引言

近年来，人们对我国西北地区沙尘暴天气的时空分布、变化趋势做了大量研究分析工作^[1、2、3]。指出我国西北地区沙尘暴多发区主要集中在两大区域:一个是位于塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠，另一个是东起巴丹吉林沙漠、经腾格里沙漠到毛乌素沙漠，南至河西走廊的广大地区^[4]。

甘肃位于我国大陆西北部的中纬度地带，远离海洋，地表状况东部是黄土高原，西部是狭长的河西走廊戈壁带，北边与蒙古高原相接，西邻南疆的塔克拉玛干大沙漠。地理环境造成气候干燥，雨量稀少，蒸发大的特点，是典型的大陆性气候。到了春季，甘肃的河西走廊常处于冷暖空气交绥地带，因为地表面干燥，加之受上游天气的影响，浮土层厚，极容易形成大风沙尘暴，特别当强冷空气携带着大量沙源路经此地时，使沙尘天气再度加强。所以，这里的风日最多，风力最强，是甘肃沙尘爆发生最多的地区，也是全国沙尘暴天气的高发区之一。

本文利用1955年1月至2002年6月甘肃省80个站的观测资料，根据沙尘暴的定义和划分标准^[5]，经统计，在甘肃境内共有64个强或特强沙尘暴个例。我们对其进行了天气气候分析，试图找出沙尘暴预报着眼点，并实现沙尘暴预警预报业务化。

1 甘肃沙尘暴的季节变化

图 1是1955~2002年甘肃省沙尘暴、强沙尘暴总日数分布图。由图可见:甘肃境内有两个沙尘暴中心，一个在民勤，41年共发生了1211次沙尘暴，一个在金塔、鼎新，分别为887、774次，其次在张掖、景泰，分别是612、569次。从沙尘暴的地理分布来看，很不均匀，民勤是甘肃沙尘暴发生最多的地方，年平均达29.5次，沙尘暴区由北向南递减，以兰州为界，36°N以南地区发生沙尘暴的次数少，以北地区次数多。山区少，平原多。兰州市年平均发生沙尘暴的次数是1.5次。

强沙尘暴和沙尘暴发生的范围比较吻合，主要集中在河西走廊的中部和东部，其它地方很少出现，最大强中心发生在河西走廊西部的金塔共28次，其次在民勤、安西等地为18和16次。

我们选取了五个有代表性的站点，绘制了沙尘暴日数的季节变化 (图 2)。

由图可见，沙尘暴天气甘肃一年四季均有发生。最多的季节是春季，而发生沙尘暴最多的月份是4月，占全年沙尘暴总数的26 %，其次是3月和5月，分别占全年沙尘暴总数的22 %和14 %，8月、9月、10月、11月发生沙尘暴的次数最少，占全年沙尘暴总次数的2 %左右。冬季占全年6 %左右。

强沙尘暴的季节分布大致与沙尘暴相同，全年出现最多的季节是春季，出现最多的月份也是4月，占全年总次数的26 %，其次是3月和5月，分别占全年的22 %和14 %，夏季6、7月份出现强沙尘暴的次数要比冬季高，约占全年的9 %左右 (图略)。

2 沙尘暴的天气分型

通过普查大量历史天气图，我们对发生在甘肃境内的64个强或特强沙尘暴个例进行了天气气候分析，对每一个个例从天气形势、影响系统、移动路径、影响范围、冷空气源地、云图特征、物理量诊断等方面深入总结分析，建立了强和特强沙尘暴个例过程档案库 (表略)。

由于沙尘暴定义中对风速有一定要求，并且发生沙尘暴时，甘肃的情况一般同时也会出现大风，所以在天气分型中把大风和沙尘暴合在一起进行了划分。甘肃的沙尘暴可分为五种天气类型:冷锋后偏西型、强锋区下动量下传型、冷高压南部偏东型、热低压前部型、河西小槽东移型。

