塔中一次強沙塵暴邊界風(fēng)場變化特征

王 柯 ，何 清 ，王敏仲 ，胡月宏 ，韓 燕

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.63655部隊，新疆 烏魯木齊841700）

沙塵暴是指強風(fēng)將地面大量塵沙吹起，使水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]，是干旱和半干旱地區(qū)常出現(xiàn)的災(zāi)害性天氣。沙塵暴能導(dǎo)致荒漠化加劇，直接影響人類的生存環(huán)境，危害極大[2]。我國很多學(xué)者對沙塵暴的發(fā)生源地、產(chǎn)生機(jī)制、環(huán)境影響及危害進(jìn)行了多方面的研究和探索[3-7]。沙塵暴具有顯著的地域性，我國北方干旱、半干旱地區(qū)是沙塵暴的易發(fā)區(qū)。新疆地處中國西北邊陲，遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，沙漠廣闊，是中國沙塵暴的多發(fā)區(qū)之一[8]。塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠是中國大陸沙塵暴活動最頻繁的地方[9]。因此，從氣候與環(huán)境的角度分析沙塵暴與大風(fēng)的時空分布特征，研究沙塵暴發(fā)生時的最多風(fēng)向和最小風(fēng)速指標(biāo)，探討高空風(fēng)場與沙塵暴之間的關(guān)系，對于預(yù)防沙塵暴對氣候和環(huán)境的災(zāi)害性影響顯得尤為重要[10]。

烏魯木齊沙漠氣象研究所于2003年在塔中架設(shè)了80 m鐵塔梯度觀測系統(tǒng)，可以細(xì)致地探測沙漠近地層氣象要素垂直梯度的變化[11-12]，其后建立了系留氣艇探測系統(tǒng)對塔中邊界層進(jìn)行過一些探測研究。為了更深入地了解沙漠腹地大氣邊界層的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，于2009年引入邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測系統(tǒng)并于當(dāng)年在塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站開展了連續(xù)的邊界層風(fēng)場探測研究[13]。本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)的連續(xù)探測資料，分析了2010年4月19日塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴過程邊界層風(fēng)場變化特征，有益于深入了解非均勻流動沙漠腹地的風(fēng)沙活動。

1 塔中4月19日沙塵暴過程描述

2010年4月19日，塔中爆發(fā)了一次沙塵暴。4月17、18日塔中為浮塵揚沙天氣，19日00:00—13:05為浮塵天氣，13:05—14:12出現(xiàn)了短暫的揚沙天氣，沙塵暴于19日14:12爆發(fā)，其間塔中能見度為450 m，16:11能見度轉(zhuǎn)好，16:11—18:42轉(zhuǎn)為揚沙天氣，隨后又發(fā)展為沙塵暴（18:42—20:18），能見度降為 450 m，其間（18:52—19:25）加大至 11.1 m/s。沙塵暴過后，4月20—21日均為浮塵揚沙天氣，地面風(fēng)速減弱，能見度增大，21日出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

2 塔中4月邊界層風(fēng)場特征

4月，塔中春季，邊界層風(fēng)場情況見圖1?？傮w而言，高空風(fēng)從低空到高空，風(fēng)速變化呈遞增狀態(tài)，從地面到5 000 m高空，風(fēng)速隨高度逐漸增加，地面風(fēng)最小，為1.5 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向偏東，到5 000 m附近風(fēng)速達(dá)到最大，為14.4 m/s，風(fēng)向偏西。5 000 m高度內(nèi)空中風(fēng)的平均風(fēng)速為6.3 m/s。1 000 m高度以下存在著風(fēng)速切變現(xiàn)象，風(fēng)切變區(qū)分別出現(xiàn)在100 m以及400～500 m兩個高度層，切變區(qū)風(fēng)速為4 m/s。除去這兩個風(fēng)速切變區(qū)外，風(fēng)速從地面到1 000 m高度的變化較小，基本維持在1.5 m/s左右。2 800～3 000 m以及3 600～3 800 m為兩個風(fēng)速增幅較大區(qū)，與相鄰100 m高度相比風(fēng)速增加了2.2 m/s。1 000 m高度內(nèi)平均風(fēng)速為2.1 m/s，2 000～5 000 m高度內(nèi)平均風(fēng)速為10.7 m/s，低層風(fēng)速遠(yuǎn)小于高層風(fēng)速。

1 000 m高度內(nèi)空中風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向偏東，1 000～5 000 m高度空中風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向偏西。

