在沙尘暴发生前，区域内已经形成了较强的气流辐合，对垂直气流的发生极为有利。

图8.10（a，b，c）分别是4月6日20:00500hPa、700hPa、850hPa涡度场分布图（万明波2007）。可以看出在沙尘暴发生区域内，其涡度值随高度变化比较小。850hPa上涡度最大值达到8×10-5s-1，大值中心在(106ºE，37ºN)附近。700hPa涡度值变化不大，但大值中心稍微偏西，500hPa有正有负。

图8.10（d）是沿106ºE对应实况垂直剖面图（万明波2007），可以看出最大涡度出现在700hPa附近，极值为8×10-5s-1。“0”涡度线在500hPa附近，500hPa以上为负涡度区。这样的涡度场配置说明沙尘暴生成前，在该区域内500hPa以下有气旋性涡柱，以上有反气旋性环流。

从以上个例分析可以得到：沙尘暴出现的时候该区域一般在正涡度场下方，通常在500hPa以下表现为正涡度，而在500hPa以上为负涡度；散度场通常表现为下层辐合（一般在850hPa附近）上层辐散（一般在700～500hPa附近），这样的配置有利于垂直运动发展。当然，在不同的区域这个高度有一定的差异，其中心值也根据系统的强弱和和地域有一定差异，在实际应用中要根据当地资料的分析进行总结。螺旋度沙尘暴是在大尺度背景下，由中尺度天气系统诱发的强干对流，其特点是：大气低层干热，热力抬升作用明显；低、中层大气不稳定，有强对流发展，高层有强冷空气活动。上述特征表明诱发沙尘暴的干对流与诱发暴雨的湿对流具有诸多相似之处。在中小尺度系统中，螺旋度是一个用来衡量风暴入流气流强弱以及沿入流方向上涡度分布状况的参数。它不仅表达了风场旋转的强弱，而且反映了对旋转性的输送，是一个反映动力条件的物理参数。赵光平等通过强沙尘暴典型个例将垂直螺旋度应用到沙尘暴研究中，得出沙尘暴区上空垂直螺旋度分布的特征是高层为负值，低层为正值，对流层中低层螺旋度正的大值区与沙尘暴发生区具有较好的一致性，可以进一步判断沙尘暴的爆发时间、持续过程和移动路径，为准确预报沙尘暴提供参考依据（赵光平，王连喜，杨淑萍2001；陶健红，王劲松，冯建英2004；王劲松，李耀辉，康凤琴等2004；申红喜，李秀连，石步鸠2004；张海霞，尤凤春，周伟灿等2007；王建鹏，沈桐立，刘小英等2006）。从量级上看(至少在风暴初期)，水平螺旋度的量级远大于垂直螺旋度，较大程度上决定了总螺旋度的情况，其预示性和重要性充分体现在预报中（陆慧娟，高守亭2003），通过对民勤沙尘暴典型个例分析，水平相对风暴螺旋度与沙尘暴的强度在时间上同样具有很好的对应关系（岳平，牛生杰，张强2007）。

2002年3月18—22日我国北方出现了强沙尘暴天气。北京3月20日发生了有历史记录以来最大的沙尘暴，总悬浮颗粒物浓度达10.9mg/m3，高出国家颗粒物污染标准54倍，其它金属元素是平日的10倍以上;青岛总悬浮颗粒物浓度比平时增加了4.1倍（赵琳娜，孙建华，赵思雄2004；孙业乐，庄国顺，袁惠等2004；盛立芳，耿敏，王园香等2003）。对这一发生在中国北方区域的沙尘暴强度与螺旋度最小负值中心等值线进行对比发现，强沙尘暴中心出现在最大螺旋度负值中心下游的东南方向，与螺旋度的负中心等值线相对应，负中心值越大，对应沙尘暴强度越强，螺旋度负值中心-1000m2/s2与强沙尘暴中心相对应如图8.11（李岩英，张强，李耀辉等2008）。

进一步对此次沙尘暴过程进行螺旋度间隔12h、地面图间隔3h移动跟踪分析，发现大风沙尘暴天气区域常出现在螺旋度负值中心的右前方。螺旋度负值中心18日08:00位于（76ºE，52ºN），中心值达-467.7m2/s2，并逐渐向东南方行进增强；18日20:00位于（88ºE，48ºN），中心值达到-856.8m2/s2；到达河西走廊北部一带达最强，19日08:00位于（100ºE，44ºN），中心值达到-1576.2m2/s2；到达宁夏附近时有所减弱，19日20:00位于（104ºE，44º），中心值达到-383.3m2/s2；向东南方向移动时，强度再次加强，20日08:00位于（112ºE，40ºN），中心值达到-492.0m2/s2，并继续东移增强；20日20:00位于（120ºE，40ºN），中心值达到-748.7m2/s2；21日后逐渐减弱东移入海。相应地，沙尘暴首先于18日20:00在新疆北部国境线以北生成，于19日08:00影响甘肃河西中北部，然后迅速横扫中国北方大部，于19日20:00到达东北，20日08:00—21日08:00整个华北、东北处于大风沙尘暴中，22日05:00沙尘暴移出我国，动态如图8.12（李岩英，张强，李耀辉等2008）。

