河西走廊春季沙塵暴大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)特征*

李巖瑛 張春燕 張愛萍 楊吉萍 陳 英 聶 鑫

1 甘肅省武威市氣象局,武威 733000 2 中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730020 3 甘肅省民勤縣氣象局,民勤 733399

提 要： 沙塵暴是河西走廊春季最嚴(yán)重的災(zāi)害天氣之一，弄清沙塵暴的大氣邊界層特征，是提高其預(yù)報(bào)預(yù)警水平和減輕危害的重要手段。應(yīng)用河西走廊敦煌、酒泉、張掖、民勤等4個(gè)站2006—2016年春季逐日08時(shí)(北京時(shí)，下同)和20時(shí)高分辨率探空資料和地面風(fēng)沙觀測(cè)資料，探討該地區(qū)不同站點(diǎn)從地面到高空5 km高度范圍內(nèi)沙塵強(qiáng)度、沙塵暴日變化和持續(xù)時(shí)間，以及不同環(huán)流形勢(shì)下的大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)變化特征。結(jié)果表明：沙塵暴08時(shí)逆溫強(qiáng)度在1.6 ℃·(100 m)-1以上，相對(duì)濕度<40%干層厚度超過(guò)3 km，<30%干層厚度超過(guò)1.5 km且20時(shí)最大風(fēng)速>13 m·s-1。受海拔高度、地形和下墊面土壤性質(zhì)影響，低層風(fēng)場(chǎng)具有明顯的日變化，山谷風(fēng)效應(yīng)顯著；敦煌和民勤氣溫高，空氣干燥，風(fēng)速大且沙塵多；張掖受走廊狹管效應(yīng)影響，風(fēng)速較大。沙塵暴中敦煌低層以東南風(fēng)到西南風(fēng)為主，高層及其他站以偏西風(fēng)到西北風(fēng)為主。沙塵暴發(fā)生時(shí)邊界層內(nèi)氣象條件日變化總體而言：上午干暖，下午冷濕風(fēng)速較大，最大風(fēng)速為17.6 m·s-1，出現(xiàn)在0.9 km高度；近地面夜間和上午為南風(fēng)，下午為西風(fēng)，夜間風(fēng)速較小且空氣干燥。沙塵暴持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，早晚氣溫低，持續(xù)時(shí)間5 h以下的08時(shí)大氣干層較厚，達(dá)2.85 km；而5 h以上的20時(shí)大氣干層較厚，達(dá)1.05 km。相對(duì)濕度≤30%時(shí)大氣干層上午和夜間較厚，下午淺薄，溫度露點(diǎn)差最小閾值為16～17℃，最大高度在2.85～3.00 km。不同沙塵暴環(huán)流形勢(shì)下：脊型早上干冷風(fēng)速大，0.75 km高度處風(fēng)速最大達(dá)14.6 m·s-1；西風(fēng)槽型下午濕冷風(fēng)速大，0.9 km高度處風(fēng)速最大達(dá)15.7 m·s-1；而西風(fēng)氣流型近地層冷干，風(fēng)速小，但早上1.2～3.5 km 高度和晚上2.4 km以上高層風(fēng)速較大。

