2020年3月11-12日青海大部地区大风沙尘天气过程分析.pdf

152青海科技202304气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY0 引言大风是指瞬时风速超过 8 级（17ms-1）或平均风速达到 6 级（10.813.8ms-1）的风。青海高原的大风日数较多，根据 2009-2018 年全省观测的逐 6h 大风频次统计显示，青海省大风平均发生频次为每年 19.9 次，最多的是在青南地区和祁连山区，每年达 30 次以上；东部河谷地区发生较少，每年在 10 次左右1。近年来，随着经济的发展，大风天气造成的灾害越来越严重2，尤其对于青海东北部人口、经济集中地区，大风灾害的影响更为明显。沙尘暴天气是指强风将地面大量沙尘吹起或被高空气流带到下游地区而导致空气混浊、水平能见度小于 1km 的天气现象。能见度介于 110km 则称之为扬沙天气3。在沙尘暴研究方面，国内外学者做了大量研究，其中以河西走廊地区研究成果较多4，揭示出一些沙尘天气在我国不同地域的特征及成因。青海省作为青藏高原的重要组成部分，沙尘天气也是主要的气象灾害之一5。从实际的服务需求出发，研究大风沙尘天气的形成机理，发生、发展机制，对准确预报大风沙尘事件、提醒相关部门做出应对以及提醒公众做好防护工作等具有重要意义。1 资料介绍文中城市 AQI 指数与 PM10资料来源于中国空气质量历史数据网（https:/ ERA5基金项目：青海省气象局 2023 年“揭榜挂帅”项目“基于多源资料深度融合的强对流临近客观预报方法研究”(项目编号：QXGS2023-03)。作者简介:巨海晨(1998-),女,助理工程师,主要从事高原天气预报及灾害性天气研究。E-mail:。*通信作者：扎西才让(1970-)，男，副高级工程师，主要从事高原灾害性天气机理研究及客观方法研发。E-mail:。2020 年 3 月 11-12 日青海大部地区大风沙尘天气过程分析巨海晨 扎西才让*马学莲 马 琼 王有莲 王成雄（青海省气象台，西宁 810001）摘 要：利用 2020 年 3 月份ERA5 再分析资料、地面自动站观测资料及 MICAPS 资料，分析了 3 月 11-12 日青海大部地区出现大风沙尘天气的形成机制以及影响因素。结果表明：（1）此次大风沙尘天气发生在 200hPa急流维持、500700hPa 冷平流明显的环流背景下，而地面冷锋过境是此次过程的触发机制；（2）从垂直速度、散度、涡度等物理量分析来看，西宁附近东西方向上构成了东部高空辐合、地面辐散，西部高空辐合的锋面次级环流，增强了锋后下沉运动的发展；（3）此次过程中大气层结在白天趋于不稳定，地面至 500hPa 接近干绝热，导致湍流活动强，动量下传强，地面风速大，是青海省比较典型的高空急流动量下传和大气层结不稳定共同作用所引起的大风天气过程。分析结果可为未来类似大风沙尘天气过程预报提供参考依据。关键词：青海；大风沙尘；次级环流；动量下传；湍流活动中图分类号：P425.55 文献标识码：A 文章编号：1005-9393(2023)04-0152-07153青海科技202304气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY再分析资料，水平分辨率为 0.250.25，时间分辨率为 3h，高空资料为 700200hPa，垂直分层共21层。本文利用上述资料分析了垂直速度、散度、涡度等的分布，以及大气环流和天气系统的演变特质等。天气实况观测资料为 3 月 11-13 日逐小时地面自动站观测资料；单站数据来源于西宁探空廓线数据。2 天气实况2.1 全省天气实况2020 年 3 月 11 日至 12 日受地面冷锋过境影响，青海省海西大部、青南牧区大部、祁连山及环青海湖部分地区出现大风、扬沙天气，共有 27 站出现大风天气，12 日极大风速最大值治多站达到27.1m/s，最小能见度为 6.4km。西宁 12 日的极大风速达到 17.3m/s，最小能见度仅为 5.6km。受大风天气影响，小灶火、诺木洪、茫崖、共和、乐都等 19 站出现扬沙天气。2020 年 3 月 12 日 14 时（图1a），受西路冷锋过境影响，五道梁站出现大风和扬沙天气。到 17 时（图 1b），随着西路冷锋东移，东路冷锋倒灌进入河湟谷地，青海湖流域开始出现大风扬沙天气，东部地区能见度开始降低至 10km以下。到 20 时青海湖流域的大风沙尘天气持续，东部地区风速增大，开始出现浮尘天气。2.2 AQI 与 PM10特征2020 年 3 月 1 日至 11 日西宁市的 AQI 指数与 PM10浓度均低于 100，能见度较好，天气状况良好。3 月 12 日，受冷锋过境带来的大风沙尘天气影响，西宁市区 AQI 指数升高至 148，PM10浓度升高至 236，此次大风沙尘天气的首要污染物是PM10。