锡林郭勒盟“3·14”沙尘暴天气过程分析

格日乐，哈斯塔木嘎

锡林郭勒盟气象局，内蒙古锡林郭勒 026000

内蒙古自治区是我国沙尘暴天气的多发地，也是沙尘暴天气发生时的主要沙源地之一，2021年3月14—15日内蒙古自治区出现了近10年来最强的一次沙尘暴天气，内蒙古西部大部分地区出现强沙尘暴，中部的锡林郭勒盟等地出现沙尘暴，其余地区出现扬沙和浮尘[1]。沙尘暴在蒙古国南部形成后，由冷空气驱动南下侵入内蒙古，引发了全区的沙尘暴天气。本次强沙尘暴过程有2个特点：一是本次过程的主要影响系统为蒙古气旋和冷锋导致，范围广、强度大、持续时间长。二是伴随沙尘暴，全区大部分出现大风和强降温天气[2]。冷锋后部高压中心的强度达到了1 040 hPa，冷锋过境后全区降温幅度为10℃～12℃，达到寒潮标准。自2020年的冬季以来，内蒙古西部大部分地区降雪持续偏少，土壤干燥，地表冻结程度低，容易起沙。气温回升强盛，造成士壤疏松，当大风出现时，容易形成起沙。地面升温也使得当高层冷空气入侵时容易形成不稳定层结，易于沙尘上扬，形成更强的沙尘天气[3]。另外，前期明显升温与冷空气暴发叠加，使得冷锋强度、地面风速更高，因而出现更强的沙尘暴。

沙尘暴预报是内蒙古地区天气预报员的重要工作内容之一，这是因为沙尘暴不仅对内蒙古工农业生产、人们生活、环境和生态方面，同时沙尘暴往往也会对下游地区产生较大影响。例如3月14—15日的强沙尘暴天气过程影响面积超过380万km2，影响我国西北、华北大部、东北地区中西部、黄淮、江淮北部等地，约占国土面积的40%[4]。

1 天气实况

受蒙古气旋影响，3 月 14 —15日，锡林郭勒盟出现2021年首场大范围大风沙尘天气。锡林郭勒盟西北部地区、南部地区出现沙尘暴天气，其中二连浩特市、苏尼特右旗、镶黄旗、太仆寺旗出现强沙尘暴，最小能见度223～477 m。沙尘暴主要出现在14 日夜间，15 日 08:00沙尘暴减弱为扬沙，午后沙尘天气基本结束。阿巴嘎旗极大风速 28.0 m/s，其余地区极大风速 17.1～25.8 m/s（图 1）。此外，14—15 日，锡林郭勒盟大部地区出现较强降温天气，其中西北部地区及阿巴嘎旗、东乌珠穆沁旗、镶黄旗气温下降 12℃～17℃，锡林浩特、西乌珠穆沁旗、乌拉盖、正镶白旗气温下降9℃～10℃，正蓝旗、太仆寺旗气温下降 6℃。

图1 2021 年 3 月 14—15 日最小能见度分布（a）和地面极大风速分布（b）

2 天气成因分析

此次沙尘暴天气过程是由蒙古气旋和强冷锋共同造成的大范围沙尘暴天气过程。从 3 月 14 日 20:00地面图上来看（图 2a），锡林郭勒盟位于蒙古气旋底部，气旋中心位于(50°N，115°E)，位置略偏北，但是冷锋尺度较大，呈南北向，从呼伦贝尔以西地区一直向南延伸至河套以北地区，沙尘暴区位于冷锋后部，蒙古国一带，而且锋后沙尘区域风速较大。而且气旋后部的冷高压强度强，中心值达到了1 040 hPa，强大的冷气团将自西北向东南方向移动，影响内蒙古大部地区，锋后冷气团的前部有强大的气压密度，大气受到强大的气压梯度力的作用下，地面形成强风，起沙尘暴。冷锋过后从高空环流形势可以看出（图 2b），高空 500 hPa贝加尔湖一带存在径向度较大的高空槽，从 200 hPa到 850 hPa 的整个对流层，随着高度下降，低槽逐渐加深，在700 hPa 和 850 hPa形成切断低涡，向东南延伸。从温度场上来看，500 hPa温度槽落后于高度槽，槽后有强冷锋锋区，对流层的低层，锡盟地区受温度脊控制，而且 700 hPa上锡盟南部地区存在暖中心。锋区强度在对流层中下层非常强盛，等高线与等温线交角随高度下降而增大，典型的斜压结构。而且冷槽后部的温度线梯度较大，尤其700 hPa上，110°E～ 120°E 间温度梯度达到了24℃，冷平流强烈，随着冷锋南压强冷空气将暴发。

图2 2021 年 3 月 14 日 20:00海平面气压场（a）（绿色区域为沙尘暴区）和500 hPa（b）、700 hPa（c）、850 hPa（d）高空形势图（蓝线为位势高度，红线为温度）