引 言

河西走廊是我國(guó)沙塵暴發(fā)生最多而且災(zāi)情最重的地區(qū)之一，冬、春季污染嚴(yán)重，氣溶膠光學(xué)厚度值最大(Filonchyk et al,2020)，該區(qū)為沙漠大地貌背景，地表粉塵含量高，干旱水分少，植被少，因而在較強(qiáng)風(fēng)力作用下,沙塵事件頻發(fā)(程鵬，2011；孔鋒，2020；李寬等，2019)。沙塵暴天氣是造成河西走廊缺血性心臟病患者死亡的危險(xiǎn)因素之一(Li et al,2020)，該區(qū)春季沙塵暴發(fā)生多而災(zāi)情重(李巖瑛等，2014)，常發(fā)生遠(yuǎn)距離跨太平洋運(yùn)輸，使大量風(fēng)積塵沉積在亞洲大陸和北太平洋(Wei et al，2020),甚至輸送到阿拉斯加和加拿大西海岸(Guo et al, 2017; Liu et al,2019)，其產(chǎn)生的沙塵氣溶膠對(duì)北半球空氣質(zhì)量、海洋生態(tài)環(huán)境及太陽(yáng)輻射平衡等有復(fù)雜影響(黃悅等,2021；Chen et al,2020；張鵬等，2018)。近30年來(lái)河西走廊的沙塵暴發(fā)生次數(shù)減弱而強(qiáng)度增強(qiáng)(蔣盈沙等，2019)，主要原因包括：第一,沙塵暴發(fā)生頻率變化與氣溫變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，如：豐華等(2012)揭示了近年來(lái)，由于氣溫整體升高導(dǎo)致我國(guó)沙塵暴發(fā)生頻率呈整體下降趨勢(shì)；第二,沙塵暴頻次減小也可能與新疆和內(nèi)蒙古等沙源區(qū)向暖濕化發(fā)展有關(guān)，由暖干化向暖濕化轉(zhuǎn)型對(duì)沙塵暴的發(fā)生有一定的弱化作用(姚俊強(qiáng)等，2013)；第三,還與當(dāng)?shù)販\層土壤濕度、大氣濕度和風(fēng)速有關(guān)(常兆豐等，2011；張虎等，2020)，造成該區(qū)強(qiáng)沙塵暴的主要因素是水文和風(fēng)力，其次是源范圍的擴(kuò)大(Guan et al，2013),河西走廊近70年資料表明沙塵暴日數(shù)與大風(fēng)日數(shù)關(guān)系較密切，呈顯著正相關(guān)，而該區(qū)大風(fēng)日數(shù)呈減少趨勢(shì)；第四,從海氣相互作用來(lái)看，春、夏季河西走廊沙塵暴發(fā)生次數(shù)與前兩年赤道中、東太平洋海溫的負(fù)相關(guān)最好(尚可政等，1998),計(jì)算1951—2020年赤道中、東太平洋三個(gè)區(qū)秋、冬季海溫距平線性趨勢(shì)表明，三個(gè)區(qū)近70年來(lái)均呈上升趨勢(shì)。另外，Zhang et al(2021)通過(guò)對(duì)中國(guó)北方近500年沙塵暴活動(dòng)及機(jī)制分析得出：近現(xiàn)代沙塵暴活動(dòng)的增強(qiáng)可能與因人類活動(dòng)增強(qiáng)而導(dǎo)致的粉塵供應(yīng)量增加有關(guān),而該時(shí)段內(nèi)沙塵暴減弱趨勢(shì)可能與近現(xiàn)代全球變暖導(dǎo)致的平均風(fēng)速降低有關(guān)；黃土高原東北部公海湖近230年沙塵暴重建也進(jìn)一步證實(shí)人類活動(dòng)、全球變暖對(duì)沙塵暴產(chǎn)生的顯著影響(Xu et al，2021)。

沙塵暴主要發(fā)生在大氣邊界層中，邊界層厚度及其溫濕風(fēng)條件等垂直結(jié)構(gòu)特征直接影響著沙塵暴的發(fā)生發(fā)展，進(jìn)一步影響其強(qiáng)度、范圍和持續(xù)時(shí)間。針對(duì)民勤站干濕、風(fēng)沙等不同天氣的邊界層垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，表明風(fēng)沙邊界層高度介于無(wú)降水和有降水之間，沙塵暴多由風(fēng)場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)和鋒面過(guò)境引起，近地層越干冷、西北風(fēng)越強(qiáng),強(qiáng)沙塵暴持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)(李巖瑛等，2011;2014)。李巖瑛等(2019)進(jìn)一步探討了河西走廊邊界層厚度與風(fēng)沙強(qiáng)度的關(guān)系，得出邊界層厚度與最高氣溫、最低氣溫和0 cm最高地溫較密切，與最高氣溫、極大風(fēng)速成正比；邊界層厚度隨著風(fēng)沙強(qiáng)度的增強(qiáng)而增高，4月較高(3 500 m以上)，而塔克拉瑪干沙漠邊界層厚度在夏季最大，只有3 000 m(何清和金莉莉，2020)；河西走廊東部沙塵暴下午到傍晚出現(xiàn)最多(李玲萍等，2019)，原因是夜間至早晨近地面逆溫厚且強(qiáng)，大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于沙塵暴發(fā)生發(fā)展，而午后到傍晚，地面熱通量增強(qiáng)，地氣溫差大，大氣不穩(wěn)定增強(qiáng)，加強(qiáng)了動(dòng)量下傳和風(fēng)速，有利于沙塵暴發(fā)生發(fā)展(張春燕等,2019；李彰俊，2008)。典型個(gè)例研究證明沙塵暴過(guò)程是大氣不穩(wěn)定層結(jié)變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié)的過(guò)程(趙慶云等，2012；阿布力克木等，2019；Peng et al,2005)，但多數(shù)是局地的、零散的分析。

河西走廊春季沙塵暴邊界層厚度在3～4 km，因而其海拔高度在4～5 km(李巖瑛等，2019)，處于500 hPa以下，位居對(duì)流層中下層。該層內(nèi)氣溫隨高度增加而降低，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)明顯，近地面的水熱、沙塵等通過(guò)對(duì)流向上空輸送，5 km高度處在風(fēng)沙邊界層的頂端,受其南部祁連山地形影響較小，高空動(dòng)量常通過(guò)該層高度下傳到地面形成大風(fēng)沙塵暴天氣(李巖瑛等，2019)，而沙塵暴在垂直方向主要靠對(duì)流和湍流向上輸送(張強(qiáng)和王勝，2005)。