沙尘暴发生前后地面气象要素变化沙尘暴发生前后气压场、风场等地面气象要素均有明显的变化特征。

图8.13（a、b）分别是酒泉自动气象站所记录的2004年3月28日(沙尘暴起止时间为03:42—05:44)和2004年7月12日(沙尘暴起止时间为21:12—22:38)的每分钟地面气压在沙尘暴过境前后的变化情况（岳平2006）。对比两幅图中可以看出，在沙尘暴发生前地面气压都较低，而且有小幅波动；当沙尘暴爆发的时候，地面气压迅速增大；到中后期两次过程气压均在再次地波动中调整，并且进一步加压。可以发现：两次沙尘暴天气过程地面气压的变化经历了相似的过程，前期受低气压控制，经过第一次波动调整，气压迅速加大，为沙尘暴的爆发提供了动力条件；第二次波动调整使得地面气压进一步增大，伴随沙尘暴过境，地面从低气压控制转换到受高气压控制。春季沙尘暴在中后期地面加压的趋势更加明显，根据图8.13a可以得知，4:35—5:35，1h内地面气压上升了2.5hPa。此外当出现沙尘暴天气后，春季沙尘暴过程中气压维持了50min的相对平稳时段，夏季沙尘暴过程中这一现象持续时间仅为30min。

图8.14（a、b）分别是自动站所记录的2004年3月28日和2004年7月12日沙尘暴天气现象发生前后测站每分钟风速的演变实况（岳平2006）。由图8.13a看到：沙尘暴发生前及过程的前半段时间内地面水平平均风速大于12m/s，在4:00出现了18.8m/s的瞬时风速（另据地面自计记录显示，在距沙尘暴发生还有5min的时候出现了21m/s瞬时大风），3:50—4:20这段时间也是地面能见度最差的时段，最小能见度只有400m。此后地面风速逐渐减小，水平能见度逐渐转好，沙尘暴天气结束。由图8.13b可以看到，在沙尘暴发生前风速很小，但在沙尘暴发生前的10min内，风速迅速增大到9m/s，达到这次天气过程中本站的最大值。风速的急速增大为起沙提供了必要的动力条件。其迅速增大的原因主要有两个方面，一是本站气压的增大，气压梯度加大；二是本地特殊的地理地形构成的“狭管效应”所致。在整个沙尘暴天气过程当中，风速呈波动式减小。在沙尘暴结束前的10min，风速只有2～3m/s，很难再将地面的沙尘夹卷到空中，随之空气中的沙尘逐渐沉降，能见度转好。

隐藏8.4.2热力学特征大气层结稳定度主要用位温，假相当位温和饱和相当位温的垂直分布表征的。研究表明：沙尘暴来临前到沙尘暴过境的前半期，大气层结处于超绝热状态，大气温湿结构及垂直风的分布有利于沙尘暴的发生、发展；沙尘暴过境的后期，大气层结调整到稳定状态，抑制了干对流的发展；沙尘暴前期，大气整层湿度较小，随着高空槽的逼近，高空首先出现增湿现象，随后水汽由高空向低层输送，整层大气相对湿度增加。详情进入位温在沙尘暴中的应用受北方冷空气入侵的影响，2004年5月23日20:40—24日04:15民勤出现了强沙尘暴天气，平均风力12m/s以上的大风持续时间长达5h，导致水平能见度极度恶化，最小能见度仅为200m。之后，水平气压梯度力减小，地面风速逐渐减弱，水平能见度慢慢转好，于24日04:15—05:20减弱为扬沙天气。此外，地面冷锋过境后，从07:43开始，民勤站出现小雨天气。

图8.15（a，b，c，d）分别是基于民勤基准站，2004年5月23日19:15、23日23:15、24日02:02和24日07:16的4次探空资料进行计算得到的、和垂直分布廓线（岳平2006）。

