阿不力米提江·阿布力克木，李 娜，趙克明*，孫鳴婧，閔 月

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

大氣邊界層是地球大氣最主要的物理特征之一，它與天氣、氣候的形成和演化密切相關(guān)，大氣邊界層厚度一直是大氣數(shù)值模式和大氣環(huán)境評價的重要物理參數(shù)之一[1]。 北京、甘肅、西藏等地學(xué)者采用各種特定儀器對當?shù)氐拇髿膺吔鐚犹卣髁考捌鋵Υ箫L、沙塵天氣的影響進行分析，得出了大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征[2-6]。 新疆的氣象學(xué)者對烏魯木齊市、塔克拉瑪干沙漠腹地的大氣邊界層對環(huán)境的響應(yīng)等問題進行了研究， 得出城市邊界層特征及沙漠腹地邊界層風場結(jié)構(gòu)[7-9]。

沙塵暴是發(fā)生在沙漠或是干旱沙漠化地帶的區(qū)域性天氣現(xiàn)象，其影響波及全球。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境計劃署（UNEO）報告[10]，近50 a 以來，亞洲沙塵暴的強度增加了近5 倍，是全球自然災(zāi)害增多的重要方面。新疆南疆是中國沙塵暴發(fā)生頻率最高的地區(qū)[11]。 國內(nèi)專家學(xué)者通過研究認為， 沙塵暴是發(fā)生在近地面邊界層內(nèi)的天氣現(xiàn)象， 是由風場的劇烈擾動和干旱共同產(chǎn)生的[12-23]。李巖瑛等[12]對于中國西北干旱區(qū)由較強西北風引發(fā)的沙塵天氣的大氣層結(jié)特征做了深入的研究，指出大氣混合層厚度對強沙塵暴的形成、環(huán)境及氣旋強度都有較強的影響。 由于大氣邊界層厚度最大在4000 m 左右， 可以應(yīng)用最大混合層厚度分析風沙天氣在垂直高度上的溫濕場結(jié)構(gòu)待征。 已有研究指出，暖季（春夏季）熱低壓的存在是塔里木盆地沙塵暴形成的主要因素之一， 冷空氣入侵塔里木，將加強熱低壓的發(fā)展，從而形成沙塵暴天氣[11]。

據(jù)統(tǒng)計近10 a 來塔里木盆地出現(xiàn)了80 余次沙塵暴過程，其中春季出現(xiàn)頻次明顯高于秋季，在春秋冷暖空氣頻繁交替的季節(jié)， 秋季冷空氣頻次和強度僅次于春季， 但是秋季發(fā)生沙塵暴的次數(shù)明顯少于春季，目前對塔里木盆地秋季沙塵天氣出現(xiàn)頻次少、強度低的原因認識較淺， 尤其是大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征對塔里木盆地的沙塵天氣的影響， 尚未有定論?！皷|灌”天氣指新疆地區(qū)當高壓冷空氣由西向東或西北向東南移動， 遇到天山山脈和阿爾金山脈阻隔由北疆再向東移至吐魯番地區(qū)后南壓， 導(dǎo)致吐魯番地區(qū)與塔里木盆地形成比較大的氣壓差，從而形成“東灌”大風，導(dǎo)致?lián)P沙或者沙塵暴天氣。 本文通過研究大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征及大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征在典型沙塵暴天氣中的表現(xiàn)，旨在了解冷空氣“東灌”時大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征對秋季塔里木盆地沙塵天氣的影響，提高對塔里木盆地沙塵暴天氣發(fā)生機制的認識。

1 數(shù)據(jù)方法

使用2014 年10 月28—29 日，NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，哈密、庫爾勒、若羌、阿克蘇、喀什、庫車、民豐、和田8 個探空站的探空數(shù)據(jù)、地面氣象站觀測資料。

根據(jù)每日8:00 的常規(guī)探空數(shù)據(jù)，利用大氣科學(xué)中的計算方法計算K 指數(shù)、沙氏指數(shù)、理查遜數(shù)大氣穩(wěn)定度參數(shù)， 選擇干絕熱法計算日平均最大混合層厚度，具體步驟參考文獻[24]中的逐步逼近法，以此來分析沙塵暴前后的各邊界層特征量的特征。

本文中所提的天氣過程前指天氣過程發(fā)生前的4 d：10 月24 日、25 日、26 日、27 日； 天氣過程中指天氣過程正在發(fā)生的2 d：10 月28 日、29 日； 天氣過程后指天氣過程結(jié)束后的3 d：10 月30 日、31日、11 月1 日。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣實況

