“2015.9.13”石河子沙塵暴天氣過程分析

徐臘梅

(第八師石河子氣象局,新疆石河子 832000)

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“2015.9.13”石河子沙塵暴天氣過程分析

徐臘梅

(第八師石河子氣象局,新疆石河子 832000)

利用常規(guī)Micaps資料和自動(dòng)站資料，從環(huán)流形勢(shì)、物理量、數(shù)值預(yù)報(bào)等方面，對(duì)2015年9月13日石河子發(fā)生的大風(fēng)沙塵暴天氣過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，前期升溫快、空氣土壤干燥，北方冷空氣快速南下，風(fēng)力達(dá)6級(jí)以上；K指數(shù)增幅大，SI指數(shù)梯度明顯，大氣層結(jié)不穩(wěn)定；氣壓梯度大、有深厚強(qiáng)盛的垂直上升運(yùn)動(dòng)和冷平流，這些條件的相互配合有利于沙塵暴天氣的發(fā)生發(fā)展。ECMWF模式對(duì)于大風(fēng)沙塵暴天氣具有更好的指示和預(yù)報(bào)能力。

沙塵暴；環(huán)流形勢(shì)；物理量；數(shù)值預(yù)報(bào)；石河子

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面大量塵沙吹起，使空氣混濁，水平能見度<1 km的天氣現(xiàn)象[1]。有利于產(chǎn)生大風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)的天氣形勢(shì)，有利的沙、塵源分布和有利的空氣不穩(wěn)定條件是沙塵暴形成的主要原因。強(qiáng)風(fēng)是沙塵暴產(chǎn)生的動(dòng)力，沙、塵源是沙塵暴物質(zhì)基礎(chǔ)，不穩(wěn)定的熱力條件有利于風(fēng)力加大、強(qiáng)對(duì)流發(fā)展，從而夾帶更多的沙塵，并卷?yè)P(yáng)得更高。除此之外，前期干旱少雨，天氣變暖，氣溫回升，是沙塵暴形成的特殊天氣氣候背景[2]。關(guān)于大風(fēng)和沙塵暴的特征、個(gè)例和成因等，已有許多學(xué)者進(jìn)行了研究，并取得一定的成果[3-8]。筆者借鑒前人方法，利用常規(guī)Micaps資料和自動(dòng)站資料，從環(huán)流形勢(shì)、物理量、數(shù)值預(yù)報(bào)等方面，對(duì)2015年9月13日石河子發(fā)生的大風(fēng)、沙塵暴天氣進(jìn)行分析，探討當(dāng)?shù)厣硥m暴天氣的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣實(shí)況

9月13日16：00—21：00石河子墾區(qū)普遍出現(xiàn)4～5級(jí)偏西風(fēng), 伴隨揚(yáng)沙天氣，莫索灣片區(qū)風(fēng)力達(dá)6級(jí)，出現(xiàn)沙塵暴。大風(fēng)、揚(yáng)沙和沙塵暴天氣致使空氣質(zhì)量變差，部分地方停電。傍晚至夜間普降小雨，南部山區(qū)中量，局部大量。最先出現(xiàn)5級(jí)大風(fēng)的136團(tuán)，14：00本站氣壓降至最低，為972.5 hPa，隨后升高，到18：00氣壓升至975.6 hPa，4 h升壓3.1 hPa，18:20出現(xiàn)極大風(fēng)速15.7 m/s。出現(xiàn)10級(jí)大風(fēng)的147團(tuán)16:00本站氣壓最低,為962.5 hPa，到20:00升至968.4 hPa，21：00升至970.4 hPa，4 h升壓5.9 hPa，20:02出現(xiàn)極大風(fēng)速32.8 m/s。墾區(qū)13日17:00—20：00 3 h變壓達(dá)5～6 hPa(圖1)。從實(shí)況來看，13日16:00開始?xì)鈮禾荻纫呀?jīng)加大，墾區(qū)自西北向東南方向依次出現(xiàn)大風(fēng)、揚(yáng)沙天氣，北部出現(xiàn)沙塵暴。姚學(xué)祥[9]研究表明，強(qiáng)風(fēng)一般需要達(dá)到6級(jí)(10 m/s)才能出現(xiàn)沙塵暴天氣。此次沙塵暴天氣莫索灣片區(qū)風(fēng)力均在6級(jí)以上，147團(tuán)風(fēng)速達(dá)10級(jí)，為沙塵的揚(yáng)起提供了強(qiáng)的風(fēng)力條件。

