我國北方冷鋒型和蒙古氣旋型風沙天氣過程對比分析

1我國北方罪犯影響系統研究流沙是中國北方的一場重要的災難。它對中國的工農業生產、運輸、人民生活和生態環境產生了嚴重的破壞。同時，它也是氣候變化的一個重要影響因素。20世紀末以來,我國北方乃至東亞沙塵暴呈現出增多的趨勢,使越來越多研究者關注沙塵暴問題。對沙塵暴的研究主要側重于沙塵暴的氣候特征、天氣動力學成因、關鍵影響因素、沙塵的遙感監測、沙塵氣溶膠的監測、沙塵暴數值預報、沙塵暴的環境和氣候效應等諸多方面[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。Brazeletal對1965-1980年美國亞利桑那州沙塵暴過程進行分析研究,結果表明,鋒面、雷暴與對流、熱帶擾動、高層切斷低壓等4種天氣系統能夠引發沙塵暴天氣的發生。Pauleyetal研究認為,與地形密切聯系的背風坡槽、在陡峭地形附近形成的地形強迫地面風,均適宜沙塵暴的形成。劉景濤等系統分析了導致我國北方強沙塵暴的天氣系統類型,并以地面環流系統進行分類和命名,將我國北方沙塵暴影響系統概括為純冷鋒型、蒙古氣旋與冷鋒混合型、蒙古冷高壓型\,干颮線與冷鋒混合型4種類型。在4種天氣系統類型中,干颮線型為中尺度系統,影響范圍較小,多導致局地沙塵暴;高壓底部型穩定少動,同樣導致局地沙塵暴;而冷鋒和蒙古氣旋型為天氣尺度系統,并且通過遠距離傳輸使其影響范圍顯著擴大,同時,它們出現的次數也較多,約占沙塵暴總次數的90%。因此,冷鋒和蒙古氣旋是導致我國北方沙塵暴過程的主要影響系統。對于冷鋒型和蒙古氣旋型這兩類天氣尺度沙塵暴過程,目前多關注蒙古氣旋型,且多著眼于典型沙塵暴過程成因的個例研究。而冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵暴過程在形成、發展和影響等方面存在一些明顯的差異,但這方面的對比研究還不是很多。因此,本文利用2001-2010年天氣觀測資料和NCEP再分析資料等,運用統計學方法對近10年冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵暴過程的時空分布、強度和演變、移動路徑和傳輸方向、影響地區及程度等進行全面的對比分析,深入了解這兩類沙塵暴的氣候特征和規律,以期為應對荒漠化和氣候變化提供參考依據。2選擇數據和時間順序的區分方法2.1地面氣象觀測資料選用的資料包括2001-2010年10年間的氣象觀測資料;沙塵天氣發生時間、持續天數、范圍、最大風速、移動方向、沙塵暴站數和最小能見度等要素的統計采用地面氣象觀測資料,時間為3h一次。2.2冷鋒型和蒙古氣旋型在蒙古氣旋型沙塵暴過程中,氣旋冷鋒與純冷鋒沙塵暴過程的冷鋒具有相似特征。為此,在統計過程中涉及純冷鋒與氣旋的區分問題。本文以地面天氣圖為主,主要通過以下特征區分冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵天氣過程:(1)純冷鋒位于地面高、低壓之間的過渡帶,未穿過低壓中心;氣旋冷鋒穿過低壓中心,并存在顯著的氣旋暖鋒。(2)純冷鋒過程中,沙塵天氣出現在冷鋒后,與地面偏北風或偏西風配合,低壓區附近沒有沙塵天氣發生;蒙古氣旋型過程中,沙塵天氣不僅出現在氣旋冷鋒后,也出現在低壓(氣旋)區,包括其東南、東北象限,可與地面偏南風或東南風配合。(3)蒙古氣旋型過程中,遙感圖上沙塵云呈現渦旋帶狀。圖1為典型的冷鋒型及蒙古氣旋型沙塵暴過程地面天氣圖。3結果分析3.1蒙古氣旋型砂氣運動期特征首先,針對2001-2010年冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵暴過程的發生次數進行了統計。