第八章沙塵暴預報學習要點

本章介紹了影響我國的沙塵天氣的統(tǒng)計特征和發(fā)生發(fā)展規(guī)律，重點介紹了沙塵暴天氣監(jiān)測、預報方法與預報思路。

沙塵暴天氣是我國北方地區(qū)主要災害性天氣之一，當其形成之后，通過沙埋、狂風襲擊、降溫和污染大氣等方式，使大片農(nóng)田受到沙埋或被刮走沃土，農(nóng)作物遭受霜凍之害，致使絕收或大幅度減產(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，給人民生命財產(chǎn)造成嚴重損失。我國受到沙塵暴的危害嚴重，特別是西北地區(qū)的工礦、交通、新興城鎮(zhèn)及水利、電力、煤田和油氣井等設施，均受風沙危害或威脅，一旦出現(xiàn)沙風暴或黑風暴，受害尤為嚴重。因此沙塵暴天氣的預報服務是目前我們業(yè)務工作中十分重要的一項內(nèi)容。8.1沙塵暴的時空分布特征8.1.1定義和標準沙塵暴是一種自然現(xiàn)象，是指強風把地面大量沙塵吹起，卷入空中，使空氣特別混濁，水平能見度小于1km的嚴重風沙天氣現(xiàn)象。沙塵暴天氣的標準是中國氣象局2002年3月12日發(fā)布的《沙塵天氣預警業(yè)務服務暫行規(guī)定》（氣發(fā)[2002]43號文，自2002年3月20日起執(zhí)行）。定義和標準如下：詳情進入⑴沙塵暴定義和標準

沙塵暴：強風將地面塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度小于1km的天氣現(xiàn)象。

⑵沙塵暴過程的定義和標準

沙塵暴天氣過程：在同一次天氣過程中，我國天氣預報區(qū)域內(nèi)相鄰3個或3個以上國家基本（準）站同時出現(xiàn)了沙塵暴天氣。

⑶強沙塵暴的定義和標準

強沙塵暴：強風將地面塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度小于0.5km的天氣現(xiàn)象。

⑷強沙塵暴過程的定義和標準

強沙塵暴天氣過程：在同一次天氣過程中，我國天氣預報區(qū)域內(nèi)相鄰3個或3個以上國家基本（準）站同時出現(xiàn)了強沙塵暴天氣。

⑸特強沙塵暴的定義和標準（為地方標準，暫未列入國家標準）

特強沙塵暴：強風將地面塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度小于0.05km的天氣現(xiàn)象。隱藏8.1.2沙塵暴的空間分布特征根據(jù)國家氣候中心制作的中國年沙塵暴日數(shù)圖分析（圖8.1），沙塵暴主要分布在我國北方地區(qū)，西北地區(qū)最為突出。多發(fā)區(qū)集中在南疆盆地及周圍、塔里木盆地及周圍、青藏高原西部、河西走廊－寧夏平原－陜北一線、內(nèi)蒙古阿拉善高原、河套平原和鄂爾多斯高原。詳情進入從圖上可以看出兩個沙塵暴高發(fā)中心，一個位于南疆盆地及附近地區(qū)，另外一個位于內(nèi)蒙古西部及甘肅民勤（年平均在20次以上）。周自江(周自江，王錫穩(wěn)等2002）通過對我國681個基本氣象觀測站，1954—2001年觀測資料的統(tǒng)計分析，48年間，記有沙塵暴的站共469個，占68.9%。王式功等(王式功等2003）對沙塵天氣易發(fā)區(qū)的降水和氣溫進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)沙塵暴發(fā)生區(qū)年平均降水僅為198.5mm，按氣候區(qū)劃衡量，低于干旱區(qū)臨界上限（200mm）。

隱藏8.1.3沙塵暴的時間分布特征根據(jù)國家氣候中心制作的不同季節(jié)年平均沙塵暴平均日數(shù)圖（圖8.2）分析，春季是我國沙塵暴出現(xiàn)頻率最高、范圍最大的季節(jié)，多發(fā)區(qū)分布與全年的分布類似；其次為夏季，范圍較春季縮小，高原西部的沙塵暴出現(xiàn)頻率明顯減少；詳情進入秋、冬季節(jié)的沙塵暴出現(xiàn)頻率和范圍較小，冬季出現(xiàn)沙塵暴天氣的中心位置在內(nèi)蒙古中東部及甘肅民勤、青藏高原西部，而秋季多出現(xiàn)在內(nèi)蒙古中東部及甘肅民勤、南疆和青藏高原西部地區(qū)。周自江等對北京、和田等6個代表站全年各月沙塵暴出現(xiàn)的次數(shù)進行了分析（圖8.3），可以看出，沙塵暴全年的分布呈單峰型，主要集中在3—5月份，大部分地方的沙塵暴多出現(xiàn)在3—4月份，而和田的沙塵暴高發(fā)期在5月，興海的沙塵暴高發(fā)期在3月，不同地區(qū)的沙塵暴出現(xiàn)頻次有一定的季節(jié)差異，大部分地區(qū)在秋冬季節(jié)頻次較低。

對于沙塵暴天氣的空間分布和時間分布，由于不同的研究和分析需要，以及所應用資料的年代和標準不同，有一定的差異，在參考應用時要特別注意。

8.2沙塵暴的形成機制8.2.1沙塵暴的形成條件沙塵暴是由多種因素形成的，包括氣候背景、地貌特征、季節(jié)變化、大氣環(huán)流條件等，其形成需同時具備三個基本條件：即沙塵源、強風和不穩(wěn)定的大氣層結(jié)。詳情進入

沙塵暴動畫演示

沙塵源有內(nèi)源和外源，內(nèi)源包括我國的八大沙漠和四大沙地，即塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、庫姆塔格沙漠、柴達木盆地沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、科爾沁沙地、渾善達克沙地、毛烏素沙地、呼倫貝爾沙地；外源指蒙古國南部戈壁地區(qū)（圖8.4）。強風一般需達到6級(10m/s)，在南疆5級(≥8.0m/s)，但在有些地方本站的風力不一定很大，上游風力較大的情況下也會出現(xiàn)能見度小于1km的沙塵暴天氣。不穩(wěn)定的大氣層結(jié)是導致大氣垂直運動的主要原因。

隱藏8.2.2氣壓（變壓）場的分析大風是造成沙塵暴最主要的原因。風是由于空氣中水平方向上氣壓分布不均勻造成的，同時包括地形、不均勻的受熱、地球自轉(zhuǎn)、大氣環(huán)流變化等其它因素的影響，但氣壓的不均勻分布和變化是大風產(chǎn)生的最直接原因之一，大風天氣尤其是區(qū)域性大風天氣產(chǎn)生前后在天氣圖上都有明顯的氣壓變化特征，因此對氣壓場和變壓場的分析是預報大風首要考慮的問題。詳情進入一般出現(xiàn)大風時，地面圖上都有天氣尺度的高、低壓中心配置，高壓中心位于冷鋒后面，鋒面前后變壓明顯，特別是3h變壓尤為明顯，鋒前和鋒后的氣壓差可以直接造成大風，氣壓梯度越大風速越大。

北方路徑大風沙塵暴天氣。在地面圖上，地面冷鋒呈準東西走向。鋒后冷高壓中心在貝加爾湖到蒙古國北部，強度≥1035hPa。鋒前蒙古低壓發(fā)展，形成北高南低的氣壓場分布，冷鋒南壓，氣壓梯度加強，造成西北或偏北大風沙塵暴。

偏西路徑冷空氣造成的大風沙塵暴天氣。地面圖上，冷空氣從中亞越過帕米爾高原進入南疆西部，沿塔里木盆地途經(jīng)塔克拉瑪干和庫存姆塔格沙漠東移冷鋒（70～105oE，42～55oN），蒙古國有低壓發(fā)展，冷高壓中心氣壓在1025～1040hPa之間，位置在60～105oE，45～60oN。冷鋒過境，大風沙塵暴天氣開始。當冷空氣越過天山或帕米爾高原進入南疆盆地時，促使冷鋒加強再東移，可造成較強的偏西大風沙塵暴。有時，當?shù)孛胬滗h過境時，沒有立即形成大風沙塵暴，而是在高空冷槽經(jīng)過本站時大風沙塵暴才形成。過程前降壓升溫，大風開始升壓降溫，風力大小視氣壓梯度、變壓梯度而定，一般氣壓梯度≥20hPa/經(jīng)緯度（約111km）。如果大風與高空急流配合，風力將加大，沙塵暴天氣會更強。

西北路徑類冷空氣造成的大風沙塵暴天氣。地面圖上，地面冷鋒一般呈NE-SW走向。冷鋒后冷高壓中心位于北疆西北部，中心強度≥1030hPa，并且鋒前有熱低壓或熱倒槽發(fā)展，冷鋒前后氣壓梯度、變壓梯度和溫度梯度都很大，有利于大風和沙塵暴的形成。另外，當冷空氣特別強大時，受天山和其東部的喇叭口地形影響，冷空氣倒灌，進入南疆盆地，在南疆和河西西部還可形成偏東大風沙塵暴。有時鋒面云帶前部有中尺度云團或中尺度颮線發(fā)展時，也能引發(fā)強沙塵暴發(fā)生。隱藏8.2.3地形對沙塵暴的影響我國的沙塵暴多發(fā)區(qū)大都有其特殊的地形特征。沙塵暴一般多發(fā)生在盆地、山口、兩山之間的狹長地帶等，這些特殊的地形條件對影響系統(tǒng)的移動和發(fā)展有動力和熱力作用，如山脈前冷空氣堆積和越過山脈后的俯沖作用、盆地的低層加熱作用、狹長地帶的狹管效應等，對風力的加大、方向路徑的改變、垂直運動的發(fā)展都有很大的影響。