根据图8.15（a）可知，23日19:15民勤站的地面温度非常高，饱和假相当位温达到400K，同时随气压降低迅速减小，表明垂直方向的温度递减率非常大，低于500hPa时，和线距离接近；当和之间距离非常大，表明低层大气极为干燥，低于500hPa高度时，和线几乎垂直于横坐标轴，表明大气层处于超绝热状态，并且不稳定层结到达500hPa高度。这种热力状态的大气边界层在天气尺度气流的作用下所产生巨大的温度梯度，不仅能使水平方向风力显著加大，而且还能够在垂直方向激发强对流体，从而诱发强沙尘暴天气生成。

图8.15（b，c）是沙尘暴期间的、和垂直分布廓线。从这两幅图可以发现，沙尘暴期间，特别是后期阶段（图8.14（c）），、和的调整向着不利于沙尘暴维持的方向发展，即对流减弱，同时和之间的距离在不断接近，表明随着时间的推移，大气中的水汽在不断的增加。图8.14（b）中，从850～500hPa高度层内大气己经表现为条件不稳定，图8.15（c），从地面到600hPa大气处于绝对稳定状态。

图8.15（d）是沙尘暴天气结束后的、和垂直分布廓线。可以发现：和的距离非常接近，表明沙尘暴结束后，整层大气的湿度有了很大增加，尤其是在650hPa附近两条曲线几乎重合，表明中高层大气接近饱和状态。从07:43开始，民勤站出现小雨天气。地面气温和湿度对沙尘暴的响应沙尘暴发生前后地面气温、相对湿度等地面气象要素变化特征。

图8.16(a)是自动站所记录的2004年3月28日沙尘暴天气过程及其前后每分钟气温和相对湿度的变化(岳平2006)。在沙尘暴发生前期，初春酒泉基准站的气温比较低，仅为6.3℃，而且在03:10之前气温处于下降趋势，但在出现沙尘暴天气的前半期，气温不再下降，这是因为大量悬浮在空中的沙尘粒子使得长波辐射减弱，从04:19起，即沙尘暴天气现象的中后期气温迅速下降，截至05:30，地面气温下降了2.9℃，主要是由于随着沙尘天气的减弱，向外空的长波辐射增强导致地面气温骤降。相对湿度在前期比较小，仅为38%左右，但在沙尘暴结束前夕，从04:30开始剧烈增加，05:30增加到了44%，此后又开始缓慢减小。

图8.16(b)是自动站所记录的2004年7月12日沙尘暴天气过程及其前后每分钟气温和相对湿度的变化(岳平2006)。酒泉站21:12出现了沙尘暴，地面气温在前期及沙尘暴发生的前一段时间维持较高状态而且变化不大，到21:25则开始缓慢递减，在沙尘暴结束后的20min内，气温出现呈折角式骤然下降，降温幅度达2.5℃隐藏8.5卫星遥感资料应用8.5.1沙尘暴遥感监测沙尘暴源区及植被监测根据我国沙化土地状况、冷空气路径、沙尘暴发生频率和强度、沙尘暴物质组成与分布、土地利用方式，结合区域环境，利用卫星遥感监测将中国北方划出四个沙尘暴源区（图8.16）：一是新疆塔克拉玛干沙漠周边地区；二是甘肃河西走廊及内蒙古阿拉善高原；三是内蒙古阴山北坡及浑善达克沙地；四是蒙甘宁长城沿线。四个沙尘暴源区涉及7省（区）98个县总面积1925000km2，沙化土地面积1127000km2，占总区域的58.5%。

⑴新疆塔克拉玛干沙漠周边地区

新疆塔克拉玛干沙漠周边地区包括2个省(区），25个县，总面积813000km2，其中沙化土地567000km2，流动沙地267000km2，半固定沙地105000km2，固定沙地26000km2，其它类型215000km2。

该地区植被综合盖度≤5%的面积为431000km2，占76.0%；＞5%和≤10%的面积为47000km2，占8.3%；＞10%和≤20%的面积为53000km2，占9.4%；＞20%和≤30%的面积16000km2，占2.8%；＞30%和≤50%的面积为18000km2，占2.8%；＞50%的面积为2000km2，占0.3%。

⑵河西走廊及阿拉善地区

该地区包括2省，21个县，总面积624000km2，其中沙化土地367000km2，流动沙地103000km2，半固定沙地52000km2，固定沙地44000km2，其它类型168000km2。

该地区植被综合盖度≤5%的面积162000km2，占沙化土地面积的44.1%；＞5%和≤10%的面积82000km2，占22.3%；＞10%和≤20的面积59000km2，占16.3%；＞20%和≤30%的面积29000km2，占7.8%；＞30%和≤50%的面积32000km2，占8.6%；＞50%的面积3000km2，占0.9%。

⑶蒙陕宁长城沿线

该地区包括3个省，28个县，总面积181000km2，其中沙化土地93000km2，流动沙地16000km2，半固定沙地17000km2，固定沙地55000km2，其它类型5000km2。