本文利用河西走廊10年以上逐日探空加密資料和風(fēng)沙資料，重點(diǎn)分析從地面到高空5 km不同地點(diǎn)沙塵強(qiáng)度、沙塵暴日變化和持續(xù)時(shí)間，以及不同環(huán)流形勢(shì)下的大氣垂直結(jié)構(gòu)，以期得到河西走廊春季沙塵暴的大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)特征。

1 研究區(qū)及資料方法

河西走廓東起烏鞘嶺，西至古玉門關(guān)，南北介于祁連山、阿爾金山和馬鬃山、合黎山、龍首山之間，南部山脈海拔在3 000～4 000 m，祁連山主峰海拔為5 564 m；北部在2 000～3 000 m，東部的龍首山較高在2 500～3 000 m，而中西部較低在2 000 m左右。境內(nèi)地勢(shì)南北高，中間低；地形比較復(fù)雜，南部為山地、中部為平原、北部為沙漠和戈壁。巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠分別位于河西走廊中東部的北側(cè)，以及民勤的北部和東部(圖1)。

應(yīng)用資料：河西走廊敦煌、酒泉、張掖、民勤4個(gè)站2006—2016年春季逐日08時(shí)和20時(shí)兩個(gè)時(shí)次地面到5 km每隔50 m高空加密觀測(cè)資料，地面風(fēng)沙資料。使用日數(shù)平均法，即：同一種天氣相同高度平均，同一站點(diǎn)不同天氣平均，同一天氣不同站點(diǎn)平均。

從河西走廊13個(gè)站1960—2019年60年年均沙塵暴日數(shù)得出：東部的民勤最多(21.7 d)，其次是西部的金塔(15.6 d)、鼎新(13.3 d)、張掖(10.6 d)，馬鬃山最小，為1.2 d(圖1)。

圖1 河西走廊13個(gè)站1960—2019年年均沙塵暴日數(shù)及海拔高度、沙漠分布Fig.1 Average annual sandstorm days for 13 stations during 1960-2019, elevation and desert distribution over Hexi Corridor

2 近地層風(fēng)沙邊界層氣象特征

對(duì)比不同風(fēng)沙條件下，計(jì)算近地面到高空5 km河西走廊4個(gè)站平均的逆溫層厚度及強(qiáng)度，近地層相對(duì)濕度<40%的干層厚度，相對(duì)濕度<30%的干層起止高度，≤1 km最大風(fēng)速及高度，不穩(wěn)定層結(jié)(即?θ/?z<0)的最低高度(李崇銀等，2005)，詳見表1。

表1 河西走廊地面到5 km高度08時(shí)和20時(shí)不同風(fēng)沙強(qiáng)度要素特征Table 1 Characteristics of different wind-sand force elements at 08:00 BT and 20:00 BT from ground up to 5 km altitude over Hexi corridor

早晚對(duì)比：逆溫僅發(fā)生在08時(shí)，厚度小于0.25 km，強(qiáng)沙塵暴時(shí)逆溫最強(qiáng)且相對(duì)濕度<40%的大氣干層厚度達(dá)4.5 km，08時(shí)比20時(shí)厚0.5～3 km，而相對(duì)濕度<30%的大氣干層只有在沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴時(shí)08時(shí)的厚度在1.5 km以上，其他風(fēng)沙天氣是20時(shí)較厚；最大風(fēng)速除大風(fēng)無(wú)沙塵天氣時(shí)08時(shí)較20時(shí)略大外，其他風(fēng)沙天氣20時(shí)風(fēng)速較大，高度在0.5～1.0 km，20時(shí)沙塵暴及強(qiáng)沙塵暴出現(xiàn)高度為0.9 km，風(fēng)速明顯比08時(shí)偏大4 m·s-1左右，這與西北大氣邊界層高度600 m和900 m平均風(fēng)速增加一致(孟丹等,2019)。不同風(fēng)沙天氣最大風(fēng)速對(duì)比：08時(shí)大風(fēng)大，而20時(shí)沙塵暴較大。不穩(wěn)定層結(jié)高度08時(shí)遠(yuǎn)高于20時(shí)，08時(shí)3 km以下層結(jié)穩(wěn)定，而20時(shí)0.4 km以下近地層穩(wěn)定。

沙塵暴不同于風(fēng)沙天氣的顯著特點(diǎn)是：08時(shí)逆溫強(qiáng)度在1.6℃·(100 m)-1以上，相對(duì)濕度<40%干層厚度超過(guò)3 km，<30%干層厚度超過(guò)1.5 km且20時(shí)最大風(fēng)速大于13 m·s-1。

3 河西走廊4站沙塵天氣大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)

對(duì)2006—2016年河西走廊4個(gè)站六種不同風(fēng)沙天氣的邊界層特征進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

