青海高原一次春季冷锋过境引起的大风沙尘天气分析

周琴 谢启玉 李洪梅

摘 要：应用探测资料及地面台站的观测资料，对2008年3月30—31日在青海高原东北部形成的一次大风沙尘天气过程，从天气形势、地面冷锋演变形势及影响大风发生的持续的关键物理量特征等方面进行了诊断分析，总结归纳出了此次灾害性大风天气的预报着眼点。结果表明：（1）此次大风天气过程具有日变化明显（昼强夜弱），过程中伴随沙尘暴、寒潮、弱降水等复杂天气的特点;（2）西伯利亚横槽转竖携带冷空气向南暴发，与地面系统发展共同造成的强气压梯度、高低空强的温度差动平流是造成此次大风的主要原因;（3）低层辐合上升运动与高空急流入口区次级环流叠加加大低层位势梯度和地面气压梯度，配合冷锋过境，使得白天近地层不稳定性加大，湍流加强，动量下传加大地面风速，导致地面持续强劲的大风;（4）柴达木盆地作为沙源在前期干燥无降水的气候条件下，加之层结不稳定和湍流活动造成的地面持续强劲的大风是引起沙尘天气的主要原因。

关键词：大风沙尘;横槽转竖;冷锋;高空次级急流;动量下传

中图分类号 P458.1+23文献标识码 A文章编号 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 天氣过程

2008年3月30至4月1日，青海高原出现了一次伴随沙尘暴、寒潮、降雪的大风沙尘天气过程。3月26日省内开始出现大风天气;27—28日强度逐渐加大，范围变大，风力普遍达到8～9级，风速25m/s;31日午后至傍晚风力达到最强，最大风速出现在14：00青海省野牛沟，风速28m/s，风力11级，入夜后减弱，甘青两省共24个站点出现大风，大风主力区位于环青海湖一带。29日新疆、河西走廊出现扬沙天气，受上游沙尘天气影响，30—31日冷湖、天峻、茶卡、茫崖出现沙尘暴，其中冷湖能见度仅200m。受冷空气影响，伴随区域性寒潮过程，海北、西宁、海东等地最低温下降8～9℃，达到寒潮标准，其中祁连日最低气温下降至-15℃。14：00—20：00冷锋过境，气压迅速增大，与此同时气温骤降，后3h内西宁测站气温陡降8℃、拖勒降7℃;冷空气的快速侵入使风速伴随气压骤增，从午后开始，8级以上大风一直持续到20：00后减弱。大风天气过后出现弱降水， 4月1日早晨青海高原东部产生微量降水。天气实况详见表1。

2 天气形势演变

2.1 500hPa环流形势及影响系统 3月27日500hPa我国北部上空（35°～45°N）呈两槽一脊的环流形势，西伯利亚以南、新疆以北处在横槽区内，极涡不断分裂冷空气直驱南下，沿槽后偏东气流南下进入青海高原。30日西伯利亚的横槽略往南压，发展达到最强盛，曲率最大。30日8：00大风发生时的前1d，在30°N和40°N附近形成2条急流，青海省正处在这2支急流之间的区域中，冷空气在新疆地区不断堆积，高空对应的温度槽与高度槽近于重合，温度槽配合有-36℃的冷中心（图1a）。30日20：00，横槽基本转竖，此时青海北部地区位于槽底中，温度槽略微落后于高度槽，槽前有冷平流不断补充，预示着冷温槽将往南加深（图1b）。到31日8：00，冷涡槽前不断有源于副极地的冷空气南下补充积累，冷涡加强，相配合的冷中心范围增大，温度槽依旧落后于高度槽，天气特征表现为更强的补充冷空气的到达，对产生大风十分有利。西风槽向下分裂的短波槽分别位于青海湖以西及玉树地区，形成斜压不稳定，动量下传，地面锋区加强，此时短波槽线上存在冷平流，表明短波槽将发展，中东部形成较强锋区（青海省内有4根等高线），锋区强度为14～16℃/10°N，500hPa高空位势梯度大（图1c）。31日20：00 500hPa西风急流南压到青海省北部地区，高空锋区加强，冷平流增大，风速加大，急流中心最大风速达28m/s，700hPa东北部的锋区亦较明显，随着冷槽的东移，14：00—20：00，环湖地区出现了大风天气，局地出现了沙尘暴（图1d）。到4月1日8：00，西风槽已东移过境，位于河套至西南地区地区一带，高空冷槽依旧落后于高度槽，此时青海省东部处于冷温槽前，即高空强锋区落区位于青海省东部，冷空气暴发，与1日早上在西宁、海东地区出现明显降水。至此，欧亚中纬度完成了一次由纬向环流到经向环流的调整，而这段时间正是大风发生的时间，由此可见大风产生于横槽快速转竖过程中[4]。