该地区植被综合盖度≤5%的面积7000km2，占沙化土地面积的7.5%；＞5%和≤10%面积13000km2，占14.0%；＞10%和≤20的面积11000km2，占11.8%；＞20%和≤30%的面积6000km2，占6.5%；＞30%和≤50%49000km2，占52.7%；＞50%的面积7000km2，占7.5%。

⑷乌盟后山和浑善达克沙地

该地区包括2个省，24个县，总面积310000km2，其中沙化土地114000km2，流动沙地3000km2，半固定沙地9000km2，固定沙地44000km2，其它类型58000km2。

该地区植被综合盖度≤5%的面积11000km2，占沙化土地面积的9.6%；＞5%和≤10%面积4000km2，占3.5%；＞10%和≤20的面积6000km2，占5.3%；＞20%和≤30%的面积32000km2，占28.1%；＞30%和≤50%39000km2，占34.2%；＞50%的面积22000km2，占19.3%。沙尘暴监测有关研究表明，在沙尘暴各种主要沙尘元素中，粒径大于11.0μm的是小于0.65μm的3～5倍，因此在沙尘暴监测研究中，主要应考虑大粒子沙尘的光学和辐射传输特性。沙尘粒子在不同光谱区间有不同的尺度参数，设X为尺度参数，X=2πR/λ，R是粒子半径，λ是光谱波长。当球形粒子半径尺度与光谱波长相近时，其粒子的散射和吸收特性可以用Mie散射理论来表述。设沙尘粒子为球形，在几种不同波长下，不同半径的沙尘粒子散射参数如表8.1。由此表可见，粒子半径越大，其尺度参数越大，散射能量越向前集中；吸收消光也同时增加，散射比下降；即当天空中大粒子沙尘增多时，光线被强烈吸收，能见度则急剧下降。空中沙尘粒子的发射特性与粒子构成（直径大小和分布）有关，也与粒子的浓度有关。对短红外窗区通道（3.7μm波长），在卫星遥感辐射测值中即有沙尘粒子本身温度发射的辐射，也有沙尘粒子对太阳辐射在这个波段范围内的散射部分，其大小与沙尘粒子的构成和浓度有关，根据以上特征可判识沙尘区。

⑴用卫星亮温和反射率资料监测沙尘暴

可见光云图上，沙尘暴的反射率特征有如下的表现，在沙尘暴的顶部区域结构均匀，顺着风向有纹理，色调呈浅灰色，有高云的暗影存在。另外沙尘暴顶部的反照率与云团和地表的反照率有明显的差别。地表反照率最低，达5%左右，沙尘暴顶部比地表高，达24%，而云团的反照率最高，达到51%。在红外云图上，云团的温度最低，平均约在-54℃附近;沙尘暴的温度次之，平均约在-3℃附近；地面温度最高，可达到+39℃（郑新江，刘诚，崔小平等1995）。

分析3.7μm和11μm两个通道的辐射亮温差得到，有沙尘气溶胶的大气中，等效黑体温度在这两个通道中存在较大的差异。辐射亮温差ΔT(ΔT=T3.7-T11)在无沙尘的大气中，其非零值是受水汽吸收和表面光谱特性影响。水汽吸收产生正的ΔT。在白天产生正的ΔT，主要是太阳辐射在3.7μm波段对表面反射率的贡献（Ackerman1989）。利用以上两个通道的亮温差和可见光通道数据分析2000年4月6日的沙尘暴过程。分析结果表明，利用气象卫星上的可见光、短波红外和红外窗区通道的数据对沙尘暴监测是一种有效的手段（方宗义，张运刚，郑新江等2001）。

静止卫星因为缺少3.7μm通道，无法利用上述方法监测沙尘暴。但是，静止卫星上的11μm和12μm两个通道的辐射亮温差可以区分硅酸盐颗粒和冰水物颗粒。辐射亮温差BTD(BTD=T11-T12)为负时表示硅酸盐颗粒;BTD为正时表示云中冰水颗粒（YuT，WilliamIR，PrataAJ2002）。方宗义等利用GMS-5静止卫星的11μm和12μm两个通道的辐射亮温差BTD和水汽通道(6.5～7.0μm)较好地区分出了沙尘区和云区；并用这些方法的结果分析了蒙古气旋中的沙尘顶部的辐射亮温。分析表明，在气旋发展的过程中，沙尘向气旋中心运动时有向上伸展的趋势。这可能是沙尘向东北、远东、甚至更北的下游输送的原因之一（方宗义，王炜2003）。