浮塵：08時(shí)貼地面300 m以下存在逆溫層，強(qiáng)度弱，氣溫從高到低為民勤、敦煌、酒泉、張掖，相對(duì)濕度<40%，風(fēng)速1 km以下小于6 m·s-1，風(fēng)向2 km 以下從東南風(fēng)到西南風(fēng)，以上從西南風(fēng)到偏西風(fēng)；20時(shí)近地面無(wú)逆溫層，氣溫地面到1.4 km以下民勤較高，1.4 km以上敦煌較高；2 km以下相對(duì)濕度<40%且風(fēng)速在2 km以下，民勤較大，為11 m·s-1，其他3個(gè)站風(fēng)速小于8 m·s-1，隨高度增大，風(fēng)向5 km以下從地面到高空由東南風(fēng)向西風(fēng)轉(zhuǎn)變(圖略)。

揚(yáng)沙：08時(shí)貼地面500 m以下存在逆溫層，強(qiáng)度弱，氣溫敦煌較高，其他3個(gè)站較相近，1 km以下相對(duì)濕度<40%，風(fēng)速<11 m·s-1，民勤在0.7 km附近風(fēng)速較大,達(dá)12 m·s-1，風(fēng)向敦煌、酒泉隨高度從東南風(fēng)轉(zhuǎn)到偏西風(fēng)，其他2個(gè)站以偏西風(fēng)為主；20時(shí)近地面無(wú)逆溫層，氣溫敦煌明顯高4～5℃以上，1 km以下相對(duì)濕度<40%，風(fēng)速隨高度增大，從小到大為敦煌、張掖、酒泉和民勤，略大于08時(shí)，風(fēng)向敦煌從地面向高空由偏南風(fēng)向西風(fēng)轉(zhuǎn)變，其他3個(gè)站以偏西風(fēng)為主(圖略)。

沙塵暴：4個(gè)站的月均沙塵暴日數(shù)除張掖略少(2 d)外，其他3個(gè)站均為3 d。08時(shí)貼地面400 m以下存在逆溫層，強(qiáng)度弱，08時(shí)氣溫張掖明顯偏高4℃以上，2 km以下相對(duì)濕度<40%，1 km以下風(fēng)速民勤較大,為12 m·s-1，敦煌在600 m附近風(fēng)速較大,達(dá)12 m·s-1，風(fēng)向自西向東從東南風(fēng)轉(zhuǎn)到偏西風(fēng)；20時(shí)張掖0.5 km 以下，其他3個(gè)站1 km以下相對(duì)濕度<40%，張掖濕度較大，風(fēng)速在1 km以下從小到大為敦煌、民勤、酒泉和張掖，張掖在1 km 處風(fēng)速較大,達(dá)17 m·s-1，風(fēng)向中3 km以下敦煌從地面向高空由偏南風(fēng)向西風(fēng)轉(zhuǎn)變，其他3個(gè)站以偏西風(fēng)到西北風(fēng)為主(圖2)。圖2d1中民勤高空2 km左右風(fēng)向轉(zhuǎn)變說(shuō)明08時(shí)有高空槽通過(guò)，低層在槽前是西南風(fēng)，高層在槽后為西北風(fēng)。圖2d2酒泉、張掖站的風(fēng)向突變轉(zhuǎn)向說(shuō)明20時(shí)沙塵暴發(fā)生時(shí)，在酒泉、張掖2個(gè)站之間存在鋒面次級(jí)環(huán)流;在2.8～3 km以下低層西北風(fēng)表示有冷空氣,為下沉氣流，以上為西南風(fēng)到東南風(fēng)表示有暖空氣,為上升氣流。

圖2 2006—2016年河西走廊4個(gè)觀測(cè)站春季沙塵暴溫濕風(fēng)隨高度的分布(a)氣溫,(b)相對(duì)濕度,(c)風(fēng)速,(d)風(fēng)向(角標(biāo)1為08時(shí)，2為20時(shí)，下同)Fig.2 Distribution of temperature, relative humidity and wind with height in spring sandstorm at (a1, b1, c1, d1) 08:00 BT and (a2, b2, c2, d2) 20:00 BT (the same below)at four observation stations in Hexi Corridor during 2006-2016(a) temperature, (b) relative humidity, (c) wind speed, (d) wind direction

強(qiáng)沙塵暴：08時(shí)近地面1 km以下存在逆溫層，敦煌、酒泉?dú)鉁剌^高，相對(duì)濕度<30%，民勤、敦煌風(fēng)速較大,為10 m·s-1以上，其他2個(gè)站較小，風(fēng)向從地面到5 km高空敦煌從東南風(fēng)到西南風(fēng)，民勤從西南風(fēng)到偏西風(fēng)，而其他2個(gè)站為西風(fēng)向西北風(fēng)轉(zhuǎn)變；20時(shí)民勤、敦煌相對(duì)濕度<30%，酒泉在40%左右，而張掖在50%～70%；在1.4 km以下風(fēng)速?gòu)亩鼗?、酒泉、民勤和張掖依次增大，從地面到高? km 風(fēng)向除敦煌從東南風(fēng)到西風(fēng)外，其他均為西北風(fēng)(圖3)。圖3d1說(shuō)明08時(shí)張掖在近地面受祁連山地形山谷風(fēng)影響吹南風(fēng)，0.05～0.6 km高度吹西北風(fēng),有冷平流，0.6～1.0 km高度間風(fēng)向順轉(zhuǎn),有暖平流，1.0 km高度以上逆轉(zhuǎn)是冷平流，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。圖3d2說(shuō)明20時(shí)敦煌受南部祁連山地形影響盛行偏南風(fēng)，因而在高空1.7 km以下和3.8 km以上是偏南風(fēng)，1.7～3.8 km是偏西風(fēng)，說(shuō)明敦煌上空1.7～3.8 km有冷空氣入侵。

