哈密南部一次区域性强风沙天气诊断分析

Diagnostic Analysis of a Regional Strong Wind and Sand Weather in Southern Hami

摘要: 本文利用地面常规、区域加密自动站及高空观测等资料，对哈密市伊州区2023年4月18~20日一次区域性强大风、沙尘暴天气过程从天气学角度进行诊断分析，得出结论。结果表明：大风沙尘暴天气发生在有利的气候背景下，高空斜压槽及强锋区和地面冷锋是触发强风沙的重要天气系统。前期持续增温为其提供了有利的热力条件；高空急流动量下传、强气压梯度区和变压差是大风沙尘暴产生的动力条件。大风沙尘暴发生区域，对流中低层存在不稳定层结，加剧了低层辐合、高层辐散的垂直运动发展；地面气象要素的强烈变化可作为大风沙尘暴预报的重要参考依据和着眼点。数值预报产品具有一定的预报能力，但预报量级和影响时间存在偏差。

Abstract: Based on the ground routine observational data, regional encrypted automatic station observational data and upper air observation data, a regional strong wind and sandstorm weather process was diagnostic analyzed from meteorological perspective in Yizhou District of Hami from April 18~20, 2023. The results showed that the wind and dust storms occur in the favorable climate background, and the cold front on the ground is the important weather system to trigger the strong wind and sand. The continuous warming in the early stage provides favorable thermal conditions; the momentum of the upper air jet streams transmission downwards, strong pressure gradient and pressure difference are the dynamic conditions of gale dust storms. In the area where gale sandstorm occur, there is unstable stratification in the middle and low levels of convection, which intensifies the vertical movement development of low-level convergence and high-level divergence; the strong change of ground meteorological elements can be used as an important reference basis and starting point for gale sandstorm forecast. Numerical prediction products have a certain prediction ability, but there are deviations in the forecast magnitude and influence time.

1. 引言

大风、沙尘暴是干旱区半干旱区一种严重的灾害性天气[1] [2]，由于其突发性强、强度大，往往能在短时间内造成严重危害，对人们的生产生活、经济、生命安全等造成严重威胁[3]-[7]。由于特殊的地理环境，西北地区是我国发生大风沙尘暴天气频次最多、强度最大的区域之一[8]。新疆地处我国西北部，属干旱性大陆气候，下垫面多以沙漠、戈壁、高原为主，是大风沙尘暴天气的高发区，春季3~5月是大风沙尘天气爆发最多最强的季节[9]-[11]。由于春季是农、牧业生产开始的关键期，大风和沙尘暴一旦同时出现将给工农业生产、交通运输、人们生活及生态环境等都会造成严重的危害。

哈密市伊州区位于新疆东部，地形特点为“两山加一盆”，北部为东天山余脉，东部、南部为高原地带，中部、西部为哈密盆地，地势低洼，盆地内多戈壁、沙漠及风蚀地，沙源丰富；且常年降水稀少，气候干旱。特殊的地理环境和自然气候条件共同造成大风沙尘天气频发。尤其是冬春季降水异常偏少，裸露的地表和沙质土壤，在强大的风力裹挟下，容易形成沙尘暴天气[12]。气象学者对新疆大风、沙尘暴天气的研究多集中于塔里木盆地及周边地区，仅有的对哈密大风沙尘暴研究且都以气候统计分析为基础的研究[13] [14]，而对天气个例研究较少。

2023年4月18~20日，哈密市伊州区出现了一次强大风、沙尘暴天气过程。此次天气过程正值春耕春播阶段，对农牧业生产和交通运输及人们的生产生活造成了严重的影响和经济损失。因此，分析大风沙尘天气的成因及预报着眼点，加强对大风沙尘暴天气过程的认识，总结经验提高其预报准确率，为有效治理空气污染和环境提供有力的科技支撑，更好地服务于当地政府与民众，有着很重要的现实意义。

2. 资料

所用资料由新疆维吾尔自治区气象信息中心和国家气象信息中心气象大数据平台天擎提供的2023年4月18~20日哈密市国家及加密区域自动气象站气温、风、气压、露点等观测资料以及Micaps常规高空、地面、探空资料等多源观测数据。文中附图所涉及地图基于新疆维吾尔自治区标准地图服务网站下载的审图号为GS (2022) 3124的标准地图制作，底图无修改。文中时间均为北京时。