詳情進入賀蘭山和銀川盆地的阻擋和俯沖作用：突起的山脈與盆地相互配合容易造成沙塵暴。當甘肅河西有大風形成時，引起揚沙，大風挾著大量沙塵，經(jīng)阿拉善高原東移，在賀蘭山北面山前受阻堆積，冷鋒受山脈阻擋作用，坡度變陡，當冷空氣堆積到一定程度，一部分冷空氣翻越賀蘭山向銀川盆地俯沖，由于冷空氣迅速下沉，鋒面坡度急劇減小，因而大量的位能轉(zhuǎn)化為動能，加之冷鋒前的高溫，促使在銀川盆地形成強烈輻合上升運動，氣壓梯度和溫度進一步加大，促使系統(tǒng)加強，導致沙塵暴的形成。

河西走廊地形的狹管效應：河西走廊地形的狹管效應和特殊的流沙、尾礦砂地表為沙塵暴的形成提供了極為有利的地理環(huán)境。河西走廊呈西北-東南向，狹長大約1100km。當冷空氣經(jīng)過時，地形引起的狹管效應，可使風力明顯加大。金昌位于龍首山與祁連山之間的狹窄處，南北寬度僅數(shù)十公里，狹管效應更為顯著。到河西東部開口處狹管效應減弱，風力減小，沙塵暴也逐漸減弱。另外，沙塵源的類型和表面硬度是決定起沙量的重要因素。據(jù)監(jiān)測，民勤、金昌等地物源類型屬流沙和尾礦砂，表面硬度小，出現(xiàn)大風時容易揚沙起塵，為沙塵暴提供豐富的沙塵源。

柴達木盆地狹管加速和下滑效應：柴達木盆地海拔大約在3000m，地勢從西北向東南傾斜，其東部為開闊地。這種特殊的地形，不但對風有狹管加速效應，并且還有使空氣下滑勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿淖饔茫孛骘L速往往大于500hPa高度的風速。

南疆塔里木盆地中的塔克拉瑪干沙漠沙塵平均粒徑0.078mm，為超細沙，相對于國內(nèi)外同類相似地區(qū)，形成沙塵暴天氣的風力等級要小，經(jīng)測定在塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴啟動風速為8.0m/s。

“熱島”對形成沙塵暴的影響：西北地區(qū)部分新型工業(yè)城市的迅速發(fā)展，如金昌市、張掖市、銀川市等。隨著工業(yè)化程度的提高，城市規(guī)模擴大，人口增多，使該地區(qū)與周圍地區(qū)之間的溫差日趨加大，形成相對的“熱島”；當冷空氣進入該地區(qū)時，使氣壓梯度和溫度梯度明顯加大，地面輻合上升運動增強，當冷鋒進入該地區(qū)后，強度會有一明顯的加強，也是該地區(qū)形成沙塵暴天氣的一個不可忽視因素。8.3環(huán)流背景與天氣系統(tǒng)8.3.1大尺度環(huán)流背景沙塵暴天氣是在一定的大氣環(huán)流背景下產(chǎn)生的。研究表明沙塵暴天氣出現(xiàn)強的年份和弱的年份，北半球大氣環(huán)流有明顯的差異，詳情進入沙塵暴天氣是在一定的大氣環(huán)流背景下產(chǎn)生的。研究表明沙塵暴天氣出現(xiàn)強的年份和弱的年份，北半球大氣環(huán)流有明顯的差異，趙紅巖等（2004）利用1955—2001年西北地區(qū)月平均降水、月平均氣溫、月北半球500hPa高度場及環(huán)流特征量、逐月太平洋平均海溫場網(wǎng)格資料，對強沙塵暴年和少沙塵暴年環(huán)流特征和溫度分布特征進行分析，認為在強沙塵暴年環(huán)流及溫度有以下特征:極渦活動強、中高緯度經(jīng)向環(huán)流明顯、東亞大槽位置偏西、副高面積和強度小而弱（圖8.5）、赤道海平面海溫高、降水少等特點，而在弱沙塵暴年上述特征相反。

俞亞勛等（俞亞勛，趙建華2003）利用1955—2000年NCEP/NCAR全球月平均再分析(2.5°×2.5°緯度/經(jīng)度)網(wǎng)格點資料和甘肅省區(qū)域性沙塵暴過程資料分析后認為，春季強沙塵暴年和弱沙塵暴年大尺度高低空環(huán)流場和有關動力、熱力影響因子差異明顯，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

⑴強沙塵暴年，500hPa層在中高緯從北歐巴倫支海經(jīng)西西伯利亞平原、蒙古一直到日本上空位勢高度呈現(xiàn)一負距平帶，對應負溫度距平區(qū)；東北太平洋上空為強大的位勢高度正距平區(qū)，對應正溫度距平。弱沙塵暴年，在中亞巴爾喀什湖至貝加爾湖一帶表現(xiàn)為位勢高度正距平區(qū)，對應正溫度距平；東北太平洋上空為位勢高度負距平區(qū)，對應負溫度距平區(qū)。這表明中高緯歐亞范圍對流層中層為“+、-、+”位勢高度距平，對應“+、-、+”溫度距平是春季強沙塵暴年的主要大氣環(huán)流特征之一。

⑵強沙塵暴年，北半球極渦強，范圍增大且南伸，東西半球各有一個極渦中心，冷空氣勢力強，活動范圍大，而弱沙塵暴年，北半球極渦弱，范圍縮小，北半球只有一個極渦中心，冷空氣勢力弱，活動范圍?。▓D8.6）。

⑶強沙塵暴年，中緯度地區(qū)的正位勢高度距平和正溫度距平大于高緯度地區(qū)，而弱沙塵暴年反之，中緯度地區(qū)的正位勢高度距平和正溫度距平小于高緯度地區(qū)，表明強沙塵暴年中緯度地區(qū)的增溫大于高緯度地區(qū)，弱沙塵暴年高緯度地區(qū)的增溫大于中緯度地區(qū)。

⑷強沙塵暴年，在中亞至東亞范圍中，中高緯地面氣溫明顯偏低、海平面氣壓明顯偏高，我國中部的黃淮流域地面氣溫也偏低，而北太平洋區(qū)域氣溫明顯偏高，相應海平面氣壓明顯偏低。這表明上述區(qū)域是強沙塵暴年與弱沙塵暴年的敏感區(qū)域。

⑸強沙塵暴年，在我國甘肅省以及北面相鄰的蒙古出現(xiàn)正位渦距平，最大中心分別位于蒙古西南部、青海北部、南疆盆地東部和西部，而這些區(qū)域正是沙塵暴頻繁發(fā)生之地。另外，在對流層上空，36oN～51oN之間有一個正位渦距平，正位渦距平中心自西向東從高層向低層移動，其中最強位渦制造區(qū)域位于95～100oE之間，這充分表明位渦制造的大氣動能是沙塵暴形成的原因之一。隱藏8.3.2沙塵暴天氣的影響系統(tǒng)沙塵暴天氣是在一定的大尺度環(huán)流背景條件下，由多種天氣尺度的系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生。通過對大量個例分析研究表明，造成沙塵暴天氣的影響系統(tǒng)有：西風槽（包括橫槽轉(zhuǎn)豎類、長波槽東移類、脊前下滑槽類、短波槽東移類、高原槽東移類）、冷鋒、氣旋（溫帶氣旋、鋒前暖低壓、高原暖低壓、東北低壓）、高空急流、中尺度系統(tǒng)（中尺度氣旋、中尺度低壓、中尺度切變線、干颮線）等。沙塵暴天氣的形成與冷空氣活動有關，其影響區(qū)域和影響程度與冷空氣強弱和移動路徑有直接的關系，在不同路徑和強度的冷空氣作用下，各影響系統(tǒng)的變化和作用不同。一般認為造成我國沙塵暴天氣的移動路徑有三條：分別為西北、北方、西方路徑。下面分別討論不同路徑冷空氣過程中各影響系統(tǒng)的特征。詳情進入偏西路徑類冷空氣從中亞越過帕米爾高原進入南疆西部，沿塔里木盆地途經(jīng)塔克拉瑪干和庫存姆塔格沙漠東移，影響南疆、甘肅河西及青海北部出現(xiàn)大風沙塵暴天氣，此類沙塵暴占33%。

天氣形勢特點：前期500hPa圖上，西西伯利亞附近為一長波槽，受地面蒙古高壓阻擋較穩(wěn)定，長波槽南部位于中亞地區(qū)的一段低槽經(jīng)帕米爾高原，進入南疆盆地而引發(fā)偏西大風沙塵暴天氣。對應地面圖上，我國西部邊境有冷鋒生成，鋒后冷高壓位于40oN附近的中亞地區(qū)，鋒前塔里木盆地有熱低壓發(fā)展，低壓中心位于和田附近，中心氣壓可下降到988hPa。衛(wèi)星云圖上，有盾狀的冷鋒云系位于我國西部國界附近，云系前邊界與地面冷鋒一致，近于南北向，冷鋒云帶的尾部伸至35oN以南，當?shù)筒劾滗h云帶的前邊界越過帕米爾高原入侵盆地后，使南疆熱低壓開始東移。由于鋒后加壓顯著，與鋒前熱低壓之間在盆地南緣形成強的氣壓梯度力，西風迅速加強，引發(fā)沙塵暴天氣。西北路徑類強冷空氣源于北冰洋氣團，自西北向東南經(jīng)我國北疆、內(nèi)蒙古西部入侵河西走廊，冷空氣穿過馬丹吉林和騰格爾沙漠，然后東移至鄂爾多斯高原。造成大風沙塵暴，主要影響新疆、甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙古等省區(qū)，形成很強的黑風暴，西北、華北均可出現(xiàn)沙塵暴。此類沙塵暴具有范圍廣、強度大，災害嚴重的特點，發(fā)生次數(shù)最多，占41%。

