沙塵暴短時(shí)預警系統
本工作在對全國較大的幾十次沙塵暴天氣過(guò)程進(jìn)行綜合分析的基礎上，提出影響我國沙塵天氣的四條冷空氣路徑，并利用37個(gè)高空探空天氣站和59個(gè)地面氣象觀(guān)測站的資料建立了沙塵暴短時(shí)預警系統。通過(guò)使用2002年3月-4月歷史資料進(jìn)行了試報，沙塵預報準確率達73%，強沙塵暴預報準確率達100%，取得了較好結果。
第一部分 前言
沙塵暴，特別是特強沙塵暴是一種危害極大的災害天氣。當其形成之后，會(huì )以排山倒海之勢滾滾向前移動(dòng)，攜帶砂粒的強勁氣流所經(jīng)之處，通過(guò)沙埋、風(fēng)蝕沙割、狂風(fēng)襲擊、降溫霜凍和污染大氣等作用方式，使大片農田或受沙埋、或遭風(fēng)蝕刮走沃土，或者農作物愛(ài)霜凍之害；致使有的農作物絕收，有的大幅度減產(chǎn)；它能加劇土地沙漠化，對大氣環(huán)境造成嚴重污染，對生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞，對交通和供電線(xiàn)路產(chǎn)生重要影響，給人民生命財產(chǎn)造成嚴重損失。在非洲撒哈拉沙漠南緣的薩赫勒地區，從70年代初至80年代中期，由于連年大旱，造成草原退化，田地荒蕪，塵沙四起，沙漠化土地蔓延，沙塵暴災害加劇，使千百萬(wàn)非洲人民流離失所，生活悲慘。我國也是受沙塵暴危害最嚴重的國家之一，特別是西北地區尤為嚴重，幾乎每年都有強沙塵暴發(fā)生。僅1993年5月5日的一次特強沙塵暴天氣過(guò)程就造成直接經(jīng)濟損失5.6億元。此次特強沙塵暴的影響范圍總面積約110萬(wàn)km2，占全國總面積的11.5%，涉及西北四?。▍^）的18個(gè)地（市）的72個(gè)縣（旗），人口1200多萬(wàn)人。據統計，在這次特強沙塵暴的浩劫中，共死亡85人，失蹤31人，傷264人，在死亡和失蹤者中，少年兒童居多。死亡和丟失大小牲畜幾十萬(wàn)頭（只），受災農田和果林與幼林等均達幾十萬(wàn)畝，數以百計的塑料大棚被毀，草場(chǎng)、牧場(chǎng)和鹽場(chǎng)的基礎設施、公路、鐵路和供電線(xiàn)路等破壞都十分嚴重。此外，這次特強沙塵暴通過(guò)沙埋、吹刮等，對西北地區的植被生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞，大大加快了該地區荒漠化的進(jìn)程，其間接經(jīng)濟損失是難以估量的。
由于近幾年強沙塵暴發(fā)生頻數有逐年增加的趨勢，加之土地資源超載的局面短期內難以改善，隨著(zhù)全球氣候的變暖，水資源短缺的矛盾將日趨尖銳。因此，沙塵暴對人類(lèi)的危害也將隨之增大。
附表 1 列出七十年代以來(lái)的五次強沙塵暴天氣概況和造成的災害表明，強沙塵暴的風(fēng)力可達12級以上，與東南沿海登陸臺風(fēng)的最大風(fēng)力相當。
表 1 七十年代以來(lái)五次強沙塵暴天氣概況和災害表
日 期 影 響 地 區 風(fēng) 力 能見(jiàn)度 主 要 災 情
1977年4月22日 甘肅酒泉、張掖 38米/秒 0米 僅張掖地區死亡54人，失蹤25人，大面積農田受災。
1979年4月9～11日 新疆、甘肅、青海、寧夏、內蒙古等省區的部分地區 46米/秒 0米 僅新疆死亡29人，傷43人，死亡牲畜2.57萬(wàn)頭（只），受災農田45萬(wàn)畝，損壞房屋1.4萬(wàn)間，蘭新鐵路沿線(xiàn)各站損失4200萬(wàn)元。
1983年4月26～28日 新疆東部和南部、青海中部、甘肅平?jīng)?、寧夏中部、內蒙古河套地區、陜西榆林 >35米/秒 <100米 寧夏死亡14人，成災農作物200萬(wàn)畝以上；內蒙古伊克昭盟和陜西榆林地區死亡失蹤58人，死亡丟失牲畜16萬(wàn)頭（只）。
1986年5月17～20日 新疆和田、哈密，甘肅酒泉地區 35米/秒 0米 新疆和田地區死亡10人，失蹤9人；哈密市損失1900多萬(wàn)元；蘭新鐵路多處被掩埋，中斷運行31小時(shí)之久。
1993年5月5日 新疆東部、甘肅河西、寧夏大部、內蒙古西部 38米/秒 0米 死亡85人，失蹤31人，重傷264人，死亡和丟失牲畜12萬(wàn)頭（只），直接經(jīng)濟損失5.5億元。
全球沙塵暴多發(fā)生于沙漠及鄰近的干旱、半干旱的地區（圖1-1）。非洲的撒哈拉地區，亞洲的阿拉伯、西南亞、中國西北部、前蘇聯(lián)中亞地區，美國西南部地區、澳大利亞地區等地是沙塵暴發(fā)生的地區。
美國三十年代干旱和沙塵暴現象持續了近10年，使得數百萬(wàn)公頃農田被毀，幾十萬(wàn)人背井離鄉。
圖1-1、全球主要干旱區分布圖（溫克剛等2000年）
我國西北地區大部分是沙漠、干旱和半干旱地區，每年春季頻繁發(fā)生的沙塵暴不僅給當地造成了重大的自然災害，而且也嚴重危害京津等地，并波及到全國。
目前我國沙塵暴多發(fā)區域和主要影響區域已具備以地面氣象觀(guān)測、高空探測、遙感探測（衛星等）所構成的氣象綜合探測網(wǎng)。地面站距為50-100公里，高空站距300公里，觀(guān)測時(shí)間間隔一般為6-12小時(shí)，地面氣象觀(guān)測項目為：溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、天氣現象、云量、能見(jiàn)度、日照、蒸發(fā)、地溫等常規氣象要素；高空探測項目為：規定等壓面溫、壓、濕和風(fēng)；氣象衛星主要用于探測大范圍高時(shí)空分辨率的云系分布與演變等。對監測形成沙塵暴的天氣尺度系統與中尺度系統，十分有利。
