2 0 0 4 年春季北京沙尘 天气的监测和预报 王华1) 刘伟东2) 陈淑玲1) 徐敬1) 1 )北京市气象台北京1 0 0 0 8 9 2 )北京城市气象科学研究所北京1 0 0 0 8 9 摘 要 沙尘暴是当今社会广泛关注的重大生态和环境问题其监测和预测工作已成为气象科研和业务服务的重要组成部分在北京地区沙尘天气发生发展的天气学分析研究基础上本文对2004年春季北京地区先后发生的三次沙尘天气应用北京地区沙尘天气概念模型结合诊断分析和天气学预报方法进行了对比分析并分析了PM10质量浓度和浊度计等特种监测技术对沙尘天气的监测资料结果表明常用的诊断分析和天气学预报方法能够预测出沙尘天气的时间路径和范围特种监测技术可以客观定量准确地反映沙尘天气强度情况将两种方法结合起来对系统性掌握北京地区的沙尘天气变化并做好预报和服务工作具有重要意义 关键词 沙尘天气 特种监测 分析预报 沙尘天气是我国北方地区频繁出现的气象灾害之一它对社会经济与人民生活的影响 随经济的发展与人民生活水平的提高也日趋严重 它已成为国内外广泛关注的地球环境问题 1 - 3 沙尘天气的监测和预报工作是气象预报和服务的重点而沙尘天气的形成机理天气 气候特征和预报方法是沙尘天气研究的主要内容近年来对沙尘天气的研究已有很多其 中主要是集中在沙尘天气的卫星遥感监测 4 5 沙尘天气过程的天气学分析 6 沙尘天气的 气候学特征分析等 7 另外也有许多研究是通过数值预报模式对沙尘天气进行个例分析 8 - 1 1 本文对2 0 0 4 年春季北京地区先后发生的三次沙尘天气应用北京地区沙尘天气概念 模型结合诊断分析和天气学预报方法进行了对比分析并分析了P M 1 0 质量浓度和浊度 计等特种探测技术对沙尘天气的监测资料 结果表明 常用的诊断分析和天气预报方法能够 预测出沙尘天气的时间路径和范围特种监测技术可以客观定量准确地反映沙尘天气 强度情况 将两种方法结合起来 对系统性掌握北京地区的沙尘天气变化并做好预报和服务 工作具有重要意义 1 2 0 0 4 年春季北京沙尘天气概况 2004 年春季北京共出现了三次全市性的沙尘天气这和历史同期沙尘天气相比较无 论是沙尘次数还是沙尘强度都是较轻的一年其中 3 月 910 日和 3 月 2728 日的沙尘天 气为外来沙尘源3 月 29 日的沙尘天气主要是本地沙尘源两次外来沙尘源形成的沙尘天 气由于冷空气势力减弱迅速空中气流相对平直沙尘到达北京的强度明显减弱以浮尘 形式影响北京3 月 29 日本地沙源形成的沙尘天气由于产生在中午前后近地面层大气 热力条件极好 所以强度较强是以扬沙形式影响北京 前两次外来的沙尘源沙尘天气持续时 间相对较长前后近 20 小时而后一次本地沙尘源沙尘天气持续时间只有 56 个小时 2 三次沙尘天气过程对比分析 2 1 2 0 0 4 年 3 月 9 日1 0 日和 2 7 日2 8 日北京地区沙尘天气分析 2 0 0 4 年 3 月 9 日夜间至1 0 日和 2 7 日夜间到2 8 日早晨北京多数站都出现了以浮尘为主 的沙尘天气 两次沙尘天气过程的主要影响系统均为蒙古气旋冷锋 但影响北京的冷空气路 径有所不同9 日1 0 日的冷空气路径为西北路径从西西伯利亚萨彦岭西北部沿途经科技部项目北京风沙天气的监测和预测技术研究项目号2001DIB20103资助 过蒙古国山西高原京津地区2 7 日2 8 日冷空气路径为偏西路径途经新疆 酒泉山西高原京津地区 这两次沙尘天气过程应用北京沙尘天气概念模型通过对前期的天气形势与沙尘 有关的物理量场以及沙尘天气监测预警系统提供的各种信息综合分析 北京市气象台成功做 出了预报 这两次沙尘天气虽然主要影响系统都为蒙古气旋冷锋 但高低空天气形势和物理 量场配置有明显不同 2 1 1 3 月 9 日1 0 日沙尘天气形势和物理量场诊断分析 这次天气过程出现前期在 8 日 0 8 时 5 0 