導致沙塵天氣的天氣系統從形成到消亡記為1次沙塵天氣過程。統計得出,10年中冷鋒型、蒙古氣旋型沙塵過程共184次,其中,冷鋒型沙塵過程為110次,約占60%;蒙古氣旋型為74次,約占40%。劉景濤等基于1957-1996年氣象觀測資料所作的沙塵暴統計研究得出,冷鋒型在沙塵暴總次數中約占76%,而蒙古氣旋型則為15%?？梢?近10年間蒙古氣旋型沙塵暴過程出現了明顯的增多趨勢。產生這一變化的內在原因可能與大氣環流的波動有關,仍需進一步深入研究。但是,近年來內蒙古中部地區土地荒漠化程度加劇,客觀上使春季地面加熱增強。另外,由于氣候總體的增暖趨勢也使得該地區春季快速升溫,暖空氣的活躍使春季冷暖空氣交匯過程中形成氣旋的幾率明顯增加。這也與蒙古氣旋多發生在春季而冷鋒多發生在冬季的特點是一致的。冷鋒型、蒙古氣旋型沙塵過程中各月發生次數統計結果(圖2)表明,在2001-2010年間,冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵過程在四季均有發生,主要集中在春季,其中4月最多,3月次之。冬季也出現較多的沙塵天氣過程。3月和4月冷鋒型沙塵過程均為36次;4月蒙古氣旋型沙塵過程發生次數最多(23次),3月次之(20次)。從兩類沙塵天氣過程發生次數的年際變化(圖3)來看,2001-2010年我國北方沙塵天氣過程出現次數呈波動特征,2001年最多,之后明顯減少;2006年有所增加,之后又開始波動減少,2010年略有增加。10年間除2004年和2005年蒙古氣旋型沙塵過程比冷鋒型略多,其余8年中冷鋒型沙塵天氣過程均多于蒙古氣旋型。綜上所述,對于沙塵暴的天氣尺度影響系統,冷鋒的出現較蒙古氣旋更為頻繁。3.2蒙古氣旋型砂氣藏天氣過程對2001-2010年冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵暴過程發生日數進行了統計。冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵暴過程發生日數定義為冷鋒或蒙古氣旋等天氣系統與沙塵天氣同時出現的日數。表1為2001-2010年冷鋒型、蒙古氣旋型影響下各月沙塵天氣日數。從表1中可以看出,10年間冷鋒過程導致的沙塵天氣總日數為169天,而蒙古氣旋影響下出現沙塵天氣日數為124天。兩類沙塵天氣總日數達293天,年平均出現29.3天。從各月的分布來看,4月最多,占全年沙塵日數的1/3以上;冷鋒型沙塵日數在3月略少于4月,約占全年的1/3,5月則為1/5;對于蒙古氣旋型,3月和5月出現的日數相當,分別占26%。另外,6-11月兩類過程均較少,偶爾出現沙塵天氣過程,12月開始沙塵日數逐漸增加,以3月開始的春季達到高峰。對沙塵天氣的持續時間也進行了統計。統計方法為沙塵天氣在我國觀測區域內從開始出現到下游沙塵天氣結束為一次沙塵天氣過程的持續時間。從統計結果來看,一次沙塵天氣過程最多能夠持續3天,最少持續1天;51%的沙塵天氣過程持續1天,所占比重較大。10年間冷鋒型沙塵天氣過程持續1天(54次)和2天(53次)的次數相當,各約占49%,持續3天的過程極少;每次冷鋒型過程平均持續時間為1.54天。3月和4月冷鋒型持續2天的過程較多,這與冷空氣在3月和4月活動頻繁且勢力較強有關,持續3天的僅出現在4-5月;5月冷鋒型持續1天的次數是持續2天次數的2.3倍,這與冷空氣勢力在5月開始減弱有關。對于蒙古氣旋型沙塵天氣過程,持續2天的占54%,持續1天的占39%,持續3天的占7%;平均每個蒙古氣旋型沙塵天氣過程持續1.68天,高于冷鋒型(1.54天)。