本工作通過(guò)對1977-2001年北方地區幾十例強沙塵暴過(guò)程進(jìn)行衛星云圖和天氣形勢綜合分析的基礎上，根據影響沙土塵暴發(fā)生的冷空氣移動(dòng)路徑和云圖上云帶特征，建立了短時(shí)（<24小時(shí)）天氣預警模式。該模式在分析沙土塵暴形成的衛星與天氣的機制基礎上找出預報著(zhù)眼點(diǎn)，進(jìn)而確定相應的天氣圖關(guān)鍵區，選擇關(guān)鍵區內的氣象站的高空與地面要素，建立分類(lèi)模型、熱力模型和動(dòng)力模型，最后形成沙塵暴短時(shí)預警系統。此系統有較強的自動(dòng)處理功能，界面清楚，運行速度快。2002年3月-4月全國共出現沙塵暴天氣過(guò)程11次，本方法試報出8次，其中對3月份2次強沙塵暴過(guò)程報出2次，對4月份2次強沙塵暴過(guò)程報出2次。
第二部分 沙塵暴的基本特征與成因分析
1．沙塵暴的基本特征
1．1沙塵暴定義、命名與等級劃分
沙塵暴（sand-dust storm）是沙暴（sand storm）和塵暴（dust storm）兩者兼有的總稱(chēng)。其中沙暴是指8級以上的大風(fēng)把大量沙粒吹入近地面氣層所形成的攜沙風(fēng)暴；塵暴則是指8-9級以上大風(fēng)把大量塵埃及其它細粒物質(zhì)卷入高空所形成的強風(fēng)暴。
關(guān)于沙塵暴不同的國家或地區有不同的名稱(chēng)，如在印度西北部地區，將季風(fēng)到來(lái)之前的季節內出現的對流性沙塵暴，稱(chēng)其為安德海（Andhi）；在非洲和阿拉伯地區稱(chēng)之為哈布（Haboob）；另有的地區稱(chēng)之為“phantom”，即“鬼怪”的意思。
對沙塵暴強度的等級劃分，一般采用風(fēng)速和能見(jiàn)度兩個(gè)指標。如Joseph對發(fā)生在印度西北部的沙塵暴劃分為三個(gè)等級：即4級＜風(fēng)速≤6級，500m≤能見(jiàn)度＜1000m，稱(chēng)為弱沙塵暴；當6級＜風(fēng)速≤8級，200m≤能見(jiàn)度＜500m，稱(chēng)為中等強度的沙塵暴；而風(fēng)速≥9級，能見(jiàn)度＜200m，則稱(chēng)之為強沙塵暴。我國對沙塵暴的定義，與上述的定義大體相同（見(jiàn)表2）只是在強沙塵暴的等級范疇內，又劃分出了強與特強沙塵暴，當水平能見(jiàn)度小于500m時(shí)，稱(chēng)為強沙塵暴，在西北省區當其達到最大強度（瞬時(shí)最大風(fēng)速≥25m/s，能見(jiàn)度＜50 m，甚至降到0m）時(shí)，稱(chēng)為特強沙塵暴（或黑風(fēng)暴，俗稱(chēng)“黑風(fēng)”）。
表2 沙塵天氣的分類(lèi)和氣象學(xué)定義
名 稱(chēng) 成 因 能見(jiàn)度 天空顏色 天氣條件
浮 塵 遠地或本地產(chǎn)生沙塵暴、揚沙后，塵沙等細粒浮游空中而形成。俗稱(chēng)“落黃沙” 小于10千米，垂直能見(jiàn)度較差 遠物呈土黃色，太陽(yáng)呈蒼白色或淡黃色 無(wú)風(fēng)或風(fēng)較小
揚 沙 本地或附近塵沙被風(fēng)吹起，使能見(jiàn)度顯著(zhù)下降 1-10千米 天空混濁，一片黃色 風(fēng)較大
沙塵暴 小于1千米 風(fēng)很大
1．2我國沙塵天氣發(fā)生頻次的歷史演變
從公元300年以來(lái)我國沙塵事件的頻數曲線(xiàn)（圖1-2溫克剛等，下同）?？梢?jiàn)近千年期間， 沙塵頻發(fā)期大約有5個(gè)，即1060～1090，1160～1270，1470～1560，1610～1700，1820～1890，每個(gè)頻發(fā)期大約為90年左右，目前我國進(jìn)入頻發(fā)期。
圖1-2公元300年以來(lái)我國沙塵事件頻數曲線(xiàn)
1．3近50年來(lái)我國沙塵天氣地理分布和變化趨勢
沙塵天氣是大氣運動(dòng)和自然地理環(huán)境的綜合產(chǎn)物。從近50年氣象臺站的觀(guān)測結果分析，我國長(cháng)江以北大部地區都曾出現過(guò)揚沙和沙塵暴天氣，并以西北地區最為突出。沙塵的多發(fā)區主要集中在塔里木盆地周?chē)?，敦?河西走廊-寧夏平原-陜北一線(xiàn)，內蒙古阿拉善高原、河套平原和鄂爾多斯高原（圖1-3）。
圖1-3我國揚沙、沙塵暴地理分布
1．4沙塵災害在我國分布的一般特點(diǎn)
沙塵災害在我國的分布具有以下三個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)：
首先，影響面積大。西起新疆，東抵沿海，受沙塵暴、揚沙和浮塵不同程度影響的省市區分別為17個(gè)、25和27個(gè)。
其次，強多發(fā)區集中。在我國西北部集中著(zhù)兩個(gè)主要強多發(fā)區：塔克拉瑪干沙漠及附近地區；巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠及其鄰近地區。
再次，與沙漠和沙地密切關(guān)連。古爾班通古特、塔克拉瑪干、庫姆塔格、柴達木盆地、巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和毛烏素等沙漠，以及散布在黃河河套、青藏高原、蒙古高原的沙地為沙塵天氣的出現提供了極為豐富的物質(zhì)源。
