北疆春季沙塵暴極多與極少年環(huán)流場特征

李紅軍，湯浩

（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．中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊 830002；3．新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

北疆春季沙塵暴極多與極少年環(huán)流場特征

李紅軍1，2，湯浩3

（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．中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊 830002；3．新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

應(yīng)用1961—2015年春季北疆地區(qū)52個氣象站的沙塵暴資料,分析了其時空分布和沙塵暴極多與極少年的環(huán)流場特征。結(jié)果表明：春季沙塵暴極多年歐亞500 hPa高度距平場上，在北疆東西兩側(cè)分別是氣旋性和反氣旋性距平環(huán)流，東亞大槽弱，貝加爾湖附近脊減弱，烏拉爾山東部槽減弱，脊加強，而500 hPa和850 hPa風場距平場上，北疆上游都有反氣旋性距平氣流，東部都有氣旋性距平氣流加強，高緯冷空氣易入侵，同時北疆是氣流輻合區(qū)；700 hPa濕度距平場上影響北疆濕度較大的本地和周邊地區(qū)濕度距平場都為負，負值中心有2個，分別位于北疆精河和吉爾吉斯至阿克蘇之間，北疆水汽較多年平均偏少0.1 g/kg，歐洲與亞洲北部基本為正，中心在紅海北部，對北疆濕度影響較小。春季沙塵暴極少年500 hPa高度距平場中亞到新疆的高壓脊不強,東亞槽偏弱,貝加爾湖附近脊增強，而500 hPa和850 hPa風場距平場上，北疆以北都有反氣旋和氣旋距平氣流加強，高緯冷空氣不易進入北疆，北疆是氣流輻散區(qū)。春季歐亞700 hPa濕度距平場基本為正，濕度正距平大值區(qū)在北疆及周邊，北疆和周邊的濕度比多年平均高1～2 g/kg。

北疆；沙塵暴；環(huán)流場

沙塵暴是新疆北部（簡稱北疆）春季較為嚴重的氣象災害，20世紀90年代以來隨著全球變暖，北疆極端天氣氣候事件增多以及沙漠地區(qū)公路開通、農(nóng)牧業(yè)擴大發(fā)展和礦業(yè)開采的加大，沙塵暴引發(fā)的災害損失逐漸增多[1]，因而對北疆沙塵暴的關(guān)注和研究開始增多。研究得到北疆沙塵暴主要分布在古爾班通古特沙漠及其邊緣地區(qū)[2]，沙塵暴年日數(shù)在1～ 15 d之間，其高發(fā)年代多在20世紀60年代和80年代，年內(nèi)高發(fā)期是春夏季[3-5]。研究揭示產(chǎn)生沙塵暴的3個主要因素是多沙、強風及不穩(wěn)定的空氣層結(jié)[6]，具體影響北疆春季沙塵暴的前期的氣候因素主要是前冬的降水量[7]，而同期因子主要是氣溫、平均風速[8-9]、相對濕度和風蝕指數(shù)[6]；研究得出北疆沙塵暴變化趨勢與中國北方沙塵暴的趨勢基本相同：自20世紀60年代以來逐漸減少的，20世紀70年代中期至80年代初期頻數(shù)增多，90年代頻數(shù)最少[10-13]，而在1987年出現(xiàn)突變性減少[14]，比中國北方沙塵暴頻次突變減少延后約3年[15]。在北疆沙塵暴環(huán)流成因研究方面得到，包括北疆的中國北方春季沙塵暴發(fā)生次數(shù)與同期及前期500 hPa高度場有較好的相關(guān)關(guān)系[16]；在對流層中高層烏拉爾山脊向東北發(fā)展，在北疆形成一個東西向的橫槽，受其引導，北疆地面形成大范圍的東風，在塔城盆地形成沙塵暴[17]；歐洲脊發(fā)展東移與西亞南支脊同位相疊加，脊前低槽東移到70°E附近爆發(fā)性發(fā)展，相應(yīng)地地面冷鋒發(fā)展東移進入北疆，引起大范圍沙塵暴[18-19]。

