“2015.9.13”石河子沙尘暴天气过程分析

徐腊梅

(第八师石河子气象局,新疆石河子 832000)



“2015.9.13”石河子沙尘暴天气过程分析

徐腊梅

(第八师石河子气象局,新疆石河子 832000)

利用常规Micaps资料和自动站资料，从环流形势、物理量、数值预报等方面，对2015年9月13日石河子发生的大风沙尘暴天气过程进行分析。结果表明，前期升温快、空气土壤干燥，北方冷空气快速南下，风力达6级以上；K指数增幅大，SI指数梯度明显，大气层结不稳定；气压梯度大、有深厚强盛的垂直上升运动和冷平流，这些条件的相互配合有利于沙尘暴天气的发生发展。ECMWF模式对于大风沙尘暴天气具有更好的指示和预报能力。

沙尘暴；环流形势；物理量；数值预报；石河子

沙尘暴是指强风将地面大量尘沙吹起，使空气混浊，水平能见度<1 km的天气现象[1]。有利于产生大风或强风的天气形势，有利的沙、尘源分布和有利的空气不稳定条件是沙尘暴形成的主要原因。强风是沙尘暴产生的动力，沙、尘源是沙尘暴物质基础，不稳定的热力条件有利于风力加大、强对流发展，从而夹带更多的沙尘，并卷扬得更高。除此之外，前期干旱少雨，天气变暖，气温回升，是沙尘暴形成的特殊天气气候背景[2]。关于大风和沙尘暴的特征、个例和成因等，已有许多学者进行了研究，并取得一定的成果[3-8]。笔者借鉴前人方法，利用常规Micaps资料和自动站资料，从环流形势、物理量、数值预报等方面，对2015年9月13日石河子发生的大风、沙尘暴天气进行分析，探讨当地沙尘暴天气的预报经验。

1 天气实况

9月13日16：00—21：00石河子垦区普遍出现4～5级偏西风, 伴随扬沙天气，莫索湾片区风力达6级，出现沙尘暴。大风、扬沙和沙尘暴天气致使空气质量变差，部分地方停电。傍晚至夜间普降小雨，南部山区中量，局部大量。最先出现5级大风的136团，14：00本站气压降至最低，为972.5 hPa，随后升高，到18：00气压升至975.6 hPa，4 h升压3.1 hPa，18:20出现极大风速15.7 m/s。出现10级大风的147团16:00本站气压最低,为962.5 hPa，到20:00升至968.4 hPa，21：00升至970.4 hPa，4 h升压5.9 hPa，20:02出现极大风速32.8 m/s。垦区13日17:00—20：00 3 h变压达5～6 hPa(图1)。从实况来看，13日16:00开始气压梯度已经加大，垦区自西北向东南方向依次出现大风、扬沙天气，北部出现沙尘暴。姚学祥[9]研究表明，强风一般需要达到6级(10 m/s)才能出现沙尘暴天气。此次沙尘暴天气莫索湾片区风力均在6级以上，147团风速达10级，为沙尘的扬起提供了强的风力条件。

图1 2015年9月13日20：00石河子地区3 h变压分布Fig.1 Three hours change pressure in Shihezi region at 20:00 on Sep. 13, 2015

2 环流形势分析

2.1 500 hPa高空形势 12日20：00，欧亚范围内为两脊一槽型，西西伯利亚至咸海为深厚的槽区，新疆位于槽前脊后；13日20：00，新疆脊东移垮台，北方冷空气迅速南下至石河子地区，当地位势高度由582 dagpm下降至578 dagpm。14日08:00,冷空气继续南下，位势高度降至570 dagpm。冷空气的快速南下是大风天气暴发的原因之一。

2.2 海平面气压场 13日17：00东欧地区形成1 035 hPa的高压中心，在贝加尔湖地区为995 hPa的低压中心，两地气压差达40 hPa，80°～90°E存在6根等压线，气压梯度大，石河子地区位于中间，至20：00北疆地区仍维持6根等压线(图2)。大的气压差为大风沙尘天气的形成提供了动力条件。

