河西走廊盛夏一次沙尘暴天气过程成因

为了研究夏季沙尘暴的发生发展规律、提高沙尘暴的预警准确率,利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和FY2C云图资料,对2013年7月30日河西走廊盛夏季节的大风沙尘暴天气过程成因进行分析。结果表明:(1)冷空气以阶梯槽形势分裂南下,为大风沙尘暴发展提供了对流不稳定的环境场条件;(2)近地面层强大气斜压性、地面鞍型场结构和气温日变化促使地面冷锋进入河西走廊后锋生,是造成这次沙尘暴的直接原因;(3)河西走廊中东部近地面的辐合上升气流与高空急流入口处右侧辐散抽吸作用叠加,触发了大风沙尘暴的爆发;(4)温度平流上冷下暖的垂直分布为沙尘暴的爆发提供了热力不稳定条件,存在对流有效位能大值中心,有利于沙尘粒子扬起,增大沙尘暴的强度;(5)沙尘暴出现时西风急流风速增大、高度降低,由急流中心向地面伸展的最大风速带将高空动量向下传播,北风前锋到达之处,沙尘暴爆发。另外,与春季特强沙尘暴天气相比,夏季沙尘暴的形成需要更大的启动风速、上升运动和热力不稳定条件。     

河西走廊中东部春季沙尘暴变化特征及其典型个例分析

河西走廊中东部是我国春季沙尘暴的高发区和重灾区,近40 a来共造成经济损失超15×108元,近百人死亡。该区春季沙尘暴具有明显的日变化,为了深入分析其时间变化规律,提高预报预警能力,利用该区3个代表站1961—2019年沙尘暴地面观测资料及2019年5月2次沙尘暴过程的气象资料,采用天气学、动力学和统计学相结合的方法,得出该区春季沙尘暴的昼夜时间变化特征和预报着眼点。结果表明:(1)河西走廊中东部春季沙尘暴日数近60 a呈减少趋势,20世纪80年代显著减少;各站不同强度沙尘暴昼夜变化明显:白天多且风速较大,20世纪80年代后一般沙尘暴多于强沙尘暴,高发区均在民勤。(2)沙尘暴过境时各站盛行风向昼夜一致,集中在西北风到偏北风之间;强沙尘暴最强出现在00:00—01:00、18:00—19:00,一般沙尘暴最强出现在08:00—09:00。(3)进一步对2019年5月午后和夜间发生的2次沙尘暴过程进行对比分析:午后过程风力大、有灾情;夜间过程强度强、持续时间长。2次过程虽然中低层形势基本相同,沙尘暴出现在水平螺旋度负值中心下游及地气温差大值时,但高空500 hPa形势不同:午后过程为横槽转竖,气温日较差、风速日变化大,层结不稳定,有高空风动量下传,且近地面层最大风速出现高度低;夜间过程主要是不稳定低槽发展和蒙古气旋底部冷锋影响,配合强的垂直上升运动,但垂直风切变小。(4)河西走廊中东部春季沙尘暴不仅与大型的环流形势有关,还与垂直速度、水平螺旋度、全风速等物理量,以及地面温湿风日变化、不稳定参数和边界层要素有关。     

春季东亚副热带西风急流的变化特征及其与中国沙尘天气的关系

利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA-Interim全球大气再分析资料及1980-2012年中国北方逐月沙尘暴发生日数资料, 研究了春季东亚副热带西风急流(70°-120°E)的变化特征及其与中国春季沙尘天气之间的关系。结果表明:1980-2012年春季中国上空急流轴存在北移的趋势, 急流中心略向东移, 急流相对强度随年份增强, 与春季沙尘暴发生总站日数的年际变化呈显著负相关。春季沙尘暴多发年, 东亚副热带西风急流有所减弱, 而在哈萨克斯坦东部、蒙古国、中国内蒙古大部分地区及南疆地区等沙尘源地, 200 hPa纬向风速增大; 500、850 hPa风速、位势高度差值场的分布都有利于中国沙尘源地地面风速增大。在中国沙尘源地, 高层西风风速增大, 动量下传, 引起地面大风, 从而容易产生沙尘暴。     