上述研究分析了北疆沙塵暴的時空分布，某個要素對北疆沙塵暴的影響，環(huán)流場分析或者是關(guān)于北疆沙塵暴個例的天氣氣壓場特征或者主要針對華北和西北東部沙塵暴氣候環(huán)流場，北疆春季沙塵暴與氣候環(huán)流場以及與其他要素的關(guān)系如何，氣候場特征是什么，在氣候變暖背景下，北疆沙塵暴氣候特征是什么，是需要進一步研究的問題。本文旨在利用1961—2015年春季北疆52個氣象站沙塵暴資料，對北疆春季沙塵暴的氣候特征進行分析，闡明北疆沙塵暴年極多和極少年500 hPa高度場和流場、700 hPa濕度場和850 hPa風場等環(huán)流場的差異，為認識春季北疆沙塵暴的成因和提高沙塵暴預測水平奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文研究區(qū)是北疆，選用區(qū)域內(nèi)52個氣象站春季沙塵暴月總?cè)諗?shù)資料，資料從1961年1月—2015年5月，絕大多數(shù)氣象站數(shù)據(jù)完整連續(xù)，質(zhì)量可靠，少數(shù)站個別年所缺數(shù)據(jù)，用多年平均值代替。將這些站每年春季沙塵暴天數(shù)平均，得到北疆沙塵暴頻次春季年時間序列。

所用環(huán)流資料是NCEP／NCAR月客觀再分析格點資料，資料是全球范圍，空間分辨率為2.5°× 2.5°[20]。文中主要應(yīng)用氣象場合成分析來研究環(huán)流場變化。

2 春季沙塵暴的變化

從北疆春季沙塵暴空間分布看（圖1），其頻次最多在古爾班通古特沙漠腹地，這與之前基于沙塵暴全年頻次的研究[10-13]結(jié)果相同，沙塵暴分布中心平均頻次最多達3.0次/a，進一步使用北疆更多氣象站沙塵暴資料與區(qū)分季節(jié)的精細化研究得到，在北疆北部福海縣和西部精河縣也是北疆春季沙塵暴極多中心，中心值達到1.5次/a以上，在北疆東部、阿勒泰山中部與南部、天山山區(qū)以及西部的伊犁地區(qū)是沙塵暴頻次較少地區(qū)。

圖1 北疆春季沙塵暴空間分布

北疆春季沙塵暴頻次自20世紀60年代以來是逐漸減少的（圖2），從北疆春季沙塵暴頻次的年際變化可以看出，其年際間變化振幅十分明顯，1961— 1973年年際振幅較小，之后，年際振幅加強，1974—1987年連續(xù)14 a偏大，1988—2015年年際振幅又變小，20世紀90年代末至2000年代初和2010—2013年分別是1990年以來沙塵暴頻次最多和最少時期，由此可見在氣候變暖的影響下，北疆沙塵暴在總體減少趨勢下，仍會出現(xiàn)年際增多的波動。其年代際變化也十分明顯，在20世紀80年代中期之前，北疆沙塵暴頻次較多，之后頻次較少。