图2 2015年9月13日17：00(a)和20：00(b)海平面气压场Fig.2 Sea level pressure field at 17:00(a) and 20:00(b) on Sep.13, 2015

2.3 地面形势 此次大风沙尘暴天气主要是偏西路径冷空气造成的，地面图上冷空气从东欧东南下至咸海，再沿偏西方向经过巴尔喀什湖进入北疆，进而影响石河子地区。

3 物理量分析

3.1 热力条件 石河子垦区地处天山北麓中段、古尔班通古特大沙漠南缘，石河子北部的莫索湾片区紧邻沙漠，加之前期升温较快，7 d内最高气温由24 ℃升至32 ℃，致使大气和土壤干燥，为此次沙尘暴出现提供了沙源条件和特殊的气候背景。出现大风和沙尘暴的前1 d和当天，石河子垦区的最高气温大部都在30～34 ℃。从不稳定条件来看，12日20：00K指数大值中心位于巴尔喀什湖至咸海之间，中心值为31 ℃；13日08：00东移南下，中心位于南疆西部和新疆北部的西西伯利亚地区，中心值分别为29和27 ℃，13日20：00南北两中心打通东移，中心值为30～31 ℃。24 h内石河子地区K指数由12 ℃上升至24 ℃。SI指数正值区域与负值区域梯度明显(图3)，这种大气层结的稳定到不稳定的快速变化有利于大风沙尘暴天气的形成与加强。3.2 垂直速度 13日14：00石河子地区500～850 hPa均为上升运动区，500 hPa的负中心位于新疆西北国境线附近，数值达-1.92 Pa/s，700 hPa达-1.32 Pa/s，850 hPa为-0.36 Pa/s(图4);20:00 300 hPa石河子地区大部也为上升运动区，500 hPa以下的上升运动区向东南方向移动，500 hPa中心区位于阿拉山口附近，中心值为-0.72 Pa/s，700和850 hPa克拉玛依已转为下沉运动，主要的上升运动区从西北向东南方向刷过莫索湾地区，该地区850 hPa垂直速度达-0.36 Pa/s，造成莫索湾地区的大风和沙尘暴天气。

图3 2015年9月13日20：00石河子地区SI指数场分布Fig.3 SI index field distribution in Shihezi area at 20:00 on Sep.13, 2015

图4 2015年9月13日14：00 500 hPa(a)、700 hPa(b)和850 hPa(c)垂直速度分布(单位：10-2 Pa/s)Fig.4 500 hPa(a), 700 hPa(b) and 850 hPa(c) vertical velocity at 14:00 on Sep.13, 2015

3.3 温度平流 从300～850 hPa温度平流来看，大风沙尘暴天气来临之前，石河子垦区高低空均处于弱的冷平流控制。12日20：00，500～850 hPa冷平流中心位于巴尔喀什湖西北至北部，500、700、850 hPa的中心值分别为-23×10-5、-30×10-5、-35×10-5℃/s。13日20：00，300～850 hPa冷平流加强，300～500 hPa -20×10-5℃/s的冷平流中心已位于新疆北国境线附近，700 hPa冷中心为-30×10-5℃/s，850 hPa 冷平流东移进入阿勒泰地区，中心强度加强至-50×10-5℃/s，且冷平流区域已覆盖整个北疆地区。石河子地区冷平流数值在-20×10-5～-30×10-5℃/s，莫索湾片区达-30×10-5℃/s。从整层温度平流可以看出，低层850 hPa冷空气最先影响垦区，之后是700、500和300 hPa，且冷平流中心850 hPa明显超前于500和700 hPa，冷平流区域南伸至北疆天山山区。整层大气斜压性较好。中低层较强的冷平流也是此次过程出现大风的重要热力机制之一。