2.1 冷锋后偏西型大风沙尘暴

过程前一天500 hPa 08:00高空形势，乌拉尔山有高压脊发展，脊前巴尔喀什湖至新疆有明显低压槽加深，西北区上空为浅脊控制，北支环流经向度大，低压槽在35°~60°N，70°~100°E有≥8个纬距的经向度，槽前负变高ΔH₂₄≤-4 dag pm，槽后正变高ΔH₂₄≥5 dagpm，低槽冷中心≤-32 ℃，最大风速≥26 m/s; 700 hPa在40°~55°N，70°~100°E范围内有低压槽，冷中心≤-16 ℃，最大风速≥15 m/s。随着巴尔喀什湖冷槽的东移，槽后西北气流中24h正变高加强，槽前有24h负变高进入高原。相应地面图上，冷锋过境，大风沙尘暴天气开始，且大风沙尘暴主要集中在气压、变压梯度较大以及高空冷平流较强的区域。尤其当冷空气翻越天山或帕米尔高原进入南疆盆地时，促使冷锋加强再东移，可造成河西较强的偏西大风沙尘暴。

另一种情况是，地面冷锋过境时，没有立即形成大风沙尘暴，而是在高空冷温度槽扫过时才开始。过程前降压升温，大风开始升压降温，风力大小视气压梯度，变压梯度而定，一般气压梯度要在20 hPa以上，这种大风如和高空急流配合，风力将加大，沙尘暴天气会更强。

2.2 强锋区下动量下传型大风沙尘暴

这类大风沙尘暴主要是由于大气低层热力增温造成大气层不稳定，使高层动量下传形成的。高空形势在乌拉尔山附近有一发展的高压脊，等高线和等温线非常密集，且二者走向基本一致，沙尘暴天气出现在强高空锋区下，在45°~50°N、80°~90°E，35°~40°N、100°~110°E有一支风速一般在20~30 m/s的西北风强风速带，形成较宽广的西风急流区。影响槽位于60°N以南，在80°~110°E之间，槽前ΔH₂₄≤-7 dagpm，槽后ΔH₂₄≥10dagpm。在这支西北气流中，常有不稳定小槽，形成阶梯形“赶槽”，槽前暖平流促使地面蒙古气旋发展，甘肃河西地区处于蒙古气旋底部，降压升温明显，此类大风日变化明显，经常于午后开始，下午至黄昏时刻风力最大，夜间减弱。如高空大形势稳定不变，有时大风可连续2~3天，沙尘暴区位置少动，它们与高空强风速带一致。如果有冷锋配合风力还将进一步加大，沙尘暴增强，维持时间也会延长。

2.3 冷高压南部型偏东大风沙尘暴

此类大风沙尘暴系蒙古冷高压南压时随强冷空气入侵而产生的。

大风沙尘暴出现前24h，一般在新西伯利亚到巴尔喀什湖高空有冷槽，由于乌拉尔山暖脊的发展东移，促使脊前冷槽锋区加强并南压到蒙古人民共和国与河西走廊之间。当乌拉尔山暖脊向东北强烈发展，脊前在贝加尔湖至蒙古便形成横槽，并迅速东南下到达河套，对应的锋区呈东西向并南移。相应地面图上蒙古有较强的冷高压规律东南移，其前缘有东西向冷锋配合。此种形势下，祁连山脉的阻挡作用有利于冷空气在走廊地区堆积气压梯度增大，在地面迅速升压、降温的同时，冷高压底部偏东大风加强。此时，如冷空气偏西，主要影响甘肃河西西部、以酒泉西部最多，如冷空气偏东，自蒙古经河套东南下，主要影响内蒙古、宁夏、陕北等地区。当冷高压中心移至乌兰巴托以东时，酒泉地区大风沙尘暴结束，冷高中心移至乌兰巴托东南时，有利于走廊东部地区形成大风沙尘暴。如南疆有热低压东移，则将会导致沙尘暴天气的进一步加剧和持续。

2.4 热低压前部型偏东大风沙尘暴

此类大风沙尘暴系南疆热低压东移造成。

位于新疆或蒙古中西部从地面到700 hPa有较强的热倒槽东移，槽前暖平流促使700 hPa南疆暖性低压及地面热低压进一步发展。同时，蒙古人民共和国有变性冷高压南下，河西走廊处于南疆热低压前部和蒙古变性冷高压底部，气压梯度加大，造成偏东大风沙尘暴。此种类型往往和暖空气的强烈发展有关，暖空气自南疆东移发展，地面热低压位于和田附近，3h负变压中心所到之处，风力加大，午后加强，日落由于暖低压而风力减小，风力多在6到7级左右。由于热低压发展，同时可以引起强烈增温，能见度恶劣。此种类型多造成一般沙尘暴，不易造成强沙尘暴和特强沙尘暴。