圖2 北疆春季沙塵暴頻次的年際變化

3 春季沙塵暴極多和極少年的環(huán)流特征

3.1 500 hPa高度場的特征

為分析北疆春季沙塵暴極多和極少年500 hPa高度場特征，從1961—2015年北疆春季氣象站的平均沙塵暴頻次中，選取了5個沙塵暴極多年（1963，1968，1975，1982，1983年）和5個沙塵暴極少年（2002，2005，2010，2011，2013年），然后計算了春季沙塵暴極多年和極少年北半球歐亞500 hPa的高度距平場。在沙塵暴極多年（圖3a）中高緯500 hPa春季歐亞高度距平場從西到東基本呈“-+-+”模態(tài)分布，北疆天氣上游區(qū)中心最大正距平為10 gpm，位于東歐平原地區(qū)，直接影響北疆沙塵暴的環(huán)流區(qū)基本位于中緯和高緯60°～110°E，基本為負距平區(qū)，中心在蒙古國西部，負距平最小中心為-25 gpm，低緯度負距平中心位于紅海北部。說明東亞大槽弱，貝加爾湖附近脊減弱，烏拉爾山東部槽也弱，脊加強，北疆地區(qū)春季沙塵暴頻次較多。北疆沙塵暴極少年（圖3b），500 hPa春季高度距平場上最大正距平中心位于西伯利亞東部地區(qū)，中心距平為35 gpm，北疆以東為氣旋性距平區(qū)，北疆之外西北和西南分別是為氣旋性負距平中心和反氣旋性正距平中心，北疆之外西南反氣旋性正距平中心是影響北疆主要環(huán)流系統(tǒng)，表明從中亞到新疆的中高緯高壓脊不強，貝加爾湖附近脊增強，春季沙塵暴少。

圖3 北疆春季沙塵暴極多年（a）與極少年（b）的500 hPa高度距平場（單位:gpm）

根據(jù)以上北疆沙塵暴極多年和極少年高度場分析，與北疆沙塵暴密切相關(guān)的環(huán)流區(qū)位于20°～110° E，40°～80°N，在此區(qū)域內(nèi)沙塵暴極多年和極少年環(huán)流正負距平分布基本相反，據(jù)此，在沙塵暴極多年和極少年，歐亞500 hPa高度場異常能夠分為兩種類型:西高東低異常型和西低東高異常型。

3.2.1 500 hPa流場的特征

分析500 hPa流場的距平場（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，在北疆春季沙塵暴極多年，歐洲有一個反氣旋距平環(huán)流，從歐洲東部至西伯利亞中部區(qū)域是氣旋性距平環(huán)流，北疆位于該氣旋性距平環(huán)流的南部，在東亞，以蒙古國為中心有一個氣旋性距平環(huán)流，該氣旋距平環(huán)流西部擴展到北疆東部。從風速風向看，在北疆春季沙塵暴極多年從歐洲東部，經(jīng)中亞至北疆以西區(qū)域的西北風明顯加強，北疆東部及以東則是東北風明顯加強。在北疆春季沙塵暴極少年，主要在歐洲東部至西伯利亞中部存在一個氣旋性距平環(huán)流，西伯利亞中部至東部是一個反氣旋性距平環(huán)流，北疆位于這兩距平環(huán)流東南和西南方向，從風速風向看，從歐洲東部，經(jīng)西亞至中亞的西風明顯加強，中高緯70°～100°E范圍內(nèi)北風明顯減弱，南風加強，北疆的北風明顯減弱。

上述分析表明在北疆春季沙塵暴極多年，中亞和北疆西部的西北風和北疆東部東北風明顯加強，有利于中高緯冷空氣進入北疆，因而引起較多頻次沙塵暴；沙塵暴極少年，北疆的北風明顯減弱，南風加強，進入北疆的中高緯冷空氣減少，引起沙塵暴減少。