圖1 2015年9月13日20：00石河子地區(qū)3 h變壓分布Fig.1 Three hours change pressure in Shihezi region at 20:00 on Sep. 13, 2015

2 環(huán)流形勢(shì)分析

2.1 500 hPa高空形勢(shì) 12日20：00，歐亞范圍內(nèi)為兩脊一槽型，西西伯利亞至咸海為深厚的槽區(qū)，新疆位于槽前脊后；13日20：00，新疆脊東移垮臺(tái)，北方冷空氣迅速南下至石河子地區(qū)，當(dāng)?shù)匚粍?shì)高度由582 dagpm下降至578 dagpm。14日08:00,冷空氣繼續(xù)南下，位勢(shì)高度降至570 dagpm。冷空氣的快速南下是大風(fēng)天氣暴發(fā)的原因之一。

2.2 海平面氣壓場(chǎng) 13日17：00東歐地區(qū)形成1 035 hPa的高壓中心，在貝加爾湖地區(qū)為995 hPa的低壓中心，兩地氣壓差達(dá)40 hPa，80°～90°E存在6根等壓線，氣壓梯度大，石河子地區(qū)位于中間，至20：00北疆地區(qū)仍維持6根等壓線(圖2)。大的氣壓差為大風(fēng)沙塵天氣的形成提供了動(dòng)力條件。

圖2 2015年9月13日17：00(a)和20：00(b)海平面氣壓場(chǎng)Fig.2 Sea level pressure field at 17:00(a) and 20:00(b) on Sep.13, 2015

2.3 地面形勢(shì) 此次大風(fēng)沙塵暴天氣主要是偏西路徑冷空氣造成的，地面圖上冷空氣從東歐東南下至咸海，再沿偏西方向經(jīng)過巴爾喀什湖進(jìn)入北疆，進(jìn)而影響石河子地區(qū)。

3 物理量分析

3.1 熱力條件 石河子墾區(qū)地處天山北麓中段、古爾班通古特大沙漠南緣，石河子北部的莫索灣片區(qū)緊鄰沙漠，加之前期升溫較快，7 d內(nèi)最高氣溫由24 ℃升至32 ℃，致使大氣和土壤干燥，為此次沙塵暴出現(xiàn)提供了沙源條件和特殊的氣候背景。出現(xiàn)大風(fēng)和沙塵暴的前1 d和當(dāng)天，石河子墾區(qū)的最高氣溫大部都在30～34 ℃。從不穩(wěn)定條件來看，12日20：00K指數(shù)大值中心位于巴爾喀什湖至咸海之間，中心值為31 ℃；13日08：00東移南下，中心位于南疆西部和新疆北部的西西伯利亞地區(qū)，中心值分別為29和27 ℃，13日20：00南北兩中心打通東移，中心值為30～31 ℃。24 h內(nèi)石河子地區(qū)K指數(shù)由12 ℃上升至24 ℃。SI指數(shù)正值區(qū)域與負(fù)值區(qū)域梯度明顯(圖3)，這種大氣層結(jié)的穩(wěn)定到不穩(wěn)定的快速變化有利于大風(fēng)沙塵暴天氣的形成與加強(qiáng)。3.2 垂直速度 13日14：00石河子地區(qū)500～850 hPa均為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，500 hPa的負(fù)中心位于新疆西北國(guó)境線附近，數(shù)值達(dá)-1.92 Pa/s，700 hPa達(dá)-1.32 Pa/s，850 hPa為-0.36 Pa/s(圖4);20:00 300 hPa石河子地區(qū)大部也為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，500 hPa以下的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)向東南方向移動(dòng)，500 hPa中心區(qū)位于阿拉山口附近，中心值為-0.72 Pa/s，700和850 hPa克拉瑪依已轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)，主要的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)從西北向東南方向刷過莫索灣地區(qū)，該地區(qū)850 hPa垂直速度達(dá)-0.36 Pa/s，造成莫索灣地區(qū)的大風(fēng)和沙塵暴天氣。