2.5 河西小槽型大风沙尘暴

此类大风沙尘暴是高空短波槽脊东移造成。

沙尘暴发生前48h，在08:00 500 hPa图上，巴尔喀什湖至新疆西部为一小高压脊，甘肃的河西西部有浅槽，脊前从新疆东部至河西东部为西北气流，大风前24h，新疆高脊发展东移 (脊线位于84°E附近)，脊前蒙古西部有不稳定小槽或冷温槽沿西北气流东南下。大风沙尘暴当天，新疆脊东移到新疆东部 (87°E附近)，08:00地面图上，蒙古西北部为一高压中心，民勤北部为低压区，形成西北向气压差，使原在蒙古西部的不稳定小槽携带冷空气沿西北气流迅速扫过我区，造成对流不稳定及动量下传大风。这类大风沙尘暴，高空多为短波槽脊活动，风场反映并不明显，在预报值班中常不引起注意，往往会因疏忽而漏报。

我们对1955~2000年西北东部产生强或特强沙尘暴个例进行分型统计 (表 1)，从表 1可以看到，影响西北东部的强或特强沙尘暴以冷锋型最多，占总次数的73 %，其次是动量下传和河西小槽东移型，其它两种很少。

3 大风沙尘暴移动路径

沙尘天气的源地有两方面:就地起沙与外来沙源，甘肃天气沙尘的沙源大部分是外来的，本地只占有一部分，影响甘肃的沙源，多来自于蒙古或南疆盆地，由于沙尘暴移动路径的不同，对下游天气的影响也不同。我们将影响西北地区的沙尘暴划分为:西方路径、西北路径和北方路径 (图 3)。

(1) 西方路径类冷空气从中亚翻越帕米尔高原进入南疆西部，沿塔里木盆地途经塔克拉玛干和古尔班通特古沙漠东移，影响南疆、甘肃河西及青海北部出现大风沙尘暴天气。此类沙尘暴共发生21次占33.3 %。

西方路径影响甘肃的主要站点有:野马街、民勤、张掖、鼎新、金塔、酒泉、玉门、景泰、高台、民乐。

(2) 西北路径类冷空气源于冰洋气团，强冷空气自西西伯利亚向东南经我国北疆、内蒙古西部入侵河西走廊，造成大风沙尘暴，冷空气穿过巴丹吉林和腾格里沙漠，然后东移至鄂尔多斯高原。此类沙尘暴具有范围广、强度大、灾害严重的特点。发生次数最多共发生26次占41.3 %，但主要影响新疆、甘肃、宁夏、青海、内蒙古等省区，可形成很强的黑风暴。

西北路径主要影响甘肃的站点有:民勤、张掖、鼎新、金塔、酒泉、武威、玉门、敦煌、景泰、白银、金昌、临泽、民乐。

(3) 北方路径类此类冷空气来自极地气团或变性气团，经贝加尔湖、蒙古国南下，影响我国西北地区东部和华北等地，此类共发生17次占25.4 %。北方路径影响甘肃的主要站点有:民勤、张掖、高台、金塔、酒泉、玉门、武威、景泰。

大量统计事实表明，玉门、金塔、酒泉、张掖、民勤、景泰6站无论哪一种移动类型都容易出现沙尘暴天气，这些站点也是甘肃特强沙尘暴的高发站，其它站点则因移动路径而都各有侧重。

沙尘暴的发生与天气形势和移动路径密切相关，每一种天气类型都包括有三种不同的移动路径。由表 2可知，在西北路径中，冷锋型和动量下传型次数较多。北方路径中冷高压型和河西小槽型较多。西方路径中热低压型最多，并且热低压型只出现在西方路径中。

西北路径类沙尘暴影响范围广、强度大，冷锋移经之地均可出现沙尘暴; 北方路径类主要影响内蒙古、宁夏、陕北、甘肃河西东部、华北及东北等地; 西方路径类沙尘暴多出现在南疆盆地、主要影响河西走廊西部及青海省。特别是沿祁连山一线的测站。