此外，沙塵的分布還受到天氣系統分布、植被分布、降水分布等的顯著(zhù)影響。沙塵暴往往會(huì )與其它自然災害相伴發(fā)生，如干旱、冷空氣入侵、龍卷風(fēng)等，研究表明，沙塵暴和揚沙的運動(dòng)路徑與冷空氣入侵路徑有相當一致性。
2．沙塵暴的成因分析
2．1宏觀(guān)條件
據有關(guān)研究指出，沙塵暴的形成有三個(gè)基本條件：一是大風(fēng)，這是形成沙塵暴的動(dòng)力條件。
沙塵暴是強風(fēng)的產(chǎn)物，但它發(fā)生頻率及強度又多與降水有關(guān)。從千年氣候變化的背景分析，沙塵暴高發(fā)期對應于少雨干旱的氣候背景（下圖中的斜線(xiàn)所示）。圖（2-1）中1060~1270年、1470~1920年兩段沙塵暴高發(fā)期與這一時(shí)期的干旱是相對應的。
圖2-1千年濕度指數曲線(xiàn)（下）與沙塵暴發(fā)生頻率（上）對比圖
另外，近年來(lái)強沙塵暴發(fā)生頻率趨高，可能還與厄爾尼諾事件頻繁發(fā)生、1998年6月以來(lái)赤道東太平洋又出現了較強的拉尼娜事件以及人類(lèi)活動(dòng)排放溫室氣體的增加導致的氣候變暖等有關(guān)。
二是不穩定的空氣狀態(tài)，這是重要的局地熱力條件。沙塵暴多發(fā)生在午后至傍晚時(shí)段內，就充分說(shuō)明了大氣不穩定狀態(tài)的重要性。
三是地面上的沙塵物質(zhì)，它是沙塵暴的物質(zhì)基礎。如30年代美國西部大草原的過(guò)度開(kāi)墾，荒漠化加劇，沙塵源擴大，造成沙塵暴肆虐。又如前蘇聯(lián)50年代在哈薩克和西伯利亞等地區盲目大量開(kāi)墾荒地，使地表裸露的沙塵物質(zhì)增多，導致強沙塵暴頻繁發(fā)生，這都是明顯的例證。根據國家林業(yè)局提供的信息，我國的環(huán)境總體上惡化。圖2-2、圖2-3、圖2-4為沙塵暴的發(fā)生提供了豐富物質(zhì)。
圖2-3、我國沙塵暴源區
圖2-4、沙塵源區縣分布圖
下面是4個(gè)沙塵暴源區的基本情況（圖2-5至圖2-11）。
圖2-5、新疆塔克拉瑪干沙漠周邊地區
圖2-7、河西走廊及阿拉善地區
圖2-9、蒙陜寧長(cháng)城沿線(xiàn)
圖2-11、烏蒙后山和渾善達克沙地
圖2-12、植被狀況
王式功等通過(guò)對沙塵暴形成的宏觀(guān)天氣氣候條件和下墊面狀況的系統分析，認為沙塵暴主要發(fā)生在春季和初夏季節有五方面的原因：①豐富沙塵源的下墊面和特殊的地形條件；②冬半年長(cháng)時(shí)間的干燥和凍結，到春季解凍后地表土質(zhì)變得很疏松；③春季高空急流軸所處位置是北方地區易吹大風(fēng)的重要原因；④春季大氣層結不穩定度增大，午后易產(chǎn)生對流，有利于高空動(dòng)量下傳；⑤春季是北方地區冷鋒活動(dòng)最頻繁的季節，鋒后大風(fēng)也是產(chǎn)生沙塵暴最重要的因素之一。
2．2主要影響系統
沙塵暴是多種因素共同作用的產(chǎn)物。尤其是特強沙塵暴的發(fā)生發(fā)展，在具備宏觀(guān)的氣候和下墊面條件的前提下，還需有利的環(huán)流形勢和天氣系統相配合，Brazel分析了美國亞利桑那州1965-1980年期間沙塵暴發(fā)時(shí)的各種天氣特征后指出，四種天氣系統：①鋒面系統，②雷暴與對流，③熱帶擾動(dòng)和④上層切斷低壓易導致沙塵暴的產(chǎn)生。通過(guò)對我國北方地區幾次大范圍強或特強沙塵暴天氣過(guò)程的分析，我們總結出了我國產(chǎn)生沙塵暴過(guò)程的四種云型特征。
2．2．1冷鋒云系型沙塵暴天氣云圖特征
與冷鋒云系相伴的沙塵暴是我國西北地區出現次數最多的一類(lèi)。
在云圖上，冷鋒云系呈帶狀分布十分明顯。引起沙塵暴的冷鋒云帶，在云圖上又可分為寬云帶和狹云帶兩種，寬云帶引起沙塵暴較強，狹云帶移動(dòng)速度較快引起沙塵暴范圍較廣。例如1983年4月27日沙塵暴過(guò)程即屬此類(lèi)。
①過(guò)程簡(jiǎn)述。1983年4月27~28日西北地區出現大范圍沙暴天氣（最大風(fēng)速大于35m/s），29日高空浮塵漂移至長(cháng)江下游，30日到達日本上空。
②云團特征。此次過(guò)程主要是由一條狹的冷鋒云帶引起的，在27日08時(shí)的云圖上，云帶位于新疆東部（圖略），云帶自西向東移動(dòng)的過(guò)程中不斷變窄；到14時(shí)（圖2-13）影響河西走廊，由于地形阻擋（內蒙古雅布賴(lài)山脈），云帶出現斷裂。在云圖上，云帶尾部沙塵暴區與浮塵區清晰可見(jiàn)。
圖2-13、1983年4月27日14時(shí)VIS GMS-2
③天氣形勢。1983年4月27~28日，在貝加爾湖有低壓槽加深，槽后冷平流很強，地面有冷鋒配合。圖2-14給出了700hPa急流軸位置，地面冷鋒和冷高壓移動(dòng)位置及沙塵影響范圍。從圖上可以分析出，27日08時(shí)地面強高壓中心（1040hPa）在阿爾泰，28日08時(shí)移至祁連山區，29日08時(shí)到達秦嶺（1030hPa）。高壓前面的冷鋒向東南方向移動(dòng)較快，平均移速50km/h，鋒后出現大范圍沙塵暴及浮塵天氣。
圖2-14、1983年4月27-29日綜合天氣圖
④預報要點(diǎn)。關(guān)鍵是掌握冷鋒云系東移中是否發(fā)展。在云圖上，從云帶演變本身可以判斷；另外從云帶后面的晴空區范圍是否加強也可以判斷未來(lái)冷鋒云系是否發(fā)展，由于鋒后晴空區對應中亞脊，當中亞淺脊與沿北支鋒區東移的北歐高壓脊或新地島南下登陸的小高壓脊同位相疊加后將強烈發(fā)展，使晴空區范圍擴大，其前部的冷鋒云帶也將發(fā)展。