大風(fēng)無(wú)沙塵：敦煌顯著干暖風(fēng)速大，08時(shí)近地面0.5 km以下存在逆溫層，相對(duì)濕度從干到濕依次為敦煌、民勤、酒泉和張掖，敦煌4 km以下相對(duì)濕度<20%;風(fēng)速?gòu)男〉酱鬄閺堃?、酒泉、民勤、敦煌，敦煌較大,在0.8 km附近達(dá)23 m·s-1;風(fēng)向從地面到5 km高空敦煌從東北風(fēng)到西南風(fēng)，民勤從西北風(fēng)到偏西風(fēng)，而其他2個(gè)站為西南風(fēng)到偏西風(fēng)轉(zhuǎn)變。20時(shí)近地層0.7 km以下相對(duì)濕度<30%;風(fēng)速在1.4 km以下從張掖、民勤、酒泉和敦煌依次增大，敦煌在0.5 km附近達(dá)17 m·s-1;風(fēng)向從地面到高空5 km除敦煌從東北-北風(fēng)到西南風(fēng)轉(zhuǎn)變外，其他均為西北風(fēng)(圖略)。

大風(fēng)伴沙塵：氣溫敦煌較高、酒泉較低，08時(shí)近地面0.2 km以下存在逆溫層，相對(duì)濕度<30%，風(fēng)速民勤、敦煌較大(在13 m·s-1以上)，其他兩站較小，從地面到5 km高空風(fēng)向敦煌從東南風(fēng)到西南風(fēng)，而其他從西南風(fēng)到偏西風(fēng)轉(zhuǎn)變；20時(shí)相對(duì)濕度只有張掖大于30%，0.9 km以下從張掖、敦煌、酒泉和民勤風(fēng)速依次增大，5 km以下敦煌風(fēng)向以西南風(fēng)為主，其他均為西北風(fēng)(圖略)。

4 大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)的影響因素

4.1 沙塵強(qiáng)度的影響

計(jì)算方法：先將六種不同沙塵天氣站點(diǎn)平均，然后再由河西走廊4個(gè)站平均，通過(guò)對(duì)比得出河西走廊邊界層要素的變化。

4.1.1 氣 溫

08時(shí)氣溫(圖4a)：近地層0.1 km以下均有逆溫層存在。氣溫1.1 km以下從低到高為浮塵、揚(yáng)沙、大風(fēng)伴沙塵、大風(fēng)無(wú)沙塵、強(qiáng)沙塵暴、沙塵暴，1.1～1.8 km強(qiáng)沙塵暴較高，1.8～3.1 km大風(fēng)無(wú)沙塵較高，沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴次之。3.1～4 km大風(fēng)無(wú)沙塵較低，大風(fēng)伴沙塵較高，4 km以上沙塵暴較高。20時(shí)氣溫(圖4b)：大風(fēng)無(wú)沙塵氣溫較高，其他0～0.5 km從低到高為強(qiáng)沙塵暴、大風(fēng)伴沙塵、沙塵暴、浮塵、揚(yáng)沙，0.5～0.9 km大風(fēng)伴沙塵低而揚(yáng)沙高，0.9 km以上大風(fēng)伴沙塵低而沙塵暴高。

說(shuō)明沙塵暴在發(fā)生前近地層增溫明顯，發(fā)生后降溫迅速，早晚氣溫變幅從大到小為大風(fēng)無(wú)沙塵、浮塵、揚(yáng)沙、大風(fēng)伴沙塵、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴。沙塵越強(qiáng)，氣溫在20時(shí)低于08時(shí)的高度越低，上述風(fēng)沙天氣對(duì)應(yīng)高度分別為1.65、1.65、1.25、0.75、0.5和0.4 km，冷空氣下沉高度越低。

4.1.2 相對(duì)濕度

如圖5所示，上濕下干，08時(shí)5 km以下強(qiáng)沙塵暴、沙塵暴較干，大風(fēng)伴沙塵較濕；1 km以下從干到濕為強(qiáng)沙塵暴、沙塵暴和大風(fēng)無(wú)沙塵(小于30%)，其他依次為浮塵、揚(yáng)沙和大風(fēng)伴沙塵。20時(shí)1.5 km 以下從干到濕為大風(fēng)無(wú)沙塵、浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、大風(fēng)伴沙塵和強(qiáng)沙塵暴。沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴的特征是早干晚濕，08時(shí)0.7 km以下隨高度增加濕度減小，以上則增加；而20時(shí)近地層5 km以下隨高度增加而濕度增加。

