2021年3月13-16日，一场极端沙尘暴天气先后袭击了蒙古国和中国北方地区。这次沙尘暴导致蒙古国590名牧民失踪，16人死亡。当沙尘暴于3月15日凌晨到达内蒙古中部时，阵风速度曾达到40m/s，相当于12级台风的强度；3月15日上午到达京津冀地区时，使能见度急剧下降，北京局地PM10浓度甚至飙升到了9000 μg m3。研究表明，这次极端沙尘暴天气由蒙古气旋的剧烈发展和东移过程引起。
春季蒙古气旋经常生成于蒙古高原，但东亚内陆地区蒙古气旋发展为具有台风强度的超强气旋现象则为非常罕见。对于东亚内陆地区而言，蒙古高原地形不会是蒙古气旋发展成为超强气旋的关键原因，因为地形保持不变，但一次次的蒙古气旋强度各不相同。非绝热加热是入海爆发性气旋的主要机制，但也显然不是此次蒙古气旋急剧增强的主要原因。
近日，Atmospheric and Oceanic Science Letters 在线发表了来自中国科学院大气物理研究所布和朝鲁研究员团队的题为“The development of a powerful Mongolian cyclone on 14–15 March 2021: Eddy energy analysis” 的研究论文。该研究从高频涡动能量学的角度分析了这一超强蒙古气旋的发展过程及其动力学原因。
“如果触发蒙古气旋的上游高空扰动在到达蒙古高原时已经很强，那么蒙古高原地形的影响和涡动动能下传过程的共同作用会使对流层低层的蒙古气旋发展得足够强大。如果这时年际异常环流还能够提供更有利的有效位能背景，那么高频扰动会从平均有效位能中获取更多的涡动能量，从而使蒙古气旋发展成为强气旋”，论文的第一作者和通讯作者布和朝鲁研究员说。他们从涡动能量学的角度证实了上述观点。850hPa涡旋动能的下传在气旋的加强和成熟阶段起到了关键作用。而这一机制主要由冷锋后侧的冷空气下沉过程完成。一旦气旋开始快速发展，锋面气旋波机制就变得非常重要，此时“北冷南暖”的近地面温度气候异常型为高频涡动从时间平均有效位能中获取扰动有效位能提供了非常有利的条件。
论文的合作作者谢作威博士指出，蒙古气旋能够发展成为超强气旋还需要有利的低频背景环流条件。为了验证上述假定，他们推导出了一个简化的高频涡动能量收支方程，方程中的高频和低频涡动的相互作用项代表低频背景环流的关键作用。论文的另一个合作作者诸葛安然博士说：“此次蒙古气旋激烈发展过程中，高频涡动还从低频有效位能中汲取能量而进一步增长。高频波和低频波的相互作用对蒙古气旋的增强也很重要”。研究表明，“西北冷东南暖”的低频温度异常型，的确非常有利于低频有效位能的增加和向高频涡动有效位能的转换。
图：蒙古气旋引起的沙尘气溶胶浓度（等值线；间隔为2 ×104 kg m-2）及其对应的Himawari-8红色通道标准化值（填色；红色代表沙尘）。
总之，蒙古气旋发展成为超强气旋，需要多方面的条件，包括蒙古高原上空天气扰动本身的强度、扰动与地形的相互作用、低频背景环流以及年际气候异常背景等。“迄今为止，蒙古高原地形在超强蒙古气旋发展过程中的作用仍不是特别清楚，地形对动能下传过程的贡献以及在有效位能转换的放大作用仍需深入研究”，布和朝鲁研究员补充说。
Link:
https://doi.org/10.1016/j.aosl.2022.100259
Citation:
Cholaw Bueh, Anran Zhuge, Zuowei Xie, Mei Yong, Gomboluudev Purevjav, 2022. The development of a powerful Mongolian cyclone on 14–15 March 2021: Eddy energy analysis. Atmospheric and Oceanic Science Letters, https://doi.org/10.1016/j.aosl.2022.100259
