青海高原一次春季冷鋒過境引起的大風沙塵天氣分析

周琴 謝啟玉 李洪梅

摘 要：應用探測資料及地面臺站的觀測資料，對2008年3月30—31日在青海高原東北部形成的一次大風沙塵天氣過程，從天氣形勢、地面冷鋒演變形勢及影響大風發(fā)生的持續(xù)的關鍵物理量特征等方面進行了診斷分析，總結歸納出了此次災害性大風天氣的預報著眼點。結果表明：（1）此次大風天氣過程具有日變化明顯（晝強夜弱），過程中伴隨沙塵暴、寒潮、弱降水等復雜天氣的特點;（2）西伯利亞橫槽轉豎攜帶冷空氣向南暴發(fā)，與地面系統(tǒng)發(fā)展共同造成的強氣壓梯度、高低空強的溫度差動平流是造成此次大風的主要原因;（3）低層輻合上升運動與高空急流入口區(qū)次級環(huán)流疊加加大低層位勢梯度和地面氣壓梯度，配合冷鋒過境，使得白天近地層不穩(wěn)定性加大，湍流加強，動量下傳加大地面風速，導致地面持續(xù)強勁的大風;（4）柴達木盆地作為沙源在前期干燥無降水的氣候條件下，加之層結不穩(wěn)定和湍流活動造成的地面持續(xù)強勁的大風是引起沙塵天氣的主要原因。

關鍵詞：大風沙塵;橫槽轉豎;冷鋒;高空次級急流;動量下傳

中圖分類號 P458.1+23文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）04-0138-06

Abstract： The application of detection data， ground observation data in the station， on March 30 to 31， 2008 in qinghai plateau formed a strong wind storm in the northeast cold front evolution and influence from the weather situation， ground winds of continuous key aspects such as physical characteristics are analyzed in diagnosis， and sums up out of the big disaster weather forecast， the results showed that： （1） the windy weather process has obvious （weak） night and day， the strong， the daily change with dust storms， cold wave， weak in the process of precipitation and so on the characteristics of the complex weather. （2） The cold air erupts southward when the Siberian transverse trough turns vertically， and the strong pressure gradient and the temperature differential advection with high and low air intensity caused by the development of the ground system are the main reasons for the strong wind. （3） The upward movement of low-level convergence and the superposition of secondary circulation in the upper jet inlet area increase the low-level geopotential gradient and surface pressure gradient， and the transit of cold front increases the near-stratum instability and turbulence during the day， and the downward momentum increases the surface wind speed， resulting in sustained strong winds on the ground. （4） As a sand source， the continuous strong wind on the ground caused by the unstable stratification and turbulent activity in qaidam basin under the climate background of no precipitation in the early stage is the main reason for the sand and dust weather.

Key words： Wind and dust; Transverse groove turned vertical; A cold front;Upper secondary jet; The momentum of the downlink

1 天氣過程

2008年3月30至4月1日，青海高原出現(xiàn)了一次伴隨沙塵暴、寒潮、降雪的大風沙塵天氣過程。3月26日省內開始出現(xiàn)大風天氣;27—28日強度逐漸加大，范圍變大，風力普遍達到8～9級，風速25m/s;31日午后至傍晚風力達到最強，最大風速出現(xiàn)在14：00青海省野牛溝，風速28m/s，風力11級，入夜后減弱，甘青兩省共24個站點出現(xiàn)大風，大風主力區(qū)位于環(huán)青海湖一帶。29日新疆、河西走廊出現(xiàn)揚沙天氣，受上游沙塵天氣影響，30—31日冷湖、天峻、茶卡、茫崖出現(xiàn)沙塵暴，其中冷湖能見度僅200m。受冷空氣影響，伴隨區(qū)域性寒潮過程，海北、西寧、海東等地最低溫下降8～9℃，達到寒潮標準，其中祁連日最低氣溫下降至-15℃。14：00—20：00冷鋒過境，氣壓迅速增大，與此同時氣溫驟降，后3h內西寧測站氣溫陡降8℃、拖勒降7℃;冷空氣的快速侵入使風速伴隨氣壓驟增，從午后開始，8級以上大風一直持續(xù)到20：00后減弱。大風天氣過后出現(xiàn)弱降水， 4月1日早晨青海高原東部產(chǎn)生微量降水。天氣實況詳見表1。