天氣形勢特點：前期500hPa圖上，歐亞范圍內(nèi)多移動性槽脊活動，烏拉爾山高壓脊發(fā)展明顯。短波槽沿脊前東南氣流南下，加入西西伯利亞低壓區(qū)后，冷空氣不斷在此堆積加強，經(jīng)新疆北部、蒙古國西部東移，造成我國北方地區(qū)西北大風和沙塵暴天氣。地面冷鋒一般呈NE-SW走向，向東南方向移動。鋒后冷高壓中心位于北疆西北部，強度≥1030hPa，鋒前有熱低壓或熱倒槽發(fā)展。冷鋒前后氣壓梯度、變壓梯度和溫度梯度都很大，從而激發(fā)大風和沙塵暴。另外，當冷空氣強時，受天山和其東部的喇叭口地形影響，冷空氣倒灌，進入南疆盆地，在南疆和河西西部也可形成偏東大風沙塵暴。衛(wèi)星云圖上，冷鋒云系呈帶狀分布，由于高空風速大，有時可以看到發(fā)散的卷云存在。云帶與地面冷鋒走向一致，呈東北—西南走向，由北疆進入河西走廊。有時鋒面云帶前部有中尺度云團或中尺度颮線發(fā)展，引發(fā)強沙塵暴天氣。偏北路徑類冷空氣來自極地氣團或變性氣團，經(jīng)貝加爾湖、蒙古國南下，主要影響西北地區(qū)東部、華北大部和東北南部，有時還會影響到黃淮等地。此類占25%。

環(huán)流形勢特點：前期500hPa圖上，歐亞范圍內(nèi)大氣環(huán)流形勢由緯向型轉(zhuǎn)為經(jīng)向型，經(jīng)向環(huán)流加大。烏拉爾山到新疆是一較強的高壓脊，脊前有一支寬廣的風速＞20m/s的急流，極地冷空氣沿脊東南下，在貝加爾湖附近加深，形成具有溫度槽落后于高度槽的斜壓性很強的低壓槽，槽后的冷平流極強。地面圖上，冷空氣由西西伯利亞平原沿50oN以北地區(qū)東移，至貝加爾湖附近經(jīng)蒙古國南下入侵我國西北地區(qū)東部和華北地區(qū)。地面冷鋒呈準東西走向。鋒后冷高壓中心在貝加爾湖到蒙古國北部，強度≥1035hPa。冷鋒前蒙古低壓發(fā)展，形成北高南低的氣壓分布，冷鋒南壓，氣壓梯度加強，造成西北或偏北大風沙塵暴。衛(wèi)星云圖上，冷鋒云帶由密實的中高云組成，其走向與地面冷鋒一致，呈東西向，自北向南移動，至河套地區(qū)后隨高空引導氣流快速東移。此種類型冷空氣來勢猛，冷鋒移動快，影響地區(qū)偏東。偏北路徑類還有一種情況，高空環(huán)流形勢基本類似，不同的是貝加爾湖冷高壓南下至蒙古國后移速減慢，蒙古國被冷高壓控制，而河西地區(qū)有熱低壓生成并加強，在西北地區(qū)形成東高西低的氣壓梯度，造成河西走廊偏東大風沙塵暴。北方路徑沙塵暴從蒙古國南下過程中，在冷鋒附近常有冷鋒鋒生現(xiàn)象和中尺度切變線生成。中尺度系統(tǒng)易激發(fā)強沙塵暴天氣。

沙塵暴移動路徑的不同，會導致沙塵暴出現(xiàn)的范圍、落區(qū)和經(jīng)度有著明顯的差別。西北路徑類影響范圍廣、強度大，冷鋒移經(jīng)之地均可出現(xiàn)沙塵暴。偏北路徑類主要影響內(nèi)蒙古、寧夏、陜北、甘肅河西東部、華北及東北等地；西北路徑類多出現(xiàn)在南疆盆地，主要影響河西走廊西部及青海省，特別是沿祁連山一線的測站。急流對沙塵暴天氣的影響急流在沙塵暴天氣過程中有很重要的作用，急流的類型有：高層西風帶急流（200～300hPa）、西風帶急流和副熱帶急流合并類、中層急流（400～500hPa）、低層急流（700～850hPa）。

急流在沙塵暴天氣中有以下作用：

⑴造成動量下傳使中低層和地面風速加大。高空急流高空動量下傳必須具備兩條件：一是層結(jié)不穩(wěn)定，二是要有較大的風速垂直切變。

⑵加快冷鋒和沙塵暴的移速。

⑶加強中低層的斜壓不穩(wěn)定性，觸發(fā)氣旋發(fā)展，造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定，觸發(fā)中尺度系統(tǒng)發(fā)生（如颮線，中尺度低壓，次級環(huán)流等）。

研究認為，沙塵暴過程期間，沙塵暴一般位于高層急流大于30m/s等風速線圍區(qū)內(nèi)，而強沙塵暴中心則發(fā)生在200hPa急流出口區(qū)右側(cè)，高空急流以下形成的反環(huán)流(通常，對流層的徑圈環(huán)流存在3個圈：低緯度是正環(huán)流或直接環(huán)流又稱為哈得來環(huán)流；中緯度是反環(huán)流或間接環(huán)流（中低緯氣流下沉，低空向北，中高緯上升，高空向南，又稱為費雷爾環(huán)流)的發(fā)展起到輸送動量和加強鋒區(qū)的作用。反環(huán)流是誘發(fā)大風沙塵暴重要的動力和熱力機制，強沙塵暴區(qū)位于上升運動區(qū)內(nèi)。反環(huán)流的作用有二：其一，調(diào)整高低空垂直切變，使西風隨高度增大的流場切變減小，高空動量向低層傳遞；其二，由于北部上升絕熱降溫、南部下沉增溫作用，導致南北水平溫度梯度加大，鋒區(qū)加強。兩者共同作用的結(jié)果，使非熱成風向熱成風平衡，熱成風平衡過程也就是環(huán)流加速制造動能的過程。

由于高低空急流相互配置及耦合對中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展十分有利，當高空急流移到地面冷鋒和低空急流的上方時，低層的輻合上升運動與高空急流環(huán)流的上升支疊加，對流發(fā)展加強。天氣事實表明，沙塵暴多發(fā)生在高空急流出口區(qū)的正渦度區(qū)與低空急流大風核左前方相疊加的部位。8.4物理量特征8.4.1動力學特征相對渦度和垂直速度研究表明，相對渦度和垂直速度的不對稱結(jié)構(gòu)建立與沙塵暴的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系，相對渦度和垂直速度不對稱結(jié)構(gòu)最強階段，也對應著沙塵暴發(fā)展最強階段，但早于沙塵暴范圍達到最大的時刻，隨著相對渦度和垂直速度不對稱結(jié)構(gòu)的減弱，沙塵暴的強度和范圍也逐漸減弱（彭艷，王釗，許新田2009）。

2006年4月9—11日，受西伯利亞強冷空氣和蒙古氣旋的共同影響，蒙古國及我國西北地區(qū)的新疆、內(nèi)蒙、青海、甘肅、寧夏、陜西等地出現(xiàn)了一次沙塵天氣過程。4月9日08:00在甘肅西部的敦煌最先出現(xiàn)浮塵，9日11:00—17:00南疆盆地西部、甘肅西部、內(nèi)蒙古中部主要以揚沙、浮塵天氣為主，而這期間蒙古國自西向東出現(xiàn)沙塵暴。9日20:00—10日05:00南疆盆地和河西走廊沙塵天氣開始發(fā)展，逐漸出現(xiàn)沙塵暴并且向東發(fā)展，而蒙古國、內(nèi)蒙古中部的沙塵天氣開始減弱、消失。10日08:00-20:00在蒙古國和內(nèi)蒙古中部再次產(chǎn)生大范圍沙塵暴、揚沙天氣；河西走廊沙塵天氣逐漸向東移動，10日14:00—20:00寧夏北部、陜西省定邊地區(qū)出現(xiàn)大范圍揚沙天氣。11日05:00—14:00，陜西省秦嶺山脈以南的地區(qū)，沿府谷—吳堡—長武一線，由東北向西南方向出現(xiàn)沙塵暴、揚沙天氣。11日08:00，西北地區(qū)自西向東出現(xiàn)了一次降水過程，沙塵天氣也自西向東逐步結(jié)束（彭艷，王釗，許新田2009）。

圖8.7（彭艷，王釗，許新田2009）給出了4月10日02:00、08:00、14:00和20:00相對渦度沿90oE的剖面圖，分別代表沙塵暴開始增強、強度最強、范圍最大以及開始減弱時期。圖中37～44oN區(qū)域?qū)崨r為強沙塵暴發(fā)生區(qū)。02:00，在37～41oN之間有一氣旋性渦度柱建立，并由地面伸至300hPa，其中心位于450hPa附近，強度為9×10-5s-1，在其北側(cè)41～46oN之間為負渦度區(qū)，由地面延伸至200hPa，無明顯的中心存在，且正負渦度分布較對稱；08:00，37～41oN之間氣旋性渦度柱加強，高度降低至500hPa，其中心位于700～850hPa之間，強度為9×10-5s-1，其北側(cè)的負渦度柱明顯加強，并向北側(cè)傾斜，在300和700hPa出現(xiàn)兩個中心，強度達-12×10-5s-1，37～44oN之間垂直渦度呈明顯的不對稱分布。垂直渦度此種配置的物理意義為：在低空有強烈的輻合入流，并伴有強烈的上升運動，在高空有強烈的輻散流出，并伴有非對稱下沉運動，其結(jié)果是驅(qū)動整個渦度柱內(nèi)的上升運動不斷發(fā)展，使地面和低空水平風速持續(xù)增強，沙塵暴強度和范圍進一步加大。14:00，37～44oN之間正渦度中心無明顯變化，負渦度中心強度略有減弱，渦度的非對稱結(jié)構(gòu)仍繼續(xù)維持，表明此時非對稱下沉運動仍較強；20:00，37～44oN之間渦度的非對稱性結(jié)構(gòu)基本消失，沙塵天氣逐步減弱。