3 沙塵暴前后3 d風(fēng)向風(fēng)速隨時間變化特征

圖2～5為沙塵暴前后連續(xù)3 d（2010年4月18日至4月20日）4個不同高度層上（地面、500 m、1 000 m和1 500 m）的風(fēng)速、風(fēng)向隨時間變化曲線。

4月18日，塔中地面風(fēng)向多為NE，風(fēng)向隨時間順時針偏轉(zhuǎn)，20:00后轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)；地面風(fēng)速多在3.0 m/s以下，1:41—5:12塔中出現(xiàn)揚沙天氣，風(fēng)速明顯增大，達(dá)到6～8 m/s，18日全天平均風(fēng)速為2.5 m/s（圖2）。

4月19日夜間塔中地面維持靜風(fēng)，風(fēng)向繼續(xù)隨時間順時針偏轉(zhuǎn)，由SW轉(zhuǎn)為NW，19日14:12，沙塵暴爆發(fā)，風(fēng)向瞬時轉(zhuǎn)為NE，風(fēng)速由2 m/s增大至8 m/s以上，其后維持為偏東風(fēng)，16:11—18:42揚沙天氣期間風(fēng)速減至4.5 m/s，18:42沙塵暴再次爆發(fā)時，風(fēng)速迅速增大至11 m/s，20:18沙塵暴轉(zhuǎn)為揚沙，風(fēng)速逐漸減小，整個沙塵暴過程中（14:12—16:11；18:42—20:18）的風(fēng)速均在7.8 m/s以上。

沙塵暴過后，4月20日塔中地面為偏東風(fēng)，全天平均風(fēng)速由19日的4.3 m/s減至4.0 m/s。

圖3a為塔中沙塵暴前后3 d 500 m高度層風(fēng)向變化曲線，從圖中可知，4月18日0:00—12:00，塔中500 m高度層風(fēng)向由NE順時針變化為S，18日13:00至19日沙塵暴爆發(fā)前為偏西風(fēng)，19日沙塵暴過程中風(fēng)向迅速轉(zhuǎn)為NE，沙塵暴過后為偏東風(fēng)。

圖3b為塔中沙塵暴前后3 d 500 m高度風(fēng)速變化曲線，4月18日1:41塔中出現(xiàn)揚沙天氣，500 m高度風(fēng)速開始增大，10:30后風(fēng)速從15.3 m/s開始回落，至12:00時減為1 m/s，之后回升，至19日達(dá)到沙塵暴前后72 h過程中的最大值21 m/s。18日平均風(fēng)速為7.7 m/s。

19日500 m高度風(fēng)速變化曲線與18日相仿，10:00達(dá)到一個風(fēng)速波峰后回落，沙塵暴出現(xiàn)前風(fēng)速減至最小，沙塵暴爆發(fā)后風(fēng)速增大，14:30達(dá)9 m/s，之后波動上升，至19日24:00達(dá)到12.9 m/s（19日最大風(fēng)速值）。19日平均風(fēng)速為6.5 m/s，沙塵暴過程中（14:12—16:11；18:42—20:18）風(fēng)速均值為 4.9 m/s。

4月20日全天，500 m高度上的風(fēng)速平穩(wěn)減小，風(fēng)速均值為7.0 m/s。

不同于地面、1 000 m和1 500 m 3個高度層，在500 m高度上，塔中沙塵暴天（4月19日）風(fēng)速均值小于過程前后兩天（4月18日、4月20日）。

圖4為塔中沙塵暴前后3 d 1 000 m高度層風(fēng)向風(fēng)速變化曲線。與500 m高度風(fēng)向變化曲線相仿，4月18日00:00—18:00，塔中1 000 m高度層風(fēng)向從SE順時針變化為NW；18:00—23:00，風(fēng)向逆時針改變，從NW轉(zhuǎn)化為SW。4月19日00:00—15:00，1 000 m高度層上為偏西風(fēng)，沙塵暴爆發(fā)過程中，風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風(fēng)。

4月18日全天，1 000 m高度層風(fēng)速較小，平均風(fēng)速為2.5 m/s。18日23:00至19日3:00風(fēng)速增大到12 m/s，之后開始減小，沙塵暴開始時降至1.7 m/s，沙塵暴過程中風(fēng)速變化不大，在1.7～4.3 m/s間波動，沙塵暴結(jié)束后，1 000 m高度層風(fēng)速迅速增大，19日23:00達(dá)到3 d內(nèi)最大值13 m/s。之后的1 h風(fēng)速迅速減小，至當(dāng)日24:00風(fēng)速減至2 m/s。