3 层结条件

此次沙尘暴的强度分布与地面大风极值分布不一致，这是因为沙尘暴是干对流，除了锋面抬升作用外，有利于起沙的层结条件也是影响沙尘发生发展的主要热力因素。从2021年 3 月 14日20:00二连浩特站的大气层结图（图3）上可以看出，饱和假相当位温随气压下降迅速减小，垂直方向的温度递减率非常高，位温线和饱与假相当位温之间距离大，位温线和假相当位温线 500 hPa以下距离接近，表明大气层结干燥。而且位温线和饱和假相当位温线几乎垂直于横坐标，大气层结非常接近绝热状态，形成混合层，有利于沙尘暴天气的发生。

图3 2021 年 3 月 14 日 20:00二连浩特站的位温（绿色线）、假相当位温（红色线） 及饱和假相当位温（蓝色线）的垂直廓线

混合层是近地面层行星边界层中形成的中性层结区。对混合层的表征包括混合层高度和强度。混合层内空气的深度混合往往导致边界层上下水汽均匀分布，比湿垂直梯度往往在混合层顶突然加大，其下方接近等湿。因此混合层顶是地面以上位温和比湿梯度急剧增大的高度。

图4 给出了本次过程 3 月 14—15 日二连浩特的混合层出现的情况，结合位温和比湿可见，3 月 14 日 08:00 850 hPa附近存在夜间辐射逆温层，20:00则形成了深厚的混合层，混合层高度应在 600 hPa 附近。14 日08:00层结较为稳定，到傍晚时稳定度明显下降，存在日变化。可见，混合层对沙尘暴的形成具有重要影响。

图4 2021 年 3 月 14—15 日二连浩特位温和比湿廓线（位温单位：℃，比湿单位：0.1 g/kg）

4 地面大风与天气系统

此次沙尘暴过程锡林郭勒盟的南部地区也出现沙尘暴天气，其中镶黄旗和太仆寺旗出现强沙尘暴。在沙尘暴触发过程中，地面大风与沙尘暴强度存在密切的关系。图5为此次过程中锡盟南部地区的太仆寺旗站地面气象要素的演变特征。图中可以看到， 15 日00:00之后太仆寺旗站的气压上升，风速增大，温度急剧下降，同时沙尘暴开始形成，能见度开始减小，表明15日00:00以后，冷锋过境，并触发沙尘暴，太仆寺旗站的沙尘暴天气持续了8 h，能见度与地面风速存在非常好的反向关系。

图5 2021年3月14日08:00～15日08:00太仆寺旗地面气象要素演变能见度（a）、气压（b）、温度（c）、风速（d）

5 沙尘暴移动路径

此次冷锋型强沙尘暴的移动路径为北路，沙尘暴发源于蒙古国西部和南部，沿东南方向移动，经内蒙古中部、西部地区到达华北平原。沙尘暴移动路径的形成是大尺度地形和天气系统的影响，导致此次沙尘暴过程的影响系统为地面冷锋[5]。从地面冷锋的移动情况来看，蒙古气旋中心位置偏北，沿着 50°N 纬线向东移动，中心强度变化不大，但是冷锋后，堆积在蒙古国南部地区的强冷空气，随着冷锋东移，直接东南下，经过锡盟的西北部地区，继续影响到锡盟南部地区，而锡盟的东北部地区还处于气旋后部，风力虽然明显加大，但是没有出现沙尘暴天气[6]。

6 结论

针对2021年3月14—15日影锡盟的沙尘暴天气过程观测和诊断分析，其成因主要有以下4个方面。

（1）此次影响锡盟的沙尘暴为冷锋型强沙尘暴过程，气旋冷锋为直接的沙尘暴触发系统。

（2）地面大风的形成受主要气旋发展和锋后冷平流的影响。冷锋后有强大的气压梯度，大气在强大气压梯度力的作用下，冷锋过境后，锡盟大部地区出现大风天气，同时出现沙尘暴。气旋后部的冷高压强度强，中心值达到了1 040 hPa，冷平流强烈，锋后降温剧烈。

（3）干旱地区地面加热形成的深厚混合层是其重要的层结特征，也是有利于沙尘暴发生的层结条件。本次过程中除了锡盟西北部地区外，锡盟南部地区还出现了强沙尘暴天气，主要是因为14日白天南部地区地面温度较高，从700 hPa与850 hPa高空图上看，南部地区存在暖中心，形成了较深厚的混合层，并在冷锋过境时形成深厚干对流并引发强沙尘暴。

（4）此次冷锋型强沙尘暴的移动路径为北路，沙尘暴发源于蒙古国西部和南部，沿东南方向移动，经内蒙古中部、西部地区到达华北平原。