2．2．2蒙古氣旋云型沙塵暴天氣云圖特征
每年春季，我國北方地區多蒙古氣旋活動(dòng)，因此蒙古氣旋是造成北方沙塵暴的重要天氣系統之一。尤其是2000年—2002年春季，華北、東北地區的強沙塵暴天氣均與蒙古氣旋的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。下面以2001年4月6-7日強沙塵暴過(guò)程為例做一分析。
①沙塵暴時(shí)空演變和主要災情
4月6日02時(shí)，西西伯利亞冷空氣開(kāi)始侵入新疆，在吐魯番出現揚沙，同時(shí)甘肅省馬鬃山出現7級大風(fēng)。08時(shí)冷空氣東移侵入內蒙古西部阿拉善盟，阿拉善盟開(kāi)始出現大范圍揚沙。14時(shí)沙塵天氣迅猛加強，內蒙古阿拉善盟、巴彥淖爾盟北部、包頭市北部、烏蘭察布盟北部和錫林郭勒盟西部出現大范圍沙塵暴和特強沙塵暴，水平能見(jiàn)度下降到200m到300m，其中阿拉善盟的額濟納旗沙塵暴從8點(diǎn)25分持續到16點(diǎn)17分，持續時(shí)間近8個(gè)小時(shí)，能見(jiàn)度下降到0m，風(fēng)力達到7-9級（巴彥淖爾盟烏拉特后旗定時(shí)風(fēng)速24m/s，滿(mǎn)都拉廟定時(shí)風(fēng)速22m/s）。6日20時(shí)，阿拉善盟、巴彥淖爾盟沙塵暴減弱停止，包頭市北部、烏蘭察布盟北部、錫林郭勒盟西部沙塵暴仍在持續，其范圍向東擴展到錫林郭勒盟中東部，能見(jiàn)度下降到200m以下。7日02時(shí)，沙塵暴和強沙塵暴區穩定少動(dòng)。其間在6日16時(shí)到7日02時(shí)，沙塵暴強度達到最強，內蒙古中部偏北地區5個(gè)氣象站點(diǎn)能見(jiàn)度降至0m，形成特強沙塵暴（黑風(fēng)暴）。7日08時(shí)包頭市北部、烏蘭察布盟北部，沙塵暴減弱停止，沙塵暴區繼續向東擴展到內蒙古赤峰市北部、通遼市北部、興安盟北部，其中興安盟北部的胡爾勒、索倫、扎賚特旗出現了強沙塵暴，能見(jiàn)度下降到50m到300m。7日14時(shí)上述地區沙塵暴仍然持續，同時(shí)黑龍江和吉林省開(kāi)始出現沙塵暴。7日20時(shí)除赤峰市北部和黑龍江省少數地區仍有沙塵暴外，橫掃我國西北、華北、東北7個(gè)省、區及蒙古國南部，歷時(shí)40多個(gè)小時(shí)的沙塵暴才告停止。
圖2-15：2001年4月6-7日內蒙古、黑龍江、吉林沙塵暴最小能見(jiàn)度分布（單位m）
圖2-15是6日14時(shí)到7日20時(shí)各站最小能見(jiàn)度分布圖。由圖上可見(jiàn)，這次沙塵暴過(guò)程，最強中心位于內蒙古中部偏北地區。強沙塵暴區主要位于42°N以北，且呈東西帶狀，這與造成強風(fēng)的蒙古氣旋活動(dòng)和高空急流活動(dòng)有著(zhù)密切關(guān)系。表3是各級能見(jiàn)度出現站數。由表中可見(jiàn)此次沙塵暴過(guò)程非常猛烈，影響范圍非常廣闊。阿巴嘎旗特強沙塵暴（能見(jiàn)度0m）自6日20時(shí)一直持續到7日02時(shí)，持續時(shí)間長(cháng)達6小時(shí)之久。利用地理信息系統和衛星遙感圖象分析此次沙塵暴在中國境內影響面積約103萬(wàn)平方公里。
表3 4月6-7日各級水平能見(jiàn)度出現站數
分級 V≤50m 50m＜V≤200m 200m＜V≤500m 500m＜V＜1000m
站級 7 13 14 15
這場(chǎng)強沙塵暴給我國北方，造成了嚴重環(huán)境災害，給農牧業(yè)造成巨大損失，也嚴重影響了交通安全和人的身體健康。據不完全統計，僅內蒙古巴彥淖爾盟烏拉特后旗農區剛播種的2.3萬(wàn)畝小麥有95%被風(fēng)刮出地表。錫林郭勒盟北部和西部5個(gè)旗成幼畜死亡30783頭（只），走失3萬(wàn)多頭（只），倒塌和損壞棚圈4310間，被沙埋沒(méi)草場(chǎng)3000畝，大部分牧民住房屋頂瓦被刮掉，大量蒙古包被損壞。蘇尼特右旗旗政府所在地賽汗塔拉，因強沙塵暴造成醫院人滿(mǎn)為患，有的人病情嚴重至死。齊齊哈爾因沙塵暴機場(chǎng)被迫關(guān)閉8個(gè)小時(shí)。
②蒙古氣旋爆發(fā)性發(fā)展和強冷空氣入侵
蒙古氣旋的生成發(fā)展和移動(dòng)
這次大范圍強沙塵暴與蒙古氣旋爆發(fā)性發(fā)展關(guān)系密切。蒙古氣旋4月5日02時(shí)生成于蒙西山地西側，中心位于51°N、82°E，中心氣壓1003hPa。后向東偏南方向移動(dòng)，6日02時(shí)中心位于49°N、100°E，中心氣壓加深到995hPa，此時(shí)氣旋冷鋒開(kāi)始影響新疆、甘肅，形成大風(fēng)沙塵天氣。6日08時(shí)越過(guò)蒙西山地，移到烏蘭巴托附近，氣旋中心加深到991 hPa，在氣旋冷鋒襲擊下，內蒙古西部的阿拉善盟出現大范圍揚沙。其后氣旋沿48°N—50°N緯帶東移，氣旋冷鋒和副冷鋒掃過(guò)內蒙古，內蒙古出現大范圍強沙塵暴。6日20時(shí)到7日02時(shí)氣旋爆發(fā)性發(fā)展，6個(gè)小時(shí)氣旋中心氣壓急劇下降了6hPa，氣旋中心移動(dòng)緩慢（只移動(dòng)了100km，而氣旋自5日02時(shí)生成到7日20時(shí)消亡，6小時(shí)平均移動(dòng)速度為246km），在錫林郭勒盟引發(fā)了最猛烈的沙塵暴，二連浩特、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗，6日20時(shí)到7日02時(shí)能見(jiàn)度為0m。