沙塵天氣演變（表1）可知，28 日08 時，鐵干里克站出現(xiàn)浮塵天氣，隨著“東灌”天氣的加強，巴州南部到和田等地出現(xiàn)了揚沙， 而鐵干里克出現(xiàn)了沙塵暴，到20 時，鐵干里克和若羌都出現(xiàn)了沙塵暴，由于夜間無人觀測， 從形勢來看， 沙塵暴持續(xù)到了后半夜，到29 日08 時，逐漸減弱為浮塵天氣，從此時開始，后續(xù)幾天塔里木盆地都維持著浮塵天氣。

2.2 環(huán)流背景

從500 hPa 環(huán)流形勢演變（圖1a、1b）可知，25日20 時， 歐亞范圍內(nèi)以兩槽一脊型的經(jīng)向環(huán)流為主，中西伯利亞受高壓脊控制，下游貝加爾湖為低槽活動區(qū)， 上游西西伯利亞至巴爾喀什湖為深厚的低值系統(tǒng)，新疆處于西西伯利亞低槽前部，受西南氣流影響；26—27 日，由于上游里海脊發(fā)展，推動西西伯利亞低槽東移，但下游脊強盛，使西西伯利亞低槽在東移的過程中分為南北兩支， 北支東移影響北疆地區(qū)，南支移速緩慢，滯留在中亞地區(qū)，形成中亞低槽，這種形式維持在28 日， 有利的形勢易形成冷空氣“東灌”，隨后，在29—30 日，由于冷空氣“東灌”加之中亞低槽東移， 造成南疆西部的弱降水天氣及盆地大部維持浮塵天氣。

從海平面氣壓場演變（圖1c、1d）看到，過程前期，25 日20 時，新疆在均壓場控制之下，天氣晴好；27 日，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，上游冷高壓發(fā)展東移，中心強度達1040 hPa， 偏西路徑影響新疆， 到28 日08 時，系統(tǒng)已經(jīng)影響北疆，此時冷高壓中心達到1 042.5 hPa，1040 hPa 的冷高壓影響北疆，塔里木盆地低壓中心為1010 hPa，北疆冷高壓與南疆的熱低壓壓差達30 hPa，造成“北高南低”“東灌”天氣的環(huán)流形勢，與沙塵暴出現(xiàn)時刻相對應(yīng)，這種氣壓場形勢一直維持到28 日20 時， 造成沙塵暴的范圍和強度也逐漸擴大和增強，隨著系統(tǒng)的進一步東移，冷空氣逐漸進入塔里木盆地，氣壓差逐漸減小，造成南疆的浮塵天氣和西部的弱降水過程。

表1 2014 年10 月28 日08 時—31 日08 時BT各站出現(xiàn)沙塵天氣時間時序演變

2.3 邊界層特征分析

2.3.1 過程前、中、后大氣穩(wěn)定度指數(shù)

K 指數(shù)能夠反映大氣的層結(jié)穩(wěn)定情況，K 指數(shù)越大說明大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，反之說明大氣層結(jié)越穩(wěn)定。由沙塵暴過程前、中、后K 指數(shù)變化（表2）可知，各站都表現(xiàn)不同程度增大，發(fā)生沙塵暴的若羌站從過程前的-13 ℃增大到過程中的-11 ℃， 僅增大2 ℃，但K 指數(shù)仍然為0 ℃以下，大氣層結(jié)仍處于較穩(wěn)定，過程后增大到15 ℃，但各站沙塵過程發(fā)生前到發(fā)生中K 指數(shù)＜20 ℃；從逐日的K 指數(shù)變化看（圖2a），在沙塵暴發(fā)生之前，27 日所有站的K 指數(shù)都有所減小，大氣層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)，到28 日沙塵暴發(fā)生時，庫爾勒、和田、民豐等站未產(chǎn)生沙塵暴，而發(fā)生揚沙或浮塵，K 指數(shù)都開始增大，大氣層結(jié)仍處于不穩(wěn)定， 而在發(fā)生沙塵暴的若羌站K 指數(shù)繼續(xù)下降，沙塵暴天氣結(jié)束后，K 指數(shù)快速增大，說明沙塵暴發(fā)生時K 指數(shù)會減小， 大氣層結(jié)從不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定。

