塔中一次强沙尘暴边界风场变化特征

2013-11-15王敏仲胡月宏

沙漠与绿洲气象 2013年1期

王柯，何清，王敏仲，胡月宏，韩燕

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；2.63655部队，新疆乌鲁木齐841700）

沙尘暴是指强风将地面大量尘沙吹起，使水平能见度小于1 km的天气现象[1]，是干旱和半干旱地区常出现的灾害性天气。沙尘暴能导致荒漠化加剧，直接影响人类的生存环境，危害极大[2]。我国很多学者对沙尘暴的发生源地、产生机制、环境影响及危害进行了多方面的研究和探索[3-7]。沙尘暴具有显著的地域性，我国北方干旱、半干旱地区是沙尘暴的易发区。新疆地处中国西北边陲，远离海洋，气候干燥，沙漠广阔，是中国沙尘暴的多发区之一[8]。塔里木盆地塔克拉玛干沙漠是中国大陆沙尘暴活动最频繁的地方[9]。因此，从气候与环境的角度分析沙尘暴与大风的时空分布特征，研究沙尘暴发生时的最多风向和最小风速指标，探讨高空风场与沙尘暴之间的关系，对于预防沙尘暴对气候和环境的灾害性影响显得尤为重要[10]。

乌鲁木齐沙漠气象研究所于2003年在塔中架设了80 m铁塔梯度观测系统，可以细致地探测沙漠近地层气象要素垂直梯度的变化[11-12]，其后建立了系留气艇探测系统对塔中边界层进行过一些探测研究。为了更深入地了解沙漠腹地大气边界层的风场结构，于2009年引入边界层风廓线雷达探测系统并于当年在塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站开展了连续的边界层风场探测研究[13]。本文利用风廓线雷达的连续探测资料，分析了2010年4月19日塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过程边界层风场变化特征，有益于深入了解非均匀流动沙漠腹地的风沙活动。

1 塔中4月19日沙尘暴过程描述

2010年4月19日，塔中爆发了一次沙尘暴。4月17、18日塔中为浮尘扬沙天气，19日00:00—13:05为浮尘天气，13:05—14:12出现了短暂的扬沙天气，沙尘暴于19日14:12爆发，其间塔中能见度为450 m，16:11能见度转好，16:11—18:42转为扬沙天气，随后又发展为沙尘暴（18:42—20:18），能见度降为 450 m，其间（18:52—19:25）加大至 11.1 m/s。沙尘暴过后，4月20—21日均为浮尘扬沙天气，地面风速减弱，能见度增大，21日出现结冰现象。

2 塔中4月边界层风场特征

4月，塔中春季，边界层风场情况见图1。总体而言，高空风从低空到高空，风速变化呈递增状态，从地面到5 000 m高空，风速随高度逐渐增加，地面风最小，为1.5 m/s，主导风向偏东，到5 000 m附近风速达到最大，为14.4 m/s，风向偏西。5 000 m高度内空中风的平均风速为6.3 m/s。1 000 m高度以下存在着风速切变现象，风切变区分别出现在100 m以及400～500 m两个高度层，切变区风速为4 m/s。除去这两个风速切变区外，风速从地面到1 000 m高度的变化较小，基本维持在1.5 m/s左右。2 800～3 000 m以及3 600～3 800 m为两个风速增幅较大区，与相邻100 m高度相比风速增加了2.2 m/s。1 000 m高度内平均风速为2.1 m/s，2 000～5 000 m高度内平均风速为10.7 m/s，低层风速远小于高层风速。

1 000 m高度内空中风主导风向偏东，1 000～5 000 m高度空中风主导风向偏西。

3 沙尘暴前后3 d风向风速随时间变化特征

图2～5为沙尘暴前后连续3 d（2010年4月18日至4月20日）4个不同高度层上（地面、500 m、1 000 m和1 500 m）的风速、风向随时间变化曲线。

4月18日，塔中地面风向多为NE，风向随时间顺时针偏转，20:00后转为偏西风；地面风速多在3.0 m/s以下，1:41—5:12塔中出现扬沙天气，风速明显增大，达到6～8 m/s，18日全天平均风速为2.5 m/s（图2）。

4月19日夜间塔中地面维持静风，风向继续随时间顺时针偏转，由SW转为NW，19日14:12，沙尘暴爆发，风向瞬时转为NE，风速由2 m/s增大至8 m/s以上，其后维持为偏东风，16:11—18:42扬沙天气期间风速减至4.5 m/s，18:42沙尘暴再次爆发时，风速迅速增大至11 m/s，20:18沙尘暴转为扬沙，风速逐渐减小，整个沙尘暴过程中（14:12—16:11；18:42—20:18）的风速均在7.8 m/s以上。

