2018年5月天山南坡兩次翻山大風成因?qū)Ρ确治?/h1>
2019-11-08 06:30:00陳春艷吐莉尼沙施俊杰安大維
沙漠與綠洲氣象 2019年5期
張 超，陳春艷，吐莉尼沙，施俊杰，安大維，張 俊
（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）
大風是新疆主要災(zāi)害性天氣之一， 由于天山特殊地形的影響，當冷空氣入侵時，因獨特狹管效應(yīng)和冷空氣翻山后的加速下滑極易產(chǎn)生大風。 南疆盆地的翻山大風就是一種典型的致災(zāi)性大風之一， 其持續(xù)時間長，瞬間風力大，破壞性極高。 由于南疆植被稀疏，沙源充足，大風的出現(xiàn)常伴隨劇烈沙塵天氣。近年來， 氣象工作者對北方冷空氣大風開展了深入研究，取得了較多研究成果[1-9]，楊澄等[10]對高原東南側(cè)復(fù)雜地形下的5 次冬季大風天氣進行分析， 發(fā)現(xiàn)該類大風受低空急流背景和垂直運動影響， 鄔仲勛等[11]研究了冷空氣過程下的動量下傳特征，指出動量下傳大風是高低空風場輻合輻散的環(huán)流運動強迫所造成的，陳艷等[12]對河北一次強風沙天氣成因分析時指出， 高空急流的加強和中尺度反環(huán)流圈的形成是強沙塵暴發(fā)生的重要原因。 對于新疆大風的研究，前期也積累了許多研究成果[13-15]，張俊蘭等[16]對南疆一次翻山大風進行診斷分析， 認為高空急流和低空急流共同作用是動量下傳的動力機制， 肉孜·阿基等[17]對阿圖什兩次大風天氣對比分析，指出高空斜壓槽， 地面冷鋒及南疆盆地熱低壓是產(chǎn)生大風的影響系統(tǒng)，努爾比亞·吐尼亞孜等[18]對南疆西部冬季一次大風天氣分析時指出，高空鋒區(qū)、動量下傳、極地冷空氣補充及海平面氣壓梯度與南疆西部大風密切相關(guān)。 這些成果對新疆大風預(yù)報起到一定的指導(dǎo)作用，但對于天山南坡翻山大風的物理機理、預(yù)報指標等內(nèi)容的研究仍較為缺乏。
2018 年新疆強冷空氣活動頻繁， 大風天氣頻發(fā)，致災(zāi)性重，風災(zāi)造成直接經(jīng)濟損失達20 億元，占總災(zāi)損失的80%，5 月出現(xiàn)5 場強天氣過程，較歷年次數(shù)明顯偏多，強度偏強，尤其是5 月7 日和24 日天山南坡兩次翻山大風，影響范圍廣，持續(xù)時間長，極大風力大， 且正值春季農(nóng)事活動關(guān)鍵時期， 對農(nóng)業(yè)、林果業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、交通、城市設(shè)施和人民生活造成嚴重影響。 本文通過對2018 年5 月7 日和24 日影響天山南坡的兩次翻山大風天氣進行診斷分析，分析其環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)，揭示動力、熱力機制和成因，并為今后的大風預(yù)報預(yù)警提供一定依據(jù)。
1 資料選取
利用2018 年5 月歐亞范圍高空、地面常規(guī)探測站點資料及（20°～70°N，50°～110°E）ERA-interim 0.25°×0.25°逐6 h 間隔網(wǎng)格再分析資料， 對影響天山南坡的兩次翻山大風天氣的物理機制進行對比分析。
2 天氣過程概述
個例1：2018 年5 月7 日凌晨至夜間，阿克蘇地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州（簡稱巴州）北部一帶出現(xiàn)了大范圍強風、沙塵天氣，瞬間風速大，持續(xù)時間長（表1），9 站瞬間極大風速≥17.1 m/s，大風過程于7日02 時巴州北部山區(qū)開始，最強時段在11—17 時，最大風力出現(xiàn)在和靜縣，瞬間極大風速達30.1 m/s，24 時大風過程結(jié)束； 大風造成7 站揚沙，3 站沙塵暴，最小能見度不足300 m，出現(xiàn)在尉犁縣（時間在17—18 時）。 風沙造成農(nóng)作物絕收、大棚設(shè)施受損、果樹落果等，直接經(jīng)濟損失達12 652 余萬元。
表1 兩次翻山大風天氣過程實況對比
個例2：2018 年5 月24 日凌晨至夜間， 阿克蘇地區(qū)、 巴州北部一帶再次出現(xiàn)大范圍強風、 沙塵天氣，大風站點多，影響時間長，15 站瞬間極大風速≥17.1 m/s，03 時巴州北部山區(qū)開始出現(xiàn)大風，最強時段在08—17 時，5 站大風持續(xù)時間超過8 h 以上，其中和靜站瞬間最大風速31.1 m/s ，22 時大風過程結(jié)束；大風伴有揚沙和短時沙塵暴，5 站出現(xiàn)揚沙，4站出現(xiàn)沙塵暴，阿克蘇市、尉犁縣、鐵干里克縣等地最小能見度不足300 m。此次過程造成兩地州農(nóng)業(yè)、林業(yè)受災(zāi)嚴重，直接經(jīng)濟損失60 786 萬元。