春季(3-5月)各月蒙古氣旋型沙塵天氣均以持續2天的為最多,特別是4月和5月,蒙古氣旋型沙塵天氣過程持續2天的次數比1天的明顯增多,其中4月蒙古氣旋型沙塵天氣持續2天的次數是持續1天次數的近2倍,同時持續3天的蒙古氣旋型沙塵天氣過程在4月達60%。由此可見,蒙古氣旋型沙塵天氣過程,在4月份最為活躍;隨著春季氣溫回升,暖空氣活動增強,蒙古氣旋產生的沙塵天氣強度也在增大(圖4)。綜上可知,總體上蒙古氣旋型對沙塵天氣的觸發作用要強于冷鋒。3.3蒙古氣旋中心氣流值的季節變化對比分析兩類沙塵天氣過程的天氣影響系統強度,發現冷鋒強度以整個沙塵天氣過程持續期間地面冷高壓中心最高氣壓值表示,蒙古氣旋強度以整個沙塵天氣過程持續期間地面氣旋中心最低氣壓值表示。從2001-2010年冷鋒型沙塵過程中冷高壓中心氣壓值的統計(表2)可知,平均冷高壓中心氣壓值在12月達到最大,到次年5月,冷高壓中心氣壓值不斷減小,此后開始增加?？梢娫诶滗h最強盛的冬季,沙塵天氣并不是最強,在冷鋒平均強度有所減弱時,沙塵天氣開始頻發。在沙塵多發月份,冷高壓中心氣壓值最大達到1063hPa,最小為1015hPa。從2001-2010年蒙古氣旋型沙塵過程中氣旋中心氣壓值的統計(表3)可知,蒙古氣旋中心氣壓平均值從12月開始逐漸減小,在4月達到最低,即從3月開始整個春季蒙古氣旋強度顯著加強,這與春季沙塵天氣開始頻發的時間是吻合的。可見,盡管冷高壓、冷鋒均在冬季達到最強,但由于冬季土壤凍結、積雪覆蓋等原因,并不適宜沙塵暴發生。而春季隨著土壤解凍,土質變得疏松,成為有利于沙塵暴發生的下墊面條件,而春季暖空氣的活躍,一方面使得蒙古氣旋的發生更為頻繁,同時,也為沙塵揚升提供了有利的動力、熱力條件。因此,這些因素是形成上述統計結果的內在原因。3.4最大風速與冷鋒型過程的比較地面大風是影響沙塵天氣強度的重要因素。沙塵天氣過程最大風速是指在沙塵天氣持續期間,沙塵天氣區域內出現的最大風速。對比兩類過程的統計結果(表4和5),發現兩類過程平均最大風速在15~20m·s-1之間,蒙古氣旋型平均最大風速的波動較冷鋒型略小。兩類過程最大風速均出現在4月,而冷鋒型最大風速為32m·s-1,略大于蒙古氣旋型(28m·s-1),這可能與強冷空氣爆發產生的大風有關。將兩類過程的最大風速Vmax分為3個等級進行統計,即:Vmax≤12m·s-1、12m·s-1<Vmax≤20m·s-1和Vmax>20m·s-1。從統計結果(圖5)可以看出,各月最大風速的分布特征是:兩類沙塵過程中,最大風速主要集中在12~20m·s-1,約占總數的79.9%。其中,冷鋒型過程約占78.2%,而蒙古氣旋型約占82.4%。兩類沙塵過程中Vmax<12m·s-1和Vmax>20m·s-1的出現次數均較少。另外,冷鋒型過程中Vmax在12~20m·s-1之間的次數依次為3月>4月>5月;而蒙古氣旋型則依次為4月>5月>3月。3.5天氣系統觸發的強常用天氣是沙天氣,無砂速度較高為了進一步對比分析兩類過程的沙塵天氣強度特征,對沙塵暴過程、揚沙過程次數進行了統計。按照沙塵觀測規范,即:在同一次天氣過程中,我國天氣預報區域內5個或5個以上國家基本(準)站在同一觀測時次出現了揚沙天氣,記為揚沙天氣過程;當我國天氣預報區域內3個或3個以上國家基本(準)站在同一觀測時次出現了沙塵暴天氣,記為沙塵暴天氣過程;當我國天氣預報區域內3個或3個以上國家基本(準)站在同一觀測時次出現了強沙塵暴天氣,記為強沙塵暴天氣過程。統計結果(表6和7)表明,2001-2010年間,在110次冷鋒型沙塵暴過程中有61次為強沙塵暴,占55%;23次為沙塵暴,占21%,兩者共占76%。