圖4 北疆春季沙塵暴極多年（a）與極少年（b）的500 hPa流場距平（單位：m/s）

3.2.2 850 hPa流場的特征

地面風場是影響沙塵暴爆發(fā)與否的直接動力因素，850 hPa的風場能夠較好地反映地面局部風場，也能反映大范圍區(qū)域流場的整體特征。因此，850 hPa的風場是影響北疆沙塵暴的重要因子。圖5為西北春季沙塵暴極多和極少年的850 hPa流場距平場，同樣計算了上述5個沙塵暴極多年和5個沙塵暴極少年的流場距平場。在北疆沙塵暴極多年（圖5a）蒙古國地區(qū)氣旋性氣流和中亞北部反氣旋性氣流加強，高緯冷空氣易向南入侵北疆，同時中亞北部反氣旋性氣流前部西北風和蒙古國地區(qū)氣旋性氣流后部北風在北疆匯合增加，形成輻合，從而易形成沙塵暴；沙塵暴極少年（圖5b）的流場變化與沙塵暴極多年基本相反，在北疆位于一氣旋氣流東南和一反氣旋氣流西南，北疆南風氣流增強，高緯冷空氣被阻斷，不易向南移動，北疆以西是西風氣流正距平，北疆以東是反氣旋氣流距平，而北疆春季平均氣流為西北風，則北疆以東的反氣旋氣流減小了北疆風速，北疆氣流輻散，因而沙塵暴少。

圖5 北疆春季沙塵暴極多年（a）與極少年（b）的850 hPa流場距平（單位:m/s）

3.3 700 hPa濕度場的特征

沙塵暴頻次與地表濕度有密切的關(guān)系，北疆700 hPa濕度場能夠較好地反映該區(qū)地表大范圍濕度變化，因此研究700 hPa濕度場變化對預測該區(qū)沙塵暴頻次有積極意義。圖6為北疆春季沙塵暴極多和極少年的700 hPa濕度距平場。沙塵暴極多年（圖6a）歐洲大陸濕度距平基本為正，但數(shù)值不大，在0～0.3 g/kg左右，中心在紅海北部，達到0.4 g/kg，這些正距平區(qū)對北疆濕度影響較小，對北疆濕度影響較大的本地和周邊地區(qū)濕度距平場都為負距平，負值中心位于北疆西部的精河縣和吉爾吉斯至阿克蘇之間，北疆中心水汽較多年平均偏少0.1 g/kg，因青藏高原地表高度超過了700 hPa等壓面高度，所以圖中高原上的濕度不是實際值。北疆和周邊地區(qū)水汽減少，有利于地表產(chǎn)生較多較細的沙塵，易于沙塵暴發(fā)生；沙塵暴極少年（圖6b）歐亞區(qū)域基本為濕度正距平，歐洲和亞洲北部濕度距平都在1 g/kg以上，其中北疆都為濕度正距平，北疆和周邊的濕度比多年平均高1～2 g/kg，是水汽較多區(qū)域，青藏高原的濕度正距平中心也不是實際值；北疆和周邊地區(qū)水汽的增多，減少了地表沙塵來源，有利于沙塵暴頻次的減少。

圖6 北疆春季沙塵暴極多年（a）與極少年（b）的700 hPa濕度距平場（單位:g/kg）

4 結(jié)論

通過對北疆沙塵暴的分析得到其精細的空間分布與近10多年來氣候變暖后沙塵暴變化特征；通過氣候要素場合成分析得到北疆春季沙塵暴極多與極少年代表性高度場、風場和濕度場的特征與差異，具體結(jié)論如下：

（1）古爾班通古特沙漠腹地是北疆春季沙塵暴高值中心，達3.0次/a，福海縣和精河縣也是極多中心，達到1.5次/a，北疆山區(qū)以及伊犁地區(qū)是沙塵暴頻次較少地區(qū)。北疆春季沙塵暴頻次自20世紀60年代以來是逐漸減少的，在20世紀80年代中期之前頻次較多，之后頻次較少，其中在70年代中期至80年代初期頻次最多，2000年代中期以來最少。

（2）從北疆春季沙塵暴極多年500 hPa環(huán)流場合成分析得到，其上游區(qū)的東歐平原地區(qū)存在中心為10 gpm的反氣旋性距平環(huán)流，其東部的蒙古國西部存在中心為-25 gpm的氣旋性距平環(huán)流，說明歐洲槽與東亞大槽弱，貝加爾湖附近脊減弱，烏拉爾山東部槽也弱，脊加強，北疆北風輻合并增強；而沙塵暴極少年中亞到新疆的高壓脊不強，東亞槽偏弱,貝加爾湖附近脊增強，北疆北風減弱。