兩次天氣過程均呈現(xiàn)出最大風速大、 持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點，并引發(fā)揚沙或沙塵暴天氣，24 日大風過程較7 日更強，從兩次過程最大風速中心和靜站的海平面氣壓和極大風速小時變化可以看出（圖1），在過程前存在氣壓的顯著下降，起風時迅速加壓，風速有突增的現(xiàn)象，大風結(jié)束時間要早于加壓結(jié)束時間。
3 環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)演變
3.1 高空環(huán)流演變
圖1 和靜站5 月7 日（a）和24 日（b）大風過程風速與氣壓小時變化
2018 年5 月6 日20 時（圖2a），500 hPa 歐亞范圍中高緯呈兩脊一槽型，環(huán)流經(jīng)向度大，里海地區(qū)為高壓脊， 西西伯利亞地區(qū)為低渦槽， 中心值520 Dagpm，配合有-40 ℃冷中心，溫度槽落后于高度槽，風場有明顯氣旋式切變，低槽呈西南—東北向分布，槽底南伸至45°N。 07 日08 時（圖2b），隨著里海脊東南衰退，西西伯利亞低槽東南壓，槽底南伸至40°N以南， 引導(dǎo)冷空氣快速南下， 翻越天山進入南疆盆地。 同時，天山南坡高低空急流發(fā)展加強，高空急流中心增強至50 m/s， 而850 hPa 出現(xiàn)16 m/s 的偏北急流。20 時，冷槽移至東疆，天山南坡高空急流軸隨之東移，低空急流顯著減弱，大風沙塵天氣逐漸結(jié)束。
2018 年5 月23 日20 時（圖2c），500 hPa 歐亞范圍呈兩脊一槽環(huán)流型， 里海地區(qū)阻塞高壓脊穩(wěn)定維持，高壓中心為588 dagpm，脊前偏北急流強盛，中心風速達48 m/s， 偏北急流不斷將極區(qū)冷空氣引導(dǎo)南下。西西伯利亞地區(qū)為西南—東北走向低槽，配合有-28 ℃冷槽，溫度槽明顯落后高度槽，槽底南伸至40 °N，300 hPa 高空急流位于北緯45 °N 附近。里咸海阻塞高壓脊穩(wěn)定維持， 脊前西北急流引導(dǎo)冷空氣快速東南下。 24 日08 時（圖2d），500 hPa 槽底伸至35°N 附近，天山南坡高空風速明顯加強，庫爾勒探空站風速由14 m/s 增加至24 m/s，同時，天山山區(qū)鋒區(qū)加強，溫度梯度增大，300 hPa 高空急流軸南壓并轉(zhuǎn)為西南—東北走向， 天山南坡位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，庫爾勒探空站300 hPa 風速由10 m/s增至28 m/s。 850 hPa 出現(xiàn)22 m/s 的偏北急流，20時，隨著低槽東移，低空急流消失，冷空氣進入南疆盆地，風沙天氣過程逐漸結(jié)束。
3.2 地面系統(tǒng)演變
5 月4 日20 時（圖3a），地面冷高壓首見于新地島附近，高壓中心強度為1038 hPa，沿烏拉爾山南移，6 日20 時，地面冷高壓抵達烏拉爾山南端，氣壓場呈西北高東南低型分布， 冷高壓中心位于巴爾喀什湖到咸海一帶，中心為1030 hPa，此時地面冷鋒已進入西天山一帶，此過程天山南坡伴有-2 hPa～-3 hPa 的3 h 變壓，而南疆盆地有熱低壓生成，低壓中心997 hPa，隨后冷高壓中心沿50°N 東移。 7 日08時，地面冷高壓中心加強至1033 hPa，南、北疆海面氣壓梯度進一步加大，伊寧站與阿克蘇站壓差達27 hPa。 隨著高空冷槽過境，伊寧站與阿克蘇站最大壓差增至29 hPa， 南疆盆地出現(xiàn)明顯加壓，7 日20—23 時，3 h 氣壓變幅最劇烈， 在+3 hPa～+5.7 hPa，熱低壓逐漸消失。
圖3 兩次大風過程地面系統(tǒng)演變
5 月21 日20 時（圖3b），地面冷高壓首見于波羅的海附近，逐漸沿西北—東南方向移動。 23 日20時冷高壓抵達烏拉爾山南端， 此時海平面氣壓場呈西高東低型分布，冷高壓中心在咸海一帶，中心強度為1025 hPa，冷鋒已開始影響西天山一帶，隨后，地面冷高壓加強并繼續(xù)東南移動，24 日02 時南疆盆地有熱低壓生成，低壓中心為997 hPa，05 時熱低壓進一步發(fā)展，低壓中心達995 hPa，24 日08 時，地面冷高壓移至巴爾喀什湖北側(cè)，中心強度增至1030 hPa，冷高壓東南象限海平面氣壓梯度進一步增大， 伊寧站與阿克蘇站壓差已增加至31 hPa。24 日20 時，南疆盆地加壓劇烈，3 h 變壓幅度在+4 hPa～+5.8 hPa，熱低壓減弱消失。
3.3 異同點分析