⑵用多通道合成图识别沙尘暴

悬浮在空中的沙尘粒子的发射特性既与粒子的直径分布有关，也与粒子的浓度有关。对可见光和短波红外窗区通道，卫星遥感的辐射值中，既有沙尘粒子以本身温度发射的部分辐射，也有沙尘粒子对太阳辐射的后向散射部分。在实际应用中，常利用沙尘暴和其它目标物在反射率和亮温上的差异进行多通道合成。根据这些辐射特性，国家卫星气象中心发展出了利用极轨卫星和静止卫星数据生成沙尘暴的多通道合成图方法（董超华1999）。2000年，美国执行了旨在研究非洲沙尘的辐射、传输和微物理特性的PRIDE试验。他们在试验中使用了MODIS的三个通道资料合成出RGB彩色图。对色彩分配时，0.65μm资料赋予红色通道，0.86μm资料赋予绿色通道，0.47μm资料赋予蓝色通道。合成后的图像很好地反映了空中沙尘的细微纹理结构。

近几年，卫星技术迅速发展，这使得对沙尘暴的监测更加准确，尤其是卫星遥感方面，在短短几年内，已经由传统的NOAA、GMS卫星发展到FY-1C/D、FY-2B、EOS等系列卫星，沙尘暴卫星遥感监测技术和方法研究也随之有了长足进步，并取得了一批先进成果。方宗义等利用NOAA、FY-1C卫星以及GMS-5和FY-2B卫星星载扫描辐射仪监测沙尘暴原理，根据沙尘和大粒子气溶胶的散射及发射特性，研究了沙尘暴遥感监测方法。实践证明，这种方法能有效监测沙尘暴的发生、发展和演变（方宗义，张运刚，郑新江等2001）。罗敬宁等提出了利用NOAA/KLM和FY-1C/D等多源遥感数据识别和提取沙尘暴信息的新方法，利用近红外1.6μm波段特性构建了可比沙尘强度指数。他的研究表明，利用卫星探测器11μm和12μm波段差值进行沙尘暴信息识别和提取，可以达到满意的效果，但不能刻画沙尘暴强度；构建可比沙尘强度指数，能够解决多源遥感数据由于卫星平台、监测时间、监测区域等不同因素导致的监测结果不可比的问题，监测结果与地面气象站监测数据有较好的一致性，能够从时间、空间两方面刻画沙尘暴强弱分布，可以作为沙尘暴定量研究的参数，为利用多源遥感数据持续定量地监测沙尘暴的起源、移动、传输路径、扩散等特征奠定了基础（罗敬宁，范一大，史培军等2003）。利用气象卫星和TOMS卫星监测沙尘输送路径和沙尘气溶胶含量(用气溶胶指数表示)，能够较好地研究沙尘暴的移动和传输。通过与实况对比发现，2000年4月8日气溶胶指数分布区域与当时内蒙古和河北地区的沙尘暴区重合，而且气溶胶指数增强区呈西北向移动路径，与沙尘轨迹计算结果一致，说明气溶胶指数增强区可以描述出沙尘暴分布特征(周秀骥，徐祥德，颜鹏等2002)。由于不同土地利用对沙尘暴过程中起沙贡献不一样，用局地分裂窗算法反演OAA/AVHRR热红外波段数据的地面温度参数；取得大范围的时序地面温度数据后参照1:10万土地利用/覆盖类型重采样图层选点提取地表温度，形成不同点时间序列变化曲线;最后将不同地类的地表温度时序变化曲线与观测点沙尘干量TSP时序变化曲线对比分析，发现两者具有较好的对应关系，说明沙尘暴过程地表温度变化现象与沙尘有密切的关系（刘志丽张小曳等2003）。

⑴利用MODIS可见光资实现对沙尘信息定量遥感监测：利用MODIS可见光资料，构造不同光谱特征判别函数，实现对沙尘信息定量遥感监测（图8.17）。

⑵利用NOAA卫星资料实现对沙尘暴和沙尘强度的定量监测：利用NOAA卫星资料，根据不同地物的光谱特征，构建定量监测沙尘暴的沙尘判识指数，实现沙尘暴和沙尘强度的定量监测（图8.18）。

⑶蒙古气旋沙尘暴监测：2001年4月5—7日，由蒙古气旋诱发的沙尘暴过程的强沙尘暴中心主要位于内蒙古中部偏北地区，能见度≤200m的区域主要位于42ºN以北，呈东西带状。这次大范围强沙尘暴与蒙古气旋爆发关系密切。蒙古气旋2001年4月5日02:00生成，中心位于（82ºE，51ºN），中心气压1003hPa，后向东偏南方向移动。6日20:00—7日02:00气旋爆发性发展，中心气压急剧下降6hPa，缓慢移动100km，在锡林郭勒盟引发了最强烈的沙尘暴，能见度降为0m。显然气旋爆发性发展使地面风迅速加大，造成沙尘暴猛烈加强。7日08:00气旋锢囚，中心东移到（118.5ºE，48.5ºN），沙尘暴开始影响黑龙江省和吉林省。气旋中心加深到977hPa（24h内气旋中心加深了14hPa）。这一记录是2001年1—5月18次蒙古气旋沙尘暴过程气旋中心气压的最低值。关于此次沙尘暴过程用卫星遥感进行了连续跟踪监测（图8.19）。