圖1 2014 年10 月27 日與28 日08 時BT 500 hPa 高度場（a、b）及海平面氣壓（c、d）

沙氏指數(shù)是判斷對流性天氣穩(wěn)定度的一個重要指標，沙氏指數(shù)＞0 表示氣層較穩(wěn)定，正值越大，氣層越穩(wěn)定。 在此次沙塵暴過程前中后沙氏指數(shù)變化來看（表2），從過程前到過程中盆地東部站點都表現(xiàn)為增大的趨勢，尤其是若羌站，從過程前的13.2 ℃增大到14.8 ℃。 說明沙塵暴發(fā)生時，沙氏指數(shù)會增大，沙塵暴過程結(jié)束后各站沙氏指數(shù)減少。從逐日的沙氏指數(shù)變化來看（圖2b），26—27 日，各站沙氏指數(shù)都有所減小，到28 日，各站的沙氏指數(shù)都有明顯的增大， 尤其是若羌站， 從27 日的11 ℃增大到16 ℃，充分說明沙塵暴來時沙氏指數(shù)會增大，大氣層結(jié)越來越穩(wěn)定。

表2 過程前中后K 指數(shù)、沙氏指數(shù)、理查遜數(shù)變化℃

理查遜數(shù)作為描述大氣湍流強弱的參數(shù)， 從湍流生消的角度出發(fā)，綜合了熱力因素對湍流的激發(fā)、抑制作用及摩擦切應(yīng)力產(chǎn)生湍流的作用。 在此次沙塵暴過程前中后的理查遜數(shù)變化來看（表2），過程前到過程中盆地東部站都減小， 其中若羌站減小得最多， 從原來的7.3 ℃減小到0.6 ℃， 到過程后0.4℃，說明大氣層逐漸穩(wěn)定下來，沙塵導(dǎo)致的湍流交換逐漸減弱。 逐日的理查遜數(shù)變化來看（圖2c），過程前各站理查遜數(shù)變化都較大， 尤其是盆地南部的民豐站，變化最為劇烈，從27 日的30 ℃減小到28 日的0 ℃。發(fā)生沙塵暴的若羌站也從過程前的13 ℃逐步減小到28 日的0 ℃，進一步說明沙塵暴發(fā)生之前大氣湍流較強，大氣處于不穩(wěn)定，當沙塵暴發(fā)生時大氣湍流減弱，大氣變?yōu)榉€(wěn)定。

2.3.2 過程前、中、后混合層厚度

混合層是由溫度層結(jié)不連續(xù)產(chǎn)生上下層間的湍流不連續(xù)而形成。 混合層厚度指大氣混合層伸展的高度。 從沙塵暴過程前、中、后的混合層厚度變化來看（表3），從冷空氣開始“東灌”前后，庫爾勒、若羌、和田、民豐站的混合層厚度都有所下降，偏東地區(qū)的若羌、民豐和和田站下降較為明顯，尤其是民豐與和田站，下降500 m 左右，發(fā)生沙塵暴時若羌站下降了63 m，因為它本身混合層厚度就低，加之系統(tǒng)的影響，混合層厚度繼續(xù)下降。

圖2 2014 年10 月24 日—11 月01 日K 指數(shù)（a）、沙氏指數(shù)（b）、理查遜數(shù)（c）

表3 過程前中后混合層厚度/m

從逐日的混合層厚度變化來看（圖3），各站的混合層厚度在天氣進來之前先上升趨勢， 當天進來時都快速劇烈下降，也就是在28 日這一天，各站的混合層厚度都較低，但從下降的劇烈程度來看，偏西的阿克蘇、庫車、偏東的民豐都較劇烈，阿克蘇站從27 日的1400 m 下降到28 日的400 m， 庫車則從2400 m 下降到650 m， 而民豐站下降最為劇烈，從2750 m 下降到550 m。 由此可見，當“東灌”天氣發(fā)生時，混合層厚度呈下降趨勢，不同區(qū)域下降趨勢不盡相同。 發(fā)生沙塵暴附近的站點下降趨勢反而不劇烈，鐵干里克至若羌一線的若羌站及庫爾勒站，混合層下降了200～300 m，因為過程前混合層厚度就低，若羌站過程前25—26 日混合層厚度只有550～600 m，而到“東灌”天氣開始前上升至1100 m，“東灌”天氣開始后混合層厚度維持在800 m 左右。 民豐站在天氣進來之前混合層厚度都較高，在1850～2750 m 之間，而“東灌”天氣進來后下降到550 m，“東灌”天氣維持時，混合層厚度也只有850 m，由此可見，塔里木盆地偏東地區(qū)由于“東灌”天氣造成沙塵天氣時，混合層厚度在800 m 左右。