上述兩次風沙天氣環(huán)流演變的共同特征：500 hPa 均為兩脊一槽環(huán)流背景，環(huán)流經(jīng)向度大，系統(tǒng)斜壓性強，低槽呈西南—東北走向，溫度槽落后于高度槽， 配合有明顯的氣旋性切變， 主導(dǎo)脊前有偏北急流， 低槽為東南移路徑， 過境時伴隨有強冷平流入侵。 起風時，氣壓場分布均為西北高東南低分布型，南北壓差大，氣壓梯度強，南疆盆地中心均有熱低壓生成，地面冷鋒翻山進入南疆盆地。都存在高空低空急流配合，高空300 hPa 存在高空急流，風沙落區(qū)位于高空急流入口區(qū)右側(cè)。
不同點分析：冷空氣源地和路徑不同，個例1 冷空氣源地位于新地島附近，沿北方路徑侵入新疆，個例2 冷空氣源地位于波羅的海附近， 沿西北路徑入侵；高空環(huán)流演變特征存在明顯差異，個例1 為弱脊強槽，里海脊東南衰退推動冷空東南下進入新疆，個例2 為強脊弱槽， 里咸海地區(qū)阻塞高壓脊穩(wěn)定維持，500 hPa 脊前強的西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下進入我區(qū)；脊前偏北急流強度、低槽底部南伸程度及低空偏北急流強度不同，個例2 高、低空偏北急流明顯偏強，低槽底部較個例1 偏南5°。
兩次過程均伴有明顯的高空脊前偏北急流，根據(jù)地面形勢方程， 偏北急流的負渦度平流有利于巴爾喀什湖冷高壓不斷加壓，冷高壓南下過程中加強，低槽底部偏南，更有利于引導(dǎo)冷空氣翻入南疆盆地，地面熱低壓發(fā)展更為迅速，南北壓差更大，低空偏北急流更強，可見，脊前偏北急流強度、低槽底部南伸程度以及低空偏北急流強度對天山南坡風沙天氣的范圍、強度有較大影響。
4 物理量診斷對比
4.1 高空急流與垂直運動分析
兩次大風過程300 hPa 附近均伴有高空急流，且大風沙塵落區(qū)發(fā)生在高空急流出口區(qū)右側(cè)， 而高空急流入口區(qū)易引發(fā)次級環(huán)流，其右側(cè)輻散抽吸，有利于上升運動，而左側(cè)輻合，易產(chǎn)生下沉運動，為進一步了解大風風速的空間結(jié)構(gòu)，本節(jié)沿和靜站86°E作全風速與垂直速度的高度—緯向剖面圖， 通過全風速與垂直運動的演變，對比分析兩次過程（圖4）。
個例1 中，在大風過程前和大風過程中，天山山區(qū)附近（42°N） 在200~300 hPa 高度上存在大風速核，風速中心達55 m/s，在過程前期（7 日02 時）（圖4a），天山北側(cè)中低層出現(xiàn)明顯垂直上升運動，最強上升中心高度在800~700 hPa 附近， 中心強度達-1.4 Pa/s，隨后，急流中心明顯加強，同時天山南坡對流層中低層風速明顯增大，14 時， 天山南坡出現(xiàn)強烈下沉運動， 最大下沉速度中心在800 hPa 附近，中心強度達1 Pa/s，下沉運動同南疆盆地的垂直上升運動構(gòu)成了完整的垂直環(huán)流圈，20 時， 下沉運動進一步加強，垂直環(huán)流維持，8 日02 時，高空急流中心及下沉氣流明顯減弱，垂直環(huán)流圈消失。
個例2， 大風過程期間也存在和維持高空急流以及垂直環(huán)流圈，24 日08 時（圖4d），高空急流中心位于北疆， 急流中心50 m/s， 位于300~400 hPa 附近，天山兩側(cè)800~400 hPa 高度均為上升運動區(qū)，24日14 時，高空急流中心南移，中心風速減小至35 m/s，天山南坡對流層低層出現(xiàn)下沉氣流，中心值達1 Pa/s，形成垂直環(huán)流圈，24 日20 時，強烈下沉氣流與垂直環(huán)流圈繼續(xù)維持，25 日02 時，下沉氣流明顯減弱，垂直環(huán)流圈消失。
兩次大風過程前后， 天山南坡上空均受高空急流影響， 對流層中低層均伴隨著上升氣流到下沉氣流的反轉(zhuǎn)，這可能是南、北疆明顯冷熱差異變化的熱力作用同高空急流變化產(chǎn)生的動力作用共同造成的結(jié)果。 大風出現(xiàn)前期，冷空氣在北疆堆積，并出現(xiàn)明顯爬坡運動，當冷空氣經(jīng)天山翻入南疆盆地時，冷空氣強烈下沉， 同時伴隨著位能向動能的轉(zhuǎn)換是大風的重要原因。 大風期間維持垂直環(huán)流圈， 其出現(xiàn)時間、維持時間與大風最強時段有較好的對應(yīng)，大風區(qū)正位于垂直環(huán)流圈的下沉支區(qū)域。
4.2 溫度平流
圖4 沿86°E 緯向全風速及垂直運動剖面
溫度平流是斜壓擾動強烈發(fā)展的主要熱力因子，槽前暖平流使槽前高壓脊發(fā)展，槽后冷平流使槽加深。同時冷平流的侵入可使地面氣壓加壓迅速，增強大風，冷平流越強，出現(xiàn)的風力也越大。 兩次大風個例均伴有高空強冷平流自北向南快速進入過程（圖5）。 個例1，7 日08 時， 冷平流中心在47°N 附近，中心高度在400～500 hPa，中心值-80×10-5K/s，隨后冷平流中心快速南移，20 時中心高度在350 hPa附近，對流層中低層（700 hPa）也出現(xiàn)-10×10-5K/s的冷平流。 個例2，24 日08 時，冷平流中心在48°N附近， 中心高度也在500 hPa 左右， 中心值為-60×10-5K/s， 隨后強冷平流中心快速進入南疆盆地，中心高度在600 hPa 附近，最強中心達-40×10-5K/s。