顯然氣旋爆發(fā)性發(fā)展使地面風(fēng)迅速加大，造成沙塵暴猛烈加強。7日08時(shí)氣旋錮囚，中心東移到48.5°N 、118.5°E，沙塵暴開(kāi)始影響我國東北黑龍江省和吉林省，沙塵暴帶環(huán)繞在冷鋒后氣旋中心南部。氣旋中心加深到977hPa（24小時(shí)內氣旋中心加深了14hPa）。這一記錄不僅是本次強沙塵暴過(guò)程蒙古旋中心氣壓的最低值，也是2001年1—5月份18次蒙古氣旋沙塵暴過(guò)程氣旋中心氣壓的最低值。強沙塵暴和特強沙塵暴就發(fā)生在6日08時(shí)到7日08時(shí)這一時(shí)段。這一事實(shí)說(shuō)明，沙塵暴強度、范圍和持續時(shí)間與蒙古氣旋的強度和持續時(shí)間有著(zhù)密切關(guān)系。7日14時(shí)期蒙古氣旋開(kāi)始填塞，20時(shí)消亡。
圖2-16、圖2-17分別是4月6日14時(shí)NOAA-16和4月7日08時(shí)FY-1C氣象衛星監測到的沙塵暴遙感圖象。由圖2-16可以看出有兩條沙塵暴帶，分別與蒙古氣旋冷鋒和副冷鋒相聯(lián)系，配合地面測站沙塵暴觀(guān)測記錄，可以確定沙塵暴主要出現在地面冷鋒和副冷鋒之后（與副冷鋒相聯(lián)系的強沙塵暴帶，后由蒙古侵入我國），緊跟地面鋒線(xiàn)。另外在氣旋暖區中（圖中A區）有一強沙塵暴區，水平尺度約300km。這一中尺度強沙塵暴區位于內蒙古錫林郭勒盟西部的二連浩特和朱日和，水平能見(jiàn)度為200m是中尺度天氣系統造成的。由圖2-17配合地面氣旋分析，可以看出此時(shí)蒙古氣旋已發(fā)展到鼎盛期，形成錮囚氣旋。強沙塵暴區仍位于氣旋冷鋒和副冷鋒之后，緊跟地面鋒線(xiàn)。就天氣尺度系統而言，冷鋒后的大風(fēng)是形成沙塵暴起沙的主要動(dòng)力。在本例中由于氣旋的強烈發(fā)展，冷鋒后的大風(fēng)為西風(fēng)或西南風(fēng)，與通常是西北風(fēng)或偏北風(fēng)不同。
圖2-17、2001年4月7日08時(shí)FY-1C衛星圖像
2．2．3強對流云團型沙暴天氣云圖特征
過(guò)去我們對中尺度對流云團產(chǎn)生的沙塵暴天氣了解較少，隨著(zhù)衛星云圖的廣泛應用，使我們對這類(lèi)天氣系統的認識不斷加深。伴有中尺度系統的沙暴過(guò)程約占總數的1/3。云圖上云團可以分為三種云型：（a）橢圓型，如圖2-18為1993年5月5日16：33時(shí)GMS-4可見(jiàn)光云圖，云團（A處）形成在冷鋒云帶前方，地面有颮線(xiàn)配合，使金昌出現了“黑風(fēng)暴”過(guò)程。（b）對流云線(xiàn)型，云圖上沙塵暴過(guò)程是由一條條排列規則的中尺度對流云線(xiàn)引起的，如1984年4月4日過(guò)程。（c）渦旋狀型，發(fā)生在鋒前暖區，云圖上表現為大量的對流云團圍繞著(zhù)一個(gè)中心呈渦旋狀分布，渦旋中心一般對應著(zhù)低層的熱低壓。下面以1986年5月18~20日過(guò)程為例進(jìn)行分析。
圖2-19、1986年5月19日20時(shí) IR GMS-3
圖2-20、1986年5月19日08時(shí)綜合天氣圖
①過(guò)程簡(jiǎn)述。1986年5月18日20時(shí)和田地區出現強沙塵暴天氣，極大風(fēng)速大于25.1m/s。19日14時(shí)影響到敦煌、西安等地，出現大風(fēng)，能見(jiàn)度為零的時(shí)間長(cháng)達4~5個(gè)小時(shí)，農田被沙覆蓋達20~30cm。直到酒泉后才減弱。
②云圖特征。在5月18日云圖上（圖略），南疆沙漠上空有大量對流云團發(fā)展，云團直徑大約在50~100km，產(chǎn)生的降水不大，卻有著(zhù)完整的環(huán)流系統。到19日12UTC（圖2-19），對流云團群移至敦煌附近，其渦旋狀排列更加明顯（圖2-19中D處）。
③天氣形勢。5月18日的地面圖上（圖略），在南疆有熱低壓發(fā)展，低壓中心與云圖上渦旋中心有較好對應關(guān)系。圖2-20是19日08時(shí)各層綜合天氣圖。從圖中可見(jiàn)由中亞進(jìn)入我國的冷空氣主力主要影響天山以北地區，故冷平流的加壓作用僅限于北疆等地；而南疆處于鋒前強西南氣流中，仍為暖平流區，其引起的動(dòng)力性減壓有利于鋒前熱低壓在南疆西部生成。
另外，在700hPa（圖2-20）柴達木盆地有另一低壓發(fā)展，其北側（40°N附近）維持一條較強的東風(fēng)氣流帶（圖2-20中長(cháng)箭頭），促進(jìn)東邊的冷空氣西侵。這支低空偏東急流的存在，加劇了南疆低層的氣旋性能輻合，對熱低壓加強極為有利。
在500hPa高空，位于克什米爾上空的低壓（圖2-20斷線(xiàn)表示）作用下，較濕的空氣越過(guò)昆侖山脈進(jìn)入南疆，促使熱低壓周?chē)写罅吭茍F發(fā)展。
18日20時(shí)，從中亞低槽中分裂出的部分弱冷空氣經(jīng)高原進(jìn)入南疆西部，并生成弱冷鋒，隨著(zhù)這股弱空氣的入侵，熱低壓開(kāi)始東移，并使和田等地偏西風(fēng)增強，出現沙塵暴天氣。