河西走廊不同强度冷锋型沙尘暴环流和动力特征

利用常规气象观测资料、ECMWF ERA-Interim 逐6 h的0.75°×0.75°再分析资料,对河西走廊3次不同强度区域性典型冷锋型沙尘暴的大气环流形势和高低层水平螺旋度、uv分量场和垂直速度进行对比分析。结果表明：（1）影响沙尘暴强度和范围的主要因素有高空冷空气强度、高低空风速、地面热低压中心、冷锋前后变压梯度以及冷锋入侵河西走廊的时间;（2）700 hPa风速和冷锋入侵河西走廊的时间影响最明显,低空风速越大,沙尘暴往往越强,强沙尘暴一般出现在中午到傍晚。一般、强和特强沙尘暴700 hPa风速阈值分别为18、22 m·s^-１和24 m·s^-１;（3）高（低）层正（负）水平螺旋大值中心越大,配合越好,下游沙尘暴强度越强,一般、强和特强沙尘暴的高（低）层水平螺旋度正（负）值中心阈值分别为400（-200）m²·s^-2、800（-1 000）m²·s^-2和1 000（-1 000）m²·s^-2;（4）高空强风动量下传到近地面的风速越大,沙尘暴强度越强,一般、强和特强沙尘暴下传到近地面的u、v分量风速阈值分别为8、10 m·s^-１和12 m·s^-１;（5）700 hPa以下上升运动越强,沙尘暴强度越强,一般、强和特强沙尘暴700 hPa以下垂直速度中心阈值分别为-0.4、-0.7 Pa·s^-１和-1.40 Pa·s^-１;（6）垂直风场表现为≥15 m·s^-1大风下传高度越低,沙尘暴强度越强,一般、强和特强沙尘暴下传高度分别为600、500 m和50 m以下。     

中国西北干旱区沙尘暴源地风沙大气边界层特征

应用西北干旱区沙尘暴源地甘肃省民勤县1971-2008年共1 811个大风/沙尘暴个例的逐日08：00和20：00高空资料、降水、日最高气温以及沙尘暴实时资料,详细探讨了不同月份和季节干湿变化、沙尘暴强度、沙尘暴出现时间和持续时间的大气边界层垂直结构变化特征。结果表明：（1）沙尘暴发生时4-5月最大混合层较厚,在2 500 m以上;而强沙尘暴发生时6-7月较厚,7月最厚为2 530 m。3-8月沙尘暴发生时最大混合层厚度低于大风发生时的200～400 m;4-5月下午沙尘暴发生时最大混合层较深厚,在2 700 m左右。沙尘暴持续时间与最大混合层厚度成反比。（2）沙尘暴发生时扰动和锋面逆温频次多而强,扰动逆温明显较强,达2.5 ℃/100m,锋面逆温高度在700～1 000 m,扰动逆温高度在150～400 m之间;而大风发生时辐射和锋面辐射逆温频次多而强,强沙尘暴发生时锋面逆温明显较强,这说明沙尘暴多由风场的剧烈扰动和锋面过境引起。（3）白天800 hPa以上有干气层存在,夜间干暖和逆湿现象显著。近地层越干冷、西北风越强,强沙尘暴持续时间越长。     

宁夏不同强度沙尘天气动力机制

利用常规气象观测资料和ECMWF逐6 h 0.25°×0.25°再分析资料,对宁夏2013年5月18日雷暴大风、2月28日大风沙尘和3月9日大风强沙尘天气过程的环流形势和高、低空急流的耦合作用进行了对比分析。结果表明:在“西高东低”环流形势下,受蒙新高压脊、西风槽、地面气旋和冷锋、高低空急流的共同影响,在中低层90°-110°E形成次级环流,对流层中上部高空急流和高位涡通过次级环流动量下传使中低层形成低空急流,同时在边界层发生强烈湍流混合,产生地面强风及沙尘,但由于冷空气强度及南下方式、高压脊线位置及强度、高低空急流活动的区域、低空急流南下位置、高空强风速下传的高度、次级环流的强弱不同,高层高位涡和低层850 hPa低空急流在宁夏上空活动与否,是导致宁夏出现不同强度风沙天气的重要动力因素。     