圖3 2015年9月13日20：00石河子地區(qū)SI指數(shù)場(chǎng)分布Fig.3 SI index field distribution in Shihezi area at 20:00 on Sep.13, 2015

圖4 2015年9月13日14：00 500 hPa(a)、700 hPa(b)和850 hPa(c)垂直速度分布(單位：10-2 Pa/s)Fig.4 500 hPa(a), 700 hPa(b) and 850 hPa(c) vertical velocity at 14:00 on Sep.13, 2015

3.3 溫度平流 從300～850 hPa溫度平流來看，大風(fēng)沙塵暴天氣來臨之前，石河子墾區(qū)高低空均處于弱的冷平流控制。12日20：00，500～850 hPa冷平流中心位于巴爾喀什湖西北至北部，500、700、850 hPa的中心值分別為-23×10-5、-30×10-5、-35×10-5℃/s。13日20：00，300～850 hPa冷平流加強(qiáng)，300～500 hPa -20×10-5℃/s的冷平流中心已位于新疆北國(guó)境線附近，700 hPa冷中心為-30×10-5℃/s，850 hPa 冷平流東移進(jìn)入阿勒泰地區(qū)，中心強(qiáng)度加強(qiáng)至-50×10-5℃/s，且冷平流區(qū)域已覆蓋整個(gè)北疆地區(qū)。石河子地區(qū)冷平流數(shù)值在-20×10-5～-30×10-5℃/s，莫索灣片區(qū)達(dá)-30×10-5℃/s。從整層溫度平流可以看出，低層850 hPa冷空氣最先影響墾區(qū)，之后是700、500和300 hPa，且冷平流中心850 hPa明顯超前于500和700 hPa，冷平流區(qū)域南伸至北疆天山山區(qū)。整層大氣斜壓性較好。中低層較強(qiáng)的冷平流也是此次過程出現(xiàn)大風(fēng)的重要熱力機(jī)制之一。

4 數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

4.1 海平面氣壓場(chǎng) 從ECMWF和T639數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)的9月13日20：00海平面氣壓場(chǎng)(圖5)可以看出，ECMWF和T639與實(shí)況高壓中心位置和等壓線均基本吻合，ECMWF高壓中心面積與實(shí)況相對(duì)于T639更準(zhǔn)確，T639 1 008 hPa等壓線位置較ECMWF更接近實(shí)況。2種模式在蒙古國(guó)均預(yù)報(bào)了1 008 hPa的低壓中心，而實(shí)況沒有。總體來看，ECMWF較T639預(yù)報(bào)的高壓中心強(qiáng)度和冷空氣南伸幅度更強(qiáng)更大，均比實(shí)況略強(qiáng)。