圖8.8（彭艷，王釗，許新田2009）給出了2006年4月10日08:00沙塵暴發(fā)展最強時沿90oE的垂直速度剖面。其中負值表示下沉氣流區(qū)。對比08:00渦度剖面特征，垂直速度也呈明顯不對稱分布，在36～39oN之間為一致的上升氣流區(qū)，上升氣流延伸高度達300hPa，分別在450和700hPa均存在強度為0.45×10-2hPa·s-1的中心；在39～43oN也存在一個強上升速度區(qū)，延伸高度達600hPa，在750hPa存在一個中心，強度達1.05×10-2hPa·s-1；在43～46oN之間為一致的下沉氣流區(qū)，延伸高度達150hPa，明顯的向南側(cè)傾斜，在450和700hPa存在兩個強中心，分別為-1.05×10-2hPa·s-1和-1.35×10-2hPa·s-1，在46～50oN之間為一致上升氣流，形成了南部下沉、北部上升的反環(huán)流，高緯上升低緯下沉的反環(huán)流有兩方面的作用：一是調(diào)整高低空西風垂直切變，使西風隨高度增大的流場切變減小，高層動量向低層傳遞，低層風速增大；另一方面，由于北部上升絕熱降溫，南部下沉增溫，導致南北溫度梯度加大，鋒區(qū)加強。兩者共同作用的結(jié)果使非熱成風向熱成風平衡。由于非熱成風向熱成風平衡的過程也就是環(huán)流加速制造動能的過程。因此，在沙塵暴期間，如此反環(huán)流形成與發(fā)展起到動量下傳加強鋒區(qū)的作用。

散度場和渦度場散度和渦度均能表征流體的輻合輻散情況，沙塵暴作為一種強烈的對流天氣，輻合輻散分布顯著，用散度和渦度表征沙塵暴天氣的輻合輻散，對了解沙塵暴天氣的動力學特征等具有一定的指示意義。

2005年4月8日白天到夜間，銀川、石嘴山、吳忠、中衛(wèi)四市大部出現(xiàn)7級左右偏北風，并伴有揚沙天氣。其中，大武口最大瞬時風力達9級，鹽池、大武口、青銅峽出現(xiàn)沙塵暴，以本次過程為例，對散度場和渦度場配置與沙塵暴的動力學關系作一分析。

圖8.9（a、b、c）分別是4月6日20:00500、700、850hPa散度場分布圖（萬明波2007）?？梢钥闯鲈趯幭氖【硟?nèi)，散度變化比較大。500hPa散度分布圖上大部分地區(qū)為輻散層，只有一小部分為輻合層，輻散中心在(108oE，39oN)附近。700hPa輻散達到最大，最大輻散強度為20×10-5s-1。850hPa散度值明顯下降，絕大部分區(qū)域為負散度值，只有部分區(qū)域為散度正值。這樣的散度分布說明在沙塵暴發(fā)生前，其區(qū)域內(nèi)已經(jīng)形成了很強的高空輻散，低空輻合的流場形勢，具備對流活動的有利條件。

圖8.9（d）是沿106oE對應垂直剖面圖（萬明波2007），可以看出最大散度負值在850hPa，值為-50×10-5s-1。散度“0”線在600hPa附近。最大散度正值出現(xiàn)在500hPa附近，值為20×10-5s-1，說明在此高度上氣流輻散達到最大。這樣的散度垂直分布特征表明在沙塵暴發(fā)生前，區(qū)域內(nèi)已經(jīng)形成了較強的氣流輻合，對垂直氣流的發(fā)生極為有利。

圖8.10（a，b，c）分別是4月6日20:00500hPa、700hPa、850hPa渦度場分布圖（萬明波2007）?？梢钥闯鲈谏硥m暴發(fā)生區(qū)域內(nèi)，其渦度值隨高度變化比較小。850hPa上渦度最大值達到8×10-5s-1，大值中心在(106oE，37oN)附近。700hPa渦度值變化不大，但大值中心稍微偏西，500hPa有正有負。

圖8.10（d）是沿106oE對應實況垂直剖面圖（萬明波2007），可以看出最大渦度出現(xiàn)在700hPa附近，極值為8×10-5s-1?！?”渦度線在500hPa附近，500hPa以上為負渦度區(qū)。這樣的渦度場配置說明沙塵暴生成前，在該區(qū)域內(nèi)500hPa以下有氣旋性渦柱，以上有反氣旋性環(huán)流。

從以上個例分析可以得到：沙塵暴出現(xiàn)的時候該區(qū)域一般在正渦度場下方，通常在500hPa以下表現(xiàn)為正渦度，而在500hPa以上為負渦度；散度場通常表現(xiàn)為下層輻合（一般在850hPa附近）上層輻散（一般在700～500hPa附近），這樣的配置有利于垂直運動發(fā)展。當然，在不同的區(qū)域這個高度有一定的差異，其中心值也根據(jù)系統(tǒng)的強弱和和地域有一定差異，在實際應用中要根據(jù)當?shù)刭Y料的分析進行總結(jié)。螺旋度沙塵暴是在大尺度背景下，由中尺度天氣系統(tǒng)誘發(fā)的強干對流，其特點是：大氣低層干熱，熱力抬升作用明顯；低、中層大氣不穩(wěn)定，有強對流發(fā)展，高層有強冷空氣活動。上述特征表明誘發(fā)沙塵暴的干對流與誘發(fā)暴雨的濕對流具有諸多相似之處。在中小尺度系統(tǒng)中，螺旋度是一個用來衡量風暴入流氣流強弱以及沿入流方向上渦度分布狀況的參數(shù)。它不僅表達了風場旋轉(zhuǎn)的強弱，而且反映了對旋轉(zhuǎn)性的輸送，是一個反映動力條件的物理參數(shù)。趙光平等通過強沙塵暴典型個例將垂直螺旋度應用到沙塵暴研究中，得出沙塵暴區(qū)上空垂直螺旋度分布的特征是高層為負值，低層為正值，對流層中低層螺旋度正的大值區(qū)與沙塵暴發(fā)生區(qū)具有較好的一致性，可以進一步判斷沙塵暴的爆發(fā)時間、持續(xù)過程和移動路徑，為準確預報沙塵暴提供參考依據(jù)（趙光平，王連喜，楊淑萍2001；陶健紅，王勁松，馮建英2004；王勁松，李耀輝，康鳳琴等2004；申紅喜，李秀連，石步鳩2004；張海霞，尤鳳春，周偉燦等2007；王建鵬，沈桐立，劉小英等2006）。從量級上看(至少在風暴初期)，水平螺旋度的量級遠大于垂直螺旋度，較大程度上決定了總螺旋度的情況，其預示性和重要性充分體現(xiàn)在預報中（陸慧娟，高守亭2003），通過對民勤沙塵暴典型個例分析，水平相對風暴螺旋度與沙塵暴的強度在時間上同樣具有很好的對應關系（岳平，牛生杰，張強2007）。

2002年3月18—22日我國北方出現(xiàn)了強沙塵暴天氣。北京3月20日發(fā)生了有歷史記錄以來最大的沙塵暴，總懸浮顆粒物濃度達10.9mg/m3，高出國家顆粒物污染標準54倍，其它金屬元素是平日的10倍以上;青島總懸浮顆粒物濃度比平時增加了4.1倍（趙琳娜，孫建華，趙思雄2004；孫業(yè)樂，莊國順，袁惠等2004；盛立芳，耿敏，王園香等2003）。對這一發(fā)生在中國北方區(qū)域的沙塵暴強度與螺旋度最小負值中心等值線進行對比發(fā)現(xiàn)，強沙塵暴中心出現(xiàn)在最大螺旋度負值中心下游的東南方向，與螺旋度的負中心等值線相對應，負中心值越大，對應沙塵暴強度越強，螺旋度負值中心-1000m2/s2與強沙塵暴中心相對應如圖8.11（李巖英，張強，李耀輝等2008）。

進一步對此次沙塵暴過程進行螺旋度間隔12h、地面圖間隔3h移動跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)大風沙塵暴天氣區(qū)域常出現(xiàn)在螺旋度負值中心的右前方。螺旋度負值中心18日08:00位于（76oE，52oN），中心值達-467.7m2/s2，并逐漸向東南方行進增強；18日20:00位于（88oE，48oN），中心值達到-856.8m2/s2；到達河西走廊北部一帶達最強，19日08:00位于（100oE，44oN），中心值達到-1576.2m2/s2；到達寧夏附近時有所減弱，19日20:00位于（104oE，44o），中心值達到-383.3m2/s2；向東南方向移動時，強度再次加強，20日08:00位于（112oE，40oN），中心值達到-492.0m2/s2，并繼續(xù)東移增強；20日20:00位于（120oE，40oN），中心值達到-748.7m2/s2；21日后逐漸減弱東移入海。相應地，沙塵暴首先于18日20:00在新疆北部國境線以北生成，于19日08:00影響甘肅河西中北部，然后迅速橫掃中國北方大部，于19日20:00到達東北，20日08:00—21日08:00整個華北、東北處于大風沙塵暴中，22日05:00沙塵暴移出我國，動態(tài)如圖8.12（李巖英，張強，李耀輝等2008）。