2.2 高空急流区次级环流的影响 高空次级环流是同一经度高低纬之间形成的南北向的次级环流，是动量下传得以维持的动力系统[2]。高空急流越强，通过动量下传作用造成的地面大风风力就越大。随着西伯利亚冷槽的发展，31日20：00 300hPa高空在36°N附近有一支西风急流，位于高原北部，急流中心最大风速≥44m/s，青海高原东北部位于高空急流入口区的右侧（图2a）。由31日20：00经过93°E的流场经向垂直剖面图发现：高空西风急流轴（36°N）以南400hPa以上存在很强的上升运动，急流轴以北（36°～40°N）整层为一致的下沉气流，形成了高空急流区次级环流，且低层700hPa位于高空急流入口区右侧的青海湖附近有一南北向的辐合线，急流入口区处的上升运动与次级环流的上升气流叠加，为深对流的发展提供了深厚的垂直环流发展条件（图2b）。这种低层强的辐合上升运动有利于空气的强辐合上升使得地面迅速减压，高空强下沉气流源源不断地补充了冷空气到地面，使锋区气压梯度不断增大，促进大风加强。30日20：00 500hPa西风急流横穿河西走廊西部位于40°N以北，急流中心最大风速达32m/s，31日8：00，急流南压至青海省境内，此时急流核最大风速减弱为24m/s，20：00急流继续南压至36°N附近，青海高原东北部位于高空急流入口区的右侧，虽然中心风速并没有再增大，但当其移动到与300hPa急流位置相对应时，中高层的这种辐散作用再配合低层的辐合运动，这种强的高空急流入口区的次级环流影响使得动量下传造成环湖地区出现了大风、沙尘暴天气。

2.3 地面形势 30日8：00，地面海平面气压场上与高空冷涡相对应的是位于西伯利亚以东的强冷高压，中心气压值1050hPa，高压南部边缘等压线密集，形成强的气压梯度，为地面大风创造了条件，此时冷锋位于新疆北部，新疆地区出现8～9级大风，20：00地面冷锋南压到河西走廊西部（图3a）。31日8：00，西伯利亚冷高分裂高压中心南压到青海省西北部，处于高压前沿的青南及东部地区气压梯度增大，等压线非常密集，与高空中东部的强锋区相对应，高低层的这种配置有利于大风的产生。31日开始从新疆分裂的2股冷空气分两路侵入青海省，一股沿西北路从青海省省西部进入，另一股经河西走廊东灌南下，14：00左右西路冷空气正式到达东部地区后两路冷空气合并，14：00—20：00锋面逐渐东移过境，影响青海中东部地区，气压梯度依舊很大，锋后强大的冷高压及高压前部的较强的气压梯度造成了东部一带的大风、降温、降雪天气（图3b）。31日20：00冷锋过境，此时青海省东部地区处于锋后0.6～0.8hPa的最大24h正变压中，风力也达到最大。31日14：00到20：00高原东部从青海湖到以东地区之间有一条呈西北—东南向的地面辐合线（配合低层700hPa的切边线），这种低层强的辐合上升运动有利于触发深对流的发展（加大动量下传）且使得地面迅速减压，地面系统继续发展，气压梯度增大，风速增大。

3 物理量诊断

3.1 动力条件

3.1.1 散度场 散度是衡量速度场辐散、辐合的物理量。3月31日20：00的大风区域与低空辐合区、高空辐散区存在非常好的对应关系。沿36°N作散度的垂直空间剖面图可以看出，高层最大辐散中心偏向低层辐合中心的左侧，说明大风出现区存在明显的斜压不稳定。大风主力出现在96°E以东的青海东部地区，低层从700～500hPa整层辐合，最大辐合中心出现在600hPa、100°E附近（环湖附近），强度达-24×10-5/s，400～300hPa为辐散层。低层辐合，高层辐散，具有强烈抽吸作用使得地面减压，气压梯度加强，风速进一步加大[3]。