2 天氣形勢演變

2.1 500hPa環(huán)流形勢及影響系統(tǒng) 3月27日500hPa我國北部上空（35°～45°N）呈兩槽一脊的環(huán)流形勢，西伯利亞以南、新疆以北處在橫槽區(qū)內，極渦不斷分裂冷空氣直驅南下，沿槽后偏東氣流南下進入青海高原。30日西伯利亞的橫槽略往南壓，發(fā)展達到最強盛，曲率最大。30日8：00大風發(fā)生時的前1d，在30°N和40°N附近形成2條急流，青海省正處在這2支急流之間的區(qū)域中，冷空氣在新疆地區(qū)不斷堆積，高空對應的溫度槽與高度槽近于重合，溫度槽配合有-36℃的冷中心（圖1a）。30日20：00，橫槽基本轉豎，此時青海北部地區(qū)位于槽底中，溫度槽略微落后于高度槽，槽前有冷平流不斷補充，預示著冷溫槽將往南加深（圖1b）。到31日8：00，冷渦槽前不斷有源于副極地的冷空氣南下補充積累，冷渦加強，相配合的冷中心范圍增大，溫度槽依舊落后于高度槽，天氣特征表現(xiàn)為更強的補充冷空氣的到達，對產(chǎn)生大風十分有利。西風槽向下分裂的短波槽分別位于青海湖以西及玉樹地區(qū)，形成斜壓不穩(wěn)定，動量下傳，地面鋒區(qū)加強，此時短波槽線上存在冷平流，表明短波槽將發(fā)展，中東部形成較強鋒區(qū)（青海省內有4根等高線），鋒區(qū)強度為14～16℃/10°N，500hPa高空位勢梯度大（圖1c）。31日20：00 500hPa西風急流南壓到青海省北部地區(qū)，高空鋒區(qū)加強，冷平流增大，風速加大，急流中心最大風速達28m/s，700hPa東北部的鋒區(qū)亦較明顯，隨著冷槽的東移，14：00—20：00，環(huán)湖地區(qū)出現(xiàn)了大風天氣，局地出現(xiàn)了沙塵暴（圖1d）。到4月1日8：00，西風槽已東移過境，位于河套至西南地區(qū)地區(qū)一帶，高空冷槽依舊落后于高度槽，此時青海省東部處于冷溫槽前，即高空強鋒區(qū)落區(qū)位于青海省東部，冷空氣暴發(fā)，與1日早上在西寧、海東地區(qū)出現(xiàn)明顯降水。至此，歐亞中緯度完成了一次由緯向環(huán)流到經(jīng)向環(huán)流的調整，而這段時間正是大風發(fā)生的時間，由此可見大風產(chǎn)生于橫槽快速轉豎過程中[4]。

2.2 高空急流區(qū)次級環(huán)流的影響 高空次級環(huán)流是同一經(jīng)度高低緯之間形成的南北向的次級環(huán)流，是動量下傳得以維持的動力系統(tǒng)[2]。高空急流越強，通過動量下傳作用造成的地面大風風力就越大。隨著西伯利亞冷槽的發(fā)展，31日20：00 300hPa高空在36°N附近有一支西風急流，位于高原北部，急流中心最大風速≥44m/s，青海高原東北部位于高空急流入口區(qū)的右側（圖2a）。由31日20：00經(jīng)過93°E的流場經(jīng)向垂直剖面圖發(fā)現(xiàn)：高空西風急流軸（36°N）以南400hPa以上存在很強的上升運動，急流軸以北（36°～40°N）整層為一致的下沉氣流，形成了高空急流區(qū)次級環(huán)流，且低層700hPa位于高空急流入口區(qū)右側的青海湖附近有一南北向的輻合線，急流入口區(qū)處的上升運動與次級環(huán)流的上升氣流疊加，為深對流的發(fā)展提供了深厚的垂直環(huán)流發(fā)展條件（圖2b）。這種低層強的輻合上升運動有利于空氣的強輻合上升使得地面迅速減壓，高空強下沉氣流源源不斷地補充了冷空氣到地面，使鋒區(qū)氣壓梯度不斷增大，促進大風加強。30日20：00 500hPa西風急流橫穿河西走廊西部位于40°N以北，急流中心最大風速達32m/s，31日8：00，急流南壓至青海省境內，此時急流核最大風速減弱為24m/s，20：00急流繼續(xù)南壓至36°N附近，青海高原東北部位于高空急流入口區(qū)的右側，雖然中心風速并沒有再增大，但當其移動到與300hPa急流位置相對應時，中高層的這種輻散作用再配合低層的輻合運動，這種強的高空急流入口區(qū)的次級環(huán)流影響使得動量下傳造成環(huán)湖地區(qū)出現(xiàn)了大風、沙塵暴天氣。