沙塵暴發(fā)生前后地面氣象要素變化沙塵暴發(fā)生前后氣壓場、風場等地面氣象要素均有明顯的變化特征。

圖8.13（a、b）分別是酒泉自動氣象站所記錄的2004年3月28日(沙塵暴起止時間為03:42—05:44)和2004年7月12日(沙塵暴起止時間為21:12—22:38)的每分鐘地面氣壓在沙塵暴過境前后的變化情況（岳平2006）。對比兩幅圖中可以看出，在沙塵暴發(fā)生前地面氣壓都較低，而且有小幅波動；當沙塵暴爆發(fā)的時候，地面氣壓迅速增大；到中后期兩次過程氣壓均在再次地波動中調(diào)整，并且進一步加壓?？梢园l(fā)現(xiàn)：兩次沙塵暴天氣過程地面氣壓的變化經(jīng)歷了相似的過程，前期受低氣壓控制，經(jīng)過第一次波動調(diào)整，氣壓迅速加大，為沙塵暴的爆發(fā)提供了動力條件；第二次波動調(diào)整使得地面氣壓進一步增大，伴隨沙塵暴過境，地面從低氣壓控制轉(zhuǎn)換到受高氣壓控制。春季沙塵暴在中后期地面加壓的趨勢更加明顯，根據(jù)圖8.13a可以得知，4:35—5:35，1h內(nèi)地面氣壓上升了2.5hPa。此外當出現(xiàn)沙塵暴天氣后，春季沙塵暴過程中氣壓維持了50min的相對平穩(wěn)時段，夏季沙塵暴過程中這一現(xiàn)象持續(xù)時間僅為30min。

圖8.14（a、b）分別是自動站所記錄的2004年3月28日和2004年7月12日沙塵暴天氣現(xiàn)象發(fā)生前后測站每分鐘風速的演變實況（岳平2006）。由圖8.13a看到：沙塵暴發(fā)生前及過程的前半段時間內(nèi)地面水平平均風速大于12m/s，在4:00出現(xiàn)了18.8m/s的瞬時風速（另據(jù)地面自計記錄顯示，在距沙塵暴發(fā)生還有5min的時候出現(xiàn)了21m/s瞬時大風），3:50—4:20這段時間也是地面能見度最差的時段，最小能見度只有400m。此后地面風速逐漸減小，水平能見度逐漸轉(zhuǎn)好，沙塵暴天氣結(jié)束。由圖8.13b可以看到，在沙塵暴發(fā)生前風速很小，但在沙塵暴發(fā)生前的10min內(nèi)，風速迅速增大到9m/s，達到這次天氣過程中本站的最大值。風速的急速增大為起沙提供了必要的動力條件。其迅速增大的原因主要有兩個方面，一是本站氣壓的增大，氣壓梯度加大；二是本地特殊的地理地形構(gòu)成的“狹管效應”所致。在整個沙塵暴天氣過程當中，風速呈波動式減小。在沙塵暴結(jié)束前的10min，風速只有2～3m/s，很難再將地面的沙塵夾卷到空中，隨之空氣中的沙塵逐漸沉降，能見度轉(zhuǎn)好。

隱藏8.4.2熱力學特征大氣層結(jié)穩(wěn)定度主要用位溫，假相當位溫和飽和相當位溫的垂直分布表征的。研究表明：沙塵暴來臨前到沙塵暴過境的前半期，大氣層結(jié)處于超絕熱狀態(tài)，大氣溫濕結(jié)構(gòu)及垂直風的分布有利于沙塵暴的發(fā)生、發(fā)展；沙塵暴過境的后期，大氣層結(jié)調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，抑制了干對流的發(fā)展；沙塵暴前期，大氣整層濕度較小，隨著高空槽的逼近，高空首先出現(xiàn)增濕現(xiàn)象，隨后水汽由高空向低層輸送，整層大氣相對濕度增加。詳情進入位溫在沙塵暴中的應用受北方冷空氣入侵的影響，2004年5月23日20:40—24日04:15民勤出現(xiàn)了強沙塵暴天氣，平均風力12m/s以上的大風持續(xù)時間長達5h，導致水平能見度極度惡化，最小能見度僅為200m。之后，水平氣壓梯度力減小，地面風速逐漸減弱，水平能見度慢慢轉(zhuǎn)好，于24日04:15—05:20減弱為揚沙天氣。此外，地面冷鋒過境后，從07:43開始，民勤站出現(xiàn)小雨天氣。

圖8.15（a，b，c，d）分別是基于民勤基準站，2004年5月23日19:15、23日23:15、24日02:02和24日07:16的4次探空資料進行計算得到的、和垂直分布廓線（岳平2006）。

根據(jù)圖8.15（a）可知，23日19:15民勤站的地面溫度非常高，飽和假相當位溫達到400K，同時隨氣壓降低迅速減小，表明垂直方向的溫度遞減率非常大，低于500hPa時，和線距離接近；當和之間距離非常大，表明低層大氣極為干燥，低于500hPa高度時，和線幾乎垂直于橫坐標軸，表明大氣層處于超絕熱狀態(tài)，并且不穩(wěn)定層結(jié)到達500hPa高度。這種熱力狀態(tài)的大氣邊界層在天氣尺度氣流的作用下所產(chǎn)生巨大的溫度梯度，不僅能使水平方向風力顯著加大，而且還能夠在垂直方向激發(fā)強對流體，從而誘發(fā)強沙塵暴天氣生成。

圖8.15（b，c）是沙塵暴期間的、和垂直分布廓線。從這兩幅圖可以發(fā)現(xiàn)，沙塵暴期間，特別是后期階段（圖8.14（c）），、和的調(diào)整向著不利于沙塵暴維持的方向發(fā)展，即對流減弱，同時和之間的距離在不斷接近，表明隨著時間的推移，大氣中的水汽在不斷的增加。圖8.14（b）中，從850～500hPa高度層內(nèi)大氣己經(jīng)表現(xiàn)為條件不穩(wěn)定，圖8.15（c），從地面到600hPa大氣處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8.15（d）是沙塵暴天氣結(jié)束后的、和垂直分布廓線?？梢园l(fā)現(xiàn)：和的距離非常接近，表明沙塵暴結(jié)束后，整層大氣的濕度有了很大增加，尤其是在650hPa附近兩條曲線幾乎重合，表明中高層大氣接近飽和狀態(tài)。從07:43開始，民勤站出現(xiàn)小雨天氣。地面氣溫和濕度對沙塵暴的響應沙塵暴發(fā)生前后地面氣溫、相對濕度等地面氣象要素變化特征。

圖8.16(a)是自動站所記錄的2004年3月28日沙塵暴天氣過程及其前后每分鐘氣溫和相對濕度的變化(岳平2006)。在沙塵暴發(fā)生前期，初春酒泉基準站的氣溫比較低，僅為6.3℃，而且在03:10之前氣溫處于下降趨勢，但在出現(xiàn)沙塵暴天氣的前半期，氣溫不再下降，這是因為大量懸浮在空中的沙塵粒子使得長波輻射減弱，從04:19起，即沙塵暴天氣現(xiàn)象的中后期氣溫迅速下降，截至05:30，地面氣溫下降了2.9℃，主要是由于隨著沙塵天氣的減弱，向外空的長波輻射增強導致地面氣溫驟降。相對濕度在前期比較小，僅為38%左右，但在沙塵暴結(jié)束前夕，從04:30開始劇烈增加，05:30增加到了44%，此后又開始緩慢減小。

圖8.16(b)是自動站所記錄的2004年7月12日沙塵暴天氣過程及其前后每分鐘氣溫和相對濕度的變化(岳平2006)。酒泉站21:12出現(xiàn)了沙塵暴，地面氣溫在前期及沙塵暴發(fā)生的前一段時間維持較高狀態(tài)而且變化不大，到21:25則開始緩慢遞減，在沙塵暴結(jié)束后的20min內(nèi)，氣溫出現(xiàn)呈折角式驟然下降，降溫幅度達2.5℃隱藏8.5衛(wèi)星遙感資料應用8.5.1沙塵暴遙感監(jiān)測沙塵暴源區(qū)及植被監(jiān)測根據(jù)我國沙化土地狀況、冷空氣路徑、沙塵暴發(fā)生頻率和強度、沙塵暴物質(zhì)組成與分布、土地利用方式，結(jié)合區(qū)域環(huán)境，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測將中國北方劃出四個沙塵暴源區(qū)（圖8.16）：一是新疆塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)；二是甘肅河西走廊及內(nèi)蒙古阿拉善高原；三是內(nèi)蒙古陰山北坡及渾善達克沙地；四是蒙甘寧長城沿線。四個沙塵暴源區(qū)涉及7?。▍^(qū)）98個縣總面積1925000km2，沙化土地面積1127000km2，占總區(qū)域的58.5%。

⑴新疆塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)

新疆塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)包括2個省(區(qū)），25個縣，總面積813000km2，其中沙化土地567000km2，流動沙地267000km2，半固定沙地105000km2，固定沙地26000km2，其它類型215000km2。

該地區(qū)植被綜合蓋度≤5%的面積為431000km2，占76.0%；＞5%和≤10%的面積為47000km2，占8.3%；＞10%和≤20%的面積為53000km2，占9.4%；＞20%和≤30%的面積16000km2，占2.8%；＞30%和≤50%的面積為18000km2，占2.8%；＞50%的面積為2000km2，占0.3%。