沙尘暴过后，4月20日塔中地面为偏东风，全天平均风速由19日的4.3 m/s减至4.0 m/s。

图3a为塔中沙尘暴前后3 d 500 m高度层风向变化曲线，从图中可知，4月18日0:00—12:00，塔中500 m高度层风向由NE顺时针变化为S，18日13:00至19日沙尘暴爆发前为偏西风，19日沙尘暴过程中风向迅速转为NE，沙尘暴过后为偏东风。

图3b为塔中沙尘暴前后3 d 500 m高度风速变化曲线，4月18日1:41塔中出现扬沙天气，500 m高度风速开始增大，10:30后风速从15.3 m/s开始回落，至12:00时减为1 m/s，之后回升，至19日达到沙尘暴前后72 h过程中的最大值21 m/s。18日平均风速为7.7 m/s。

19日500 m高度风速变化曲线与18日相仿，10:00达到一个风速波峰后回落，沙尘暴出现前风速减至最小，沙尘暴爆发后风速增大，14:30达9 m/s，之后波动上升，至19日24:00达到12.9 m/s（19日最大风速值）。19日平均风速为6.5 m/s，沙尘暴过程中（14:12—16:11；18:42—20:18）风速均值为 4.9 m/s。

4月20日全天，500 m高度上的风速平稳减小，风速均值为7.0 m/s。

不同于地面、1 000 m和1 500 m 3个高度层，在500 m高度上，塔中沙尘暴天（4月19日）风速均值小于过程前后两天（4月18日、4月20日）。

图4为塔中沙尘暴前后3 d 1 000 m高度层风向风速变化曲线。与500 m高度风向变化曲线相仿，4月18日00:00—18:00，塔中1 000 m高度层风向从SE顺时针变化为NW；18:00—23:00，风向逆时针改变，从NW转化为SW。4月19日00:00—15:00，1 000 m高度层上为偏西风，沙尘暴爆发过程中，风向转变为偏东风。

4月18日全天，1 000 m高度层风速较小，平均风速为2.5 m/s。18日23:00至19日3:00风速增大到12 m/s，之后开始减小，沙尘暴开始时降至1.7 m/s，沙尘暴过程中风速变化不大，在1.7～4.3 m/s间波动，沙尘暴结束后，1 000 m高度层风速迅速增大，19日23:00达到3 d内最大值13 m/s。之后的1 h风速迅速减小，至当日24:00风速减至2 m/s。

4月20日，1 000 m高度层风速总体呈先增后减的趋势，13:25扬沙天气开始时风速达到当天最大值12.5 m/s。20日的平均风速由19日的6.0 m/s减至4.7 m/s。

图5为塔中沙尘暴前后3 d 1 500 m高度层风向风速变化曲线，4月18日00:00至4月19日15:00，塔中1 500 m高度层风向较为稳定，多为SW；4月19日沙尘暴过程中风向逆时针改变为SE，20:30沙尘暴过后，风向开始顺时针转为SW。4月20日2:00起，风向从NW顺时针转为NE，随后，4月20日全天为偏东风。

4月18日1 500 m高度层全天风速较小，平均为4.0 m/s。4月19日00:00起，风速迅速增大，1:00—14:00，风速稳定在9～12 m/s间。第一个沙尘暴过程中（14:12—16:11），14:30、15:00、15:30、16:00的风速分别为：8.3、8.8、7.5、6.3 m/s，小于沙尘暴爆发之前的风速均值；在13:05—14:12短暂的扬沙天气过程中，风速迅速减小；第二个沙尘暴过程中，19:00、19:30 和 20:00 的风速分别为：2.7、2.8、3.5m/s，达到了19日全天风速的最小值。

4月20日1 500 m高度层风速变化趋势与1 000 m高度层相似，总体呈先增后减的趋势，13:25扬沙天气开始时风速增至当天最大值11.8 m/s，之后波动减弱，24:00风速降至4.0 m/s。4月20日1 500 m高度的平均风速与19日相同，均为7.4 m/s。

4 沙尘暴过程中风向风速随高度分布特征

前面已对塔中各高度层风向风速在沙尘暴过程前后3 d内随时间的变化情况进行了分析，为进一步了解强沙尘暴天气过程中边界层风场变化特征，需对沙尘暴天气风场高度分布特征进行研究。雷达资料显示4月19日17:00（沙尘暴过程中）测站下沉运动较为强烈，平均下沉速度达到1.2 m/s，经过分析认为产生较强沉降运动的原因为：塔中地区不是本次沙尘暴的源头区域，沙尘暴产生后，上游地区沙尘被地面大风吹起，经空中风传送到达本场时，沙尘粒子由于重力效应产生沉降。