兩個例高空冷平流移入南疆盆地所在的高度明顯不同，個例1 冷平流中心高度高，南疆盆地對流層中低層冷平流弱，個例2 冷平流中心高度偏低，在南疆盆地對流層中低層造成冷平流強度強。 大風出現(xiàn)前期，冷平流在天山北側(cè)維持，有利于天山兩側(cè)溫度梯度進一步增大，天山北坡氣壓持續(xù)增加，南北氣壓梯度不斷增大，為冷空氣的翻山集聚能量，當高層平流的快速侵入南疆，冷卻作用使得低層加壓，變壓梯度增大，利于變壓風的出現(xiàn)，同時高層冷平流于低層暖低壓的高低疊置， 在一定程度上造成了熱力不穩(wěn)定，有利于南疆盆地風沙天氣的產(chǎn)生。
4.3 鋒生函數(shù)
鋒生是指鋒區(qū)內(nèi)溫度或位溫梯度增強的過程，常用鋒生函數(shù)診斷鋒生過程，當鋒生函數(shù)為正值時，有鋒生，為負值時，鋒消。 5 月7 日02 時（圖6a），天山附近鋒生顯現(xiàn)很弱， 天山南坡等位溫線稀疏，08時，天山山區(qū)附近（42°N）出現(xiàn)明顯鋒生，最強的鋒生高度在500～800 hPa 附近， 同時在天山南坡等位溫線密集程度突然增大，等位溫線坡度接近90°，等熵面坡度大于地形坡度更有利于下坡風的出現(xiàn)，強烈鋒生的出現(xiàn)與高空槽東南下，侵入南疆時間一致，14 時，鋒生區(qū)域增大并略向南移，天山南坡對流層低層的等熵面坡度進一步增大，02 時， 鋒生過程結(jié)束， 天山南坡等位溫線逐漸稀疏且等熵面坡度明顯減小。5 月24 日08 時（圖6e），天山山區(qū)附近也出現(xiàn)強烈鋒生現(xiàn)象，14 時， 鋒生區(qū)強度增大并向低層延伸， 對流層低層的等位溫線呈現(xiàn)近于垂直的密集分布，隨后鋒生區(qū)域由低到高逐漸消失。
鋒生的出現(xiàn)時間與維持時段同起風時間與持續(xù)時間有較好的對應(yīng)， 地面鋒生的位置與大風發(fā)生的區(qū)域一致。 兩次過程鋒生最強區(qū)域均在天山山區(qū)附近，鋒生開始對流層中層，逐漸向低層延伸，自低到高呈現(xiàn)向北傾斜的結(jié)構(gòu)，最強高度在500～800 hPa。天山山區(qū)的鋒生作用有利于進一步增強大氣斜壓性，加大斜壓不穩(wěn)定以及激發(fā)次級環(huán)流的產(chǎn)生，對翻山大風的出現(xiàn)起到了一定觸發(fā)作用。
圖5 溫度平流沿86°E 垂直剖面
圖6 鋒生函數(shù)沿86°E 垂直剖面
5 結(jié)論
利用高空、 地面常規(guī)探測資料及ERA-interim 0.25°×0.25°再分析資料， 對2018 年5 月7 日和24日影響天山南坡的兩次翻山大風天氣進行診斷分析，得出如下結(jié)論。
（1）500 hPa 兩脊一槽的經(jīng)向環(huán)流是兩次大風的環(huán)流背景，西南—東北走向的冷槽、300 hPa 高空急流、低空急流、巴爾喀什湖冷高壓、南疆盆地熱低壓是主要影響系統(tǒng)。 風沙落區(qū)與高空急流入口區(qū)右側(cè)、低空急流正下方、地面強的氣壓梯度區(qū)前側(cè)相對應(yīng)。 脊前偏北急流強度、低空急流強度、低槽底部南伸程度以及低空偏北急流強度對天山南坡風沙天氣的范圍、強度有關(guān)系密切。
（2）強的水平氣壓梯度力和地形造成的冷空氣下坡效應(yīng)是兩次大風的主要原因， 伊寧站與阿克蘇站最大壓差超過30 hPa，大風出現(xiàn)前期，冷空氣在天山北側(cè)出現(xiàn)明顯爬坡運動，最強上升運動達-1.4 Pa/s，當冷空氣經(jīng)天山翻入南疆盆地時，冷空氣強烈下沉，等熵面坡度大于地形坡度， 伴隨著位能向動能的轉(zhuǎn)換。 大風期間維持垂直環(huán)流圈，其出現(xiàn)時間、維持時間與大風最強時段有較好的對應(yīng)， 大風區(qū)正位于垂直環(huán)流圈的下沉支區(qū)域。
（3）兩次過程強冷平流中心高度存在明顯差異，大風出現(xiàn)前期，冷平流在天山北側(cè)維持，有利于天山兩側(cè)溫度梯度進一步增大， 有利于南北氣壓梯度不斷增大，為冷空氣的翻山集聚能量，當高層冷平流的快速侵入，有利于變壓風的出現(xiàn)，在一定程度上造成了熱力不穩(wěn)定，有利于南疆盆地風沙天氣的產(chǎn)生。
（4）大風期間天山山區(qū)附近伴隨強烈鋒生現(xiàn)象，鋒生開始于對流層中層，逐漸向低層延伸，自低到高呈現(xiàn)向北傾斜的結(jié)構(gòu)，最強高度在500～800 hPa。 鋒生的出現(xiàn)時間與維持時段同起風時間與持續(xù)時間有較好的對應(yīng)， 地面鋒生的位置與大風發(fā)生的區(qū)域一致。