在74次蒙古氣旋型沙塵天氣過程中有48次為強沙塵暴,占65%;20次為沙塵暴,占27%,兩者共占92%。可見,兩類天氣系統觸發的多為沙塵暴和強沙塵暴過程。兩者相比,蒙古氣旋型過程中強沙塵暴的比例更大。3.6冷鋒型與蒙古氣旋型信號比較冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵天氣過程均能產生大范圍區域性沙塵天氣。統計了2001-2010年間兩類沙塵暴過程中我國區域內出現沙塵暴的觀測站數,即在同一次沙塵天氣過程中我國區域內出現沙塵暴天氣的觀測站數。對于同一個觀測站在不同時次出現沙塵暴,記為1。結果表明,冷鋒型沙塵天氣過程中,在我國觀測區域內最多有116個測站出現了沙塵暴天氣,平均每次冷鋒型沙塵過程有14個測站出現沙塵暴天氣。蒙古氣旋型沙塵天氣過程中,在我國觀測區域內最多有108個測站出現沙塵暴天氣,平均每次蒙古氣旋型沙塵過程中有22.5個測站出現沙塵暴。另外,對兩類過程中出現黑風暴(能見度為0m)的次數進行了統計。結果表明,在2001-2010年間統計的184次沙塵過程中,有24次沙塵過程的最小能見度為0m。其中,冷鋒型出現黑風暴過程有10次,約占冷鋒型沙塵過程的9%。蒙古氣旋型出現能見度為0m的過程為14次,約占蒙古氣旋型沙塵過程的19%;綜上可知,蒙古氣旋型沙塵天氣平均強度強于冷鋒型。3.7鋒型沙門氏天氣過程中的強罪犯測站數針對各月出現能見度≤200m的天氣過程次數、一次過程中出現能見度≤200m的最大觀測站數及占沙塵過程數的比例進行了統計(表8和9)。結果表明,能見度≤200m的沙塵天氣過程主要出現在3、4、5和12月。其中,冷鋒型沙塵天氣過程中,4月出現能見度≤200m的過程數最多,達15次,3月次之(10次);而蒙古氣旋型沙塵天氣過程中,3月出現能見度≤200m的過程數最多(13次),5月次之(8次)。對每次沙塵天氣過程中能見度≤200m的強沙塵暴測站數的統計表明,10年間平均每次冷鋒型沙塵天氣過程中,約有0.98個測站出現了能見度≤200m的強沙塵暴,出現強沙塵暴的觀測站數最多為17個。蒙古氣旋型沙塵過程中,平均每次有1.7個測站出現強沙塵暴,出現強沙塵暴的最多站數也為17個。從能見度≤200m的強沙塵暴過程數所占比例可知,逐月及平均來看,冷鋒型出現能見度≤200m的強沙塵暴過程的比重均小于蒙古氣旋型,即蒙古氣旋型沙塵天氣過程的平均強度強于冷鋒型。3.8蒙古氣旋型砂線方向的移動方向沙塵天氣的移動路徑與影響系統的移動方向、冷空氣的爆發方向有密切關系。王式功等和錢正安等研究總結了影響我國的沙塵暴移動路徑,指出,西路、西北路及北路為我國沙塵暴的主要移動路徑。這些研究多基于強度達到沙塵暴標準的觀測站記錄得到的。本文針對2001-2010年間184次沙塵天氣過程中揚沙以上強度的觀測站記錄進行統計,分別對其從出現、發展加強到結束進行跟蹤,以圖示的形式對沙塵天氣的移動路徑進行分析。沙塵天氣移動路徑均與冷空氣的移動路徑一致,但兩類沙塵天氣過程的移動路徑及擴展方向略有不同。冷鋒型主要有2個移動方向(表10),即:向東和向東南方向移動,主要以自西北向東南方向移動為主,占60%。同時,在3月和5月東偏南方向遠多于偏東方向(分別占72%和67%)。這與春季冷空氣活躍、冷暖空氣強烈交匯有關;冷鋒型沙塵過程移動路徑較長,在東偏南方向上,最長的可從蒙古西部或新疆北部直至我國江蘇、上海等地;在偏東方向上,最長的可以從南疆盆地,經青海、甘肅北部和中部、內蒙古西部和中部至河北、北京及華北大部地區(圖6a)。而蒙古氣旋型沙塵過程主要沿3個方向移動(表11),即:東、東偏南和東偏北方向移動。