沙尘路径的监测（北京为例）根据多年来卫星遥感监测的统计分析表明（郑新江2001），影响北京的沙尘路径主要有三条（图8.20）。第一条：从蒙古国经浑善达克沙地一带和河北省北部影响北京；第二条：从内蒙古朱日和一带经河北省张家口一带影响北京；第三条：从黄土高原经山西北部影响河北和北京地区。

隐藏8.5.2沙尘暴卫星云图特征锋前型沙尘暴天气的云图特征强沙尘暴发生的卫星云图上有一条东北至西南走向的冷锋云带，冷锋云带的后边界十分齐整，在冷锋云带的前边界分裂出多个小对流单体，进一步发展成强对流单体的过程。1993年5月5日即为此类（图8.21）。

锋后型强沙尘暴的云图特征冷锋云带过境后，锋后的大风引起强沙尘暴，是我国出现次数最多的一类。在卫星云图上，此类冷锋云带可分为宽云带和窄云带两种，较宽云带的冷锋引起的沙尘暴强度较强。1998年4月14—16日即为一次典型的锋后沙尘暴过程（图8.22）。

8.6沙尘暴预报沙尘暴天气是目前气象预报业务中影响比较大的灾害性天气之一，其预报难度也比较大，气象工作者根据观测事实，应用天气学、动力气象、数值模式、卫星遥感资资料应用等理论和方法对沙尘暴天气的预报进行研究分析，结合实际预报业务，总结出沙尘暴预报的方法，在目前的实际业务中得到了很好的应用，下面介绍在日常业务中沙尘暴预报的思路和着眼点以及目前业务中常用的预报方法。8.6.1沙尘暴预报思路和着眼点根据沙尘暴天气发生的气候背景、地表、地形条件、环流背景、影响系统、动力和热力条件以及要素场特征等条件，在日常预报业务中进行沙尘暴预报时一般按以下思路进行考虑。详情进入⑴分析前期的气候背景，是否长期干旱少雨，气温偏高；土壤、植被、雪盖等状况并进行历史对比，如果对比结果是干旱少雨，气温比历史同期高，土壤干燥松散、植被雪盖面积较常年少，则有利于沙尘暴天气的出现。

⑵参考气候预测和中期预报产品结论，掌握沙尘暴天气可能出现的时段。

⑶分析天气图实况和国内外数值预报产品，从环流背景及其演变入手，寻找可能造成沙尘暴的主要影响系统，分析其形态、强度、发展变化、路径及不同层次、不同系统之间的配置和制约关系等。考虑其可能影响的时间和范围。

⑷3～5d的中期预报中要分析高空环流形势，上游地区式是否有冷空气的活动，地面冷高压和冷锋的强度及发展和移动情况，根据前面（本章8.3节）叙述的不同路径冷空气的环流及特征确定其移动路径、强度和影响范围，用数值预报结果推断其影响预报区域的时间。同时注意地面气温的回暖情况。

⑸在1～2d的预报中根据形势场演变确定锋面过境的时间以及发展情况，沙尘暴多发生在地面有冷锋过境时或过境后，冷锋在午后到前半夜过境最有利于沙尘暴的发展加强。并根据要素场分析判断是否有利于大气不稳定层结的形成，沙尘暴爆发前期增温显著，从地面到对流层中层持续增温大于等于10℃，有时24h增温达7～8℃，当有冷空气侵入时，容易形成大气层结的不稳定。有利于大风沙尘暴的产生。开始关注云图上锋面系统的变化。

⑹利用卫星、雷达、自动观测站等遥感图像资料及有关常规和非常规信息资料监视和分析影响系统（特别要关注中尺度系统）的发生、发展和上游地区沙尘暴实况及其演变动态。通过物理量诊断分析看是否具有出现沙尘暴的有利的动力和热力条件。