甘肃中部强沙尘暴成因分析

利用1970—2006年甘肃中部13个县（市）的21例沙尘暴天气过程的各时次高空和地面资料,通过分析沙尘暴过程的影响系统,来研究甘肃中部近年来强沙尘暴天气频繁入侵的成因及特点。结果表明:甘肃武威东南部发生沙尘暴天气时,500 hPa高空出现一支风速≥20 m·s-1西北向的急流轴;河西走廊地形的“狭管效应”作用,使沙尘暴移速增快,强度增强,沙尘在翻越乌鞘岭后,相继侵袭白银、兰州、临夏等广大地区;进入21世纪以来,甘肃中部沙尘暴和强沙尘暴次数逐年增多,强度增强、影响范围扩大。     

青藏高原及其周边区域沙尘天气的时空分布特征

基于站点观测的沙尘暴数据和卫星遥感（FY-3A）的沙尘数据，分析了青藏高原及塔里木盆地-河西走廊沙尘天气的时空分布特征。结果表明：在空间分布上，沙尘天气发生的次数和强度自塔里木盆地-河西走廊往青藏高原的东南方向递减。季节变化上，沙尘暴在青藏高原主要发生在冬、春季，而在塔里木盆地-河西走廊主要发生在春、夏季，这主要是由于地表大风中心在3月北移、10月南移； FY-3A反演的沙尘天气在两个区域均主要发生在冬、春季，发生强度与观测结果在季节变化上也存在差异。在1980—2007年，青藏高原的沙尘暴发生次数和强度上均呈减弱趋势，塔里木盆地-河西走廊的沙尘暴发生次数减弱而强度增强。     

民勤大气边界层特征与沙尘天气的气候学关系研究

 为了更好地理解西北干旱区大气混合层(ML)厚度的变化特征及其对当地沙尘气候形成的影响, 利用民勤2006—2008年3—6月逐日08时和20时探空资料、降水和日最高气温,计算和分析了最大混合层厚度、逆温层特征和垂直风场及其对沙尘气候形成的影响。结果表明,民勤沙尘天气的大气边界层有显著的昼夜变化,白天厚、逆温强而多;沙尘天气的最大混合层厚度在2 600 m左右,介于无降水与有降水天气之间;扬沙主要由锋面中的冷空气引起,而沙尘暴主要由低层风场的剧烈扰动和500 m以上高层冷锋入侵引起。沙尘暴发生前近地面风场有明显的扰动,沙尘暴发生时在500 hPa以下有显著的冷空气活动,白天较强。能见度小于100 m的强沙尘暴夜间风速大,冷空气较强。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶质量浓度垂直分布特征

 利用Grimm 1.108、Thermo RP 1 400 a以及TSP等仪器于2009年1月至2010年2月对塔克拉玛干沙漠腹地塔中不同高度沙尘气溶胶质量浓度进行连续观测,结合天气资料进行分析。结果表明:①80 m高度PM10质量浓度最高,80 m高度PM2.5和PM1.0质量浓度明显低于4 m高度PM10,80 m高度PM1.0质量浓度最低。频繁的沙尘天气是影响不同粒径的沙尘气溶胶浓度含量的主要因素。②夜间至日出,PM质量浓度逐渐降低,最低基本上出现在08:00,随后质量浓度逐渐增大,18:00前后浓度达到最高值,然后又逐步降低。其规律与风速的昼夜变化完全一致。③TSP月平均质量浓度高值主要集中在3—9月,其中4月和5月浓度最高,随后逐渐减低。3—9月也是PM月平均质量浓度的高值区域,4 m高度PM10月平均质量浓度最高发生在5月,其浓度为846.0 μg·m-3。80 m高度PM10浓度远高于PM2.5和PM1.0浓度,PM2.5和PM1.0浓度相差较小。风沙天气对大气中的不同粒径粒子的浓度含量影响较大,风沙天气越多,粗颗粒含量越高,反之则细颗粒越多。④沙尘天气过程中不同粒径沙尘气溶胶质量浓度变化具有晴天<浮尘天气<扬沙天气<沙尘暴天气的规律。各种沙尘天气中,PM10/TSP表现为晴好天气高于浮尘天气,浮尘天气远高于扬沙和沙尘暴天气。⑤沙尘天气过程中,沙尘气溶胶浓度随着粒径的减小,浓度逐渐降低。不同高度、不同粒径的沙尘气溶胶质量浓度每隔3~4 d形成一个峰值区,与每隔3~4 d出现沙尘天气强度增强过程直接相关。     