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（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）
大風是新疆主要災(zāi)害性天氣之一， 由于天山特殊地形的影響，當冷空氣入侵時，因獨特狹管效應(yīng)和冷空氣翻山后的加速下滑極易產(chǎn)生大風。 南疆盆地的翻山大風就是一種典型的致災(zāi)性大風之一， 其持續(xù)時間長，瞬間風力大，破壞性極高。 由于南疆植被稀疏，沙源充足，大風的出現(xiàn)常伴隨劇烈沙塵天氣。近年來， 氣象工作者對北方冷空氣大風開展了深入研究，取得了較多研究成果[1-9]，楊澄等[10]對高原東南側(cè)復(fù)雜地形下的5 次冬季大風天氣進行分析， 發(fā)現(xiàn)該類大風受低空急流背景和垂直運動影響， 鄔仲勛等[11]研究了冷空氣過程下的動量下傳特征，指出動量下傳大風是高低空風場輻合輻散的環(huán)流運動強迫所造成的，陳艷等[12]對河北一次強風沙天氣成因分析時指出， 高空急流的加強和中尺度反環(huán)流圈的形成是強沙塵暴發(fā)生的重要原因。 對于新疆大風的研究，前期也積累了許多研究成果[13-15]，張俊蘭等[16]對南疆一次翻山大風進行診斷分析， 認為高空急流和低空急流共同作用是動量下傳的動力機制， 肉孜·阿基等[17]對阿圖什兩次大風天氣對比分析，指出高空斜壓槽， 地面冷鋒及南疆盆地熱低壓是產(chǎn)生大風的影響系統(tǒng)，努爾比亞·吐尼亞孜等[18]對南疆西部冬季一次大風天氣分析時指出，高空鋒區(qū)、動量下傳、極地冷空氣補充及海平面氣壓梯度與南疆西部大風密切相關(guān)。 這些成果對新疆大風預(yù)報起到一定的指導(dǎo)作用，但對于天山南坡翻山大風的物理機理、預(yù)報指標等內(nèi)容的研究仍較為缺乏。
2018 年新疆強冷空氣活動頻繁， 大風天氣頻發(fā)，致災(zāi)性重，風災(zāi)造成直接經(jīng)濟損失達20 億元，占總災(zāi)損失的80%，5 月出現(xiàn)5 場強天氣過程，較歷年次數(shù)明顯偏多，強度偏強，尤其是5 月7 日和24 日天山南坡兩次翻山大風，影響范圍廣，持續(xù)時間長，極大風力大， 且正值春季農(nóng)事活動關(guān)鍵時期， 對農(nóng)業(yè)、林果業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、交通、城市設(shè)施和人民生活造成嚴重影響。 本文通過對2018 年5 月7 日和24 日影響天山南坡的兩次翻山大風天氣進行診斷分析，分析其環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)，揭示動力、熱力機制和成因，并為今后的大風預(yù)報預(yù)警提供一定依據(jù)。
1 資料選取
利用2018 年5 月歐亞范圍高空、地面常規(guī)探測站點資料及（20°～70°N，50°～110°E）ERA-interim 0.25°×0.25°逐6 h 間隔網(wǎng)格再分析資料， 對影響天山南坡的兩次翻山大風天氣的物理機制進行對比分析。
2 天氣過程概述
個例1：2018 年5 月7 日凌晨至夜間，阿克蘇地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州（簡稱巴州）北部一帶出現(xiàn)了大范圍強風、沙塵天氣，瞬間風速大，持續(xù)時間長（表1），9 站瞬間極大風速≥17.1 m/s，大風過程于7日02 時巴州北部山區(qū)開始，最強時段在11—17 時，最大風力出現(xiàn)在和靜縣，瞬間極大風速達30.1 m/s，24 時大風過程結(jié)束； 大風造成7 站揚沙，3 站沙塵暴，最小能見度不足300 m，出現(xiàn)在尉犁縣（時間在17—18 時）。 風沙造成農(nóng)作物絕收、大棚設(shè)施受損、果樹落果等，直接經(jīng)濟損失達12 652 余萬元。
表1 兩次翻山大風天氣過程實況對比
個例2：2018 年5 月24 日凌晨至夜間， 阿克蘇地區(qū)、 巴州北部一帶再次出現(xiàn)大范圍強風、 沙塵天氣，大風站點多，影響時間長，15 站瞬間極大風速≥17.1 m/s，03 時巴州北部山區(qū)開始出現(xiàn)大風，最強時段在08—17 時，5 站大風持續(xù)時間超過8 h 以上，其中和靜站瞬間最大風速31.1 m/s ，22 時大風過程結(jié)束；大風伴有揚沙和短時沙塵暴，5 站出現(xiàn)揚沙，4站出現(xiàn)沙塵暴，阿克蘇市、尉犁縣、鐵干里克縣等地最小能見度不足300 m。此次過程造成兩地州農(nóng)業(yè)、林業(yè)受災(zāi)嚴重，直接經(jīng)濟損失60 786 萬元。
