邢 彬

阿拉善盟气象局，内蒙古阿拉善盟 750306

位涡是大气运动中表征热力和动力的特征量。在国内相关等熵位涡研究中，位涡理论已成为天气动力学领域中的重要研究方法之一[1]。赵其庚[2]认为等熵位涡图对分析大尺度天气过程有明显优点。周秋林等[3]研究浙北地区暴雨后指出，等熵面上的位涡演变反映了暴雨区的移动及西南急流的发展。寿绍文等[4]认为在等熵面位涡面的形态及其中的湿位涡演变过程中能清晰地反映出产生暴雨的冷空气活动。程鹏等[5]研究西北地区连阴雨过程时得到等熵位涡高值区与降水区有较好的对应关系。黎惠金等[6]分析台风“尤特”得到动力对流层顶异常区相对台风位置与台风移向相关。吴志彦等[7]对寒潮中高层扰动进行等熵位涡分析得到伴随寒潮过程的酝酿和暴发。田秀霞等[8]认为等熵面位涡的演变反映了高低层冷空气的分布及活动状况。大多数研究关注于暴雨、连阴雨、台风、寒潮等天气研究，很少人关注在沙尘暴发生发展过程中等熵位涡的变化情况，因此，以总结沙尘暴发生时不同等熵面上位涡特征，为沙尘暴预报供一些新思路。

1 资料选取和计算方法

1.1 资料选取

天气实况选取中国气象局在阿拉善盟布设的6个地面观测站的资料，其包含每小时的最小能见度、极大风速、最小能见度出现时间等资料。选取美国国家环境预报中心和美国大学大气研究联合会提供的FNL全球模式对流层GRIB2再分析资料，有每天02:00、08:00、14:00、20:00 4个时次，水平分辨率为1°×1°，其包含绝对涡度、位温、位势高度、温度、u分量、v分量等资料。

1.2 计算方法

式（1）中，为等熵绝对涡度，取实际大气中θ位温值，可以得到该位温下等熵面上的位涡就是等熵位涡，即IPV（Isentropic Potential Vorticity）。等熵位涡的单位为PVU。内蒙古处于中纬度地区，那么有地转涡度参量大于等熵位涡垂直分量，可以简化得到公式（2）：

2 沙尘暴的概况

2019年5月11—12日，阿拉善盟、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、乌海市、呼和浩特市出现大范围强沙尘暴天气（图1）。FY-3B极轨气象卫星通过VIRR监测内蒙古西部沙尘覆盖面积可以得到11日124 221.88 km2、12日10 305.67 km2。

3 等熵面位温的取值

位温是表征干空气块绝热膨胀或压缩至1 000 hPa时的温度。在三维空间中，等压面上的位温的变化是曲折的。大气低层位温随着等压面的升高不变，大气中层位温随着等压面的升高而逐渐增加，大气高层位温随着等压面的升高与地面基本平行且密集程度逐渐增加。通过确定各个等压面上的位温区间，为等熵位涡计算提供准确的位温取值。由于内蒙古西部海拔高度在941.7 m（达来呼布）～1 651 m（乌拉特后旗，平均海拔约为1 200 m，低层大气容易受到下垫面的影响，因此近似的选择850～200 hPa等压面进行分析。利用grib2资料选取14:00达来呼布至拐子湖（图2a）、20:00巴丹吉林至乌海（图2b）、02:00磴口至托克托（图2c）、02:00海力素至乌拉特中旗（图2d），制作位温垂直剖面图。由于850～700 hPa位温垂直与坐标轴接近垂直，静力稳定度基本为0，因此舍去。那么可以得到在700～200 hPa位 温 取 值 范 围 分 别 为299～340、298～342、290～342、290～354K，以 上 位温取值范围取交集可以得到298～340K（表1）。

表1 位温取值范围

图2 850～200 hPa位温垂直剖面图

4 等熵位涡的特征

选取300、310、340K 3个位温面，对应700、500和200 hPa位势高度场和全风速场。在300K上，14:00（图3a）等熵位涡中心为3.5 PVU，其位于位势高度中心西侧。＞12 m/s全风速西风低空急流中心位于等熵位涡中心南侧的密集位涡梯度区内。等熵位涡中心在位势高度中心西侧。强沙尘暴发生区域1～2 PVU，部分地区等熵位涡数值接近0，存在不闭合的等熵位涡等值线，呈现中性层结。20:00（图3b）等熵位涡中心仍为3.5 PVU，＞12 m/s全风速西风低空急流中心和等熵位涡中心位置与14:00相同，等熵位涡中心在位势高度中心南侧，强沙尘暴发生区域0～1 PVU，同样存在不闭合的等熵位涡等值线；02:00（图3c）等熵位涡中心减弱为3 PVU，＞12 m/s全风速西风低空急流中心仍与14:00、20:00相同，但等熵位涡中心与位势高度中心重合，强沙尘暴发生区域0～2.5 PVU。在310K上，14:00（图3d）等熵位涡中心为7 PVU，20:00（图3e）等熵位涡中心加强为8.5 PVU，02:00（图3f）等熵位涡中心分裂为2个，分别为6.5 PVU和6 PVU。3个时次的等熵位涡中心与位势高度中心重合。＞20 m/s全风速区位于等熵位涡中心南侧的密集位涡梯度区内。在340K上，14:00（图3g）、20:00（图3h）、02:00（图3i）等熵位涡中心均为8.5 PVU且位于高空槽前，＞30 m/s全风速高空急流中心位于等熵位涡中心南侧。由此可知，强沙尘暴发生区域内低层等熵位涡为0～2.5 PVU，部分站点等熵位涡接近0，等熵位涡中心与位势高度中心重合或在其南侧，全风速（高低空急流）中心位于等熵位涡中心南侧的密集位涡梯度区内。

图3 2019年5月11—12日等熵位涡（红色实线 单位：PVU）、位势高度（蓝色短虚线 单位：dagpm）、全风速（彩虹图 单位：m/s）

5 混合层与等熵位涡的关系

在位温垂直剖面图中可以看到，在 低 层850～700 hPa上 有294～302K位温线近似垂直与坐标轴，这表明低层大气十分接近绝热状态，潜在不稳定能量基本为0，成中性层结（混合层）状态（图2）。由于静力稳定度接近于0，可以近似得到等熵位涡接近于0。间接得到混合层中的等熵位涡接近于0，因此在沙尘暴发生时，在大气低层850～700 hPa上等熵位涡的特征是其数值接近于0。

6 结论

（1）沙尘暴发生发展时，大气低层位温随着等压面的升高不变，大气中层位温随着等压面的升高而逐渐增加，大气高层位温随着等压面的升高与地面基本平行且密集程度逐渐增加。700～200 hPa位温取值范围可以确定为298～340K。

（2）取300、310、340K 3个 等 位 温面，强沙尘暴发生区域内低层等熵位涡为0～2.5 PVU，部分站点等熵位涡接近0。等熵位涡中心与位势高度中心重合或在其南侧。全风速（高低空急流）中心位于等熵位涡中心南侧的密集位涡梯度区内。

（3）在850～700 hPa上有等位温线近似垂直与横坐标，低层大气十分接近绝热状态，潜在不稳定能量基本为0，成中性层结状态。由于静力稳定度接近于0，可以近似得到等熵位涡值接近于0。