4月20日，1 000 m高度層風(fēng)速總體呈先增后減的趨勢，13:25揚沙天氣開始時風(fēng)速達(dá)到當(dāng)天最大值12.5 m/s。20日的平均風(fēng)速由19日的6.0 m/s減至4.7 m/s。

圖5為塔中沙塵暴前后3 d 1 500 m高度層風(fēng)向風(fēng)速變化曲線，4月18日00:00至4月19日15:00，塔中1 500 m高度層風(fēng)向較為穩(wěn)定，多為SW；4月19日沙塵暴過程中風(fēng)向逆時針改變?yōu)镾E，20:30沙塵暴過后，風(fēng)向開始順時針轉(zhuǎn)為SW。4月20日2:00起，風(fēng)向從NW順時針轉(zhuǎn)為NE，隨后，4月20日全天為偏東風(fēng)。

4月18日1 500 m高度層全天風(fēng)速較小，平均為4.0 m/s。4月19日00:00起，風(fēng)速迅速增大，1:00—14:00，風(fēng)速穩(wěn)定在9～12 m/s間。第一個沙塵暴過程中（14:12—16:11），14:30、15:00、15:30、16:00的風(fēng)速分別為：8.3、8.8、7.5、6.3 m/s，小于沙塵暴爆發(fā)之前的風(fēng)速均值；在13:05—14:12短暫的揚沙天氣過程中，風(fēng)速迅速減?。坏诙€沙塵暴過程中，19:00、19:30 和 20:00 的風(fēng)速分別為：2.7、2.8、3.5m/s，達(dá)到了19日全天風(fēng)速的最小值。

4月20日1 500 m高度層風(fēng)速變化趨勢與1 000 m高度層相似，總體呈先增后減的趨勢，13:25揚沙天氣開始時風(fēng)速增至當(dāng)天最大值11.8 m/s，之后波動減弱，24:00風(fēng)速降至4.0 m/s。4月20日1 500 m高度的平均風(fēng)速與19日相同，均為7.4 m/s。

4 沙塵暴過程中風(fēng)向風(fēng)速隨高度分布特征

前面已對塔中各高度層風(fēng)向風(fēng)速在沙塵暴過程前后3 d內(nèi)隨時間的變化情況進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步了解強沙塵暴天氣過程中邊界層風(fēng)場變化特征，需對沙塵暴天氣風(fēng)場高度分布特征進(jìn)行研究。雷達(dá)資料顯示4月19日17:00（沙塵暴過程中）測站下沉運動較為強烈，平均下沉速度達(dá)到1.2 m/s，經(jīng)過分析認(rèn)為產(chǎn)生較強沉降運動的原因為：塔中地區(qū)不是本次沙塵暴的源頭區(qū)域，沙塵暴產(chǎn)生后，上游地區(qū)沙塵被地面大風(fēng)吹起，經(jīng)空中風(fēng)傳送到達(dá)本場時，沙塵粒子由于重力效應(yīng)產(chǎn)生沉降。

現(xiàn)在對 4月 19日 15:00、16:00、19:00和 20:00的風(fēng)向風(fēng)速隨高度分布的特征展開分析，所選4個時間點都處于沙塵暴過程中。

圖6為4月19日15:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度的分布曲線，15:00為沙塵暴爆發(fā)初期，地面及近地層風(fēng)速很大，地面、50 m和100 m高度的風(fēng)速分別為：7.6、13.2、18.2 m/s。隨高度增大風(fēng)速迅速減小，150～900 m高度內(nèi)風(fēng)速很小，平均值僅為0.9 m/s，1 000～2 200 m高度風(fēng)速隨高度升高而增大，2 200 m以上風(fēng)速變化較小，穩(wěn)定在13.0 m/s左右。

15:00時，700 m高度以下風(fēng)向較亂，各個風(fēng)向均有出現(xiàn)，700 m以上風(fēng)向為偏西風(fēng)，隨高度升高風(fēng)向由NW逆時針變化為SW。

圖7為4月19日16:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度的分布曲線，由圖可知：16:00地面及近地層風(fēng)速減小，地面和200 m的風(fēng)速分別為：8.3 m/s和5.1 m/s，但依然明顯大于1 200 m內(nèi)其他高度層的風(fēng)速。250～1 200 m高度內(nèi)風(fēng)速很小，平均值為1.3 m/s，1 200～2 200 m高度內(nèi)，風(fēng)速與高度成正比，2 200 m高度風(fēng)速為14.1 m/s，與15:00相同，2 200 m高度以上風(fēng)速變化較小，穩(wěn)定在13.4 m/s左右。

