您当前的位置是:首页 > 直属单位 > 防沙治沙工程管理中心 > 应急管理
 
内蒙古沙尘暴发生规律及预报预测方法
发布时间:2011-06-03     来源:内蒙古自治区气象局      作者:

   一、沙尘暴的定义、标准

   按照2006年最新颁布的《沙尘暴天气等级》国家标准,沙尘天气共分5级,1级是浮尘,2级是扬沙,3级是沙尘暴,4级是强沙尘暴,5级是特强沙尘暴。

   浮尘天气是指当天气条件为无风或平均风速≤3.0m·s-1时,尘沙浮游在空中,使水平能见度小于10km的天气现象。

   扬沙天气是指风将地面尘沙吹起,使空气相当混浊,水平能见度在1~10km以内的天气现象。

   沙尘暴天气是指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。强沙尘暴是指大风将地面尘沙吹起,使空气非常混浊,水平能见度小于500m的天气现象。

   特强沙尘暴是指狂风将地面尘沙吹起,使空气特别混浊,水平能见度小于50m的天气现象。

   二、内蒙古沙尘暴的气候特征

   1、时间分布特征

   根据扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气过程发生频数的统计规则,对这三种强度的沙尘天气现象做了统计。从沙尘天气过程频数变化趋势曲线可以看出扬沙、沙尘暴和强沙尘暴的变化趋势基本一致,即:从20世纪50年代中期开始到60年代中期呈上升趋势,随后直至20世纪末呈下降趋势,从2000年开始有呈现上升趋势。(图略)

   在1954~2007年间,20世纪70年代是扬沙和沙尘暴的最频发年代,60年代是强沙尘暴最频发年代,90年最不频发。值得关注的是在2001~2007年间,扬沙、沙尘暴和强沙尘暴的发生频数均超过了1954~2007年的平均值,特别是强沙尘暴的发生频数与20世纪70年代持平。

   对内蒙古地区扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气过程的月平均发生频数(1954~2007年平均)统计结果表明春季(3~5月)是沙尘暴天气现象最频发季节,其次是冬季(前一年12月到当年2月),不频发时段是夏秋两季(图略)。

   各季节扬沙、沙尘暴、强沙尘暴天气过程发生频数占全年发生频数的百分比。春季占全年沙尘天气现象的76%以上,特别是强沙尘暴占全年发生频数的85.6%。

   2、空间分布特征

   1954~2007年平均内蒙古春季沙尘暴发生日数分布图显示沙尘暴的多发范围在内蒙古的中西部地区,最频发地区为阿拉善盟的拐子湖和额济纳附近区域,平均春季沙尘暴发生日数超过4日,最频发站是拐子湖,54年平均春季沙尘暴发生日数为4.9日。东北地区是沙尘暴的不频发区域,平均为0~1日。

   内蒙古春季沙尘暴各年代的空间分布具有不同特征。1954~1960年间有两个频发中心,一个在阿拉善盟的吉兰泰和乌海市附近地区,吉兰泰的平均发生日数为8.0日;另一个在开鲁和通辽市的附近,开鲁的平均沙尘暴日数为5.6日。从20世纪60年代的分布图可以看到三个频发区域,一个仍在吉兰泰和乌海市附近地区,吉兰泰的平均发生日数为6.9日;第二个在乌兰察布市的四子王旗附近,四子王旗的平均沙尘暴日数为6.8日,第三个在赤峰的翁牛特旗及附近地区,翁牛特旗的平均日数为7.4日。20世纪70年代沙尘暴多发中心有所变化,一个中心在阿拉善盟的拐子湖附近地区,拐子湖的平均沙尘暴日数为6.1日;另一个中心在鄂尔多斯市附近地区,鄂尔多斯市的平均日数是5.5日。在随后的80年代和90年代中,沙尘暴的空间分布与70年代大致相似,发生日数比70年代有所减少。在进入21世纪的前7年间,沙尘暴的发生频数和空间分布较其他年代有明显改变,频数增加,频发范围明显扩大,两个显著的频发中心分别位于阿拉善盟的拐子湖及附近大片区域和锡林郭勒盟的浑善达克地区,拐子湖的平均沙尘暴日数达到8.7日,苏尼特左旗的平均日数是9.0日。