④預報要點(diǎn)。渦旋狀云系的發(fā)展與維持是產(chǎn)生沙塵暴天氣的關(guān)鍵系統，在相應的天氣圖上，與塔里木熱低壓的發(fā)生發(fā)展相對應。而熱低壓的發(fā)生發(fā)展受以下三個(gè)環(huán)流系統影響：（a）在高層（500hPa）新疆脊強大（有時(shí)在北疆出現閉合高壓中心）、移動(dòng)緩慢（每日東移速度不超過(guò)5個(gè)經(jīng)度）；（b）在高壓脊后部有一支強西南氣流位于我國西部國境及帕米爾高原西側，且較穩定；（c）在中、低層，從河西走廊到南疆東部有一支偏東急流存在。
2．2．4其它型沙塵暴過(guò)程云圖特征
此類(lèi)過(guò)程云型表現很復雜，難以分型，要深入研究。例如有的沙塵暴天氣發(fā)生在晴空區，在云圖上無(wú)云系影響，單靠衛星云圖是難以分析的，以1990年4月24日過(guò)程說(shuō)明。
在24日10：34時(shí)的云圖上（圖2-21a），赤塔至烏蘭巴托一線(xiàn)有強低槽冷鋒云系維持，云帶前方（華北等地）為大范圍晴空區。在天氣圖上（圖略），晴空區位于鋒前較強的西南氣流控制下，而700hPa（圖略）有西北至東南向的低空急流軸存在。當天下午，內蒙古中南部的張北戈壁沙灘地已經(jīng)發(fā)生相當規模的沙塵暴（圖2-21a中A處），在云圖上可以清晰地看到沙塵暴起始區（上游）的邊緣整齊，而擴散方（下游）邊緣松散。3小時(shí)后（圖2-21b），這一長(cháng)條沙塵區明顯擴大、加強。
a、1990年4月24日10時(shí) b、1990年4月24日13時(shí)
圖2-21、GMS-4紅外云圖
第三部分沙塵暴短時(shí)預警系統的建立
中國氣象局預測減災司關(guān)于沙塵天氣預警業(yè)務(wù)服務(wù)暫行規定（2002年10月）中指出:
沙塵天氣分為浮塵、揚沙、沙塵暴三類(lèi)。
（一）浮塵：懸浮在大氣中的沙或土壤粒子，是水平能見(jiàn)度小于10公里的天氣現象；
（二）揚沙：風(fēng)將地面塵沙吹起，使空氣相當渾濁，水平能見(jiàn)度在1-10公里以?xún)鹊奶鞖猬F象。
（三）沙塵暴：強風(fēng)將地面塵沙吹起，使空氣相當渾濁，水平能見(jiàn)度小于1公里的天氣現象。當水平能見(jiàn)度小于500米時(shí)，為強沙塵暴。
沙塵天氣過(guò)程分為四類(lèi)：浮塵天氣過(guò)程、揚沙天氣過(guò)程、沙塵暴天氣過(guò)程和強沙塵暴天氣過(guò)程。
（一）浮塵天氣過(guò)程：在同一次天氣過(guò)程中，我國天氣預報區域內相鄰5個(gè)或5個(gè)以上國家基本（準）站同時(shí)出現了浮塵天氣。
（二）揚沙天氣過(guò)程：在同一次天氣過(guò)程中，我國天氣預報區域內相鄰5個(gè)或5個(gè)以上國家基本（準）站同時(shí)出現了揚沙天氣。
（三）沙塵暴天氣過(guò)程：在同一次天氣過(guò)程中，我國天氣預報區域內相鄰3個(gè)或3個(gè)以上國家基本（準）站同時(shí)出現了沙塵暴天氣。
（四）強沙塵暴天氣過(guò)程：在同一次天氣過(guò)程中，我國天氣預報區域內相鄰3個(gè)或3個(gè)以上國家基本（準）站同時(shí)出現了強沙塵暴天氣。
1.沙塵暴分類(lèi)模式
通過(guò)1977—2001年西北地區幾十例沙塵暴過(guò)程進(jìn)行衛星云圖和天氣形勢合成分析，根據影響沙塵暴發(fā)生的冷空氣移動(dòng)路徑和云圖上鋒面云帶特征，將我國北方地區沙沙塵暴分為三種類(lèi)型。即西北云帶類(lèi)、北方云帶類(lèi)（含蒙古氣旋）和西方云帶類(lèi)。分析表明，沙塵暴形成的天氣機制主要有以下幾個(gè)方面：
1.1在關(guān)鍵區內有一條明顯的冷鋒云帶，云帶由密實(shí)的中高云系組成，云頂溫度一般低于-40℃；鋒面云帶前邊界比較模糊，而后邊界較整齊，反映了高空風(fēng)速較大；有時(shí)云帶前邊界或其前部有中尺度對流云團和中尺度颮線(xiàn)。冷空氣移動(dòng)路徑不同，鋒面云帶的走向有所區別。西北類(lèi)鋒面云帶多為東北、西南走向，自西北方沿北疆向東南直沖河西走廊；北方類(lèi)云帶走向呈準東、西向，從貝加爾湖經(jīng)蒙古國南壓至河套一帶；西方類(lèi)云帶一般近于南北向，云帶尾部伸至35°N以南。
1.2 500hpa關(guān)鍵區有低壓槽發(fā)展，南北跨度大于8個(gè)緯度，并有24小時(shí)負變高和冷溫度中心與低槽配合，槽前鋒區較強，溫度梯度大，低槽斜壓性強，槽后有一支強風(fēng)速帶，易引起擾動(dòng)動(dòng)能的加強和動(dòng)量下傳。
1.3地面關(guān)鍵區有冷鋒過(guò)境，有時(shí)出現鋒生冷鋒。地面冷高壓較強，高壓中心達1025hpa以上，冷鋒后部有+△P3，鋒前—△P3。變壓梯度大。鋒前熱低壓或蒙古冷性氣旋發(fā)展強烈，與鋒后冷高壓之間形成明顯的氣壓梯度。
1.4沙塵暴爆發(fā)前期，西北區東部增暖顯著(zhù)，持續增溫大于10℃，有時(shí)24小時(shí)增溫達7—8℃，當冷空氣移至西北區上空時(shí)，形成上冷下暖強烈的熱力對流不穩定大氣層結，從而激發(fā)沙塵暴。
2.預報關(guān)鍵區的劃分
關(guān)鍵區劃分、范圍及代表站
據分析在短期預報時(shí)效，影響沙塵暴的天氣系統和云帶主要集中在 35—60°N、65—120°E范圍內，因此將上述區域劃分為若干關(guān)鍵區。
關(guān)鍵區 范 圍 各區代表站點(diǎn)（區站號）：
G1區 40—55 °N 28698 35394 35796 36096 36177 36870