700 m高度以下風(fēng)向為NE，800～1 200 m高度風(fēng)向逆時針變化為NW，其上多為SW。

圖8為4月19日19:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度分布曲線，由圖可知：地面風(fēng)速較大，近地層風(fēng)速稍小于地面風(fēng)速，地面、50 m和100 m高度上的風(fēng)速分別為：11.1、7.5、4.6 m/s。“低風(fēng)速層”厚度增高至 1 700 m，風(fēng)速平均值為2.9 m/s?！帮L(fēng)速快速增大層”隨之升高，16:00“風(fēng)速快速增大層”范圍為1 200～2 200 m，19:00的“風(fēng)速快速增大層”范圍升高為1 800～3 100 m，此高度范圍內(nèi)風(fēng)速與高度成正比，風(fēng)速從1 700 m高度層的1.9 m/s快速增加到 3 100 m高度層的20.8 m/s。3 100 m高度以上風(fēng)速變化不大，穩(wěn)定在20.0 m/s左右。19:00時整層內(nèi)的最大風(fēng)速從16:00的14.6 m/s增大至20.9 m/s。

300 m高度以下風(fēng)向為NW，300 m高度以上風(fēng)向順時針變化，350～1 700 m高度內(nèi)多為偏東風(fēng)，其上轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。

圖9為4月19日20:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度的分布曲線圖，由圖可知：20:00近地層風(fēng)速已經(jīng)很小，但地面風(fēng)速依然保持7.9 m/s的較大值，1 800 m高度內(nèi)風(fēng)速變化不大，平均值為2.2 m/s，1 900～4 100 m風(fēng)速隨高度升高迅速增大，至4 100 m高度層風(fēng)速增至整層最大值22.2 m/s。

20:00時300 m高度以下為偏西風(fēng)，350～1 500 m高度內(nèi)多為偏東風(fēng)，1 800 m高度以上多為偏西風(fēng)。

圖10為塔中4月19日沙塵暴日11、15、19、23時的風(fēng)速廓線圖，11:00為沙塵暴過程前，15:00、19:00為沙塵暴爆發(fā)過程中，23:00為沙塵暴過程后。從圖中可知，沙塵暴過程中各高度層風(fēng)變化劇烈，15:00沙塵暴爆發(fā)初期，近地面風(fēng)速由11時的2.6 m/s激增至18.3 m/s，19、23時逐漸變小，但依然保持10 m/s左右的較大風(fēng)速；在300～1 000 m高度，沙塵暴爆發(fā)過程中風(fēng)速小于過程前后；1 000～2 000 m 高度內(nèi)，11、15、19、23時風(fēng)速隨時間推進(jìn)呈遞減趨勢；整個沙塵及過程前后，3 000m以上高度風(fēng)速較大。

5 結(jié)論

4月，塔中在沒有明顯天氣過程的情況下，1 000 m高度以內(nèi)多為偏東風(fēng)，其上多為偏西風(fēng)；0～1 500 m風(fēng)速一般不超過4 m/s，平均風(fēng)速為2.1 m/s。

此次強沙塵暴天氣過程中，沙塵暴爆發(fā)前，1 000 m高度內(nèi)風(fēng)向由東轉(zhuǎn)西，在沙塵暴開始爆發(fā)時，1 500 m高度內(nèi)地面及空中風(fēng)都轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。近地面風(fēng)速在沙塵暴爆發(fā)時迅速增大，地面最大風(fēng)速為11 m/s，100 m高度層的風(fēng)速達(dá)到了18 m/s，沙塵暴過后近地面風(fēng)速緩慢減??；500～1 500 m高度層上，沙塵暴爆發(fā)前后風(fēng)速迅速增大，最大風(fēng)速為12 m/s，沙塵暴爆發(fā)期間風(fēng)速較弱，穩(wěn)定在5 m/s以內(nèi)；3 000 m以上高空風(fēng)在沙塵暴爆發(fā)期間風(fēng)速可達(dá)20 m/s。

另外，沙塵被地面大風(fēng)吹起后由于重力產(chǎn)生沉降的拖曳作用，沙塵暴過程中塔中上空存在明顯的沙塵顆粒沉降運動，平均下沉速度為1.2 m/s。

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