河西走廊东部一次沙尘暴天气过程分析及其对农业的影响

孙占峰，李玲萍，刘明春，曾 婷

（甘肃省武威市气象局，甘肃 武威733000）

沙尘暴是中国西部地区春季极易发生的一种灾害性天气，具有突发性、持续性和危害大的特征，尤其是在河西走廊东部，近年来冬春连旱频繁发生，春季干燥裸露的土地以及丰富的沙源，在河西走廊狭管效应的作用下，沙尘暴发生的强度和频率较其他季节更大。相关学者对河西走廊东部的沙尘暴气候特征、动力条件以及物理量的诊断做过大量详细的研究，如李岩瑛等［1］认为河西走廊东部的沙尘暴主要集中在3—7月，其中3—5月的沙尘暴强度最强，灾情严重，而沙尘暴发生的年度频率与当年是否有ENSO现象发生有关；高振荣等［2］认为近55年来河西走廊沙尘暴时间演变表现为显著的递减趋势，各区域沙尘暴月变化表现为单峰型，即4月最多，9月最少；李红英等［3］认为河西走廊出现沙尘暴时，其上空螺旋度的垂直分布存在着上负下正的特征，随着高层螺旋度负值区域中心的增大，沙尘暴区域亦在增大，且与出现区域沙尘暴的时间相吻合；狄潇泓等［4］认为沙尘暴是在大尺度有利环流形势条件下由中尺度系统激发的，而高空急流振荡合并对沙尘暴发生起到重要作用；杨晓玲等［5］认为河西走廊东部沙尘暴发生时的典型环流形势可以归纳为西北气流型、西南气流型和西风气流型3类。

沙尘暴的发生具有共性，但是每年每次沙尘暴的发生都有其独特性，在沙尘暴逐年减少的趋势下，2018年受拉尼娜事件影响，河西走廊地区气候异常，沙尘暴出现次数较近年来增多，其中5月大风沙尘天气暴发频率尤其增多。本研究着重分析了2018年5月18日出现在河西走廊东部的一次局地性大风沙尘暴天气，此次过程是5月最强的过程，民勤县最小能见度一度下降到400 m，极大风速达21.2 m/s，给当地社会经济发展和农业带来很大影响，同时相比以往在河西走廊地区发生的沙尘暴过程来说，此次过程从开始到结束仅经历4 h，同时此次沙尘暴也只出现在河西走廊东部的民勤县，具有历时短、范围小的特点，因此非常有必要对此次过程进行详细的分析，以期为气候变化情况下此类天气的预报、预警服务工作总结经验。

1 天气实况

民勤县位于甘肃省河西走廊东部，西北与巴丹吉林沙漠相连，东侧与腾格里沙漠接壤，常年降水稀少，气候干燥，一年四季均有沙尘暴发生的记录，是中国沙尘暴发生频率较高的地区之一。2018年5月18日，受高纬度强冷空气分裂东移影响，河西走廊东部民勤县出现大风沙尘暴天气，平均风速为11.5 m/s，最小能见度仅为400 m，相比近年所发生的大风沙尘暴天气来说，此次过程具有暴发迅速、持续时间短、影响范围小的特点。

2 资料与研究方法

所用资料包括此次沙尘暴天气过程中河西走廊东部凉州、民勤、永昌3个观测站逐小时观测资料、MICAPS资料、NECP/NCAR全球再分析资料等，分析范围以103°00'E、36°48'N（民勤站位置）为中心，诊断分析中物理量时间-空间剖面图也以103°00'E、36°48'N为中心进行分析。

3 天气气候背景

3.1 下垫面温湿状况

5月18日大风沙尘暴过程前17 d，河西走廊东部凉州、民勤、永昌3个站点温度较高（图1），其中民勤最高气温达35.8℃，凉州达36.2℃，而1959—2017年记录显示，民勤5月最高温度为35.2℃，凉州为34.2℃，均低于2018年5月的最高温度。2018年5月1—17日河西走廊东部各站有效降水量较少，其中凉州有效降水量仅为0.1 mm，民勤为0.9 mm，位于山区的永昌也仅为2.1 mm，远低于历史同期的平均值。可见前期河西走廊东部各地温度明显偏高、降水稀少，能量在当地有所集聚。

图1 2018年5月1—17日河西走廊东部3个站点温度变化曲线

地面温度露点差反映了近地面大气干湿状况，从5月1日开始河西走廊东部各站温度露点差均较大，最高达32℃，平均在5℃以上，可见在此次大风沙尘暴之前河西走廊东部近地面大气比较干燥。由于前期温度偏高、干旱少雨，使得近地面大气干燥，加剧了土壤水分的蒸发，导致地表土质干燥、疏松，且沙漠中植被稀少，为沙尘暴提供了丰富的沙尘来源。