图 2 3 月 11-12 日西宁市 AQI 指数与 PM10浓度3 环流形势分析3.1 200hPa 急流李潘等6研究发现，青海省大风沙尘的形成图 1 3 月 12 日 14 时（a）、17 时（b）地面风场及能见度（阴影为扬沙、沙尘暴区域）站名极大风速/ms-1出现时间最小能见度/km五道梁23.812 日 13 时4.2诺木洪25.612 日 13 时3.4治多27.112 日 16 时6.4都兰23.412 日 17 时3.7共和21.712 日 18 时3.2西宁17.312 日 19 时5.6表 1 青海省 2020 年 3 月 11 日 08 时至 13 日 08 时极大风速超 8 级站点统计表154青海科技202304气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 3 3 月 12 日 08 时（a）、20 时（b）200hPa 风场及急流轴（风速 40ms-1）图 4 3 月 12 日 08 时（a）、20 时（b）500hPa 风场、位势高度（黑色实线）及温度（红色等值线）基本与高空急流的动量下传和冷暖空气的活动有关。分析青海省 12 日 08 时 200hPa 高空环流形势（图 3a），高空急流核位于青海省中部至长江中下游地区，上空风速 40ms-1，核区最大风速达 56ms-1，青海北部地区位于高空急流入口区左侧，存在负涡度平流，为下沉运动，表明青海北部地区 200hPa 高空为辐合区。12 日 20 时（图3b），200hPa 急流核略微南压，核区最大风速增大至 66 ms-1以上，表明 200hPa 急流强度增强，青海北部地区高空辐合增强。3.2 500hPa 环流形势12 日 08 时（图 4a），500hPa 上新疆地区北部存在一横槽，温度场落后于高度场，表明横槽即将加深发展，并向东移；高度场与温度场夹角接近 90，高空冷平流强盛。青海北部地区位于新疆横槽底部，受西北气流控制，北部站点风速大于 20ms-1，达到中空急流强度。至 20 时（图4b），受槽后偏北气流的影响，横槽逐渐转竖，引导槽后冷空气南下，槽后冷平流发展强盛，高空锋区明显，大气斜压性增强；且新疆北部地区阻塞高压发展，形成闭合环流中心，这种阻塞形式利于冷空气堆积与发展。到 20 时，青海北部站点风速增大 812ms-1，说明中空急流强度增强，这也是到了 20 时北部大部分站点出现大风沙尘的原因之一。3.3 700hPa 环流形势700hPa 形势与 500hPa 类似（图略）。12 日08 时，700hPa 上新疆北部地区天山附近存在一横槽，位置与 500hPa 横槽相差不大，温度场与高度场夹角更大，冷平流更明显，槽即将加深发展，并向东移。青海北部地区位于新疆横槽底部，受西北气流控制，测站风速在 28ms-1之间。至20 时高度场与温度场夹角几乎接近 90，表示新疆槽后冷平流发展更加强盛，与 500hPa 相比大气斜压性更强，且北部测站风速增大至 1216ms-1，155青海科技202304气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY达到低空急流的强度，西宁站的风向转为偏东风，说明到了 20 时冷空气已经沿河湟谷地倒灌进入青海东部地区。3.4 地面冷锋沙尘暴以风作为搬运动力，较强的吹风天气是沙尘暴形成的必要条件之一，我国春季北方地区出现大风主要由冷空气活动引起7,8。从海平面气压场分析（图 5）可知，此次大风沙尘天气过程主要是地面冷锋过境造成的。12 日 08 时，地面冷高压主体位于蒙新高地，中心值为 1057.5hPa，地面冷高压前冷锋与东北冷涡中心伸出的冷锋合并，南端压到河西走廊附近。12 日 14 时，地面冷高压东移南压，中心强度降低至 1047.5hPa，西路冷锋开始影响海西地区，东路冷锋开始影响兰州等地。12 日 20 时，地面冷高压主体强度略微增强，达到 1050hPa，西路冷锋移动至青海湖附近，东路冷锋延河湟谷地进入青海省东部地区，造成此次大风沙尘天气。图 5 3 月 12 日 08 时（a）、20 时（b）海平面气压及冷锋（蓝色曲线）图 6 3 月 12 日 02 时（a）、20 时（b）沿西宁（36.5N,101E）垂直速度经向剖面4 物理量诊断分析4.1 垂直速度沿西宁（36.5N,101E）做垂直速度经向剖面（图 6），分析可知，12 日 02 时 14 时，西宁上空东侧为负垂直速度区，气流从 700hPa 上升至300 hPa；西侧为正垂直速度区，气流从 400hPa 下沉到 700 hPa。这种分布状态，说明在该区域中低层存在一个垂直方向上的次级环流。这支次级环流将高空急流的动量下传至低层，使低层风速增大，这是动量下传的重要机制。同时正垂直速度大值区与冷高压控制区相对应，这与冷锋前为上升运动、冷锋后为下沉运动的天气学特征一致。垂直速度大值区的存在说明该区域存在明显的对流运动，表明大气层结不稳定，具有形成沙尘天气的条件。到 12 日20 时，随着冷锋东移，西宁上空变为下沉运动控制。156青海科技202304气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY4.3 涡度根据位势倾向方程，高空正涡度平流使地面气旋加深，负涡度平流使地面高压发展。沿西宁做涡度经向剖面（图 8），可以看出西宁上空低层为正涡度平流，而东侧兰州等地低层为负涡度平流、高层为正涡度平流。这种高层正涡度平流、低层负涡度平流的配置，使得西宁附近东西方向上构成了东部高空辐合、地面辐散，西部高空辐合的锋面次级环流，增强了锋后下沉运动的发展，高层冷空气迅速下沉，推动地面冷锋倒灌进入，在冷锋后部形成大风天气。