现在对 4月 19日 15:00、16:00、19:00和 20:00的风向风速随高度分布的特征展开分析，所选4个时间点都处于沙尘暴过程中。

图6为4月19日15:00风向风速随高度的分布曲线，15:00为沙尘暴爆发初期，地面及近地层风速很大，地面、50 m和100 m高度的风速分别为：7.6、13.2、18.2 m/s。随高度增大风速迅速减小，150～900 m高度内风速很小，平均值仅为0.9 m/s，1 000～2 200 m高度风速随高度升高而增大，2 200 m以上风速变化较小，稳定在13.0 m/s左右。

15:00时，700 m高度以下风向较乱，各个风向均有出现，700 m以上风向为偏西风，随高度升高风向由NW逆时针变化为SW。

图7为4月19日16:00风向风速随高度的分布曲线，由图可知：16:00地面及近地层风速减小，地面和200 m的风速分别为：8.3 m/s和5.1 m/s，但依然明显大于1 200 m内其他高度层的风速。250～1 200 m高度内风速很小，平均值为1.3 m/s，1 200～2 200 m高度内，风速与高度成正比，2 200 m高度风速为14.1 m/s，与15:00相同，2 200 m高度以上风速变化较小，稳定在13.4 m/s左右。

700 m高度以下风向为NE，800～1 200 m高度风向逆时针变化为NW，其上多为SW。

图8为4月19日19:00风向风速随高度分布曲线，由图可知：地面风速较大，近地层风速稍小于地面风速，地面、50 m和100 m高度上的风速分别为：11.1、7.5、4.6 m/s。“低风速层”厚度增高至 1 700 m，风速平均值为2.9 m/s。“风速快速增大层”随之升高，16:00“风速快速增大层”范围为1 200～2 200 m，19:00的“风速快速增大层”范围升高为1 800～3 100 m，此高度范围内风速与高度成正比，风速从1 700 m高度层的1.9 m/s快速增加到 3 100 m高度层的20.8 m/s。3 100 m高度以上风速变化不大，稳定在20.0 m/s左右。19:00时整层内的最大风速从16:00的14.6 m/s增大至20.9 m/s。

300 m高度以下风向为NW，300 m高度以上风向顺时针变化，350～1 700 m高度内多为偏东风，其上转为偏西风。

图9为4月19日20:00风向风速随高度的分布曲线图，由图可知：20:00近地层风速已经很小，但地面风速依然保持7.9 m/s的较大值，1 800 m高度内风速变化不大，平均值为2.2 m/s，1 900～4 100 m风速随高度升高迅速增大，至4 100 m高度层风速增至整层最大值22.2 m/s。

20:00时300 m高度以下为偏西风，350～1 500 m高度内多为偏东风，1 800 m高度以上多为偏西风。

图10为塔中4月19日沙尘暴日11、15、19、23时的风速廓线图，11:00为沙尘暴过程前，15:00、19:00为沙尘暴爆发过程中，23:00为沙尘暴过程后。从图中可知，沙尘暴过程中各高度层风变化剧烈，15:00沙尘暴爆发初期，近地面风速由11时的2.6 m/s激增至18.3 m/s，19、23时逐渐变小，但依然保持10 m/s左右的较大风速；在300～1 000 m高度，沙尘暴爆发过程中风速小于过程前后；1 000～2 000 m 高度内，11、15、19、23时风速随时间推进呈递减趋势；整个沙尘及过程前后，3 000m以上高度风速较大。

5 结论

4月，塔中在没有明显天气过程的情况下，1 000 m高度以内多为偏东风，其上多为偏西风；0～1 500 m风速一般不超过4 m/s，平均风速为2.1 m/s。

此次强沙尘暴天气过程中，沙尘暴爆发前，1 000 m高度内风向由东转西，在沙尘暴开始爆发时，1 500 m高度内地面及空中风都转为偏东风。近地面风速在沙尘暴爆发时迅速增大，地面最大风速为11 m/s，100 m高度层的风速达到了18 m/s，沙尘暴过后近地面风速缓慢减小；500～1 500 m高度层上，沙尘暴爆发前后风速迅速增大，最大风速为12 m/s，沙尘暴爆发期间风速较弱，稳定在5 m/s以内；3 000 m以上高空风在沙尘暴爆发期间风速可达20 m/s。

另外，沙尘被地面大风吹起后由于重力产生沉降的拖曳作用，沙尘暴过程中塔中上空存在明显的沙尘颗粒沉降运动，平均下沉速度为1.2 m/s。

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