4.1.3 風(fēng) 速

08時(shí)(圖6a)：浮塵風(fēng)速較小，其他風(fēng)沙天氣則是0.05 km以下強(qiáng)沙塵暴較大，0.05～1.4 km從強(qiáng)沙塵暴、沙塵暴、揚(yáng)沙、大風(fēng)伴沙塵和大風(fēng)無(wú)沙塵依次增大，大風(fēng)無(wú)沙塵在0.9 km達(dá)13 m·s-1，1.4～1.8 km又從揚(yáng)沙、沙塵暴、大風(fēng)無(wú)沙塵、大風(fēng)伴沙塵和強(qiáng)沙塵暴依次增大，1.8～3.5 km大風(fēng)伴沙塵較大，3.5 km以上大風(fēng)無(wú)沙塵較大。

20時(shí)(圖6b)：浮塵、揚(yáng)沙風(fēng)速較小，0～0.05 km強(qiáng)沙塵暴大，0.05～0.4 km大風(fēng)伴沙塵大，0.4～1.7 km 沙塵暴大，1.7～2.5 km強(qiáng)沙塵暴大，2.5～5 km 大風(fēng)伴沙塵大，而強(qiáng)沙塵暴略小。

圖3 同圖2，但為強(qiáng)沙塵暴Fig.3 Same as Fig.2, but for strong sandstorms

圖4 2006—2016年春季(a)08時(shí)和(b)20時(shí)河西走廊4個(gè)觀測(cè)站不同沙塵強(qiáng)度中氣溫隨高度的分布Fig.4 Distribution of temperature with height in different sand-dust intensities at four observation stations in Hexi Corridor at (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT in spring of 2006-2016

圖5 同圖4，但為相對(duì)濕度Fig.5 Same as Fig.4, but for relative humidity

圖6 同圖4，但為風(fēng)速Fig.6 Same as Fig.4, but for wind speed

早晚對(duì)比：20時(shí)風(fēng)速是增大的，其中沙塵暴在0.5～0.9 km、強(qiáng)沙塵暴在0.9 km、2.5 km附近增速較明顯，增速達(dá)4 m·s-1左右。

4.1.4 風(fēng) 向

08時(shí)(圖7a)：大風(fēng)無(wú)沙塵在3 km以下，浮塵在1.6 km以下風(fēng)向處于偏南與西南風(fēng)之間，其他處于西南風(fēng)至西風(fēng)之間，在5 km高空以上均轉(zhuǎn)為西風(fēng)。20時(shí)(圖7b)：浮塵在1.6 km以下風(fēng)向處于偏南與西南風(fēng)之間，大風(fēng)無(wú)沙塵和揚(yáng)沙在3 km以下處于西南風(fēng)至西風(fēng)之間，其他以偏西風(fēng)為主。

圖7 同圖4，但為風(fēng)向Fig.7 Same as Fig.4, but for wind direction

4.2 沙塵暴天氣條件下的邊界層氣象條件日變化的影響

針對(duì)發(fā)生在不同時(shí)段上午(08—12時(shí))、下午(12—20時(shí))和夜間(20時(shí)至次日08時(shí))沙塵暴的近地面要素變化對(duì)比得出(圖8)：氣溫08時(shí)明顯偏高4～7℃以上，下午高于夜間，近地面差距較大，3 km以上下午和夜間無(wú)差距；20時(shí)明顯偏低3～4℃以上，2.4 km以下夜間較高，2.4 km以上上午較高。相對(duì)濕度08時(shí)較干(20%～30%)，0.5～0.8 km和2.4 km 以上下午較濕；20時(shí)從干到濕為夜間、上午和下午，分別在16%～20%、20%～30%和30%～43%。

風(fēng)速08時(shí)在1.7 km以下從大到小為上午、下午和夜間，0.9 km處上午最大風(fēng)速為12.7 m·s-1，1.7～2.7 km下午較大；20時(shí)在3.1 km以下從大到小為下午、上午和夜間，0.9 km處下午最大風(fēng)速為17.6 m·s-1。從夜間、上午到下午風(fēng)速依次增大，20時(shí)風(fēng)速隨高度變化除上午和下午1～3 km 減小外，其他隨高度增大。風(fēng)向08時(shí)自地面向上由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，20時(shí)白天以西風(fēng)為主，夜間自地面向上由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。