   三、沙尘暴主要影响系统分型

   造成我国北方强沙尘暴的天气系统归纳概括成冷锋型、蒙古气旋型、蒙古冷高压底部倒槽型和干飑线+冷锋混合型4种类型。

   四、沙尘暴移动路径

   东亚地区两个主要的沙尘源地分布位于南疆盆地以及蒙古南部、内蒙古西部地区,另外,我国西北荒漠化地区也能够为沙尘暴提供沙尘源。沙尘暴的移动路径基本上源自或途径这些地区,另外,冷空气爆发路径则是影响沙尘暴移动路径的主要因素。影响我国的沙尘暴的移动路径主要有三条,分别为西路、西北路、北路。其中,西路为从南疆盆地沿青藏高原北侧向东经河西走廊向东传播,其中一个分支进入柴达木盆地。西北路从阿尔泰山南麓、准噶尔盆地出发,沿天山山脉北麓、河西走廊以北到达青藏高原东北侧;其中一个分支继续沿西北~东南走向经黄土高原到达华东地区的北部(山东、江苏等地)。以上两条路径基本上为冷锋过程影响。北路从萨彦岭山地南麓沿西北~东南方向经过蒙古西部、南部、内蒙古中西部,到达华北地区,另一分支沿折而向东、东北经过内蒙古东部偏南地区,东北中部、南部地区。北偏东路源于蒙古国,沿西北~东南方向进入内蒙古东部、东北地区。这两类过程的影响系统多为蒙古气旋。

   沙尘暴形成后,大部分沙尘粒子在沙尘源区附近沉降,但有相当部分沙尘被高空气流输送至不同距离的下游地区沉降,通过远距离传输,不仅使沙尘气溶胶在大气中的滞留时间大大增加,也使沙尘暴的影响范围极大地扩展。

   五、影响沙尘暴的三个主要因素:

   沙尘源、地面大风、层结条件是三个最重要的天气因子,本质上决定着沙尘暴的形成与否。

   1、内蒙古主要沙尘源地

   内蒙古中西部是影响我国沙尘暴的主要沙尘源地之一,沙漠、沙地是其主要的供尘区。内蒙古中西部沙漠、沙地主要包括:巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布其沙漠、毛乌素沙地和浑善达克沙地。这些沙漠和沙地是沙尘暴发生和发展的永久性存在的沙源。

   2、影响沙尘暴的下垫面因子

   沙尘暴受多种下垫面要素影响,概括起来,影响沙尘暴过程的下垫面因子主要包括:地形地貌(如山脉、丘陵、平原、坡度、坡向)、土地利用状况、地表侵蚀强度、表面粗糙度、沙漠化状况、土壤的结构和质地、土壤含水率(干燥度)、植被的组成和结构、植被覆盖度等。

   2.1地貌

   内蒙古中西部地区地貌大致可以分为四种类型,沙漠沙地区(包括内蒙古中西部各大沙漠沙地及其边缘地区);高平原区(包括阿拉善高平原区、巴彦淖尔高平原区、锡林郭勒高平原区);山地丘陵区(包括阴山山脉周边地区和准格尔丘陵区);平原区(包括河套平原、土默特平原等地区)。通过统计不同地貌类型区的沙尘暴日数,得到其基本特征为:沙漠沙地区(17.0)>高平原区(10.3)>山地丘陵区(7.6)>平原区(4.5)

   2.2 植被覆盖

   地表植被覆盖对沙尘暴具有直接影响。当地表植被覆盖率下降时,地表裸露部分增加,植被对表层土壤的保护能力降低,土壤中的细小颗粒更容易被强风刮起,进入大气产生沙尘天气。因此,植被覆盖率是影响沙尘暴的重要下垫面因子。

   2.3 土壤水分

   地面起沙受到多种因素的影响,其中,风速和土壤水分是决定特定地点是否起沙的关键因素。地面风速越大,土壤水份越低,则越容易产生起沙,因而两者是相互制约的关系。

   2.4 其他下垫面因素

   冬春季积雪和土壤表面冻结也一定程度影响沙尘暴的发生,积雪覆盖沙质地表,土壤冻结则可稳定土壤含水量,降低土壤疏松度,制约地面起沙,因而均不利于沙尘暴的发生。相关研究表明,冬春季积雪日数、积雪覆盖度均与冬季和初春沙尘天气次数呈负相关关系。