⑺分析要素场的异常变化情况。在6～12h的短期预报中要注意地面△P3场和不稳定条件的发展情况。参照本章8.4节中关于稳定度的描述。在中高纬度风场与气压场基本满足地转风、梯度风关系，因此在预报大风沙尘暴时应该注意气压场的变化。当地面气压场中气压梯度加大时，风力一般要加大。地面天气图上最直接的反映是地面冷高压强，冷锋等值线密集，锋面前后3h变压增大，锋前为比较强的负变压区，锋后为正变压区，正负3h变压中心的连线为大风沙尘暴移动的方向。在3h以内的临近预报中要主要分析冷锋前后△P3的强度、移向、乃至锋前△P3的变化，要密切注意冷锋前后冷暖空气活动、上游地区天气实况以及遥感监测沙尘移动情况。

⑻注意不同下垫面及特殊地形的影响。当空气通过峡谷地带时风速会加大，流出峡谷时风力会减小（如河西走廊的狭管效应）；另外当冷空气越过高山时在下坡的时候位能转化为动能也容易加大风的强度（如冷空气越过天山）。

⑼分析和判断影响系统过境的时间及日变化的增（减）幅作用。

⑽充分利用国内外的数值预报，特别是沙尘暴模式的产品和有关释用产品。

⑾隐藏8.6.2沙尘暴预报方法介绍常见的几种天气气候学预报方法⑴概念模式预报

概念模式是对观测现象的结构、机制和生命周期了解的概括。在许多情况下，它可以用来改进主观外推预报，在对沙尘暴天气观测事实的基础上分析其影响系统的空间结构，对沙尘暴形成物理机制和演变过程进行总结概括，形成预报概念模式，进行预报。

⑵物理模式预报

根据沙尘暴形成的物理条件，概括为分析规则，进行预报，这种概括结果，也称物理模式。

⑶沙尘暴落区预报

将某预报对象出现时，反映预报因子的一些特征线表示在天气图上，根据综合这些特征线的范围来确定预报对象未来可能出现的区域就是落区预报方法。实践表明，沙尘暴天气的形势特别是要素场，往往在它发生前6h发生跃变。这个跃变对沙尘暴预报很有指示性。为了取得较好的预报效果，表征构成落区的各种特征值（线），最好用沙尘暴天气发生前6h内的实况资料或数值模式预报输出的产品，作为落区预报中物理参数的特征值。.统计学预报锋后型强沙尘暴的云图特征⑴相似模拟法：沙尘暴的产生和发展变化总是与天气形势变化密切相关的，而天气形势特征集中反映在各气象要素场的形态、配置和强度特征等方面。因此按照一定标准客观描述这些特征，即可从众多的历史资料中找到相似的个例集。尔后，对实时天气用等效模拟的方法作出预报，这种方法称为相似模拟法。

⑵相似判别法：从大量样本中，把相似个例分类，对每类起始时刻的一些因子(参数)确定数值，在预报时用实时因子加以判断，这就称为相似判别法。

例1：沙尘暴天气的归类判别分析预报模式(内蒙古自治区气象台)

在分析了历史上40年发生在内蒙古中西部地区的37次沙尘暴天气过程的基础上，总结归纳了4类大气环流类型。参考T.L.Saaty提出的综合选优的方法，建立判别矩阵，然后计算归类判别函数，根据判别函数值判断实时待判样本的归属。参照归属类历史沙尘暴的天气形势和实况出现的范围和强度作出沙尘暴天气预报。该模式2000年开始应用于内蒙古地区的沙尘暴天气预报业务中，取得了较好的预报效果。它是一个客观化、定量化和计算自动化的实用的预报模式。

例2：宁夏区域性强沙尘短期预报系统简介(宁夏气象防灾减灾重点实验室)

通过对产生强沙尘暴天气三大因子的实时诊断，从强冷空气、热力不稳定和近地层环境分析入手，依据宁夏强沙尘暴天气预报的着眼点，在较全面地对产生强沙尘暴天气的三维空间物理结构和动力过程所进行的动力过程相似检验前提下，通过渗入有明确天气学意义并对宁夏强沙尘暴有实际预报能力的综合指标和组合模型，在天气系统自动识别技术的支持下，应用螺旋度修正方案确定强沙尘暴落区，建立自动、客观化的宁夏强沙尘暴天气监测和预报系统。

通过诊断分析对主要影响系统的水平和空间结构及其相互配置和相互作用有了深层的理解；对不同时段、不同地区成沙原因进一步的了解。

诊断分析表明：蒙古气旋非常深厚宽广、强度强；冷锋附近中低层有强辐合，高层与高空急流相伴有强的辐散，锋前上升运动强劲，锋后为大片下沉区，锋区附近温度、se水平梯度大。