乌鲁木齐市城区和郊区近地层风速廓线

利用乌鲁木齐市5座100 m气象塔10层风速观测资料,分析了乌鲁木齐市城区和郊区近地层风速季节变化和日变化特征。结果表明：（1）乌鲁木齐市风速最大值出现在14：00-16：00,最小值多在夜间或上午。冬季风速最小、夏季最大;冬季风速始终处于较为稳定、有微小波动的低值区;夏季风速表现出一定的变化趋势。（2）夏季风速在一年里波动最大,随地势降低波动减小,南郊最大（1.5~6.4 m·s^-1）,北郊最小（1.3~4.6 m·s^-1）;秋季和春季风速波动次之;冬季风速波动最小,南郊最大（1.3~4.6 m·s^-1）,北郊最小（0.7~2 m·s^-1）。（3）近地层100 m内城区和北郊风速随高度变化较小,冬季基本为1~2 m·s^-1,而南郊风速随高度增加变化幅度最大,从1 m·s^-1增加到4 m·s^-1以上;愈近地面,城区与郊区风速相差愈大,近地面城区平均风速明显低于郊区,春季、夏季、秋季和冬季分别低5%~32%、8%~30%、15%~37%、14%~48%。（4）近地层风速廓线在近中性层结时一般符合对数风速廓线模式,对数律显著性不强的时段主要在正午前后。     

科尔沁沙地奈曼旗近5年来风况及合成输沙势

应用奈曼沙漠化研究站1998-2002年的气象资料, 统计分析了奈曼旗近5a来的风况特征和输沙势。结果表明: ①研究区3~5月起沙风发生频数最高, 占全年起沙风的38%~58%; 平均风速和最大风速值最大, 分别为6.0~7.5m·s^-1和9.5~16.9m·s^-1。该风况特征与地表冻融、裸露、干旱疏松相耦合, 形成了区内的风沙活动期。②在风沙活动期内, 风环境基本为锐双峰风况, 西北风居主导地位, 频数占54%; 南风和西南风次之, 频数占38%。③在风沙活动期内, 研究区属于高风能环境, 合成输沙势RDP为66.3VU(风速以m·s^-1为单位), 合成输沙方向RDD为ESE113°。     

200 hPa高空急流与宁夏春季沙尘暴过程的特征分析

 利用NCAR/NCEP全球再分析资料，首先分析了1955年到2003年宁夏春季沙尘暴过程与200 hPa急流的关系，发现2月、3月200 hPa的U、V风场与宁夏春季沙尘暴关系密切。然后对1970\_1999年66次宁夏强和特强沙尘暴过程发生前200 hPa急流的演变情况进行了分析，结果表明：宁夏强和特强沙尘暴过程发生前后，高空急流主要表现为3种类型：一是西风急流型;二是副热带急流型;三是西风急流与副热带急流振荡合并型。最后以2001年4月8日宁夏特强沙尘暴天气过程为例，对其发生前后高空急流演变与沙尘暴落区、垂直环流特征及其对沙尘暴的作用进行了分析和探讨，得到了一些新的启示。     