3.1.2 涡度平流 31日8：00 500hPa西风槽前有较强的正涡度平流，位于青海北部分裂的短波槽前也为正的涡度平流（图4a）。20：00正涡度平流中心迅速东移南压至河套以西地区，此时高空槽东移，高原东北部位于西风槽底，配合温度平流作用，地面低压东移发展，环湖地区气压梯度加大，在温度平流与涡度平流的共同作用下高空槽发展加深并东移（图4b）。因此，高空涡度平流的这种分布状况对地面高低压系统的发展加强十分有利，高压对降温和大风起到重要作用，地面气旋促使了气流的抬升和能量的输送和积累[4]。

3.2 热力条件

3.2.1 温度平流 温度平流是斜压扰动强烈发展最主要的动力条件。高空冷暖平流的活动除能影响系统的加强和减弱之外，对大气层结的稳定性也有较大影响[5]。31日8时500hPa温度槽开始落后于高度槽，高空槽区内有-10×10-4K/S的冷平流发展，20：00冷平流中心东移到青海东北部，加强为-12×10-4K/S，从31日8：00—20：00，低层700hPa东部是明显的暖平流，因此这种上冷下暖的高低空温度差动平流造成大气层结不稳定，对大气的静力不稳定度贡献也较强，最终导致气流加速，形成吹风天气。综上所述，高空正的涡度平流首先使得高空槽东移到高原东北部，同时地面低压发展，此时高空冷平流又使得高空槽发展，地面低压也同时东移到东部地区，因此31日白天由于高空槽的东移发展，也使地面低压发展加强，引起地面气压梯度加大，风速加大。

3.2.2 层结稳定度 动量下传白天强，夜间弱。下午至傍晚时段属于地面温度较高时段，层结不稳定，接近干绝热，自由对流开始，湍流活动强，动量下传强，地面风速较大，使得被大风铲起的的沙尘向近地层输送，之后随着锋区附近的上升气流输送到高空，造成沙尘天气;高原早晚温差大，入夜后地面迅速降温，辐射形成逆温，层结趋于稳定，湍流活动弱，高空动量下传弱，地面风速减小。以芒崖站为例，30日晚上到31日都出现了大风天气，30日20：00极大瞬时风速21m/s，31日20：00风速为22m/s，31日早上出现逆温，层结稳定，不利于湍流运动和动量下传（图5）。

4 地形影响

过程中地面冷空气源自于西伯利亚，西北路径冷空气在31日凌晨率先进入海西地区，再沿盆地到達环湖地区，此时由于盆地的狭管效应，大风在东进的过程中风度加大（图6）。偏东路冷空气则沿河西走廊南下，到河西走廊最南端时由于山脉阻挡，开始转为偏东气流，沿河湟谷地吹向海东、西宁地区，31日14：00在青海湖一带与沿西北路入侵的冷空气开始形成西北风和东南风的辐合，到20：00在青海湖以东地区地面辐合增强，地面风速也达到最大，大风影响范围也较广。此次大风天气主力主要出现在青海省环湖一带，因此考虑湖陆风影响：青海湖四面环山，白天低空有明显的湖面向四周的辐散气流，气流遇山爬升辐合，导致白天陆面风速增大。

5 预报着眼点

通过对此次大风天气过程的环流形势及物理特征量的分析，得出以下大风预报着眼点：（1）一般造成大风的大尺度系统中横槽型天气形势中横槽转竖过程是大风天气的开始;（2）西伯利亚横槽型：大风前1d新疆地区为稳定的横槽，青海处于其槽前西北气流中，新疆以北配合有≤-36℃冷中心;（3）过程前期升温明显，南疆盆地已有大风沙尘天气出现;（4）风速普遍≥17m/s，至少有8个站为西风或西北风≥20m/s;（5）青海省境内地面大部站点吹西北风;（5）地面上冷高压强度达1050hPa，气压梯度力大（等压线密集）及3h变压大，有强冷锋配合。

6 结论

环流分型：此次大风天气过程是由高空西风横槽发展快速南下，横槽转竖过程中强冷空气不断补充南下，致使高空锋区东移南压至青海省东北部一带，配合地面冷锋快速过境，产生地面大风天气。温度平流影响明显：低层回温同时，中高层强冷平流带来明显降温，使得环湖地区存在明显的高低空温度差动平流，对产生大风十分有利，对大风预报有明显的指示意义。高低空次级环流：急流入口区处的上升运动（700hPa切边线及地面辐合线）与次级环流的上升气流叠加，为深对流的发展提供了深厚的垂直环流发展条件，这也是产生大风沙尘天气的根本原因。此次大风天气过程形成中西伯利亚冷高压较强，且后期分裂冷高压中心不断东移南压，使地面气压梯度加大，风速增大。大风过后产生寒潮、弱降水天气，冷锋东移出境，锋后降水明显。

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