3. 天气概况及气候背景

3.1. 天气概况

2023年4月18~20日，受西伯利亚强冷空气南下影响，伊州区出现了今年春季以来最强的一次大风沙尘暴天气过程。此次天气过程伊州区共34个气象站出现8级以上阵风，城区(哈密站)出现9级阵风，居1959年建站以来4月份历史第二位，1990年~2020年近30年4月份第一位；7站出现11级阵风，9站出现12~13级阵风，十三间房、了墩出现14级阵风，极大风速为43.8 m∙s⁻¹。受大风影响，区域大部出现沙尘天气，城区及偏西南区域出现沙尘暴，十三间房、南湖煤矿观礼台、骆驼圈子出现强沙尘暴，最小能见度出现在南湖煤矿观礼台为301 m (见表1)。大风沙尘天气自西向东从18日08:36开始，持续至20日10:00基本结束，历时49 h。

Table 1. Situation of strong wind and dust weather at the representative station from 08:00 on April 18 to 10:00 on April 20

表1. 4月18日08时至20日10时代表站大风、沙尘天气实况

站点	天气现象	最小能见度/m	极大风速/(m·s^−^1)	出现时间
城区	扬沙、沙尘暴	679	22.2 (18日)	18日16:38~20:35、20:35~20:43
十三间房	扬沙、强沙尘暴	415	43.6 (18日)	18日10:56~15:25、15:25~19:05
红柳河	扬沙	3908	24.3 (19日)	18日18:25~19日01:20
南湖煤矿观礼台	强沙尘暴、扬沙	301	18.6 (18日)	18日21:47~23:08、19日03:47~22:01
骆驼圈子	强沙尘暴、扬沙	399	23.8 (19日)	18日22:54~19日00:01、17:12~17:27

由于大风沙尘暴持续时间长、影响范围广且强度大，受其影响，伊州区陶家宫、大泉湾、花园乡、大南湖等乡镇地膜、滴管、种植大棚被大风刮破、吹散，树被吹倒，电线吹断、部分路段实行交通管制等，共造成1874人受灾，农作物、林果业受灾面积2598.27公顷，直接经济损失602.59万元。

3.2. 前期气候背景

哈密市伊州区年平均降水量44.3 mm，其中冬半年2022年11月至翌年4月总降水量9.2 mm。特别是2022年12月至2023年3月，伊州区总降水量仅0.1 mm，且同期气温较常年偏高1.1℃，2月至3月分别偏高3.1℃和3.6℃。由于高温少雨的气候背景，加剧了下垫面的沙尘化，地表干土层增厚，同时又正值春耕春播阶段，土质疏松，为沙尘暴出现提供了一定的物质基础。

4. 影响系统分析

4.1. 高空环流形势

通过分析18日08时500 hPa高空图可知：欧亚范围内为两槽两脊型经向环流，黑海地区为高压脊，西西伯利亚为低涡，蒙古为高压脊控制，新疆受西西伯利亚低涡底部分裂的短波控制。18日20时(图1)冷空气再度加强，使得中亚至乌拉尔山的高压脊继续向北发展，西西伯利亚低槽主体加强东移南下至北疆沿天山，槽前为较强偏西气流，槽后强北风带建立，锋区进一步增强，新疆受低涡底部低槽控制，北疆大部处于强偏西北风带中，低槽底部在天山山区附近形成一支风速 > 32 m∙s⁻¹的强西北风带。等压线明显密集，50~60˚N，70~90˚E范围内7条等高线，引导北方冷空气南下在槽底部堆积，并逐渐加强，锋区压至北疆沿天山山脉一带，同时伴随−44℃冷中心，等温线与等压线交角变大，冷空气斜压性加大，冷平流输送加强。对应700 hPa高空，锋区位于天山附近，槽后有大片降温区，温度槽超前于高度槽，温度梯度大，高空槽后出现一个−30℃的冷中心，温度线密集，冷平流强盛，槽前蒙古与河西走廊一带受温度脊控制，随着低涡东移南下，冷暖空气交汇高空动量下传启动，直接触发对流中下层动量的释放与下传[11]。冷锋经过之处，引发强烈的大风、沙尘暴。可见，深厚的高空强冷空气和冷平流输送与对流中下层动量下传是大风沙尘暴发生的主要因素。

Figure 1. The geopotential height field on 500 hPa at 20:00 on April 18 (The red area is Hami, black dot is Hami Station)

图1. 4月18日20时500 hPa高度场(红色区域为哈密市，黑点为哈密站)