4.3 不同持續(xù)時(shí)間沙塵暴邊界層氣象條件的影響

將沙塵暴持續(xù)時(shí)間分為≤1 h、1～5 h、>5 h，進(jìn)一步分析沙塵暴不同持續(xù)時(shí)間的邊界層特征(圖9)。

08時(shí)氣溫從高到低沙塵暴持續(xù)時(shí)間為1～5 h、≤1 h、>5 h，20時(shí)從高到低為≤1 h、1～5 h、>5 h；相對(duì)濕度08時(shí)沙塵暴持續(xù)時(shí)間越短，濕度越小，20時(shí)相反；風(fēng)速08時(shí)近地層0.8 km以下沙塵暴持續(xù)時(shí)間越短，風(fēng)速越小，而20時(shí)近地層2.2 km以下沙塵暴持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，風(fēng)速越??；高空盛行西風(fēng)或西北風(fēng)時(shí)沙塵暴持續(xù)時(shí)間較短，偏南風(fēng)到西南風(fēng)時(shí)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

5 h以下的08時(shí)大氣干層較厚，而沙塵暴持續(xù)時(shí)間5 h以上的20時(shí)大氣干層較厚。相對(duì)濕度≤30% 時(shí)溫度露點(diǎn)差最小閾值是17℃，最大高度達(dá)2.85 km；≤40%時(shí)溫度露點(diǎn)差最小閾值是13℃，最大高度達(dá)4.65 km(表2)。

大氣干層上午和夜間較厚，下午淺薄。相對(duì)濕度≤30%對(duì)應(yīng)的溫度露點(diǎn)差最小閾值是16℃，最大高度達(dá)3.35 km；而相對(duì)濕度≤40%對(duì)應(yīng)的溫度露點(diǎn)差最小閾值是13℃，最大高度達(dá)5 km(表3)。

4.4 沙塵暴環(huán)流形勢(shì)的影響

河西走廊沙塵暴主要環(huán)流形勢(shì)分為西風(fēng)槽型、西風(fēng)氣流型和脊型(西北氣流中有冷平流)三種(李巖瑛等，2004)，應(yīng)用2006—2016年4個(gè)站沙塵暴資料，先對(duì)不同環(huán)流形勢(shì)沙塵暴進(jìn)行月平均，然后進(jìn)行春季平均，再進(jìn)行4個(gè)站平均，得出以下結(jié)果(圖10)：

西風(fēng)槽型上午暖下午冷，脊型相反，西風(fēng)氣流型氣溫較低，08時(shí)200 m以下均有逆溫層存在。

相對(duì)濕度08時(shí)近地層0.8 km以下西風(fēng)槽型較干，但0.8～3 km西風(fēng)氣流型較干，1.8 km以下脊型略濕；20時(shí)槽型整層較濕相對(duì)濕度>30%，其他<30%，1.7 km以下西風(fēng)氣流型較干，1.7 km以上脊型較干。

西風(fēng)氣流型近地層冷干，風(fēng)速小，風(fēng)向從東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，早上在1.2～3.5 km高度和晚上在2.4 km 以上風(fēng)速較大；脊型早上略濕冷，1.2 km以下風(fēng)速較大，0.75 km處風(fēng)速最大達(dá)14.6 m·s-1，以西南風(fēng)為主，晚上偏西風(fēng)；西風(fēng)槽型早上干暖風(fēng)速小，風(fēng)向從東南風(fēng)到西南風(fēng)，而晚上明顯較濕且1.8 km 以下風(fēng)速較大，0.9 km處風(fēng)速最大，達(dá)15.7 m·s-1，盛行偏西風(fēng)。

圖8 2006—2016年河西走廊春季平均不同時(shí)段沙塵暴中溫濕風(fēng)隨高度的分布Fig.8 Distribution of temperature, relative humidity and wind with height in spring sandstrom under different average periods in Hexi Corridor during 2006-2016

圖9 同圖8，但為平均不同持續(xù)時(shí)間Fig.9 Same as Fig.8, but under different average durations

冷槽之前地面伴有冷鋒，鋒前常受熱低壓控制，氣溫較高，冷鋒過(guò)后氣溫迅速下降，統(tǒng)計(jì)表明西風(fēng)槽型及夜間沙塵暴出現(xiàn)較多，因而上午暖夜間冷；而脊型沙塵暴發(fā)生前早上往往天氣晴朗，氣溫低，隨著日變化氣溫升高，與高層冷平流形成熱力不穩(wěn)定，將高空強(qiáng)風(fēng)速下傳至地面造成沙塵暴。西風(fēng)氣流型沙塵暴高低空均有冷空氣活動(dòng)，風(fēng)速大，因而氣溫較低。日變化中，夜間近地層較穩(wěn)定，氣溫較低，08時(shí)受太陽(yáng)輻射的影響，高層增溫快而低層冷，會(huì)形成逆溫；而20時(shí)低層暖高層冷，不會(huì)形成逆溫。

圖10 同圖8，但為平均不同環(huán)流形勢(shì)Fig.10 Same as Fig.8, but under different average circulation patterns

表2 沙塵暴不同持續(xù)時(shí)間下各時(shí)次相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的溫度露點(diǎn)差最小閾值(單位：℃;括號(hào)內(nèi)數(shù)字為最大高度，單位：km)Table 2 Minimum threshold for temperature and dew difference (unit: ℃; number in bracket: maximum height, unit: km) stratified by different durations of sandstorm and relative humidity