兩次天氣過程均呈現(xiàn)出最大風速大、 持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點，并引發(fā)揚沙或沙塵暴天氣，24 日大風過程較7 日更強，從兩次過程最大風速中心和靜站的海平面氣壓和極大風速小時變化可以看出（圖1），在過程前存在氣壓的顯著下降，起風時迅速加壓，風速有突增的現(xiàn)象，大風結(jié)束時間要早于加壓結(jié)束時間。
3 環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)演變
3.1 高空環(huán)流演變
圖1 和靜站5 月7 日（a）和24 日（b）大風過程風速與氣壓小時變化
2018 年5 月6 日20 時（圖2a），500 hPa 歐亞范圍中高緯呈兩脊一槽型，環(huán)流經(jīng)向度大，里海地區(qū)為高壓脊， 西西伯利亞地區(qū)為低渦槽， 中心值520 Dagpm，配合有-40 ℃冷中心，溫度槽落后于高度槽，風場有明顯氣旋式切變，低槽呈西南—東北向分布，槽底南伸至45°N。 07 日08 時（圖2b），隨著里海脊東南衰退，西西伯利亞低槽東南壓，槽底南伸至40°N以南， 引導(dǎo)冷空氣快速南下， 翻越天山進入南疆盆地。 同時，天山南坡高低空急流發(fā)展加強，高空急流中心增強至50 m/s， 而850 hPa 出現(xiàn)16 m/s 的偏北急流。20 時，冷槽移至東疆，天山南坡高空急流軸隨之東移，低空急流顯著減弱，大風沙塵天氣逐漸結(jié)束。
2018 年5 月23 日20 時（圖2c），500 hPa 歐亞范圍呈兩脊一槽環(huán)流型， 里海地區(qū)阻塞高壓脊穩(wěn)定維持，高壓中心為588 dagpm，脊前偏北急流強盛，中心風速達48 m/s， 偏北急流不斷將極區(qū)冷空氣引導(dǎo)南下。西西伯利亞地區(qū)為西南—東北走向低槽，配合有-28 ℃冷槽，溫度槽明顯落后高度槽，槽底南伸至40 °N，300 hPa 高空急流位于北緯45 °N 附近。里咸海阻塞高壓脊穩(wěn)定維持， 脊前西北急流引導(dǎo)冷空氣快速東南下。 24 日08 時（圖2d），500 hPa 槽底伸至35°N 附近，天山南坡高空風速明顯加強，庫爾勒探空站風速由14 m/s 增加至24 m/s，同時，天山山區(qū)鋒區(qū)加強，溫度梯度增大，300 hPa 高空急流軸南壓并轉(zhuǎn)為西南—東北走向， 天山南坡位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，庫爾勒探空站300 hPa 風速由10 m/s增至28 m/s。 850 hPa 出現(xiàn)22 m/s 的偏北急流，20時，隨著低槽東移，低空急流消失，冷空氣進入南疆盆地，風沙天氣過程逐漸結(jié)束。
3.2 地面系統(tǒng)演變
5 月4 日20 時（圖3a），地面冷高壓首見于新地島附近，高壓中心強度為1038 hPa，沿烏拉爾山南移，6 日20 時，地面冷高壓抵達烏拉爾山南端，氣壓場呈西北高東南低型分布， 冷高壓中心位于巴爾喀什湖到咸海一帶，中心為1030 hPa，此時地面冷鋒已進入西天山一帶，此過程天山南坡伴有-2 hPa～-3 hPa 的3 h 變壓，而南疆盆地有熱低壓生成，低壓中心997 hPa，隨后冷高壓中心沿50°N 東移。 7 日08時，地面冷高壓中心加強至1033 hPa，南、北疆海面氣壓梯度進一步加大，伊寧站與阿克蘇站壓差達27 hPa。 隨著高空冷槽過境，伊寧站與阿克蘇站最大壓差增至29 hPa， 南疆盆地出現(xiàn)明顯加壓，7 日20—23 時，3 h 氣壓變幅最劇烈， 在+3 hPa～+5.7 hPa，熱低壓逐漸消失。
圖3 兩次大風過程地面系統(tǒng)演變
5 月21 日20 時（圖3b），地面冷高壓首見于波羅的海附近，逐漸沿西北—東南方向移動。 23 日20時冷高壓抵達烏拉爾山南端， 此時海平面氣壓場呈西高東低型分布，冷高壓中心在咸海一帶，中心強度為1025 hPa，冷鋒已開始影響西天山一帶，隨后，地面冷高壓加強并繼續(xù)東南移動，24 日02 時南疆盆地有熱低壓生成，低壓中心為997 hPa，05 時熱低壓進一步發(fā)展，低壓中心達995 hPa，24 日08 時，地面冷高壓移至巴爾喀什湖北側(cè)，中心強度增至1030 hPa，冷高壓東南象限海平面氣壓梯度進一步增大， 伊寧站與阿克蘇站壓差已增加至31 hPa。24 日20 時，南疆盆地加壓劇烈，3 h 變壓幅度在+4 hPa～+5.8 hPa，熱低壓減弱消失。
3.3 異同點分析
上述兩次風沙天氣環(huán)流演變的共同特征：500 hPa 均為兩脊一槽環(huán)流背景，環(huán)流經(jīng)向度大，系統(tǒng)斜壓性強，低槽呈西南—東北走向，溫度槽落后于高度槽， 配合有明顯的氣旋性切變， 主導(dǎo)脊前有偏北急流， 低槽為東南移路徑， 過境時伴隨有強冷平流入侵。 起風時，氣壓場分布均為西北高東南低分布型，南北壓差大，氣壓梯度強，南疆盆地中心均有熱低壓生成，地面冷鋒翻山進入南疆盆地。都存在高空低空急流配合，高空300 hPa 存在高空急流，風沙落區(qū)位于高空急流入口區(qū)右側(cè)。