   3、 地面大风

   3.1 起沙风速

   地面大风是影响沙尘暴的最为关键的因素。地面大风导致地面起沙,是沙尘暴形成的基础。与地面起沙密切相关的是起沙风速。这一风速因下垫面特征不同而存在一定差异。

   3.2 地面大风与沙尘暴强度

   当地面风速大于起沙风速的情况下,风速越大,刮起的沙尘粒子越多,沙尘天气的强度越大。可见地面风速与沙尘暴强度具有明显的相关关系。

   3.3 地面大风与天气系统

   在沙尘暴触发过程中,地面大风是最为重要的影响因素,而在沙尘暴形成之后,沙尘暴发展、持续阶段地面大风与沙尘暴强度的关系,随天气系统的不同而具有不同的特点。

   3.4 地面大风成因

   在不同天气过程中,地面大风的成因有着明显的区别,就沙尘暴天气过程而言,环境大气异常干燥、湿度小,难以产生降水等特点决定了沙尘暴过程中,地面大风的成因具有不同于其他天气过程的特点。

   4、层结条件

   六、沙尘暴预报预测方法

   1、沙尘暴预报着眼点

   1.1纯冷锋型

   ①纯冷锋型为天气尺度系统,系统发展和移动对生成地及其下游地区均产生较大影响。

   ②具有典型的2型冷锋的垂直结构,锋面陡立,700hPa以下接近垂直;500hPa冷槽附近锋区温度梯度可达到20℃~40℃/500km,平流交角达到60度~90度,低层锋区接近南北走向。

   ③锋前上升运动可达对流层中上层(400hPa以上),上升运动存在两个中心,分别位于对流层低层(700hPa)和中层(500hPa)

   ④冷锋后有强气压梯度,气压梯度可达到15~25hPa/500km,冷平流强烈,锋后降温剧烈。

   ⑤锋后为西北大风,沙尘暴区自西北~东南方向移动。

   ⑥沙尘暴区位于冷锋中段锋后,与地面大风区位置一致。

   ⑦沙尘暴区行星边界层高度达到2500~3000m左右。

   ⑧冷锋北端有时伴有蒙古气旋活动,但气旋6小时中心气压下降≤6hPa。

   ⑨沙尘暴在午后到傍晚最强,入夜后明显减弱。

   1.2蒙古气旋型

   ①蒙古气旋型为天气尺度系统,系统发展和移动对生成地及其下游地区均产生较大影响。

   ②蒙古气旋以蒙古气旋的强烈发展为主要特征,气旋强烈加深在地面强风形成中起着重要作用;气旋强烈发展阶段12小时加深率>6hPa,平均为8.8hPa,最大加深率为15hPa;气旋暖区及冷锋后为西南大风或偏西大风,冷锋后降温较弱。

