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强沙尘暴成因及其热力动力结构研究

陈磊  
【摘要】:沙尘暴是我国北方地区的主要自然灾害之一。本世纪初,东亚地区在2002年后沙尘暴发生频数表现出一定的波动,还难以得出沙尘暴减少的结论,这就表明人类的治理并没有对沙尘暴产生明显的遏制,沙尘暴依然是我们必须认真面对的环境问题。本文主要目的是利用NCEP再分析资料(1948~2011年)研究春季强沙尘暴的年际、年代际变化特征,然后又利用观测资料、NCEP再分析资料对2009年4月23日~24日出现在我国内蒙古中西部的一次强沙尘暴天气过程进行了诊断分析,并利用专门组织观测实验得到的加密探空资料和其它的常规观测资料,深入分析研究了此次沙尘暴天气发生前后及发生期间,近地层气象要素变化及其内部热力、动力结构特征变化;此外,利用观测资料、NCEP再分析资料及数值模拟方法,开展沙尘气溶胶在对流层-平流层的输送的初步分析。 本文的研究结果表明: 1)春季强沙尘暴多发年时,850hPa和500hPa的西伯利亚上空呈现负的重力位势高度距平、负的温度距平与气旋型向量风距平,上升气流区是显著存在的,有利于蒙古气旋的频繁出现和冷气团的南压,冷空气的活动路径是由西伯利亚的西部经中亚,进入蒙古国,然后影响新疆等我国西北地区;甘肃、内蒙古、宁夏、陕西北部等地形成正风速距平区;少发年时,西伯利亚上空从850hPa到500hPa呈现正的重力位势高度距平、正的温度距平与反气旋型向量风距平,下沉气流区是显著存在的,此时冷气团很难南压,蒙古气旋也很难频繁出现;风场的形势不利于冷气团侵入我国的沙源区;春季强沙尘暴多发年代与少发年代的气候特征差异与多发年及少发年间的特征差异相似,所以春季强沙尘暴不仅具年际变化,也具年代际变化特征。 2)强沙尘暴的主要影响系统是蒙古气旋;高空动量下传对沙尘暴发展有重要作用;垂直速度、散度、涡度和相对湿度的分布情形与沙尘暴的发生发展有很好的对应关系;螺旋度的绝对值达到最大时与强沙尘暴发生的时间是基本一致的,且此时螺旋度的垂直分布呈明显的上负下正的形式,故螺旋度对沙尘暴的预报有很好的指示意义。 3)沙尘暴发生前到沙尘暴发生期间,大气的温湿结构以及风速、风向的发展,有利于沙尘暴的发生、发展;之后,低层温度显著下降,大气的湿度迅速增大,各层风速减小,抑制了干对流的发展,则沙尘暴天气结束;“3θ”曲线可以为沙尘暴的监测和预报提供一个有价值的参考数据;沙尘暴爆发时的相对风暴螺旋度(RSH)是所有观测时次中的最大值,RSH与沙尘暴的强度在时间上具有良好的对应关系,即RSH越大,对应沙尘暴越强;强沙尘暴的形成与发展不仅环境风速起到重要作用,沙尘暴内部的切向旋转速度和垂直运动速度对沙尘的输送也起到重要的作用。 4)高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流顶折叠和高空位涡下传。对流顶折叠区呈漏斗状,底部达500hPa左右。轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点,在气旋的涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支则穿过对流顶到达平流层,并在平流层中向下游进行反气旋式的螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动。沙尘对流层—平流层输送的时间段为6日12时~8日14时,总共持续了51个小时,沙尘传输体积随时间是越来越多的从对流层穿过后进入平流层中的,而且是以具有上升运动的沙尘粒子输送为主的。


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