65—95°E 51133 51076 51431 52203 51463 51495
G2區 43—60°N 30710（36096） 44292 51288 （52203)
85—120°E 51495 52267 52323 53463 53068
54102 50527
G3區 35—50 °N (35796 36870) 38457 (51431) (51463)
65—95°E 51709 51828 51777 (52203) 52418
G4區 35—45 °N (52203) 52323 52267 52533 52681
90—120°E 52818 52889 52495 53614 53845
（53463） 54511
D1區 42—55°N 28898 35394 35796 36177 36231 36535
70—95°E 36259 36870 44218 51076 51133 51243
51288 51431 51463 51495 52203
D2區 42—55°N 36307 44218 (51288) (51495) (52203)
90—115°E 44231 44277 44287 44285 44292 44298
44347 30925 30710 53068
D3區 35—50°N 38457 51711 51709 51644 51656 51765
70—95°E 51811 51818 51828 51931 51855 51777
52418 52818
D4區 35—45°N (52418)52323 52267 52533 52652 52674
90—115°E 52681 52787 52895 52495 53614 53513
52836 53336 53845 53772 54511
注：G區、D區分別代表高空和地面關(guān)鍵區；高空共選37個(gè)站點(diǎn)，有“（）”的6個(gè)站點(diǎn)重復使用，地面選取59個(gè)站點(diǎn)，其中“（）”的站點(diǎn)重復使用。各關(guān)鍵區代表站高空一般為10—12個(gè)，地面為14—17個(gè)。分布比較均勻，具有較好的代表性。
3.沙塵暴知識庫
在分析西北沙塵暴天氣成因基礎上，吸收我國北方各省區及衛星中心等眾多研究成果和經(jīng)驗，從云圖特征、環(huán)流背景、影響系統、氣象要素特征諸方面篩選出物理意義明確、相關(guān)好的預報因子，建立較為客觀(guān)定量的分類(lèi)規則和預報規則，形成沙塵暴預警知識庫。知識庫包括預報因子和預報規則兩部分?？陀^(guān)地反映了形成大風(fēng)沙塵暴天氣的熱力、動(dòng)力和不穩定度天氣條件。
3.1預報因子：TB云頂亮溫； H、T、TD 分別為500hpa高度、溫度、露點(diǎn)； △H24、△T24為24小時(shí)變高、變溫； P、 △P3、△P24為海平面氣壓、3小時(shí)變壓、24小時(shí)變壓；T—Td為溫度露點(diǎn)差；DDFF為風(fēng)向風(fēng)速等。
3.2預報知識與規則
3.2.1西北冷鋒云帶類(lèi)：
1) G1區有冷鋒云帶，云頂亮溫TB≤-44℃。
2) G1區500hpa △H24<-6位勢什米。冷中心T≤-32℃。
3) 500hpa HG1-HG2<4位勢什米(關(guān)鍵區最低值）；或 H35229—H36177≥12同時(shí)H52533—H36177≥16；或（H28698+H35796+H29634+H51706）/ (444292+H30710+H36096+H44212）/4≤8位勢什米。
4) G1區500hpa有5站及以上FF≥20m/s強風(fēng)帶（風(fēng)向DD≥270°）。
5) 地面△P3（D1區最大正值）—（△P3）（D4區或D2區最小值）≥9hpa。
6) 地面D1區△P24≥15hpa，同時(shí)D4區△P24<-10hpa或 D2區△P24<-20 hpa
7) 地面地面P（D1最大值）—P（D4最小值）≥35 hpa
或P（D1最大值）— P（D2最小值）≥30hpa
8) 地面D1區冷高壓中心P≥1025hpa。
9) 地面D2區低壓中心P≤1000 hpa。
10) 地面D4區P<1005 hpa。
11) 地面D1有3站大風(fēng)區（FF≥12m/s）。
12) 500 hpa G4區△T24≥4℃；或500hpa TG4(最高值）—TG1(最低值)≥16℃；或52533 52681 52495 53845 53614 5站T（最高值）—TG1（最低值）≥15℃
13) 08時(shí)或14時(shí)地面D4區△T24（最高值）≥5℃；或T52533-T44218≥7℃；T52533-T44272≥12℃；
14) 地面D4區（T—Td）（最大值）≥15℃
分類(lèi)規則：a 條件1、2、3滿(mǎn)足進(jìn)入分類(lèi)模型；
b 條件5、6、7、8、9、10、11滿(mǎn)足3條，同時(shí)符合4進(jìn)入動(dòng)力模型；
c 條件12、13、14滿(mǎn)足2條進(jìn)入熱力模型；
a、b、c 同時(shí)滿(mǎn)足，西北、華北地區有西北路徑類(lèi)沙塵暴。
3.2.2北方冷鋒云帶類(lèi)：
1) G2區有冷鋒云帶，云頂亮溫TB≤-44℃。
2) G2區500hpa △H24<-8位勢什米 冷中心T≤-36℃。