（3）在500 hPa和850 hPa流場上，北疆春季沙塵暴極多年其上游都有反氣旋性氣流和其東部的氣旋性氣流加強，易引導高緯冷空氣向南侵入北疆，同時北疆是氣流輻合區(qū)，從而易形成沙塵暴；沙塵暴極少年，中高緯冷空氣被北疆以北氣旋與反氣旋距平氣流加強，不易進入北疆，北疆是氣流輻散區(qū)，因而沙塵暴少。

（4）在北疆春季沙塵暴極多年的700 hPa濕度距平場上，對北疆濕度影響較大的本地和周邊濕度距平都為負距平，負值中心有兩個，分別位于北疆精河和吉爾吉斯至阿克蘇之間，負值中心較多年平均偏少0.1 g/kg，歐亞北部濕度距平場基本為正，中心在紅海北部，對北疆濕度影響較小；沙塵暴極少年歐亞700 hPa濕度距平場基本為正距平，歐洲和亞洲北部濕度距平都在1 g/kg以上，北疆和周邊是濕度正距平大值區(qū)，其濕度比多年平均高1～2 g/kg，水汽的增多有利于沙塵暴頻次的減少。

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The Circulation Field Characteristics of Spring Sandstorm in North Xinjiang in the Extremely Many Years and Few Years

LI Hongjun1，2，TANG Hao3
（1．Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Center for Central Asian Atmosphere Science Research，Urumqi 830002，China；3.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China）

Based the spring sandstorm data of 52 weather observed stations in north Xinjiang during 1961-2015,the spatial distribution of sandstorm and the circulation field characteristics of the extremely many and few sandstorm years were analyzed.The results show that,in the spring 500 hPa geopotential height anomaly field of extremely many sandstorm years,the cyclonic and anticyclones anomaly circulations lie in the east and west to the north of Xinjiang,the east Asian trough is shallow,the Baikal Lake ridge and the east trough of the Ural Mountain weaken and the east ridge of the Ural Mountain strengthen；The west anomaly anticyclone and the east anomaly cyclone strengthen also,the cold air from high latitudes is easy to enter north Xinjiang,and the airflow is convergence in the north of Xinjiang.In the extremely many sandstorm years,the humidity anomaly field is positive in 700 hPa in the Europe and north Asian,the humidity in the north of the Caspian Sea is the most,the effects of these positive humidity anomaly are less to the humidity of north Xinjiang,the humidity anomaly of north of Xinjiang and its surrounding area are negative,the least humidity areas lie in Jinghe of north Xinjiang and the Kirgiz to Aksu,the least value of north Xinjiang is-0.1 g/kg.In the extremely few sandstorm years,the ridge decreases from Central Asia to Xinjiang,the East Asian trough is shallow,the Baikal Lake ridge and the east trough strengthen;The cold air of high latitudes is difficult to enter into north Xinjiang for the anticyclone to the northwest of North Xinjiang and the cyclone to the northeast of north Xinjiang in the spring 500 hPa and 850 hPa wind anomaly field and the airflow is divergence in north Xinjiang. The spring humidity anomaly field is positive in 700 hPa in the most area of Europe,the area where there is much humidity lie in north Xinjiang and its upstream areas,the humidity anomaly are 1～2 g/kg more than normal in the 700 hPa of north Xinjiang and its upstream areas.

north Xinjiang；sandstorm；circulation

P425.5+5；P434

B

1002-0799（2017）01-0035-06

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.005

2016-08-02

中央級科研院所科研專項（IDM201203）；新疆科技支撐項目（201433112）；基本科研業(yè)務(wù)費專項（IDM2016003）資助。

李紅軍（1971-），男，副研究員，研究方向為干旱區(qū)氣候。E-mail：lihj@idm.cn

李紅軍，湯浩.北疆春季沙塵暴極多與極少年環(huán)流場特征[J] .沙漠與綠洲氣象，2017，11（1）：35-40.