各地沙尘天气发生发展各具特点，沙尘天气的产生原因包括：上游沙尘高空输送沉降（如北京）；本地热力作用、锋面抬升及上冷下暖造成的不稳定；气旋、锋面附近大风及锋后因下沉气流导致的近地面辐散大风。物理量诊断物理量的诊断分析包括：大气稳定度、涡度和涡度平流、温度和温度平流、垂直运动及地形抬升作用、散度及高低空散度差、风垂直切变、各种能量、气压和温度的变化和梯度、螺旋度等，在本章8.4节中详细进行了介绍。需要注意的是，物理量的分析在沙尘暴预报中虽然有其普遍的意义，但在不同的天气系统、地形条件和季节下其作用和影响程度有一定的差异，因此各地要根据本地沙尘暴天气中所反映出的物理量特征进行调整。.数值预报产品释用利用模式输出产品，对沙尘暴天气的形式场、要素场及物理量场进行分析，建立预报方程或规则，进行沙尘暴天气的预报。常用的方法有：PP法、MOS法、人工智能系统等。

中央气象台基于T213的物理量诊断数值预报产品释用实例介绍（沙尘暴短期PP预报方法）：通过对历史沙尘暴个例的诊断分析，找出与沙尘暴发生发展有较好对应关系的7个物理因子及其阈值，并找出3个不利于沙尘暴发生发展的修正因子；在此基础上，根据T213预报的物理量的多少自动制作沙尘暴短期落区预报。7个物理因子如下：理查逊数≤10，500和700hPa之间的风速切变≥6m/s；700hPa的水平风速≥12m/s；海平面气压场的变压风≥2.5m/s；地面平均风速：南疆盆地取值为≥4m/s，其它区域取值为8m/s；摩擦速度≥0.2m/s；温度平流≤1.5*10-5K/s。3个不利于沙尘暴发生发展的修正因子因素：⑴地表植被覆盖率；⑵地表积雪：若有积雪，则认为不会出现沙尘天气；⑶预报降水：若T213预报有≥2mm的降水，则认为不会出现沙尘天气。

沙尘暴24h预报判断：F=格点所满足的因子个数×（1-植被覆盖率），即植被覆盖率越低，越易出现沙尘天气.对任一格点，若F≥4个，则认为该格点有可能出现沙尘天气。数值预报数值预报模式是进行沙尘暴研究和预报的一个有效途径和未来的发展趋势，相对于其它预报方法，数值预报模式更具有客观性，预报时空分辨率更高，对沙尘暴物理机制的描述也更精确。目前沙尘暴数值模式大部分还处于研究阶段，主要进行沙尘暴物理机制的研究和各种模拟实验，大量的采用卫星遥感资料和特种观测资料，充分利用GIS信息，对沙尘暴的认识有了很大的提高。

在沙尘暴数值模拟和预报方面主要进行起沙机制、沙尘输送和沉降的研究和模拟，通过对下垫面沙源分布的情况、风蚀过程、边界层临界速度、最大摩擦速度、水平和垂直的沙尘输送过程等方面进行研究和分析。在这些研究工作的基础上也有少数的模式投入业务应用中，如中央气象台的沙尘暴数值预报模式业务系统：考虑到沙尘现象发生的物理机制，集成的数值预报系统包括四个部分：大气预报模式、风沙模式，陆面模式、地理信息系统及遥感监测，该模式不仅考虑了风力等大气条件对沙尘天气产生的作用，还考虑了沙源地区的起沙动力过程、沙尘的传输和沉降过程。在业务工作中有一定的指导意义。兰州干旱气象研究所和中国气象科学研究院数值预报研究中心合作研制的耦合于GRAPES（Global/RegionalAssimilationandPredictionEnhancedSystem）的沙尘暴数值模式GRAPES-SDM。该模式包括沙尘的起沙、传输、吸湿增长、并合、干沉降与云下清洗等详细的物理过程。可以对沙尘暴的起沙和空气中沙尘浓度进行模拟和预报。在此基础上形成了西北地区的沙尘暴数值预报模式系统，并于2005年4月开始在兰州中心气象台试运行，同时还将模式结果与卫星遥感资料反演的沙尘暴监测结果进行了对比验证。结果表明，模式输出的沙尘时空分布与实况观测和卫星云图监测的沙尘分布范围基本一致。

一般沙尘数值预报输出的主要物理量有：

(a)沙尘浓度，单位：[µg/m3]，物理意义：描述大气中沙尘含量的物理量是C[µg/m3]，即单位体积中沙尘的质量。其量纲为[ML-3]，1mg=103µg。C越大，大气中的沙尘浓度就越高，能见度越低。

(b)摩擦速度u*，单位：[m/s]，物理意义：摩擦速度u*是与大气环流条件和近地面层空气运动性质有关的量，表示近地面层雷诺应力大小。当u*≥u*t（临界摩擦速度）时土壤表面的颗