2.3 地面形勢 30日8：00，地面海平面氣壓場上與高空冷渦相對應的是位于西伯利亞以東的強冷高壓，中心氣壓值1050hPa，高壓南部邊緣等壓線密集，形成強的氣壓梯度，為地面大風創(chuàng)造了條件，此時冷鋒位于新疆北部，新疆地區(qū)出現(xiàn)8～9級大風，20：00地面冷鋒南壓到河西走廊西部（圖3a）。31日8：00，西伯利亞冷高分裂高壓中心南壓到青海省西北部，處于高壓前沿的青南及東部地區(qū)氣壓梯度增大，等壓線非常密集，與高空中東部的強鋒區(qū)相對應，高低層的這種配置有利于大風的產(chǎn)生。31日開始從新疆分裂的2股冷空氣分兩路侵入青海省，一股沿西北路從青海省省西部進入，另一股經(jīng)河西走廊東灌南下，14：00左右西路冷空氣正式到達東部地區(qū)后兩路冷空氣合并，14：00—20：00鋒面逐漸東移過境，影響青海中東部地區(qū)，氣壓梯度依舊很大，鋒后強大的冷高壓及高壓前部的較強的氣壓梯度造成了東部一帶的大風、降溫、降雪天氣（圖3b）。31日20：00冷鋒過境，此時青海省東部地區(qū)處于鋒后0.6～0.8hPa的最大24h正變壓中，風力也達到最大。31日14：00到20：00高原東部從青海湖到以東地區(qū)之間有一條呈西北—東南向的地面輻合線（配合低層700hPa的切邊線），這種低層強的輻合上升運動有利于觸發(fā)深對流的發(fā)展（加大動量下傳）且使得地面迅速減壓，地面系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，氣壓梯度增大，風速增大。

3 物理量診斷

3.1 動力條件

3.1.1 散度場 散度是衡量速度場輻散、輻合的物理量。3月31日20：00的大風區(qū)域與低空輻合區(qū)、高空輻散區(qū)存在非常好的對應關系。沿36°N作散度的垂直空間剖面圖可以看出，高層最大輻散中心偏向低層輻合中心的左側，說明大風出現(xiàn)區(qū)存在明顯的斜壓不穩(wěn)定。大風主力出現(xiàn)在96°E以東的青海東部地區(qū)，低層從700～500hPa整層輻合，最大輻合中心出現(xiàn)在600hPa、100°E附近（環(huán)湖附近），強度達-24×10-5/s，400～300hPa為輻散層。低層輻合，高層輻散，具有強烈抽吸作用使得地面減壓，氣壓梯度加強，風速進一步加大[3]。

3.1.2 渦度平流 31日8：00 500hPa西風槽前有較強的正渦度平流，位于青海北部分裂的短波槽前也為正的渦度平流（圖4a）。20：00正渦度平流中心迅速東移南壓至河套以西地區(qū)，此時高空槽東移，高原東北部位于西風槽底，配合溫度平流作用，地面低壓東移發(fā)展，環(huán)湖地區(qū)氣壓梯度加大，在溫度平流與渦度平流的共同作用下高空槽發(fā)展加深并東移（圖4b）。因此，高空渦度平流的這種分布狀況對地面高低壓系統(tǒng)的發(fā)展加強十分有利，高壓對降溫和大風起到重要作用，地面氣旋促使了氣流的抬升和能量的輸送和積累[4]。

3.2 熱力條件

3.2.1 溫度平流 溫度平流是斜壓擾動強烈發(fā)展最主要的動力條件。高空冷暖平流的活動除能影響系統(tǒng)的加強和減弱之外，對大氣層結的穩(wěn)定性也有較大影響[5]。31日8時500hPa溫度槽開始落后于高度槽，高空槽區(qū)內有-10×10-4K/S的冷平流發(fā)展，20：00冷平流中心東移到青海東北部，加強為-12×10-4K/S，從31日8：00—20：00，低層700hPa東部是明顯的暖平流，因此這種上冷下暖的高低空溫度差動平流造成大氣層結不穩(wěn)定，對大氣的靜力不穩(wěn)定度貢獻也較強，最終導致氣流加速，形成吹風天氣。綜上所述，高空正的渦度平流首先使得高空槽東移到高原東北部，同時地面低壓發(fā)展，此時高空冷平流又使得高空槽發(fā)展，地面低壓也同時東移到東部地區(qū)，因此31日白天由于高空槽的東移發(fā)展，也使地面低壓發(fā)展加強，引起地面氣壓梯度加大，風速加大。