3) 500hpa 1）HG2-HG1≤6位勢什米(關(guān)鍵區最低值）；或2)H35796—H51076≥7位勢什米；或(H28698+H35396+H29634+H51706)/4（H44292+H30710+H36096+H44212）/4≥4位勢什米。
4) G1或G2區500hpa有5站及以上FF≥20m/s強風(fēng)帶（風(fēng)向DD≥270°）。
5) 地面△P3（D2區最大正值）—△P3（D3區或D4區最小值）≥10hpa。
6) 地面P（D2最大值）—P（D4最小值））≥35 hpa或 P（D2最大值）— P（D3最小值）≥30hpa
7) 地面D1區或D2區冷高壓中心P≥1025 hpa
8) 地面D3區或D4區低壓中心P≤1000 hpa
9) 地面D1或D2有3站大風(fēng)區（FF≥12m/s）
10) 500 hpaTG4（最高值）—TG2（最低值）≥16℃；或52533 52681 52495 53845 53614 5站T（最高值）—TG2（最低值）≥16℃
11) 08時(shí)或14時(shí)地面D4區△T24（最高值）≥5℃或T52533—T44218≥9℃或T52533—T44272≥12℃
12) 地面D4區（T—Td）（最大值）≥16℃
分類(lèi)規則：a 條件1、2、3滿(mǎn)足進(jìn)入分類(lèi)模型；
b 條件5、6、7、8、9滿(mǎn)足3條，同時(shí)符合4進(jìn)入動(dòng)力模型；
c 條件10、11、12滿(mǎn)足2條進(jìn)入熱力模型；
a、b、c 同時(shí)滿(mǎn)足，西北東部、華北地區有北方路徑類(lèi)沙塵暴。
3.2.3西方冷鋒云帶類(lèi)：
1) G3區有冷鋒云帶，云頂亮溫TB≤-40℃。
2) 500hpaG3區△H24<-6位勢什米，冷中心T≤-28℃。
3) 500hpa HG1-HG3≥4位勢什米（關(guān)鍵區最低值）；或H51777—H35394≥25位勢什米，同時(shí)H51076—H36870≥6位勢什米。
4) G1區500hpa有5站及以上FF≥20m/s強風(fēng)帶（風(fēng)向DD≥270°）。
5) 地面△P3（D3區最大正值）—△P3（D4區最小值）≥9hpa。
6) 地面P（D2最大值）—P（D3最小值）≥30 hpa或P（D1最大值）— P（D3最小值）≥25hpa
7) 地面D1區或D2區冷高壓中心P≥1020 hpa。
8) 地面D3或D4 區P≤1000 hpa。
9) 地面D3或D1有3站大風(fēng)區（FF≥12m/s）。
10) 500 hpaG3或G4區△T24≥6℃或500hpa TG4區最高值—TG1區最低值≥14℃；或52533 52681 52495 53845 53614 5站T（最高值）—TG3（最低值）≥16℃
11) 08時(shí)或14時(shí)地面D3或D4區△T24≥6℃；或T52533-T44218≥7℃；或T52533-T44272≥12℃
12) 地面D4區（T—Td）最大值≥15℃
分類(lèi)規則：a 條件1、2、3滿(mǎn)足進(jìn)入分類(lèi)模型；
b 條件5、6、7、8、9滿(mǎn)足3條，同時(shí)符合4進(jìn)入動(dòng)力模型；
c 條件10、11、12滿(mǎn)足2條進(jìn)入熱力模型；
a、b、c 同時(shí)滿(mǎn)足，西北地區有沙塵暴。
4.建立預報模型
如圖1所示，預報模型包括歷史資料庫和各類(lèi)實(shí)時(shí)資料庫。沙塵暴預報智能模型通過(guò)分類(lèi)模型、動(dòng)力模型和熱力模型進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )推理，分別預報西北、北方、西方冷鋒云帶三類(lèi)沙塵暴。然后輸出我國北方地區沙塵暴預報結果，向有關(guān)單位進(jìn)行服務(wù)。
附：預報系統編程順序
檢索高空、地面、云圖 北方類(lèi)（規則1、2、3）
實(shí)時(shí)資料進(jìn)行預處理----分類(lèi)模型----西北類(lèi)（規則1、2、3）
西方類(lèi)（規則1、2、3）
北方類(lèi)（規則5、6、7、8、9、及4）
---動(dòng)力模型---西北類(lèi)（規則5、6、7、8、9、10、11及4）
西方類(lèi)（5、6、7、8、9及4）
北方類(lèi)（規則10、11、12）
---熱力模型---西北類(lèi)（規則12、13、14）----預報結論
西方類(lèi)（規則10、11、12）
圖3：沙塵暴預報模型
5、2002年3月-4月試預報結果
2002年3月-4月全國共出現沙塵暴天氣過(guò)程11次，本方法試報出8次（見(jiàn)表4），準確率達73%；其中共出現強沙塵暴4次，本方法試報出4次，準確率達100%。因此，本方法對強沙塵暴有較強的預報能力。
表4、2002年3月-4月沙塵暴天氣試報結果
序號 起止時(shí)間 過(guò)程類(lèi)型 試報結果
1 3.1-2 揚沙 無(wú)資料
2 3.15-17 沙塵暴 預報正確
3 3.18-22 強沙塵暴 預報正確
4 3.24-25 強沙塵暴 預報正確
5 3.28-30 沙塵暴 未報出
6 3.30-31 沙塵暴 未報出
7 4.1-3 沙塵暴 未報出
8 4.5-8 強沙塵暴 預報正確
9 4.11 沙塵暴 預報正確
10 4.13-17 沙塵暴 預報正確
11 4.19-20 沙塵暴 預報正確
12 4.21-24 強沙塵暴 預報正確
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