0 h p a图上在西西伯利亚平原有一大低压低压 附近有4 0 冷中心与之相配合低压前部在蒙西高原为暖脊脊后暖平流较强利于低压 发展相应 8 日 0 8 时地面图上西西伯利亚平原到中西伯利亚高原为低压气旋并有冷锋 出现在萨彦岭附近冷锋前部蒙西高原上的科布多已生成沙尘暴达兰一带出现偏西大风 1 4 时冷锋进入蒙西高原位于低压底部的野马街出现沙尘暴 到 9 日 0 8 时 5 0 0 h p a上的低压中心移到中西伯利亚高原低压槽移到蒙古国高原并跟 随4 0 冷中心地面低压中心移至乌兰巴托附近同时冷锋到达青海湖北部冷锋后部的 蒙古高原有大风形成科布多附近出现沙尘暴9日 1 4时冷锋移至二连浩特呼和浩特 银川南部 锋后的蒙古中部至河套一带有大范围西北风大风并伴有沙尘暴 地面气旋冷锋和 沙尘区动态见图 19 日 2 0 时冷锋上山西高原 1 0 日 0 2 时冷锋过北京锋后三小时正变 压为 6 . 8 7 . 8 h p a 但由于是夜间过境层结稳定没有产生强沙尘天气 图 1 3 月 8 1 0 日地面气旋冷锋及沙尘区动态图 图 2 3 月 9 日 2 0 时 5 0 0 h p a 高度 温度场分析图 图3 3 月9 日2 0 时8 5 0 h p a 温度平流( 1 0- 5/ s ) 图4 3 月9 日2 0 时1 1 6 . 50E 垂直速度剖面图( 1 0- 3h p a / s ) 物理量场诊断分析 在天气出现前期对应高空 5 0 0 h p a 低涡有一个明显的正涡度中心 9 日 0 8 时中心强度为 4 1 0- 5s- 12 0 时正涡度中心随低槽东移至河套北部即北京上游沙源地 区的上空中心强度加大至 8 1 0- 5s- 1同时 7 0 0 h p a上河套北部的上升运动加强使沙 源地具备了产生大风以至使沙尘扬起的动力条件 从温度平流看低层 8 5 0 h p a 高空槽前的冷暖平流表现都非常明显 9 日 0 8 时 8 5 0 h p a 槽前后分别有冷暖中心其强度分别为2 0 1 0- 5/ s2 5 / s 到 9 日 2 0 时图 3 冷 暖中心强度均所加强分别为4 0 1 0- 5/ s4 5 1 0- 5/ s 这为地面气旋的发展提供了 有利条件同时 5 0 0 h p a 低槽前西伯利亚上空有强的冷平流输送9 日 2 0 时冷平流中心东南 移强度达6 0 1 0- 5/ s 高低空温度平流的较大差异使沙源地区上空大气层结不稳定 有利于沙尘卷到空中 到 1 0 日凌晨系统开始影响北京但由于系统主体位置偏北同时夜间温度差已小层 结相对稳定北京受下沉区控制虽然上游沙尘天气影响到北京但强度较弱北京以浮尘 天气为主 2 1 2 3 月 2 7 日2 8 日沙尘天气形势和物理量场诊断分析 2 7 日 0 8 时 5 0 0 h p a形势图上乌拉尔山地区为高压脊 西西伯利亚平原东部为低压低槽 3 5 4 00N 气流较平直冷平流表现不明显但低层 8 5 0 h p a 在西西伯利亚平原和乌兰巴托各 有一低压中心 乌兰巴托的低压中心附近有冷暖平流输送 地面上蒙古地区到河套则为典型 的锋面气旋 气旋南部开始出现大风及沙尘暴天气 2 7 日 1 4 时地面气旋中心移至沙音山德 冷锋过河套气旋南部出现大范围偏西大风并伴有沙尘暴生成其范围延伸到我国内蒙中 部到山西北部地区2 7 日 2 0 时 8 5 0 h p a 低压中心移到海拉尔西部冷锋于夜间移过北京 造成浮尘天气到 2 8 日 8 5 0 h p a 低压中心和地面低压气旋中心均移至东北 图 5 3 月 2 8 日 0 8 时 5 0 0 h p a 高度温度场分析图 图 6 3 月 2 8 日 0 8 时 5 0 0 h p a 涡度场分析图( 1 0- 5s- 1) 物理量场分析来看2 7 日 2 0 时高空 5 0 0 h p a 槽前有正涡度中心 