3.2 环流形势分析

从环流形势来看，此次沙尘暴发生前，500 hPa高空表现为两槽一脊形势，深厚的冷槽中心位于新西伯利亚地区，中心温度达-36℃，而造成本次沙尘暴天气的冷空气来自这个深厚槽底端分裂的冷空气。利用NECP/NCAR每6 h观测资料绘制18日2—20时河西走廊东部上空500 hPa温度场和高度场的演变图，可以清晰地看出此次过程的发生、发展和结束。

18日2时500 hPa（图2a）高纬度深厚冷槽还未进入中国境内，而深厚冷槽底部的冷空气在青海北部形成一个较深的小槽，影响范围包括青海北部、甘肃河西走廊西部，与该小槽配合的温度槽并不明显，相反槽内存在暖平流，未来该小槽将减弱并东移北抬，这一点在8时的形势场（图2b）上得到了证明。8时该小槽北抬至河西走廊东部，开始影响永昌县、民勤县，但此时小槽后形成一个温度槽，未来将有冷空气补充到小槽中，增加小槽的深度和强度，为后续局地大风沙尘暴天气的产生提供充足的动力。14时（图2c）河西走廊东部上空等温线和等高线夹角较2时和8时明显减小，可见此时该小槽已经逐渐发展到最深阶段，未来将经历稳定至减弱的过程，而本次沙尘暴暴发时段为16时，也与高空形势的发展相匹配。20时（图2d）小槽已经北抬进入内蒙古境内，高空温度线与高度线逐渐趋于平行，至此，本次短历时沙尘暴过程也趋于结束。

700 hPa温度场（图略）也充分地反映了本次过程的特殊性，18日8时之前河西走廊东部上空一直维持弱的暖平流，不利于槽加深和锋生，在14时河西走廊东部上空转为弱冷平流控制，到20时影响槽完全北抬移至内蒙古境内，弱冷平流再次转为暖平流，可见从500～700 hPa造成此次沙尘暴的系统发展演变速度都非常快。

图2 2018年5月18日2—20时河西走廊东部上空500 hPa温度场和高度场演变

而在地面图（图略）上，强大的冷高压位于西西伯利亚地区，中心强度达1 055 hPa，冷高压影响范围偏北，高压前侧有一冷锋，冷锋锋面主要影响的地区是民勤县北面的内蒙古地区，冷锋对河西走廊以及其东部地区的影响不大。从18日17时地面3 h变压的分布图（图3）上可以发现，除河西走廊东部民勤、永昌、武威3 h变压为正以外，河西走廊其余站点3 h变压几乎全部为负，其中民勤变压中心也仅为4.6 hPa，强度并不大，因此本次沙尘暴过程仅出现在偏北的河西走廊东部民勤，其他市县均未出现沙尘暴。

4 物理机制分析

4.1 高空急流演变

图3 2018年5月18日17时河西走廊东部地面3 h变压分布

沙尘暴的发生需要强风、沙源和热力不稳定3个条件同时满足，高空急流则是反映强风的重要指标之一。在沙尘暴来临之前，近地层的风速很小，随高度的升高而增大。由沙尘暴发生前及结束后17日8时至19日8时民勤上空500、400、300、200 hPa高度的风速演变图（图4）可以看出，在此次小范围沙尘暴发生前期高空各层风速都有一个明显的先减小后增大的过程，500 hPa的转折时间点在17日20时，400 hPa在18日0时，300 hPa在18日8时，而200 hPa则在18日14时，对应沙尘暴发生的时间是18日16—20时，可以看出前期各层风速增加的转折点都在沙尘暴发生之前，且200 hPa一直有高空急流存在。

在沙尘暴结束以后，200 hPa的高空急流继续存在且仍然保持增加的趋势，最大风速在19日0时出现，风速达45 m/s以上，而300、400、500 hPa的风速则在18日20时以后逐渐减小，这也反映出高空冷空气移速较快，造成此次沙尘暴的主要影响系统快速过境，而低层风速又不能持续维持较大速度或增长趋势，因此这次过程仅维持了4 h左右就趋于结束。

图4 2018年5月17日8时至19日8时 民勤 上空500～200 hPa高空风速演变

4.2 垂直螺旋度

螺旋度可以很好地衡量风暴入流强弱以及沿其流入方向的水平涡度分量大小的参数，相比于涡度而言，螺旋度包含了更多辐散风效应，可以更好地体现大气的运动状况［6-10］，其值的正负情况反映了涡度和速度的配合程度。螺旋度还与大气的垂直运动有关，对定常的大气大尺度运动，稳定层结下的上升运动对应正螺旋度，下沉运动对应负螺旋度，同时，螺旋度也紧密地与温度平流有关，暖平流对应正螺旋度，冷平流对应负螺旋度。垂直螺旋度是垂直涡度和垂直速度的积，反映了2个与沙尘天气紧密联系的物理量的配合情况，不仅能反映系统的维持状况，还能反映系统发展、沙尘天气的剧烈程度。利用NCEP资料绘制18日2时、8时、14时、20时河西走廊地区上空850～200 hPa垂直螺旋度变化剖面图（图5）可以看出，18日2时（图5a），河西走廊东部民勤上空螺旋度自上往下表现为负，而上游的酒泉、张掖则表现为整层的正螺旋度，且大值中心在700 hPa，中心值为8×104m/s2，辐合上升运动裹挟上游地面的沙尘上升到空中，为本次沙尘暴发生提供了丰富的沙源。18日14时（图5c），河西走廊东部上空螺旋度由前期的负值逐渐转变为正值，且中心值增加至4×104m/s2，对应此时河西走廊东部民勤测站出现沙尘暴天气。到18日20时（图5d），河西走廊东部上空螺旋度逐渐转变为负值，河西走廊东部此次沙尘暴天气过程也逐渐趋于结束。在本次过程中，沙尘暴区上空螺旋度的垂直分布为中高层负值、低层正值，这与相关研究［11-14］所得出的结论一致，并且高层负螺旋度的演变与沙尘暴发生的时间保持一致。