典型槽型转脊型黑风天气过程成因分析

2010年4月24-27日甘肃省河西走廓、西北东部及华北出现了大风沙尘暴天气过程,河西走廓出现黑风天气,损失十分严重。针对这次罕见的槽型转脊型黑风天气过程,应用2002-2011年3-5月逐日08时和20时高空流场资料、高空图资料和地面每隔3 h天气图资料,对其天气形势演变、高空垂直风场及水平相对螺旋度场进行了深入对比分析。结果表明:4月24日20时700～500 hPa有较强冷空气入侵,700 hPa大气层结存在剧烈的高低空不稳定,≤-1 000 m2·s-2强螺旋度负值中心是黑风爆发的动力因素,25-27日08时700 hPa≥15 m·s-1低空急流区的存在是这次大风天气得以持久维持的关键原因。     

西北地区东部季风摆动区大气边界层高度对夏季风 活动和季风降水的响应特征

大气边界层高度影响着近地层能量、水分的发展变化，而季风摆动区边界层受夏季风活动 和季风降水影响很大，变化特殊，但其边界层高度的响应特征并不清楚。应用西北地区东部 5 站民 勤、榆中、平凉、银川和延安 2006—2016 年 5～9 月逐日 19 时每隔 10 m 高度高空加密观测资料，以 及民勤 2006—2016 年逐日 07 时探空规定层和特性层资料，结合地面逐日观测资料，对比计算多种 资料找到合适的边界层高度。进一步运用 NCEP、EC 再分析资料，分析夏季风对季风摆动区的影 响，得出边界层高度与夏季风、季风期降水影响的关系。结果表明：基于每隔 10 m 加密压温湿风探 空资料，确定了 9 点平均位温梯度法作为边界层高度的最佳计算方法，该区边界层高度 5～6 月较 高，7～9 月逐渐降低，5～9 月平均高度由非季风影响区的 2 600 m、季风摆动区的 1 800 m 逐渐降低 到季风影响区的 1 500 m 以下。边界层高度与地面相对湿度、地温和风场关系密切，湿度越大、风 速越大，边界层高度越低，相反，近地面地气温差越大，气温越高，吹西北风时，边界层高度越高。 在不受夏季风影响时，边界层高度较高，有夏季影响风时，边界层高度较低。夏季风持续时间越 长，边界层高度越低，当夏季风持续时间为 0 候、1～4 候和≥ 5 候时，边界层高度分别为 2 000 m 左 右、1 600～1 900 m 和 1 300～1 400 m。APO 季风强度指数与季风影响区边界层高度有显著的负相 关，APO 季风强度指数越大，季风影响区边界层高度越低。边界层高度与季风期降水性质、强度关 系较为密切，从大到小为无降水、对流性降水和稳定性降水；随着降水强度增强，边界层高度降低， 边界层高度中非季风影响区较高，季风摆动区次之，季风影响区最低。降水日数越多，边界层高度 越低。夏季风反过来对降低边界层高度，增多增强季风期降水起着积极作用。     

河西走廊入口区下垫面对沙尘天气影响的模拟研究

在利用常规观测资料统计分析2000—2011年和沙尘天气多发年河西走廊入口区代表站点春季风速分布特征的基础上,采用区域气候模式（Regcm4.3.5.6）和欧洲中心更新的4DVar同化的ERA-interim资料,分析了河西走廊入口区下垫面类型改变对2007年4月13日一次沙尘天气过程的影响。结果表明：沙尘暴爆发时,河西走廊为风速大值区,风速8～10 m·s^-1;区域气候模式模拟的沙尘特征量与站点观测的沙尘天气分布对比发现,模拟的沙尘区的发展变化能较好地表征这次沙尘天气过程的变化;河西走廊入口区植被由沙漠改为落叶阔叶林后,发生沙尘天气时该地区风速有所减小,减小平均值为3 m·s^-1,且风速越大,减小越明显。不同粒径沙尘的起沙率和沙尘粒子柱含量对下垫面类型改变的响应有所不同,减小量最大分别达到-50 mg·m^-2·d^-1和-50 mg·m^-2,0.01～5.0 μm粒径沙尘减小范围和强度相差不大,5.0～20 μm粒径沙尘由于粒径最大减小最明显,由于模式中考虑的2.5～5.0 μm粒径沙尘在大气中所占比例小,减小量级和范围最弱。改变下垫面类型使得起沙率和沙尘粒子柱含量在沙尘天气最强时刻减少最显著。