不同點分析：冷空氣源地和路徑不同，個例1 冷空氣源地位于新地島附近，沿北方路徑侵入新疆，個例2 冷空氣源地位于波羅的海附近， 沿西北路徑入侵；高空環(huán)流演變特征存在明顯差異，個例1 為弱脊強槽，里海脊東南衰退推動冷空東南下進入新疆，個例2 為強脊弱槽， 里咸海地區(qū)阻塞高壓脊穩(wěn)定維持，500 hPa 脊前強的西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下進入我區(qū)；脊前偏北急流強度、低槽底部南伸程度及低空偏北急流強度不同，個例2 高、低空偏北急流明顯偏強，低槽底部較個例1 偏南5°。
兩次過程均伴有明顯的高空脊前偏北急流，根據(jù)地面形勢方程， 偏北急流的負渦度平流有利于巴爾喀什湖冷高壓不斷加壓，冷高壓南下過程中加強，低槽底部偏南，更有利于引導(dǎo)冷空氣翻入南疆盆地，地面熱低壓發(fā)展更為迅速，南北壓差更大，低空偏北急流更強，可見，脊前偏北急流強度、低槽底部南伸程度以及低空偏北急流強度對天山南坡風沙天氣的范圍、強度有較大影響。
4 物理量診斷對比
4.1 高空急流與垂直運動分析
兩次大風過程300 hPa 附近均伴有高空急流，且大風沙塵落區(qū)發(fā)生在高空急流出口區(qū)右側(cè)， 而高空急流入口區(qū)易引發(fā)次級環(huán)流，其右側(cè)輻散抽吸，有利于上升運動，而左側(cè)輻合，易產(chǎn)生下沉運動，為進一步了解大風風速的空間結(jié)構(gòu)，本節(jié)沿和靜站86°E作全風速與垂直速度的高度—緯向剖面圖， 通過全風速與垂直運動的演變，對比分析兩次過程（圖4）。
個例1 中，在大風過程前和大風過程中，天山山區(qū)附近（42°N） 在200~300 hPa 高度上存在大風速核，風速中心達55 m/s，在過程前期（7 日02 時）（圖4a），天山北側(cè)中低層出現(xiàn)明顯垂直上升運動，最強上升中心高度在800~700 hPa 附近， 中心強度達-1.4 Pa/s，隨后，急流中心明顯加強，同時天山南坡對流層中低層風速明顯增大，14 時， 天山南坡出現(xiàn)強烈下沉運動， 最大下沉速度中心在800 hPa 附近，中心強度達1 Pa/s，下沉運動同南疆盆地的垂直上升運動構(gòu)成了完整的垂直環(huán)流圈，20 時， 下沉運動進一步加強，垂直環(huán)流維持，8 日02 時，高空急流中心及下沉氣流明顯減弱，垂直環(huán)流圈消失。
個例2， 大風過程期間也存在和維持高空急流以及垂直環(huán)流圈，24 日08 時（圖4d），高空急流中心位于北疆， 急流中心50 m/s， 位于300~400 hPa 附近，天山兩側(cè)800~400 hPa 高度均為上升運動區(qū)，24日14 時，高空急流中心南移，中心風速減小至35 m/s，天山南坡對流層低層出現(xiàn)下沉氣流，中心值達1 Pa/s，形成垂直環(huán)流圈，24 日20 時，強烈下沉氣流與垂直環(huán)流圈繼續(xù)維持，25 日02 時，下沉氣流明顯減弱，垂直環(huán)流圈消失。
兩次大風過程前后， 天山南坡上空均受高空急流影響， 對流層中低層均伴隨著上升氣流到下沉氣流的反轉(zhuǎn)，這可能是南、北疆明顯冷熱差異變化的熱力作用同高空急流變化產(chǎn)生的動力作用共同造成的結(jié)果。 大風出現(xiàn)前期，冷空氣在北疆堆積，并出現(xiàn)明顯爬坡運動，當冷空氣經(jīng)天山翻入南疆盆地時，冷空氣強烈下沉， 同時伴隨著位能向動能的轉(zhuǎn)換是大風的重要原因。 大風期間維持垂直環(huán)流圈， 其出現(xiàn)時間、維持時間與大風最強時段有較好的對應(yīng)，大風區(qū)正位于垂直環(huán)流圈的下沉支區(qū)域。
4.2 溫度平流
圖4 沿86°E 緯向全風速及垂直運動剖面
溫度平流是斜壓擾動強烈發(fā)展的主要熱力因子，槽前暖平流使槽前高壓脊發(fā)展，槽后冷平流使槽加深。同時冷平流的侵入可使地面氣壓加壓迅速，增強大風，冷平流越強，出現(xiàn)的風力也越大。 兩次大風個例均伴有高空強冷平流自北向南快速進入過程（圖5）。 個例1，7 日08 時， 冷平流中心在47°N 附近，中心高度在400～500 hPa，中心值-80×10-5K/s，隨后冷平流中心快速南移，20 時中心高度在350 hPa附近，對流層中低層（700 hPa）也出現(xiàn)-10×10-5K/s的冷平流。 個例2，24 日08 時，冷平流中心在48°N附近， 中心高度也在500 hPa 左右， 中心值為-60×10-5K/s， 隨后強冷平流中心快速進入南疆盆地，中心高度在600 hPa 附近，最強中心達-40×10-5K/s。