8 1 0- 5s- 1位于河 套北部 1 1 0 0E 附近到 2 8 日 0 8 时该正涡度区加强东移至 1 2 0 0E 中心强度为 1 0 1 0- 5s- 1即整个过程中正涡度区较偏北 主要位于沙源地上空 使沙源区具备产生大风以及沙尘的高 空动力条件但北京上空的正涡度输送不明显相应缺少在北京形成大风的动力条件 温度平流场上 2 7 日 2 0 时 8 5 0 h p a 槽前后对应有对冷暖中心强度为1 5 1 0- 5/ s河 套北部 1 0 1 0- 5/ s 北京上空对应 5 0 0 h p a 低槽前在河套北部有2 5 1 0- 5/ s 的冷平流配合高低空温度平流的较大差异造成沙源地区上空大气层结不稳定, 利于大风的 和沙尘的生成但由于高空气流较平直北京 5 0 0 h p a 上空的冷平流较弱缺少在北京生成 大风和沙尘暴的热力条件 因此上游形成的沙尘天气受引导气流影响 以偏西路径进入北京 从垂直速度看2 7 日 0 8 时2 8 日 0 8 时上游沙源区为明显的上升运动区其中 2 7 日2 0 时河套北部的 7 0 0 h p a 上升区中心速度达 7 0 1 0- 3m / s 有利于大风和沙尘的形成但期 间北京始终为下沉区因此北京以浮尘天气为主 2 2 2 0 0 4 年 3 月 2 9 日北京地区沙尘天气分析 3 月 2 9 日中午北京多数站出现大风并伴有扬沙天气 主要是由于 3 月 2 8 日的蒙古气旋 冷锋过境后又有一股新的冷空气补充南下并入原气旋中在并入过程中气压场和温度场 的配置在华北地区形成一个很好的锋生区 随后新生成的冷锋迅速发展并经过北京 造成北 京的沙尘天气见图 7这次沙尘天气由于是本地沙尘源并且带有一定的突发性所以 具有一定的预报难度对这次天气北京市气象台做了临近的订正预报 从低层 8 5 0 h p a 图分析原在西西伯利亚平原的低压东移南下于 2 9 日 0 8 时与前部低 压系统合并为东北低压同时地面有冷空气从西北方向南下新生冷锋取代先前冷锋, 锋后 河套西部出现大片加压区三小时变压中心3 . 3 h p a 位于银川由于冷锋在中午前后过 境北京热力条件有利于本地沙尘扬起致使这次沙尘天气成为今年最强的一次扬沙天气 由于系统移动速度较快沙尘天气持续时间较短2 0 点前后沙尘天气结束 图7 3 月2 8 日2 0 时海平面气压场及冷锋示意图 图8 3 月2 9 日0 8 时8 5 0 h p a 温度平流( 1 0- 5/ s ) 物理量场分析看2 9 日 0 8 时 5 0 0 h p a 河套北部有中心为 8 1 0- 5s- 1的正涡度向北京输送到 2 0 时北京上空为正涡度中心区 6 8 1 0- 5s- 1使本站具备产生大风的动力条件同 时 5 0 0 h p a 上冷平流在 1 1 0 1 2 0 0E 之间有两个中心分别位于北京西部北部8 5 0 h p a 上 河套以北的冷平流区范围扩大并南下影响北京 加之中午前后北京近地面层升温明显 大气 热力条件极好7 0 0 h p a 上有上升运动配合造成中午前后北京的大风沙尘天气 3 应用特种探测技术对沙尘天气监测的结果分析 以往对沙尘天气的监测主要依靠观测人员对能见度观测判断有无沙尘天气或沙尘强度 这种方法简便易行但存在明显的主观性和难以量化问题 随着众多新的探测技术和探测手段 的出现拓展到沙尘天气的监测和分析领域2 0 0 4 年春季我们应用了 P M 1 0 质量浓度和浊度 计等特种监测技术对沙尘天气进行观测并取得较好的效果 P M 1 0 质量浓度对沙尘天气有较好反应当有沙尘天气时 P M 1 0 质量浓度会有一个上升 沙尘天气越强上升幅度越大应用这种方法可以达到对沙尘天气的监测目的下面是 2 0 0 4 年春季的三次沙尘天气 P M 1 0 质量浓度的分析3月 9 日受西北路径冷空气影响上午在北 京上游的