圖3 2014 年10 月24 日—11 月01 日各站混合層厚度變化

2.4 過程前、中、后風場分析

從過程前中后的風場資料分析來看，700 hPa上，過程前基本處于弱的偏西風氣流中，但在28 日08 時，風向轉(zhuǎn)為偏東風，最大風速在12 m/s 左右，且氣流帶位置比較靠西， 過程后塔里木盆地基本處于弱的氣流中；850 hPa（圖4a，4b）上，過程前為弱的偏東氣流，但在28 日08 時，整個盆地中東部在偏東氣流影響下，最大風速達30 m/s，對塔里木盆地地面產(chǎn)生偏東風有利，易造成沙塵天氣，過程后，風速逐漸減小，基本維持在10 m/s 左右，這也是造成后期持續(xù)的浮塵天氣的原因；從地面風場資料來看（圖4c，4d），過程前，盆地各站的風向還是比較亂，風速在2～4 m/s，但從發(fā)生“東灌”起，盆地偏東地區(qū)出現(xiàn)了整齊的偏東風，且風速在6～8 m/s，為起沙提供了很好的風場條件， 過程后， 盆地中東部為統(tǒng)一的偏東風，但都比較弱，風速在2～4 m/s，有利于塔里木盆地浮塵天氣的維持。

2.5 過程前中后溫、濕廓線分析

從若羌站過程前后溫濕廓線可以看出（圖5），26—27 日，溫度從地面到3000 m 先增大后減小，貼地逆溫比較明顯，高度在500 m 以下，而到了沙塵暴開始時的28 日08 時， 逆溫出現(xiàn)在500～1200 m，說明此時500 m 以下大氣混合比較均勻，28 日20時和29 日08 時，整層都沒有出現(xiàn)逆溫，說明沙塵暴天氣破壞了逆溫環(huán)境，大氣混合很均勻，到沙塵暴結(jié)束后，30 日08 時，又恢復(fù)了逆溫環(huán)境。

26—27 日， 相對濕度隨高度先減小后增大，但在500 m 以上變化不大， 但在發(fā)生沙塵暴開始時，28 日08 時，相對濕度先增加，到500 m 以后迅速減小，之后變化不大，20 時是沙塵暴最嚴重時刻，相對濕度隨高度增加直到1500 m 后又迅速減小， 這也明顯可以看出，偏東急流攜帶一定水汽，但隨著沙塵暴天氣的發(fā)生，維持時間較短，又迅速減小，這與溫度呈明顯的負相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

利用探空、NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料、地面氣象站觀測資料， 對新疆塔里木盆地2014 年10 月28—29 日的沙塵暴天氣過程前中后大氣穩(wěn)定度、混合層厚度、風、溫、濕廓線等邊界層特征量進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）整個過程是前期歐洲脊發(fā)展，脊前北風帶引導(dǎo)冷空氣南下在西西伯利亞地區(qū)堆積， 隨后由于歐洲脊東移，推動西西伯利亞低槽分為南北兩支東移，北支快速進入北疆地區(qū)造成降水天氣隨后東移翻越東天山進入塔里木盆地，造成“東灌”天氣。

（2）沙塵暴天氣發(fā)生后K 指數(shù)減小，沙氏指數(shù)增大，理查遜數(shù)減小，混合層厚度降低，都表現(xiàn)為大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，不利于空氣湍流。

（3）風向風速有明顯的變化，風向由過程前的偏西風轉(zhuǎn)為偏東風， 風速則在靜風狀態(tài)下轉(zhuǎn)為明顯的偏東急流，850 hPa 偏東風最大達30 m/s，地面風速也由之前的2～4 m/s 增大到6～48 m/s， 風速對起沙較為有利。

（4）溫濕廓線表現(xiàn)為沙塵暴發(fā)生前為貼地逆溫，之后大氣混合比較均勻，相對濕度為先增加后減小，都打破了原有分布規(guī)律， 沙塵暴過程影響大氣邊界層結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。

圖4 2014 年10 月28 日與29 日08 時BT 850 hPa 風場（a、b）和10 月28 日20 時BT（c）、10 月30 日08 時BT（d）地面風場變化

圖5 2014 年10 月26 日08 時BT（a）、27 日08 時BT（b）、28 日08 時BT（c）、28 日20 時BT（d）、29 日08 時BT（e）和30 日08 時BT（f）的溫濕廓線變化

在沙塵暴過程發(fā)生前大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沙塵暴期間大氣層結(jié)調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，這種大氣層結(jié)的變化原因可能是過程發(fā)生前由于冷暖空氣交接劇烈造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定， 是有利于沙塵暴的發(fā)生發(fā)展；過程期間由于冷空氣主導(dǎo)作用，且沙塵使空氣混濁，抑制了對流的發(fā)展，造成大氣層結(jié)穩(wěn)定。 但以上分析所得出的一些結(jié)論還未經(jīng)大量樣本驗證，尚待進一步的定量分析研究。