图 7 3 月 12 日 02 时（a）、20 时（b）沿西宁（36.5N,101E）散度经向剖面4.2 散度沿西宁做散度经向剖面（图 7），可以看出12 日 02 时，青海省东部地区低层为负散度区，500 hPa 以上为正散度区，这种低层辐合高层辐散的配置与垂直速度场上的上升运动区对应，青海省东部位于冷锋前，表明为辐合上升区。到 12 日20 时，青海湖以西 500hPa 以上转为负散度区，500hPa 以下转为正散度区，形成高层辐合低层辐散的配置，加快了下沉运动的发展，使得高层冷空气迅速下沉，推动地面冷锋东移加深，在冷锋后部形成大风天气。图 8 3 月 12 日 20 时沿西宁（36.5N,101E）涡度经向剖面157青海科技202304气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY5 层结不稳定青海省高原地区冬春季发生的大风沙尘暴天气通常与较强的高空动量下传有关。而动量下传有两个必要条件：一个是高空急流的存在，这是高空动量下传的前提；另一个是层结不稳定导致的较强湍流活动，这则是动量能否下传的关键因素9。此次过程中，高空急流强度较大，但还必须存在较强的不稳定层结导致的湍流活动与其配合才能形成大风天气。根据 12 日 20 时西宁站探空图（图 9）可以看到，700hPa 高度层为偏东风，500hPa 高度层以上转为西南风，风向随高度增加逆转，为冷平流，存在下沉运动。同时高原空气稀薄，地面温度日较差大，午后地面增温明显，20 时虽然地面温度已经下降，但地面至 500hPa仍接近干绝热（1.1（100m）-1），因此大气层结在白天趋于绝对不稳定，湍流活动加强，配合高空冷平流高空风动量下传明显，从而有利于大风沙尘天气的出现。6 结果与讨论文章利用 2020 年 3 月 11 日至 13 日 ERA5 再分析资料、地面自动站观测资料及 MICAPS 资料，得出如下结论：（1）此次大风沙尘天气发生在 200hPa 急流维持、500700hPa 冷平流明显的环流背景下，东西两路地面冷锋过境是此次过程的触发机制。（2）从垂直速度、散度、涡度等物理量分析来看，西宁附近东西方向上构成了东部高空辐合、地面辐散，西部高空辐合的锋面次级环流，增强了锋后下沉运动的发展。（3）此次过程中大气层结在白天趋于不稳定，地面至 500hPa 仍接近干绝热，导致湍流活动强、动量下传强、地面风速大，是青海省比较典型的高空急流动量下传和大气层结不稳定共同作用所引起的大风沙尘天气过程。讨论：大风沙尘天气的发生不仅与大尺度环流背景和天气系统有关，还与局地气象条件、边界层性质等因素均有关系。文章未分析上述因素对此次沙尘天气的影响，希望在以后的研究中能够考虑这些因素与沙尘天气的关系。参考文献:1朱平,俞小鼎.青藏高原东北部一次罕见强对流天气的中小尺度系统特征分析J.高原气象,2019,38(1):1-13.2杨晓霞,胡顺起,姜鹏,等.雷暴大风落区的天气学模型和物理量参数研究J.高原气象,2014,33(4):1057-1068.3叶笃正,丑纪范,刘纪远,等.关于我国华北沙尘天气的成因与治理对策J.地理学报,2000,55(5):513-521.4蒋盈沙,高艳红,潘永洁,等.青藏高原及其周边区域沙尘天气的时空分布特征J.中国沙漠,2019,39(4):83-91.5邬仲勋,王式功,尚可政,等.冷空气大风过程中动量下传特征J.中国沙漠,2016,36(2):467-473.6李潘,徐维新,祁栋林,等.1961-2015年青海省沙尘天气时空变化特征J.干旱区研究,2018,35(2):412-417.7谭志强,桑建人,纪晓玲,等.宁夏一次大风扬沙天气过程机制分析J.干旱区地理,2017,40(6):1134-1142.8姜学恭,李夏子,王德军.一次典型蒙古气旋沙尘暴的对流层顶演变及沙尘垂直输送特征J.干旱气象,2018,36(1):1-10.9王江山,李锡福.青海省天气气候M.北京:气象出版社,2004:231-233.图 9 12 日 20 时西宁单站观测 t-lnp 图158青海科技202304气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYAnalysis of a Windy and Dusty Incident in Most Areas of Qinghai from March 11 to 12,2020JuHaichen,ZhaxiCairang,MaXuelian,MaQiong,WangYoulian,WangChengxiong（QinghaiMeteorologicalObservatory,Xining810001,China)Abstract:BasedontheERA5reanalysisdatafromEuropeancentreformedium-rangeweatherforecasts,groundautomaticstationobservationdataandMICAPSdatafromMarch11to12,2020,thispaperanalyzestheformationmechanismandinfluencingfactorsofadustpollutioneventinthenortheastofQinghaiProvince.Theresultsshowthat:(1)Thestrongwindyanddustyweatheroccurredunderthebackgroundof200hPajetstreamandobviouscoldadvicesfrom500hPato700hPacirculation.Thetransitofgroundcoldfrontisthetriggermechanismofthisprocess.