4.2. 地面形势场

分析此次天气过程地面冷高压(图2)可知，17日08时位于里海北部，中心强度为1030 hPa，由西北向东南方向移至咸海南部后，再向东北方移动。18日20时移至巴尔喀什湖且增大为1035 hPa，等压线密集、气压梯度大，锋区压在北疆西部沿天山上空，高压前沿进入哈密市西部，而哈密市西南侧巴音郭楞蒙古族自治州与东南部河西走廊一带为热低压控制，与高压中心形成西北–东南向气压差，梯度也明显增大，强的梯度和变压差，通过动量下传和梯度风共同作用，使地面风速陡增，掀起沙尘。城区风速由8.4 m∙s⁻¹陡增至20.8 m∙s⁻¹，并爆发沙尘暴天气。19日02时冷高压中心在新疆西部国境线一带加强为1037.5 hPa，强气压梯度区位于新疆中东部，锋面位于哈密市上空，冷高压东移时，伊州区各地气压差达最大值，冷锋前后3 h变压为6.0~18.1 hPa，中心位于德外里克，此时伊州区大部区域风速达到极大值，同时自西向东大部区域出现沙尘天气，局部区域出现沙尘暴。由此可见，冷锋前后的气压梯度和变压差的迅速加大，引发了极大风速和沙尘暴的出现。

Figure 2. The moving path of the cold high pressure center and sea level pressure field from 08:00 on April 17 to 02:00 on April 19

图2. 4月17日08时至19日02时冷高压中心移动路径和海平面气压场

5. 地面要素变化特征

由地面气象要素变化(图3)可以看出：处于伊州区最西边的十三间房站，受冷空气影响最早，要素变化明显早于其它站，冷锋经过初期，气压变化平缓，气温和露点均在下降，此时已出现扬沙，同时，位于伊州区中部的哈密站在冷锋进入前，气温和露点都上升，气压反而下降。18日17:00~23:00随冷锋的进入，哈密站气压猛升，6 h加压9.3 hPa，十三间房6 h加压7.8 hPa，风速迅速加强，露点明显减小，空气干燥程度进一步加大，十三间房站、哈密站自西向东爆发沙尘暴，此阶段也是极大风速出现的时间。可见，地面气象要素的变化特征可以作为大风沙尘暴预报中的参考依据。

Figure 3. Ground meteorological element variation curve of representative station from 11:00 on April 18 to 10:00 on April 20

图3. 4月18日11时至20日10时代表站地面气象要素变化曲线

6. 物理量诊断分析

6.1. 热力条件分析

分析18日20:00探空图可知(图4)，伊州区上空850 hPa以下相对湿度20%左右，空气非常干燥，此时正是春耕春播阶段，地表土质疏松，提供了沙源条件；假相当位温由低层到高层明显增大，近地层40℃左右，850 hPa以上快速增大，300 hPa接近60℃，且假相当位温场整体分布是东南高西北低型，能量高值中心位于30˚N一带，假相当位温线密集，锋区强，高能舌向北伸展，强能量锋区北移至哈密市偏东南一带，强的热力不稳定导致空气快速向高处流动，为大风沙尘天气的发生储备了一定的热力条件，且700 hPa以下风向发生气旋式旋转，容易卷起地面沙尘。能量得到有效释放后，城区风力和沙尘天气明显减弱。

Figure 4. Analysis of high altitude physical quantities at 20:00 on April 18

图4. 4月18日20时高空物理量分析

6.2. 动力条件分析

垂直速度剖面图显示(图5)：18日14:00~19日08:00，沙尘暴爆发区上空的垂直速度有一个明显的增大过程，并且该区域从低层到高层为一致的上升运动，中心位于850 hPa附近，强度为−250 × 10⁻³ hPa∙s⁻¹。18日17:00~23:00近地层受温度脊控制，暖平流强盛，温度中心为32℃，700 hPa以上整层冷平流，上下层冷暖平流交汇，层结不稳定，垂直方向气流交换加剧，高层动量下传，近地层风速加大，卷起沙尘。19日08时以后，上升运动明显减弱，伊州区上空由上升气流转为下沉气流，辐合上升运动的加强和维持时间段与城区大风沙尘暴天气出现的时间吻合。由此可见，此次区域性大风沙尘暴均发生在垂直运动上升区。

Figure 5. Vertical velocity field profile from 08:00 on April 18 to 08:00 on April 20

图5. 4月18日08时~20日08时垂直速度场剖面图

通过分析低层到高层涡度场，18日08:00~19日08:00，哈密伊州区由负涡度区逐渐转为正涡度区再转为负涡度区的一个过程，且在18日20时前后正涡度达最大，正涡度有利于该地区高层辐散抽吸作用和低层辐合上升运动加强，使极大风速和沙尘暴天气突发。由此可以看出，此次大风沙尘暴天气发生在正涡度控制的时段和区域内。只是从垂直方向的分布来看，中低层的正涡度中心具有前倾性。