兩個例高空冷平流移入南疆盆地所在的高度明顯不同，個例1 冷平流中心高度高，南疆盆地對流層中低層冷平流弱，個例2 冷平流中心高度偏低，在南疆盆地對流層中低層造成冷平流強度強。 大風出現(xiàn)前期，冷平流在天山北側(cè)維持，有利于天山兩側(cè)溫度梯度進一步增大，天山北坡氣壓持續(xù)增加，南北氣壓梯度不斷增大，為冷空氣的翻山集聚能量，當高層平流的快速侵入南疆，冷卻作用使得低層加壓，變壓梯度增大，利于變壓風的出現(xiàn)，同時高層冷平流于低層暖低壓的高低疊置， 在一定程度上造成了熱力不穩(wěn)定，有利于南疆盆地風沙天氣的產(chǎn)生。
4.3 鋒生函數(shù)
鋒生是指鋒區(qū)內(nèi)溫度或位溫梯度增強的過程，常用鋒生函數(shù)診斷鋒生過程，當鋒生函數(shù)為正值時，有鋒生，為負值時，鋒消。 5 月7 日02 時（圖6a），天山附近鋒生顯現(xiàn)很弱， 天山南坡等位溫線稀疏，08時，天山山區(qū)附近（42°N）出現(xiàn)明顯鋒生，最強的鋒生高度在500～800 hPa 附近， 同時在天山南坡等位溫線密集程度突然增大，等位溫線坡度接近90°，等熵面坡度大于地形坡度更有利于下坡風的出現(xiàn)，強烈鋒生的出現(xiàn)與高空槽東南下，侵入南疆時間一致，14 時，鋒生區(qū)域增大并略向南移，天山南坡對流層低層的等熵面坡度進一步增大，02 時， 鋒生過程結(jié)束， 天山南坡等位溫線逐漸稀疏且等熵面坡度明顯減小。5 月24 日08 時（圖6e），天山山區(qū)附近也出現(xiàn)強烈鋒生現(xiàn)象，14 時， 鋒生區(qū)強度增大并向低層延伸， 對流層低層的等位溫線呈現(xiàn)近于垂直的密集分布，隨后鋒生區(qū)域由低到高逐漸消失。
鋒生的出現(xiàn)時間與維持時段同起風時間與持續(xù)時間有較好的對應(yīng)， 地面鋒生的位置與大風發(fā)生的區(qū)域一致。 兩次過程鋒生最強區(qū)域均在天山山區(qū)附近，鋒生開始對流層中層，逐漸向低層延伸，自低到高呈現(xiàn)向北傾斜的結(jié)構(gòu)，最強高度在500～800 hPa。天山山區(qū)的鋒生作用有利于進一步增強大氣斜壓性，加大斜壓不穩(wěn)定以及激發(fā)次級環(huán)流的產(chǎn)生，對翻山大風的出現(xiàn)起到了一定觸發(fā)作用。
圖5 溫度平流沿86°E 垂直剖面
圖6 鋒生函數(shù)沿86°E 垂直剖面
5 結(jié)論
利用高空、 地面常規(guī)探測資料及ERA-interim 0.25°×0.25°再分析資料， 對2018 年5 月7 日和24日影響天山南坡的兩次翻山大風天氣進行診斷分析，得出如下結(jié)論。
（1）500 hPa 兩脊一槽的經(jīng)向環(huán)流是兩次大風的環(huán)流背景，西南—東北走向的冷槽、300 hPa 高空急流、低空急流、巴爾喀什湖冷高壓、南疆盆地熱低壓是主要影響系統(tǒng)。 風沙落區(qū)與高空急流入口區(qū)右側(cè)、低空急流正下方、地面強的氣壓梯度區(qū)前側(cè)相對應(yīng)。 脊前偏北急流強度、低空急流強度、低槽底部南伸程度以及低空偏北急流強度對天山南坡風沙天氣的范圍、強度有關(guān)系密切。
（2）強的水平氣壓梯度力和地形造成的冷空氣下坡效應(yīng)是兩次大風的主要原因， 伊寧站與阿克蘇站最大壓差超過30 hPa，大風出現(xiàn)前期，冷空氣在天山北側(cè)出現(xiàn)明顯爬坡運動，最強上升運動達-1.4 Pa/s，當冷空氣經(jīng)天山翻入南疆盆地時，冷空氣強烈下沉，等熵面坡度大于地形坡度， 伴隨著位能向動能的轉(zhuǎn)換。 大風期間維持垂直環(huán)流圈，其出現(xiàn)時間、維持時間與大風最強時段有較好的對應(yīng)， 大風區(qū)正位于垂直環(huán)流圈的下沉支區(qū)域。
（3）兩次過程強冷平流中心高度存在明顯差異，大風出現(xiàn)前期，冷平流在天山北側(cè)維持，有利于天山兩側(cè)溫度梯度進一步增大， 有利于南北氣壓梯度不斷增大，為冷空氣的翻山集聚能量，當高層冷平流的快速侵入，有利于變壓風的出現(xiàn)，在一定程度上造成了熱力不穩(wěn)定，有利于南疆盆地風沙天氣的產(chǎn)生。
（4）大風期間天山山區(qū)附近伴隨強烈鋒生現(xiàn)象，鋒生開始于對流層中層，逐漸向低層延伸，自低到高呈現(xiàn)向北傾斜的結(jié)構(gòu)，最強高度在500～800 hPa。 鋒生的出現(xiàn)時間與維持時段同起風時間與持續(xù)時間有較好的對應(yīng)， 地面鋒生的位置與大風發(fā)生的區(qū)域一致。
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