表3 同表2，但針對(duì)沙塵不同的發(fā)生時(shí)段Table 3 Same as Table 2, but for different occurrence time of sand-dust

5 結(jié) 論

風(fēng)速小時(shí)，低層風(fēng)場(chǎng)主要受海拔高度、河西走廊南部祁連山區(qū)較高大地形影響，具有明顯的日變化和山谷風(fēng)效應(yīng)(李巖瑛等，2017)。夜間河西走廊盛行山風(fēng)，主要以東南風(fēng)和西南風(fēng)為主；白天則為谷風(fēng)，但又同時(shí)受河西走廊地形的狹管效應(yīng)和高空風(fēng)影響，盛行西北風(fēng)。敦煌是盆地，海拔高度為1 140 m，地理位置和地勢(shì)較其他3個(gè)站偏南偏低，南部正面毗鄰青藏高原，西南有阿爾金山，東南有祁連山等形成地形屏障，平均海拔高度為3 000～4 000 m，因而山谷風(fēng)效應(yīng)更顯著。張掖處于河西走廊中端，是南北兩山距離最近的區(qū)域，狹管效應(yīng)明顯，風(fēng)速較大。敦煌和民勤地勢(shì)較低，四周受沙漠、戈壁包圍，因而氣溫高，空氣干燥，風(fēng)速大且沙塵多。3 km以上受地形影響小，風(fēng)向趨于一致。主要結(jié)論如下：

(1)早上有逆溫且強(qiáng)沙塵暴逆溫較強(qiáng)，沙塵暴08時(shí)逆溫強(qiáng)度在1.6℃·(100 m)-1以上，相對(duì)濕度<40%干層厚度超過(guò)3 km，<30%干層厚度超過(guò)1.5 km且20時(shí)最大風(fēng)速>13 m·s-1。

(2)氣溫較高出現(xiàn)在揚(yáng)沙、強(qiáng)沙塵暴和大風(fēng)中的敦煌，浮塵中的民勤和沙塵暴中的張掖；敦煌、民勤干而風(fēng)速大；風(fēng)向中5 km以下，浮塵從地面到高空由東南風(fēng)向西風(fēng)轉(zhuǎn)變，揚(yáng)沙敦煌、酒泉從地面到高空由偏南風(fēng)向西風(fēng)轉(zhuǎn)變，其他兩站以偏西風(fēng)為主。沙塵暴3 km以下敦煌從地面到高空由偏南風(fēng)向西風(fēng)轉(zhuǎn)變，其他3個(gè)站以偏西風(fēng)到西北風(fēng)為主，強(qiáng)沙塵暴除敦煌從東南風(fēng)到西風(fēng)轉(zhuǎn)變外，其他均為西北風(fēng)。大風(fēng)敦煌以西南風(fēng)為主，其他均為西北風(fēng)。

(3)沙塵暴上午干暖，最大風(fēng)速在0.9 km高度為12.7 m·s-1；而下午冷濕風(fēng)速較大，最大風(fēng)速在0.9 km 高度為17.6 m·s-1，近地面夜間和上午為南風(fēng)，下午為西風(fēng)，夜間風(fēng)速較小且空氣干燥。

(4)沙塵暴持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，早晚氣溫低，08時(shí)空氣濕而風(fēng)速大，而20時(shí)空氣干而風(fēng)速小。說(shuō)明決定沙塵暴持續(xù)時(shí)間的主要因素是冷空氣，冷空氣越強(qiáng)，沙塵暴持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。沙塵暴持續(xù)時(shí)間5 h以下的08時(shí)大氣干層較厚，達(dá)2.85 km；而5 h以上的20時(shí)大氣干層較厚，達(dá)1.05 km。大氣干層上午和夜間較厚，下午淺薄。相對(duì)濕度≤30%時(shí)溫度露點(diǎn)差最小閾值是16～17℃，最大高度在2.85～3.00 km；≤40%時(shí)溫度露點(diǎn)差最小閾值是13℃，最大高度達(dá)4.65～5 km。

(5)不同沙塵暴環(huán)流形勢(shì)下：脊型早上干冷風(fēng)速大，0.75 km處風(fēng)速最大，達(dá)14.6 m·s-1；西風(fēng)槽型下午濕冷風(fēng)速大，0.9 km處風(fēng)速最大，達(dá)15.7 m·s-1；而西風(fēng)氣流型近地層冷干，風(fēng)速小，但早上1.2～3.5 km高度和晚上2.4 km以上高層風(fēng)速較大。

(6)08時(shí)逆溫強(qiáng)度大于1.5℃·(100 m)-1，大氣干層厚度在1.5 km以上并且900 m以下風(fēng)速大于13 m·s-1，這是河西走廊沙塵暴預(yù)報(bào)預(yù)警的重要指標(biāo)。