⑵河西走廊及阿拉善地區(qū)

該地區(qū)包括2省，21個縣，總面積624000km2，其中沙化土地367000km2，流動沙地103000km2，半固定沙地52000km2，固定沙地44000km2，其它類型168000km2。

該地區(qū)植被綜合蓋度≤5%的面積162000km2，占沙化土地面積的44.1%；＞5%和≤10%的面積82000km2，占22.3%；＞10%和≤20的面積59000km2，占16.3%；＞20%和≤30%的面積29000km2，占7.8%；＞30%和≤50%的面積32000km2，占8.6%；＞50%的面積3000km2，占0.9%。

⑶蒙陜寧長城沿線

該地區(qū)包括3個省，28個縣，總面積181000km2，其中沙化土地93000km2，流動沙地16000km2，半固定沙地17000km2，固定沙地55000km2，其它類型5000km2。

該地區(qū)植被綜合蓋度≤5%的面積7000km2，占沙化土地面積的7.5%；＞5%和≤10%面積13000km2，占14.0%；＞10%和≤20的面積11000km2，占11.8%；＞20%和≤30%的面積6000km2，占6.5%；＞30%和≤50%49000km2，占52.7%；＞50%的面積7000km2，占7.5%。

⑷烏盟后山和渾善達克沙地

該地區(qū)包括2個省，24個縣，總面積310000km2，其中沙化土地114000km2，流動沙地3000km2，半固定沙地9000km2，固定沙地44000km2，其它類型58000km2。

該地區(qū)植被綜合蓋度≤5%的面積11000km2，占沙化土地面積的9.6%；＞5%和≤10%面積4000km2，占3.5%；＞10%和≤20的面積6000km2，占5.3%；＞20%和≤30%的面積32000km2，占28.1%；＞30%和≤50%39000km2，占34.2%；＞50%的面積22000km2，占19.3%。沙塵暴監(jiān)測有關研究表明，在沙塵暴各種主要沙塵元素中，粒徑大于11.0μm的是小于0.65μm的3～5倍，因此在沙塵暴監(jiān)測研究中，主要應考慮大粒子沙塵的光學和輻射傳輸特性。沙塵粒子在不同光譜區(qū)間有不同的尺度參數(shù)，設X為尺度參數(shù)，X=2πR/λ，R是粒子半徑，λ是光譜波長。當球形粒子半徑尺度與光譜波長相近時，其粒子的散射和吸收特性可以用Mie散射理論來表述。設沙塵粒子為球形，在幾種不同波長下，不同半徑的沙塵粒子散射參數(shù)如表8.1。由此表可見，粒子半徑越大，其尺度參數(shù)越大，散射能量越向前集中；吸收消光也同時增加，散射比下降；即當天空中大粒子沙塵增多時，光線被強烈吸收，能見度則急劇下降。空中沙塵粒子的發(fā)射特性與粒子構(gòu)成（直徑大小和分布）有關，也與粒子的濃度有關。對短紅外窗區(qū)通道（3.7μm波長），在衛(wèi)星遙感輻射測值中即有沙塵粒子本身溫度發(fā)射的輻射，也有沙塵粒子對太陽輻射在這個波段范圍內(nèi)的散射部分，其大小與沙塵粒子的構(gòu)成和濃度有關，根據(jù)以上特征可判識沙塵區(qū)。

⑴用衛(wèi)星亮溫和反射率資料監(jiān)測沙塵暴

可見光云圖上，沙塵暴的反射率特征有如下的表現(xiàn)，在沙塵暴的頂部區(qū)域結(jié)構(gòu)均勻，順著風向有紋理，色調(diào)呈淺灰色，有高云的暗影存在。另外沙塵暴頂部的反照率與云團和地表的反照率有明顯的差別。地表反照率最低，達5%左右，沙塵暴頂部比地表高，達24%，而云團的反照率最高，達到51%。在紅外云圖上，云團的溫度最低，平均約在-54℃附近;沙塵暴的溫度次之，平均約在-3℃附近；地面溫度最高，可達到+39℃（鄭新江，劉誠，崔小平等1995）。

分析3.7μm和11μm兩個通道的輻射亮溫差得到，有沙塵氣溶膠的大氣中，等效黑體溫度在這兩個通道中存在較大的差異。輻射亮溫差ΔT(ΔT=T3.7-T11)在無沙塵的大氣中，其非零值是受水汽吸收和表面光譜特性影響。水汽吸收產(chǎn)生正的ΔT。在白天產(chǎn)生正的ΔT，主要是太陽輻射在3.7μm波段對表面反射率的貢獻（Ackerman1989）。利用以上兩個通道的亮溫差和可見光通道數(shù)據(jù)分析2000年4月6日的沙塵暴過程。分析結(jié)果表明，利用氣象衛(wèi)星上的可見光、短波紅外和紅外窗區(qū)通道的數(shù)據(jù)對沙塵暴監(jiān)測是一種有效的手段（方宗義，張運剛，鄭新江等2001）。

靜止衛(wèi)星因為缺少3.7μm通道，無法利用上述方法監(jiān)測沙塵暴。但是，靜止衛(wèi)星上的11μm和12μm兩個通道的輻射亮溫差可以區(qū)分硅酸鹽顆粒和冰水物顆粒。輻射亮溫差BTD(BTD=T11-T12)為負時表示硅酸鹽顆粒;BTD為正時表示云中冰水顆粒（YuT，WilliamIR，PrataAJ2002）。方宗義等利用GMS-5靜止衛(wèi)星的11μm和12μm兩個通道的輻射亮溫差BTD和水汽通道(6.5～7.0μm)較好地區(qū)分出了沙塵區(qū)和云區(qū)；并用這些方法的結(jié)果分析了蒙古氣旋中的沙塵頂部的輻射亮溫。分析表明，在氣旋發(fā)展的過程中，沙塵向氣旋中心運動時有向上伸展的趨勢。這可能是沙塵向東北、遠東、甚至更北的下游輸送的原因之一（方宗義，王煒2003）。

⑵用多通道合成圖識別沙塵暴

懸浮在空中的沙塵粒子的發(fā)射特性既與粒子的直徑分布有關，也與粒子的濃度有關。對可見光和短波紅外窗區(qū)通道，衛(wèi)星遙感的輻射值中，既有沙塵粒子以本身溫度發(fā)射的部分輻射，也有沙塵粒子對太陽輻射的后向散射部分。在實際應用中，常利用沙塵暴和其它目標物在反射率和亮溫上的差異進行多通道合成。根據(jù)這些輻射特性，國家衛(wèi)星氣象中心發(fā)展出了利用極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成沙塵暴的多通道合成圖方法（董超華1999）。2000年，美國執(zhí)行了旨在研究非洲沙塵的輻射、傳輸和微物理特性的PRIDE試驗。他們在試驗中使用了MODIS的三個通道資料合成出RGB彩色圖。對色彩分配時，0.65μm資料賦予紅色通道，0.86μm資料賦予綠色通道，0.47μm資料賦予藍色通道。合成后的圖像很好地反映了空中沙塵的細微紋理結(jié)構(gòu)。

近幾年，衛(wèi)星技術迅速發(fā)展，這使得對沙塵暴的監(jiān)測更加準確，尤其是衛(wèi)星遙感方面，在短短幾年內(nèi)，已經(jīng)由傳統(tǒng)的NOAA、GMS衛(wèi)星發(fā)展到FY-1C/D、FY-2B、EOS等系列衛(wèi)星，沙塵暴衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術和方法研究也隨之有了長足進步，并取得了一批先進成果。方宗義等利用NOAA、FY-1C衛(wèi)星以及GMS-5和FY-2B衛(wèi)星星載掃描輻射儀監(jiān)測沙塵暴原理，根據(jù)沙塵和大粒子氣溶膠的散射及發(fā)射特性，研究了沙塵暴遙感監(jiān)測方法。實踐證明，這種方法能有效監(jiān)測沙塵暴的發(fā)生、發(fā)展和演變（方宗義，張運剛，鄭新江等2001）。羅敬寧等提出了利用NOAA/KLM和FY-1C/D等多源遙感數(shù)據(jù)識別和提取沙塵暴信息的新方法，利用近紅外1.6μm波段特性構(gòu)建了可比沙塵強度指數(shù)。他的研究表明，利用衛(wèi)星探測器11μm和12μm波段差值進行沙塵暴信息識別和提取，可以達到滿意的效果，但不能刻畫沙塵暴強度；構(gòu)建可比沙塵強度指數(shù)，能夠解決多源遙感數(shù)據(jù)由于衛(wèi)星平臺、監(jiān)測時間、監(jiān)測區(qū)域等不同因素導致的監(jiān)測結(jié)果不可比的問題，監(jiān)測結(jié)果與地面氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)有較好的一致性，能夠從時間、空間兩方面刻畫沙塵暴強弱分布，可以作為沙塵暴定量研究的參數(shù)，為利用多源遙感數(shù)據(jù)持續(xù)定量地監(jiān)測沙塵暴的起源、移動、傳輸路徑、擴散等特征奠定了基礎（羅敬寧，范一大，史培軍等2003）。利用氣象衛(wèi)星和TOMS衛(wèi)星監(jiān)測沙塵輸送路徑和沙塵氣溶膠含量(用氣溶膠指數(shù)表示)，能夠較好地研究沙塵暴的移動和傳輸。通過與實況對比發(fā)現(xiàn)，2000年4月8日氣溶膠指數(shù)分布區(qū)域與當時內(nèi)蒙古和河北地區(qū)的沙塵暴區(qū)重合，而且氣溶膠指數(shù)增強區(qū)呈西北向移動路徑，與沙塵軌跡計算結(jié)果一致，說明氣溶膠指數(shù)增強區(qū)可以描述出沙塵暴分布特征(周秀驥，徐祥德，顏鵬等2002)。由于不同土地利用對沙塵暴過程中起沙貢獻不一樣，用局地分裂窗算法反演OAA/AVHRR熱紅外波段數(shù)據(jù)的地面溫度參數(shù)；取得大范圍的時序地面溫度數(shù)據(jù)后參照1:10萬土地利用/覆蓋類型重采樣圖層選點提取地表溫度，形成不同點時間序列變化曲線;最后將不同地類的地表溫度時序變化曲線與觀測點沙塵干量TSP時序變化曲線對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的對應關系，說明沙塵暴過程地表溫度變化現(xiàn)象與沙塵有密切的關系（劉志麗張小曳等2003）。