4 沙尘暴预报概念模型

沙尘暴天气突发性强，危害广，社会各界都非常关注，但它的预报难度大，我们通过对64个强沙尘暴个例的合成分析，总结了97条 (略) 客观定量预报规则和沙尘暴概念模型。在此基础上，用计算机语言和模块化设计方案，成功设计了中国西北地区沙尘暴监测预警人机交互预报平台，实现了沙尘暴监测预警预报业务化，最终作出沙尘暴有无和强度预报 (图 4)。我们利用沙尘暴分类建立的概念模型，对2002年3月19日沙尘暴进行了检验，能够准确预报，可用于业务检测预报和服务。具体检验结果另文发表。

5 沙尘暴预报着眼点

(1) 沙尘暴的形成及其强弱，直接取决于风力、气温、降水、冷空气活动及与其相关的土壤表层状况。强风是产生沙尘暴的动力，地面上裸露的疏松沙土是产生沙尘暴的物质基础，冷空气活动频繁，会导致风力增大沙尘天气加强。气温高、降水少、大风多是形成沙尘暴的主要原因。

(2) 欧亚大陆高空在一脊一槽或两槽一脊的环流形势下，乌拉尔山 (或中亚) 长波脊的建立、发展东移是关键，它的建立使其前部的长波槽加深发展，低槽斜压性强，槽后有一支风速≥20 m/s的强风速带，易引起扰动动能的加强和动量下传。

(3) 地面关键区有冷锋过境，冷锋前后的正、负ΔP₂₄、ΔP₃反映了气压场的最新变化，代表了冷暖空气演变的最新动态，ΔP₃差值越大越有利大风沙尘暴加强，正负ΔP₃中心连线的方向代表着冷暖空气移动方向，也是大风沙尘暴移动的方向。

(4) 沙尘暴爆发前期的气候背景增温显著，从地面到对流层中层持续增温大于10 ℃，有时24h增温达7~8 ℃，当有冷空气影响时，形成大气层结不稳定，进而激发沙尘暴。大风沙尘暴出现前水平温度梯度、气压梯度、变压梯度越大沙尘暴越强。

(5) 沙尘暴发生在正涡度中心的下风方和Ferrel环流上升运动区内，斜压扰动动能使得地面气旋加强，锋生易激发沙尘暴。

(6) 卫星云图上有明显的冷锋云带，云带由密实的中高云系组成，云顶亮温一般在-50~-60 ℃之间; 锋面云带前边界较模糊，后边界较整齐，有时云带前边界或其前部有中尺度对流云团和中尺度飑线。冷空气移动路径不同，锋面云带的走向也有所区别。西北类锋面云带多为东北—西南走向，自西北方沿北疆而向东南直冲河西走廊; 北方类云带走向呈东—西向，从贝加尔湖经蒙古国南压至河套一带; 西方类云带一般呈南北向，云带尾部伸至35°N以南。

(7) 当冷锋云系主体部分的云顶亮温出现≤-60 ℃区域，并且冷锋云系前缘亮温梯度≥0.6 ℃/km时，有利于产生强沙尘暴天气。中尺度云团的不断生成和持续发展，表明对流运动增强，有利于强沙尘暴天气的出现和加强。

(8) 正确估计冷锋过境时间，也是预报大风沙尘暴的关键。大风沙尘暴多发生在地面冷锋过境时或过境后，冷锋在午后到前半夜过境最有利沙尘暴的发展加强。

(9) “黑风”是发生在甘肃境内的一种特强沙尘暴天气，突发性强，破坏性极大，生命史短。一般“黑风”发生前天气尺度系统明显加强，6h形势场单站要素会发生“跃变”，这个“跃变”的过程有很强的指示性。

(10) 由于甘肃的沙尘暴以冷锋型最多，占总次数的73 %。所以每年冬春季节，只要有强冷空气路经我省，就会出现沙尘暴。特别在高空干冷急流和强垂直风速、风向切变及热力不稳定层结条件下，引起锋区附近中小尺度系统生成、发展，加剧了锋区前后的气压、温度梯度，形成了锋区前后的巨大压温梯度，在动量下传和梯度偏差风的共同作用下，使近地层风速陡升，掀起地表沙尘，极易形成强沙尘暴或特强沙尘暴。