(2)Fromtheanalysisofverticalvelocity,divergence,vorticityandotherphysicalquantities,itcanbeseenthattheeast-westdirectionnearXiningformedafrontalsecondarycirculationwithupperaltitudeconvergenceintheeast,surfacedivergenceandupperaltitudeconvergenceinthewest.Thisenhancesthedevelopmentofthesubsidencemotionbehindthefront.(3)Inthisprocess,theatmosphericjunctiontendstobeunstableduringtheday,andthegroundisstillclosetodryadiabaticwhenitreaches500hPa,resultinginstrongturbulentactivity,strongmomentumdowntransmission,andhighsurfacewindspeed.ThisisatypicalgaleweatherprocessinQinghaiProvince,whichiscausedbythecombinedeffectofthemomentumtransmissionoftheupperjetstreamandtheinstabilityoftheatmosphere.Theanalysisresultscanprovidereferencefortheforecastofsimilarwindanddustweatherprocessesinthefuture.Keywords:QinghaiProvince;Windyanddustyincident;Secondarycirculation;Momentumdowntransmission;Turbulentactivity（上接第 151 页）Analysis of Precipitation Variation in Xining City Based on Mann Kendall MethodChaiShixiu,KanBen,GuoHang（MeteorologicalBureauofDatongCountyofQinghaiProvince,Xining810100,China）Abstract：ThearticleusesprecipitationdatafromfourmeteorologicalstationsinXiningCity,QinghaiProvincefor60years,andusesMannKendalltestmethodtoanalyzetheinterannualandinterdecadalvariationcharacteristicsandtrendsofprecipitation.Thetemporalvariationcharacteristicsofmulti-yearprecipitationintheregionarestudied,andthevariationcharacteristicsofprecipitationrelatedcharacteristicquantitiesintheregionareobtained.TheresultsshowthattheoverallannualprecipitationinXiningCityshowsanupwardtrend,withsignificantseasonaldifferencesinprecipitation.Thefloodseasonshowsarelativelyobviousupwardtrend.Thenumberofannualprecipitationdaysalsoshowsanupwardtrend,buttheupwardtrendisnotsignificant.TheprecipitationinXiningCityexperiencedasuddenchangein2005.TheanalysisresultscanprovidereferencebasisfortherationalutilizationofprecipitationresourcesandfloodpreventionandcontrolworkinXiningCityinthefuture.Keywords:Precipitationcharacteristics;Mann-Kendalltest;Decadalvariation