⑴利用MODIS可見光資實現(xiàn)對沙塵信息定量遙感監(jiān)測：利用MODIS可見光資料，構(gòu)造不同光譜特征判別函數(shù)，實現(xiàn)對沙塵信息定量遙感監(jiān)測（圖8.17）。

⑵利用NOAA衛(wèi)星資料實現(xiàn)對沙塵暴和沙塵強度的定量監(jiān)測：利用NOAA衛(wèi)星資料，根據(jù)不同地物的光譜特征，構(gòu)建定量監(jiān)測沙塵暴的沙塵判識指數(shù)，實現(xiàn)沙塵暴和沙塵強度的定量監(jiān)測（圖8.18）。

⑶蒙古氣旋沙塵暴監(jiān)測：2001年4月5—7日，由蒙古氣旋誘發(fā)的沙塵暴過程的強沙塵暴中心主要位于內(nèi)蒙古中部偏北地區(qū)，能見度≤200m的區(qū)域主要位于42oN以北，呈東西帶狀。這次大范圍強沙塵暴與蒙古氣旋爆發(fā)關系密切。蒙古氣旋2001年4月5日02:00生成，中心位于（82oE，51oN），中心氣壓1003hPa，后向東偏南方向移動。6日20:00—7日02:00氣旋爆發(fā)性發(fā)展，中心氣壓急劇下降6hPa，緩慢移動100km，在錫林郭勒盟引發(fā)了最強烈的沙塵暴，能見度降為0m。顯然氣旋爆發(fā)性發(fā)展使地面風迅速加大，造成沙塵暴猛烈加強。7日08:00氣旋錮囚，中心東移到（118.5oE，48.5oN），沙塵暴開始影響黑龍江省和吉林省。氣旋中心加深到977hPa（24h內(nèi)氣旋中心加深了14hPa）。這一記錄是2001年1—5月18次蒙古氣旋沙塵暴過程氣旋中心氣壓的最低值。關于此次沙塵暴過程用衛(wèi)星遙感進行了連續(xù)跟蹤監(jiān)測（圖8.19）。

沙塵路徑的監(jiān)測（北京為例）根據(jù)多年來衛(wèi)星遙感監(jiān)測的統(tǒng)計分析表明（鄭新江2001），影響北京的沙塵路徑主要有三條（圖8.20）。第一條：從蒙古國經(jīng)渾善達克沙地一帶和河北省北部影響北京；第二條：從內(nèi)蒙古朱日和一帶經(jīng)河北省張家口一帶影響北京；第三條：從黃土高原經(jīng)山西北部影響河北和北京地區(qū)。

隱藏8.5.2沙塵暴衛(wèi)星云圖特征鋒前型沙塵暴天氣的云圖特征強沙塵暴發(fā)生的衛(wèi)星云圖上有一條東北至西南走向的冷鋒云帶，冷鋒云帶的后邊界十分齊整，在冷鋒云帶的前邊界分裂出多個小對流單體，進一步發(fā)展成強對流單體的過程。1993年5月5日即為此類（圖8.21）。

鋒后型強沙塵暴的云圖特征冷鋒云帶過境后，鋒后的大風引起強沙塵暴，是我國出現(xiàn)次數(shù)最多的一類。在衛(wèi)星云圖上，此類冷鋒云帶可分為寬云帶和窄云帶兩種，較寬云帶的冷鋒引起的沙塵暴強度較強。1998年4月14—16日即為一次典型的鋒后沙塵暴過程（圖8.22）。

8.6沙塵暴預報沙塵暴天氣是目前氣象預報業(yè)務中影響比較大的災害性天氣之一，其預報難度也比較大，氣象工作者根據(jù)觀測事實，應用天氣學、動力氣象、數(shù)值模式、衛(wèi)星遙感資資料應用等理論和方法對沙塵暴天氣的預報進行研究分析，結(jié)合實際預報業(yè)務，總結(jié)出沙塵暴預報的方法，在目前的實際業(yè)務中得到了很好的應用，下面介紹在日常業(yè)務中沙塵暴預報的思路和著眼點以及目前業(yè)務中常用的預報方法。8.6.1沙塵暴預報思路和著眼點根據(jù)沙塵暴天氣發(fā)生的氣候背景、地表、地形條件、環(huán)流背景、影響系統(tǒng)、動力和熱力條件以及要素場特征等條件，在日常預報業(yè)務中進行沙塵暴預報時一般按以下思路進行考慮。詳情進入⑴分析前期的氣候背景，是否長期干旱少雨，氣溫偏高；土壤、植被、雪蓋等狀況并進行歷史對比，如果對比結(jié)果是干旱少雨，氣溫比歷史同期高，土壤干燥松散、植被雪蓋面積較常年少，則有利于沙塵暴天氣的出現(xiàn)。

⑵參考氣候預測和中期預報產(chǎn)品結(jié)論，掌握沙塵暴天氣可能出現(xiàn)的時段。

⑶分析天氣圖實況和國內(nèi)外數(shù)值預報產(chǎn)品，從環(huán)流背景及其演變?nèi)胧郑瑢ふ铱赡茉斐缮硥m暴的主要影響系統(tǒng)，分析其形態(tài)、強度、發(fā)展變化、路徑及不同層次、不同系統(tǒng)之間的配置和制約關系等?？紤]其可能影響的時間和范圍。

⑷3～5d的中期預報中要分析高空環(huán)流形勢，上游地區(qū)式是否有冷空氣的活動，地面冷高壓和冷鋒的強度及發(fā)展和移動情況，根據(jù)前面（本章8.3節(jié)）敘述的不同路徑冷空氣的環(huán)流及特征確定其移動路徑、強度和影響范圍，用數(shù)值預報結(jié)果推斷其影響預報區(qū)域的時間。同時注意地面氣溫的回暖情況。

⑸在1～2d的預報中根據(jù)形勢場演變確定鋒面過境的時間以及發(fā)展情況，沙塵暴多發(fā)生在地面有冷鋒過境時或過境后，冷鋒在午后到前半夜過境最有利于沙塵暴的發(fā)展加強。并根據(jù)要素場分析判斷是否有利于大氣不穩(wěn)定層結(jié)的形成，沙塵暴爆發(fā)前期增溫顯著，從地面到對流層中層持續(xù)增溫大于等于10℃，有時24h增溫達7～8℃，當有冷空氣侵入時，容易形成大氣層結(jié)的不穩(wěn)定。有利于大風沙塵暴的產(chǎn)生。開始關注云圖上鋒面系統(tǒng)的變化。

⑹利用衛(wèi)星、雷達、自動觀測站等遙感圖像資料及有關常規(guī)和非常規(guī)信息資料監(jiān)視和分析影響系統(tǒng)（特別要關注中尺度系統(tǒng)）的發(fā)生、發(fā)展和上游地區(qū)沙塵暴實況及其演變動態(tài)。通過物理量診斷分析看是否具有出現(xiàn)沙塵暴的有利的動力和熱力條件。

⑺分析要素場的異常變化情況。在6～12h的短期預報中要注意地面△P3場和不穩(wěn)定條件的發(fā)展情況。參照本章8.4節(jié)中關于穩(wěn)定度的描述。在中高緯度風場與氣壓場基本滿足地轉(zhuǎn)風、梯度風關系，因此在預報大風沙塵暴時應該注意氣壓場的變化。當?shù)孛鏆鈮簣鲋袣鈮禾荻燃哟髸r，風力一般要加大。地面天氣圖上最直接的反映是地面冷高壓強，冷鋒等值線密集，鋒面前后3h變壓增大，鋒前為比較強的負變壓區(qū)，鋒后為正變壓區(qū)，正負3h變壓中心的連線為大風沙塵暴移動的方向。在3h以內(nèi)的臨近預報中要主要分析冷鋒前后△P3的強度、移向、乃至鋒前△P3的變化，要密切注意冷鋒前后冷暖空氣活動、上游地區(qū)天氣實況以及遙感監(jiān)測沙塵移動情況。

⑻注意不同下墊面及特殊地形的影響。當空氣通過峽谷地帶時風速會加大，流出峽谷時風力會減?。ㄈ绾游髯呃鹊莫M管效應）；另外當冷空氣越過高山時在下坡的時候位能轉(zhuǎn)化為動能也容易加大風的強度（如冷空氣越過天山）。

⑼分析和判斷影響系統(tǒng)過境的時間及日變化的增（減）幅作用。

⑽充分利用國內(nèi)外的數(shù)值預報，特別是沙塵暴模式的產(chǎn)品和有關釋用產(chǎn)品。

⑾隱藏8.6.2沙塵暴預報方法介紹常見的幾種天氣氣候?qū)W預報方法⑴概念模式預報

概念模式是對觀測現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)、機制和生命周期了解的概括。在許多情況下，它可以用來改進主觀外推預報，在對沙塵暴天氣觀測事實的基礎上分析其影響系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)，對沙塵暴形成物理機制和演變過程進行總結(jié)概括，形成預報概念模式，進行預報。