   ③蒙古气旋冷锋可在气旋暖区中激发出中尺度气压扰动,导致强沙尘暴在冷锋前出现;蒙古气旋移入东北平原后,常常形成锢囚,沙尘区可出现在气旋东北象限或气旋北侧。

   ④蒙古气旋强烈发展时段有时出现在夜间(20时到次日08时),与太阳辐射的日变化关系不密切。

   ⑤沙尘暴区多呈现东西带状,沙尘暴带自西向东伸延,与气旋中心移动路径关系密切,沙尘天气区多为涡旋状,遥感图显示沙尘区为涡旋状。

   ⑥高空槽常常形成切断,同时,常出现对流层顶的折叠及高空位涡下传,高空位涡下传可达对流层中层,成为诱发蒙古气旋发展加强的重要原因。

   ⑦气旋冷锋后地面风向经历从西北~偏西~西南转变,沙尘暴和沙尘天气区可与地面西南风伴随,地面大风区多位于气旋南侧。

   ⑧强上升运动区分布于对流层大部(800~300hPa),中心位于500hPa,空间分布表现为涡旋状分布于气旋区。

   ⑨沙尘暴区行星边界层高度达到3000m以上,高于冷锋过程。

   ⑩沙尘区对流层低层相对湿度小于50%

   1.3高压底部型

   ①蒙古冷高压南部倒槽型强沙尘暴是由蒙古冷高压与河西暖倒槽相互作用触发的,蒙古冷高压南压和地面倒槽向北发展是天气系统发展过程的重要特征。

   ②高压底部型介于天气尺度与中α尺度之间,沙尘暴区局限在内蒙古西部、甘肃等地,范围较小,稳定少动,持续时间较长(可达2~3天),伴随着气温缓慢下降。

   ③高空锋区较为平直,在40~45ºN纬度带,90~115ºE形成准静止锋(或静止锋波动)。

   ④对流层低层的强劲东风是沙尘暴过程的重要特征。

   ⑤对流层低层相对湿度大于其他沙尘暴过程(50~60%),有时可产生少量降水。

   ⑥对流层低层辐合明显强于中层辐散,上升气流自动向西爬升,在650hPa附近折而向东并继续爬升,可将沙尘上扬至500hPa并向东传输。

   ⑦850hPa有时出现边界层急流(16m·s-1)。

   1.4干飑线型

   ①干飑线型沙尘暴是干飑线或中尺度低压和冷锋相伴产生的,冷锋的发展对干飑线有激发作用。

   ②干飑线首先触发强风和沙尘暴,其后冷锋加速赶上干飑线,导致大风及沙尘暴再度加强。

   ③干飑线为中尺度系统,在我区出现次数较少,西北地区较多。

   ④大尺度环流背景与冷锋型类似,干飑线型高空槽的南伸更为明显。

   ⑤干飑线型沙尘暴发生时,出现气压陡升、气温剧降、湿度上升等剧烈地面气象要素变化。

   ⑥干飑线云带呈南北向,成熟时约为1~2个纬距,长宽之比约为3:1,中心有1~2个冷温中心,云带的东边缘呈弧状,在弧状云线上有很大的亮温梯度。

   近几年中国气象局数值预报创新基地开发了具有我国自主知识产权的新一代数值预报模式GRAPES,也基于该模式建立了沙尘数值预报模式GRAPES_DAM。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。该系统于2006年在内蒙古气象台调试成功并开展了实验运行,通过对2005年4月17~19日和5月28~29日发生在西北地区的2次强沙尘暴的模拟及与卫星遥感资料反演的沙尘暴进行的对比验证表明,模式模拟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,说明该模式系统对西北地区沙尘暴天气的起沙、传输有较好的模拟和预报能力。

   2、内蒙古春季沙尘暴气候预测着眼点

   目前气候预测的物理机制尚不十分清楚,人们对短期气候过程的认识还非常有限,特别是在诸多气候影响因子之间存在着比较复杂的非线性的综合影响时,做出肯定的预测结论是相当困难的事情。因此,对于内蒙古地区春季沙尘暴短期气候预测方法的研究还有待于通过加深对各种物理因子的不断认识以及对各种物理过程研究的不断完善来逐步提高预测方法的有效性和准确性。但是当前对内蒙古春季沙尘暴短期气候预测的预测信号和预测着眼点已有一些研究结果。

   2.1降水和气温

   前一年内蒙古地区年降水量与来年春季沙尘暴天气过程发生频数之间存在显著的相关性,因此,前期降水可以考虑作为内蒙古春季沙尘暴预测的一个预测因子。考虑到沙尘暴季节预测对观测数据时效性的要求,春季的同期降水并不能为春季沙尘暴的提供任何预测信号。

当地的前期气温并不能为来春的沙尘暴季节预测提供有效的预测信号。

   2.2大气环流场中的预测信号

   利用中国国家气候中心发布的74项环流特征量资料和美国国家海洋与大气局(NOAA)发布的各种气候变化指数,分析不同季节的环流特征量和气候指数与内蒙古春季沙尘暴之间的关系,结果发现前期北半球不同区域的副高活动、亚洲区域的极涡活动、西藏高原的位势高度、印缅槽、全球平均温度和太平洋暖池海温指数与我区春季沙尘暴天气过程的发生频数之间存在显著的相关关系。

   2.3春季沙尘暴季节预测的着眼点

   根据上一节的分析,大尺度的温度场和气压场可以为内蒙古春季沙尘暴的预测提供有用的预测信号。在做内蒙古春季沙尘暴的季节预测时应重点考虑的预测因子包括:内蒙古地区前一年的降水量;考虑北半球、南海和西太平洋副高的面积强度等指数,前一年亚洲区极涡的面积指数,西藏高原位势高度指数,印缅槽指数;前一年500hPa等压面上区域15N-15S;60E-180E的温度,海温区域R1(5N-25N;210E-250E),R2(30S-15N;60E-100E)和R3(20N-40N;185E-220E)的海温;在前一年500hPa等压面上,区域R1(25N-25S;60E-270E)和海平面气压场区域R1(20N-40N;80E-100E),R2(65N-75N;150E-200E)和R3(50S-75S;0-210E)的气压的EOF分解的特征值,或不同区域的区域平均气压或两个区域的气压差作为预测因子指标。使用不同的因子组合将会产生不同的预测结果,为了确定最佳的预测因子组合,建议先采用多元逐步回归方法对因子进行筛选,然后使用筛选出的最佳因子集建立预测方程进行预测。