6.3. 层结分析

有研究表明：大风沙尘暴发生时，大气层结为不稳定状态[15]。大气的层结稳定度可用抬升指数LI、等物理量的大小来表示。抬升指数LI = T_{850 hPa} − T_{500 hPa} > 0时，其值越大，表示层结越不稳定。分析18日08时至20时探空资料发现，大风沙尘暴发生时，LI一直维持正值，且由小增大，说明850 hPa以上大气层结不稳定；另外，两等压面的假相当位温θse差值(即$\Delta \theta se=\theta s{e}_{\text{500 hPa}}-\theta s{e}_{\text{700 hPa}}$ )也可表示气层稳定度，当$\frac{\partial \theta se}{\partial z}<0$ 时，表示不稳定。通过分析发现此次大风沙尘暴发生区上空，在700 hPa至560 hPa之间θse随高度减小，等压面之间差值 < 0，出现负值区，表示此高度大气层结是不稳定的。综合以上，大风沙尘暴发生时高空存在不稳定层结。

7. 数值预报模式检验

数值预报产品的解释应用是天气预报业务客观化、定量化、精细化发展最直接最有效的途径，也是预报员预报天气的重要参考和依据[16]。针对此次大风沙尘暴天气过程，对ECMWF、CMA两种数值预报模式的大风和沙尘天气预报进行对比检验(图6)发现，两种预报模式都对大风的强度和影响时段作出了预报。不同的是，十三间房站极大风速实况与ECMWF模式预报(44 m∙s⁻¹)基本一致，而CMA预报模式比实况偏小；ECMWF和CMA模式都报出大风的最强时段在18日23时前后，实况则在17时达到最大，预报较实况偏晚6小时左右。城区则在08时出现极大风速，实况较数值模式预报偏大，出现时间和模式预报一致，风速大小人工订正后一致。靠近山区的天山乡石城子、口子村的极大风速两种模式预报均未报出；德外里克、柳树沟模式预报均较实况偏小，说明预报模式在新疆复杂的地形环境下存在一定的偏差。

另外，中央气象台集合预报模式中10米阵风EFI指数对18日24小时预报中在十三间房和偏南区域的极端指数为0.9以上，说明极端大风出现概率极大，对风口出现极端大风的预报起到了很大的指示作用；同时CMA沙尘模式中17日20时未来24小时近地层沙尘浓度预报及环境预报中空气污染预报和能见度预报对此次沙尘暴的出现有显著的指示作用，实际预报业务中可直接作参考。

Figure 6. Comparison of ECMWF model strong wind forecast at 02:00 on the 19th and the near surface sand and dust concentration forecast of CMA model at 20:00 on the 18th (black dot is Hami, Unit: ug∙m⁻³)

图6. ECMWF模式19日02时大风预报和CMA沙尘模式18日20时近地层沙尘浓度预报及实况对比(黑点为哈密站，单位：ug∙m⁻³)

8. 结论

(1) 西西伯利亚低压槽及强锋区和地面冷锋是此次区域性强大风、沙尘暴天气过程的重要影响系统。西伯利亚低槽的强斜压性使得冷平流输送加强，在锋区南侧形成一支明显的偏西下沉气流，推动了高层动量向下传输，触发对流中下层动量的释放与下传。冷锋前后出现强烈的气压梯度和变压差，是大风沙尘暴发生的关键因素。

(2) 大风沙尘暴发生区域低层辐合，高层辐散，存在强烈的垂直上升运动，且低层到高层受正涡度控制，增加了高层的辐散抽吸作用和低层辐合上升运动，强烈的垂直上升运动和气压梯度力为其产生提供了动力条件；前期降水少、异常增温为大风沙尘暴发生提供了有利的气候背景和热力条件，中低层550 hPa以下存在不稳定层结，加剧垂直方向的能量交换，使地面风速迅速增大，出现强大风和沙尘暴天气。

(3) 地面单站要素对冷锋过境、极大风速的出现和沙尘暴的爆发有强烈的反应，冷锋过境前后3 h气压变幅大，且出现陡增情况，在预报业务中，可以作为大风沙尘暴天气预报的重要参考依据和着眼点。

(4) ECMWF和CMA两种数值预报模式在新疆复杂地形下对大风有一定的预报能力，但存在一定的时间误差和量级误差，需要人工订正；CMA模式极端大风和沙尘预报在实际工作中具有很好的指示意义，可直接参考应用。

NOTES

^*通讯作者。