4.3 热力结构分析

除了沙源和动力条件以外，沙尘暴的暴发还需要满足热力不稳定条件，研究使用位温（θ）、假相当位温（θse）和饱和假相当位温（θe）的垂直分布来表征大气层结的热力结构和稳定度。从民勤站3θ线来看，17日20时（图6a）θe达100℃，同时θe随气压上升迅速减小，表明垂直方向的温度递减率非常大，θ和θe在500 hPa高度层以上距离快速接近，低层θse和θe之间距离非常大，表明低层大气极其干燥，有利于低层起沙。250 hPa等压面高度层以下θ和θse几乎垂直于横坐标轴，表明大气层结非常接近绝热状态，并且不稳定层结到达250 hPa等压面高度，可见温度层结促进高空动量下传，而且高低空巨大的温度梯度还将使水平方向风力显著加大，从而诱发沙尘暴天气。至18日20时（图6b），民勤站地面温度迅速减小，θe随气压上升几乎保持不变，表明高低层温度梯度减小，低层θse和θe之间距离缩小，低层大气湿度增加，而大气层结的稳定度增加，沙尘暴发展和维持的动力和热力机制被阻断，因此此次沙尘暴天气过程也接近结束。

5 对农业的不利影响

此次沙尘暴天气发生时狂风裹着沙石，浮尘到处弥漫，空气浑浊，监测到的室外空气含尘量为1 016 mg/cm3、室内为80 mg/cm3，超过国家规定的生活区内空气含尘量标准的近40倍，植物叶面上覆盖着厚厚的沙尘，影响正常的光合作用。

西北地区4月、5月是瓜果、蔬菜、甜菜、棉花等经济作物出苗，子叶生长或真叶期和果树开花期，严重影响了作物产量。据不完全统计，此次受灾农田700 hm2，撕毁农民塑料温室大棚11座及农田地膜等，使得冷空气迅速进入，影响大棚内蔬菜的正常生长，造成直接经济损失达236万余元。

图5 2018年5月18日2—20时民勤上空螺旋度剖面

图6 2018年5月17日20时（a）、18日20时（b）民勤3θ线垂直剖面

大风沙尘暴天气对影响区土地的平均风蚀深度为0.7 cm，不仅刮走土壤中细小的黏土和有机质，而且还把带来的沙子积在土壤中，降低了土壤肥力，对土地生产力造成破坏，对荒漠区植物的萌芽返青也产生了不利影响。

6 小结与建议

在前期降水偏少、气温异常偏高的气候背景下，500 hPa深厚冷槽底部分裂的冷空气、700 hPa弱冷平流和地面冷高压前侧偏北的地面冷锋共同作用造成了此次河西走廊东部历时短、范围小的沙尘暴天气过程。500～200 hPa先减小后迅速增大的高空急流为此次沙尘暴过程提供了充足的动力，而500、400、300 hPa急流经历迅速增加和减小，200 hPa急流持续增加，致使沙尘暴过程快速发生、快速结束。沙尘暴区上空螺旋度的垂直分布为中高层负值、低层正值，前期上游正的螺旋度表明上升运动将上游的沙尘裹挟到空中，5月18日14时民勤站上空也表现为正的垂直螺旋度，说明沙尘在本地又进一步得到补充，从而增加了沙尘暴的强度。沙尘暴发生前，民勤站上空表现为极其干燥的不稳定层结，高低空巨大的温度梯度促进高空动量下传，同时增大水平方向风力，从而诱发沙尘暴发生，而后期大气湿度增加，稳定度增加，沙尘暴发展和维持的动力和热力机制不能得到补充，此次沙尘暴天气过程也接近结束。

因此，气象部门应进一步加强大风沙尘暴天气的预报，并可通过村村通大喇叭等形式第一时间将预报结果通知到影响区农户，使每户种植户提前覆盖草帘等，减轻对设施农业的不利影响。应进一步加大防沙治沙，开展植树造林，大力开展人工增雨雪作业，最大限度增加荒漠区降水量，改善土壤墒情，努力提高植被覆盖率，改善生态环境。