4.2 風(fēng)場(chǎng) 從EC細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)(圖6a)來看，13日14:00石河子墾區(qū)北部和西部風(fēng)速略有加大，風(fēng)速普遍為4 m/s；17：00石河子墾區(qū)炮臺(tái)和莫索灣片區(qū)風(fēng)速已加大至10～12 m/s，大部分地區(qū)已出現(xiàn)5級(jí)大風(fēng)；20：00，風(fēng)速東南下傳，莫索灣片區(qū)風(fēng)速在12～14 m/s，炮臺(tái)風(fēng)速減小至8 m/s，石河子增大至8 m/s。17：00—20:00莫索灣出現(xiàn)了6級(jí)以上大風(fēng)并出現(xiàn)沙塵暴，石河子風(fēng)速達(dá)5級(jí)，出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣。23:00風(fēng)速明顯減弱。從T639模式10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)(圖6b)來看，13日14：00風(fēng)速很小，基本為靜風(fēng)，17：00風(fēng)速普遍加大至4 m/s，20：00莫索灣增大至6 m/s。2種模式與實(shí)況相比較，大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間較為對(duì)應(yīng)，但T639模式風(fēng)速預(yù)報(bào)明顯偏小，EC細(xì)網(wǎng)格的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)更具有好的指導(dǎo)意義。

圖5 2015年9月13日20：00 ECMWF和T639海平面氣壓預(yù)報(bào)場(chǎng)與實(shí)況對(duì)比(單位： hPa)Fig.5 Comparison of ECMWF and T639 sea level pressure forecasting field with actual situation at 20:00 on Sep. 13, 2015

注：a1、b1為13日17：00；a2、b2為13日20：00。Note:a1,b1.17:00 on Sep.13;a2,b2.20:00 on Sep.13.圖6 EC(a)和T639(b)模式對(duì)2015年9月13日17：00～20：00 10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)Fig.6 Wind field prediction at 10 m height during 17:00-20:00 on Sep. 13, 2015 by EC(a) and T639(b)

5 結(jié)論

(1)此次沙塵暴天氣是由新疆脊衰退、北方冷空氣快速南下造成的。加之前期升溫較快，空氣和土壤干燥，地表沙塵極易揚(yáng)起引起沙塵暴天氣。

(2)24 h之內(nèi)K指數(shù)上升12 ℃，SI指數(shù)正值區(qū)域與負(fù)值區(qū)域梯度明顯，大氣層結(jié)的穩(wěn)定到不穩(wěn)定的快速變化有利于大風(fēng)沙塵暴天氣的形成及加強(qiáng)。

(3)80°～90°E囊括石河子墾區(qū)的區(qū)域存在6根等壓線，氣壓梯度大，易生成大風(fēng)沙塵天氣。

(4)高低空維持強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，850 hPa垂直上升運(yùn)動(dòng)速度>-0.36 Pa/s；整層大氣斜壓性好，850 hPa冷平流達(dá)-30 ℃/s。

(5)ECMWF和T639模式對(duì)于氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)均具有較好的預(yù)報(bào)能力，其中ECMWF模式在風(fēng)速預(yù)報(bào)上較T639模式更準(zhǔn)確。當(dāng)10 m風(fēng)速達(dá)8 m/s時(shí)，地面將出現(xiàn)5級(jí)大風(fēng)；當(dāng)10 m風(fēng)速超過12 m/s時(shí)，地面將出現(xiàn)6級(jí)以上大風(fēng)天氣。

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Analysis of “2015·9·13” Sandstorm Weather Process in Shihezi Region

XU La-mei

(Eighth Division Shihizi Meteorological Observatory, Shihezi, Xinjiang 832000)

By using conventional Micaps data and automatic station data, the sandstorm weather process on September 13, 2015 in Shihezi was analyzed from aspects of circulation situation, physical quantity and numerical forecast. The results showed that fast heating at earlier stage, dry soil, the northern cold air moving southward fast, wind up to 6 above, greatly increase ofKindex, obvious gradient ofSIindex, unstable atmospheric stratification, large pressure gradient, vertical ascending motion and deep strong cold advection are conducive to the occurrence and development of sandstorm weather. Indicating and forecasting ability of the ECMWF model is better for the dust storm.

Sandstorm; Circulation situation; Physical quantity; Numerical forecast;Shihezi

徐臘梅(1974- )，女，湖北新洲人，副研級(jí)高級(jí)工程師，從事天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)及服務(wù)工作。

2016-09-20

S 16；P 458

A

0517-6611(2016)36-0202-04