⑵物理模式預報

根據(jù)沙塵暴形成的物理條件，概括為分析規(guī)則，進行預報，這種概括結(jié)果，也稱物理模式。

⑶沙塵暴落區(qū)預報

將某預報對象出現(xiàn)時，反映預報因子的一些特征線表示在天氣圖上，根據(jù)綜合這些特征線的范圍來確定預報對象未來可能出現(xiàn)的區(qū)域就是落區(qū)預報方法。實踐表明，沙塵暴天氣的形勢特別是要素場，往往在它發(fā)生前6h發(fā)生躍變。這個躍變對沙塵暴預報很有指示性。為了取得較好的預報效果，表征構(gòu)成落區(qū)的各種特征值（線），最好用沙塵暴天氣發(fā)生前6h內(nèi)的實況資料或數(shù)值模式預報輸出的產(chǎn)品，作為落區(qū)預報中物理參數(shù)的特征值。.統(tǒng)計學預報鋒后型強沙塵暴的云圖特征⑴相似模擬法：沙塵暴的產(chǎn)生和發(fā)展變化總是與天氣形勢變化密切相關的，而天氣形勢特征集中反映在各氣象要素場的形態(tài)、配置和強度特征等方面。因此按照一定標準客觀描述這些特征，即可從眾多的歷史資料中找到相似的個例集。爾后，對實時天氣用等效模擬的方法作出預報，這種方法稱為相似模擬法。

⑵相似判別法：從大量樣本中，把相似個例分類，對每類起始時刻的一些因子(參數(shù))確定數(shù)值，在預報時用實時因子加以判斷，這就稱為相似判別法。

例1：沙塵暴天氣的歸類判別分析預報模式(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺)

在分析了歷史上40年發(fā)生在內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的37次沙塵暴天氣過程的基礎上，總結(jié)歸納了4類大氣環(huán)流類型。參考T.L.Saaty提出的綜合選優(yōu)的方法，建立判別矩陣，然后計算歸類判別函數(shù)，根據(jù)判別函數(shù)值判斷實時待判樣本的歸屬。參照歸屬類歷史沙塵暴的天氣形勢和實況出現(xiàn)的范圍和強度作出沙塵暴天氣預報。該模式2000年開始應用于內(nèi)蒙古地區(qū)的沙塵暴天氣預報業(yè)務中，取得了較好的預報效果。它是一個客觀化、定量化和計算自動化的實用的預報模式。

例2：寧夏區(qū)域性強沙塵短期預報系統(tǒng)簡介(寧夏氣象防災減災重點實驗室)

通過對產(chǎn)生強沙塵暴天氣三大因子的實時診斷，從強冷空氣、熱力不穩(wěn)定和近地層環(huán)境分析入手，依據(jù)寧夏強沙塵暴天氣預報的著眼點，在較全面地對產(chǎn)生強沙塵暴天氣的三維空間物理結(jié)構(gòu)和動力過程所進行的動力過程相似檢驗前提下，通過滲入有明確天氣學意義并對寧夏強沙塵暴有實際預報能力的綜合指標和組合模型，在天氣系統(tǒng)自動識別技術的支持下，應用螺旋度修正方案確定強沙塵暴落區(qū)，建立自動、客觀化的寧夏強沙塵暴天氣監(jiān)測和預報系統(tǒng)。

通過診斷分析對主要影響系統(tǒng)的水平和空間結(jié)構(gòu)及其相互配置和相互作用有了深層的理解；對不同時段、不同地區(qū)成沙原因進一步的了解。

診斷分析表明：蒙古氣旋非常深厚寬廣、強度強；冷鋒附近中低層有強輻合，高層與高空急流相伴有強的輻散，鋒前上升運動強勁，鋒后為大片下沉區(qū)，鋒區(qū)附近溫度、se水平梯度大。

各地沙塵天氣發(fā)生發(fā)展各具特點，沙塵天氣的產(chǎn)生原因包括：上游沙塵高空輸送沉降（如北京）；本地熱力作用、鋒面抬升及上冷下暖造成的不穩(wěn)定；氣旋、鋒面附近大風及鋒后因下沉氣流導致的近地面輻散大風。物理量診斷物理量的診斷分析包括：大氣穩(wěn)定度、渦度和渦度平流、溫度和溫度平流、垂直運動及地形抬升作用、散度及高低空散度差、風垂直切變、各種能量、氣壓和溫度的變化和梯度、螺旋度等，在本章8.4節(jié)中詳細進行了介紹。需要注意的是，物理量的分析在沙塵暴預報中雖然有其普遍的意義，但在不同的天氣系統(tǒng)、地形條件和季節(jié)下其作用和影響程度有一定的差異，因此各地要根據(jù)本地沙塵暴天氣中所反映出的物理量特征進行調(diào)整。.數(shù)值預報產(chǎn)品釋用利用模式輸出產(chǎn)品，對沙塵暴天氣的形式場、要素場及物理量場進行分析，建立預報方程或規(guī)則，進行沙塵暴天氣的預報。常用的方法有：PP法、MOS法、人工智能系統(tǒng)等。

中央氣象臺基于T213的物理量診斷數(shù)值預報產(chǎn)品釋用實例介紹（沙塵暴短期PP預報方法）：通過對歷史沙塵暴個例的診斷分析，找出與沙塵暴發(fā)生發(fā)展有較好對應關系的7個物理因子及其閾值，并找出3個不利于沙塵暴發(fā)生發(fā)展的修正因子；在此基礎上，根據(jù)T213預報的物理量的多少自動制作沙塵暴短期落區(qū)預報。7個物理因子如下：理查遜數(shù)≤10，500和700hPa之間的風速切變≥6m/s；700hPa的水平風速≥12m/s；海平面氣壓場的變壓風≥2.5m/s；地面平均風速：南疆盆地取值為≥4m/s，其它區(qū)域取值為8m/s；摩擦速度≥0.2m/s；溫度平流≤1.5*10-5K/s。3個不利于沙塵暴發(fā)生發(fā)展的修正因子因素：⑴地表植被覆蓋率；⑵地表積雪：若有積雪，則認為不會出現(xiàn)沙塵天氣；⑶預報降水：若T213預報有≥2mm的降水，則認為不會出現(xiàn)沙塵天氣。

沙塵暴24h預報判斷：F=格點所滿足的因子個數(shù)×（1-植被覆蓋率），即植被覆蓋率越低，越易出現(xiàn)沙塵天氣.對任一格點，若F≥4個，則認為該格點有可能出現(xiàn)沙塵天氣。數(shù)值預報數(shù)值預報模式是進行沙塵暴研究和預報的一個有效途徑和未來的發(fā)展趨勢，相對于其它預報方法，數(shù)值預報模式更具有客觀性，預報時空分辨率更高，對沙塵暴物理機制的描述也更精確。目前沙塵暴數(shù)值模式大部分還處于研究階段，主要進行沙塵暴物理機制的研究和各種模擬實驗，大量的采用衛(wèi)星遙感資料和特種觀測資料，充分利用GIS信息，對沙塵暴的認識有了很大的提高。

在沙塵暴數(shù)值模擬和預報方面主要進行起沙機制、沙塵輸送和沉降的研究和模擬，通過對下墊面沙源分布的情況、風蝕過程、邊界層臨界速度、最大摩擦速度、水平和垂直的沙塵輸送過程等方面進行研究和分析。在這些研究工作的基礎上也有少數(shù)的模式投入業(yè)務應用中，如中央氣象臺的沙塵暴數(shù)值預報模式業(yè)務系統(tǒng)：考慮到沙塵現(xiàn)象發(fā)生的物理機制，集成的數(shù)值預報系統(tǒng)包括四個部分：大氣預報模式、風沙模式，陸面模式、地理信息系統(tǒng)及遙感監(jiān)測，該模式不僅考慮了風力等大氣條件對沙塵天氣產(chǎn)生的作用，還考慮了沙源地區(qū)的起沙動力過程、沙塵的傳輸和沉降過程。在業(yè)務工作中有一定的指導意義。蘭州干旱氣象研究所和中國氣象科學研究院數(shù)值預報研究中心合作研制的耦合于GRAPES（Global/RegionalAssimilationandPredictionEnhancedSystem）的沙塵暴數(shù)值模式GRAPES-SDM。該模式包括沙塵的起沙、傳輸、吸濕增長、并合、干沉降與云下清洗等詳細的物理過程?？梢詫ι硥m暴的起沙和空氣中沙塵濃度進行模擬和預報。在此基礎上形成了西北地區(qū)的沙塵暴數(shù)值預報模式系統(tǒng)，并于2005年4月開始在蘭州中心氣象臺試運行，同時還將模式結(jié)果與衛(wèi)星遙感資料反演的沙塵暴監(jiān)測結(jié)果進行了對比驗證。結(jié)果表明，模式輸出的沙塵時空分布與實況觀測和衛(wèi)星云圖監(jiān)測的沙塵分布范圍基本一致。

一般沙塵數(shù)值預報輸出的主要物理量有：

(a)沙塵濃度，單位：[μg/m3]，物理意義：描述大氣中沙塵含量的物理量是C[μg/m3]，即單位體積中沙塵的質(zhì)量。其量綱為[ML-3]，1mg=103μg。C越大，大氣中的沙塵濃度就越高，能見度越低。

(b)摩擦速度u*，單位：[m/s]，物理意義：摩擦速度u*是與大氣環(huán)流條件和近地面層空氣運動性質(zhì)有關的量，表示近地面層雷諾應力大小。當u*≥u*t（臨界摩擦速度）時土壤表面的顆