3.2.2 層結穩(wěn)定度 動量下傳白天強，夜間弱。下午至傍晚時段屬于地面溫度較高時段，層結不穩(wěn)定，接近干絕熱，自由對流開始，湍流活動強，動量下傳強，地面風速較大，使得被大風鏟起的的沙塵向近地層輸送，之后隨著鋒區(qū)附近的上升氣流輸送到高空，造成沙塵天氣;高原早晚溫差大，入夜后地面迅速降溫，輻射形成逆溫，層結趨于穩(wěn)定，湍流活動弱，高空動量下傳弱，地面風速減小。以芒崖站為例，30日晚上到31日都出現(xiàn)了大風天氣，30日20：00極大瞬時風速21m/s，31日20：00風速為22m/s，31日早上出現(xiàn)逆溫，層結穩(wěn)定，不利于湍流運動和動量下傳（圖5）。

4 地形影響

過程中地面冷空氣源自于西伯利亞，西北路徑冷空氣在31日凌晨率先進入海西地區(qū)，再沿盆地到達環(huán)湖地區(qū)，此時由于盆地的狹管效應，大風在東進的過程中風度加大（圖6）。偏東路冷空氣則沿河西走廊南下，到河西走廊最南端時由于山脈阻擋，開始轉為偏東氣流，沿河湟谷地吹向海東、西寧地區(qū)，31日14：00在青海湖一帶與沿西北路入侵的冷空氣開始形成西北風和東南風的輻合，到20：00在青海湖以東地區(qū)地面輻合增強，地面風速也達到最大，大風影響范圍也較廣。此次大風天氣主力主要出現(xiàn)在青海省環(huán)湖一帶，因此考慮湖陸風影響：青海湖四面環(huán)山，白天低空有明顯的湖面向四周的輻散氣流，氣流遇山爬升輻合，導致白天陸面風速增大。

5 預報著眼點

通過對此次大風天氣過程的環(huán)流形勢及物理特征量的分析，得出以下大風預報著眼點：（1）一般造成大風的大尺度系統(tǒng)中橫槽型天氣形勢中橫槽轉豎過程是大風天氣的開始;（2）西伯利亞橫槽型：大風前1d新疆地區(qū)為穩(wěn)定的橫槽，青海處于其槽前西北氣流中，新疆以北配合有≤-36℃冷中心;（3）過程前期升溫明顯，南疆盆地已有大風沙塵天氣出現(xiàn);（4）風速普遍≥17m/s，至少有8個站為西風或西北風≥20m/s;（5）青海省境內地面大部站點吹西北風;（5）地面上冷高壓強度達1050hPa，氣壓梯度力大（等壓線密集）及3h變壓大，有強冷鋒配合。

6 結論

環(huán)流分型：此次大風天氣過程是由高空西風橫槽發(fā)展快速南下，橫槽轉豎過程中強冷空氣不斷補充南下，致使高空鋒區(qū)東移南壓至青海省東北部一帶，配合地面冷鋒快速過境，產(chǎn)生地面大風天氣。溫度平流影響明顯：低層回溫同時，中高層強冷平流帶來明顯降溫，使得環(huán)湖地區(qū)存在明顯的高低空溫度差動平流，對產(chǎn)生大風十分有利，對大風預報有明顯的指示意義。高低空次級環(huán)流：急流入口區(qū)處的上升運動（700hPa切邊線及地面輻合線）與次級環(huán)流的上升氣流疊加，為深對流的發(fā)展提供了深厚的垂直環(huán)流發(fā)展條件，這也是產(chǎn)生大風沙塵天氣的根本原因。此次大風天氣過程形成中西伯利亞冷高壓較強，且后期分裂冷高壓中心不斷東移南壓，使地面氣壓梯度加大，風速增大。大風過后產(chǎn)生寒潮、弱降水天氣，冷鋒東移出境，鋒后降水明顯。

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