其中,偏東方向最多,約占蒙古氣旋型的63.5%,且全年都會出現,在各月中有一半以上的沙塵天氣均向東移動;其次為東偏北方向,約占21.6%,出現向東偏北方向移動的主要原因與蒙古氣旋的活動特點密切相關,而冷鋒型沙塵過程幾乎沒有向東偏北方向移動,這同樣與冷高壓向南、東南方向移動的特點一致。向東偏北方向移動的蒙古氣旋型沙塵天氣過程大多影響到內蒙古的東北部、黑龍江西部、遼寧西部和北部、吉林西部和北部,而冷鋒型沙塵過程基本不會影響到上述區域。同時蒙古氣旋型向東偏北方向移動的沙塵天氣過程出現在3、4和5月,是最適宜蒙古氣旋和沙塵暴發生的季節。偏南方向最少,約為14.8%,且沙塵天氣主要集中在黃河流域以北地區,向偏東南方向移動最遠能影響到山東半島(圖6b)。兩類沙塵天氣過程移動路徑的主要區別是:經南疆盆地的路徑多為冷鋒型過程;經內蒙古東部、我國東北地區的多為蒙古氣旋型。冷鋒型過程以向東偏南方向為主,蒙古氣旋型以偏東方向為主。蒙古氣旋型移動方向上有向東偏北方向移動,沙塵天氣會影響到東北地區,而冷鋒型沒有。基于以上分析,得到兩類沙塵天氣過程的移動路徑示意圖(圖7)。兩類沙塵天氣過程都具有一個特點:沙塵暴和揚沙天氣在一些過程中的移動方向出現明顯的差異,表現為沙塵暴向東移動,而揚沙向東偏南移動。如2004年3月9-10日冷鋒型沙塵過程及27-28日蒙古氣旋型過程都有這樣的現象(圖8)。這一現象的形成機理有待于進一步研究。從圖8中可以看到,向東移動的沙塵過程其途經地區位于內蒙古中部荒漠化地區,因而其地表具備起沙條件,途中持續的起沙會使沙塵天氣增強,從而更容易形成沙塵暴;而向東南方向移動的沙塵過程顯然不具備這一條件。這類過程在冷鋒型和蒙古氣旋型中均約占5%。3.9各月影響區域各月發生的主要過程由于冷鋒型和蒙古氣旋型移動路徑的差異,兩類沙塵天氣的影響區域也有所不同。冷鋒型影響范圍更廣,包括新疆、西北地區大部、華北及長江流域;蒙古氣旋型則主要出現在西北地區東部、內蒙古、華北、東北地區,并集中在黃河以北。為了揭示兩類沙塵天氣過程的影響區域的特征,本文將兩類沙塵天氣的影響區域做了分類,圖9給出了冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵天氣的主要影響區域。從圖9中可以看出,對于冷鋒型過程,影響地區可分為3類,即:新疆地區,西北、華北大部,華東北部(包括河南、江蘇等地)。蒙古氣旋型影響區域可以分為2類,即:包括東北地區和不包括東北地區。按以上分類,統計了各區域內沙塵天氣發生頻數。從冷鋒型沙塵天氣過程各月影響區域的統計結果(表12)可知:冷鋒型沙塵天氣影響的主要區域位于西北及華北地區大部,約95%的過程主要出現在這一地區。同時,影響范圍較大。另外,僅約5%的冷鋒型過程能夠影響較偏南的長江流域;約1/4的過程經由新疆地區開始,但其中約21%的過程僅局限在西北地區,未能對我國其他地區造成影響,這類過程主要出現在3、4和5月。從蒙古氣旋型各月影響區域統計結果(表13)可知:約52.7%的蒙古氣旋型沙塵天氣過程能夠影響內蒙古東北部、黑龍江西部、吉林西部、遼寧西部、北部。同時,能夠影響東北地區的蒙古氣旋型沙塵天氣過程主要出現在3月和4月,5月次之,4月最多。4蒙古氣旋型包濕天氣過程利用高空、地面、地面加密、衛星遙感等觀測資料和NCEP再分析資料,對2001-2010年間我國北方冷鋒型和蒙古氣旋型沙塵暴過程的發生頻數、影響范圍、影響地區及強度等進行了較全面的對比統計分析,得到以下主要結論:(1)我國北方沙塵天氣過程總體呈現波動減少趨勢,2001年最多,2006年次之,期間為波動狀態,2010年又略有增加。(2)2001-2010年兩類沙塵天氣過程共出