4 数值预报检验

4.1 海平面气压场 从ECMWF和T639数值预报模式预报的9月13日20：00海平面气压场(图5)可以看出，ECMWF和T639与实况高压中心位置和等压线均基本吻合，ECMWF高压中心面积与实况相对于T639更准确，T639 1 008 hPa等压线位置较ECMWF更接近实况。2种模式在蒙古国均预报了1 008 hPa的低压中心，而实况没有。总体来看，ECMWF较T639预报的高压中心强度和冷空气南伸幅度更强更大，均比实况略强。

4.2 风场 从EC细网格10 m风场预报(图6a)来看，13日14:00石河子垦区北部和西部风速略有加大，风速普遍为4 m/s；17：00石河子垦区炮台和莫索湾片区风速已加大至10～12 m/s，大部分地区已出现5级大风；20：00，风速东南下传，莫索湾片区风速在12～14 m/s，炮台风速减小至8 m/s，石河子增大至8 m/s。17：00—20:00莫索湾出现了6级以上大风并出现沙尘暴，石河子风速达5级，出现扬沙天气。23:00风速明显减弱。从T639模式10 m风场预报(图6b)来看，13日14：00风速很小，基本为静风，17：00风速普遍加大至4 m/s，20：00莫索湾增大至6 m/s。2种模式与实况相比较，大风出现的时间较为对应，但T639模式风速预报明显偏小，EC细网格的风场预报更具有好的指导意义。

图5 2015年9月13日20：00 ECMWF和T639海平面气压预报场与实况对比(单位： hPa)Fig.5 Comparison of ECMWF and T639 sea level pressure forecasting field with actual situation at 20:00 on Sep. 13, 2015

注：a1、b1为13日17：00；a2、b2为13日20：00。Note:a1,b1.17:00 on Sep.13;a2,b2.20:00 on Sep.13.图6 EC(a)和T639(b)模式对2015年9月13日17：00～20：00 10 m风场预报Fig.6 Wind field prediction at 10 m height during 17:00-20:00 on Sep. 13, 2015 by EC(a) and T639(b)

5 结论

(1)此次沙尘暴天气是由新疆脊衰退、北方冷空气快速南下造成的。加之前期升温较快，空气和土壤干燥，地表沙尘极易扬起引起沙尘暴天气。

(2)24 h之内K指数上升12 ℃，SI指数正值区域与负值区域梯度明显，大气层结的稳定到不稳定的快速变化有利于大风沙尘暴天气的形成及加强。

(3)80°～90°E囊括石河子垦区的区域存在6根等压线，气压梯度大，易生成大风沙尘天气。

(4)高低空维持强的上升运动，850 hPa垂直上升运动速度>-0.36 Pa/s；整层大气斜压性好，850 hPa冷平流达-30 ℃/s。

(5)ECMWF和T639模式对于气压场和风场均具有较好的预报能力，其中ECMWF模式在风速预报上较T639模式更准确。当10 m风速达8 m/s时，地面将出现5级大风；当10 m风速超过12 m/s时，地面将出现6级以上大风天气。

[1] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.

[2] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].3版.北京：气象出版社，2000.

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Analysis of “2015·9·13” Sandstorm Weather Process in Shihezi Region

XU La-mei

(Eighth Division Shihizi Meteorological Observatory, Shihezi, Xinjiang 832000)

By using conventional Micaps data and automatic station data, the sandstorm weather process on September 13, 2015 in Shihezi was analyzed from aspects of circulation situation, physical quantity and numerical forecast. The results showed that fast heating at earlier stage, dry soil, the northern cold air moving southward fast, wind up to 6 above, greatly increase ofKindex, obvious gradient ofSIindex, unstable atmospheric stratification, large pressure gradient, vertical ascending motion and deep strong cold advection are conducive to the occurrence and development of sandstorm weather. Indicating and forecasting ability of the ECMWF model is better for the dust storm.

Sandstorm; Circulation situation; Physical quantity; Numerical forecast;Shihezi

徐腊梅(1974- )，女，湖北新洲人，副研级高级工程师，从事天气预报、气候预测及服务工作。

2016-09-20

S 16；P 458

A

0517-6611(2016)36-0202-04