河西走廊不同强度冷锋型沙尘暴环流和动力特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00094

摘要/Abstract

摘要：

利用常规气象观测资料、ECMWF ERA-Interim 逐6 h的0.75°×0.75°再分析资料，对河西走廊3次不同强度区域性典型冷锋型沙尘暴的大气环流形势和高低层水平螺旋度、uv分量场和垂直速度进行对比分析。结果表明：（1）影响沙尘暴强度和范围的主要因素有高空冷空气强度、高低空风速、地面热低压中心、冷锋前后变压梯度以及冷锋入侵河西走廊的时间；（2）700 hPa风速和冷锋入侵河西走廊的时间影响最明显，低空风速越大，沙尘暴往往越强，强沙尘暴一般出现在中午到傍晚。一般、强和特强沙尘暴700 hPa风速阈值分别为18、22 m·s^-１和24 m·s^-１；（3）高（低）层正（负）水平螺旋大值中心越大，配合越好，下游沙尘暴强度越强，一般、强和特强沙尘暴的高（低）层水平螺旋度正（负）值中心阈值分别为400（-200）m²·s^-2、800（-1 000）m²·s^-2和1 000（-1 000）m²·s^-2；（4）高空强风动量下传到近地面的风速越大，沙尘暴强度越强，一般、强和特强沙尘暴下传到近地面的u、v分量风速阈值分别为8、10 m·s^-１和12 m·s^-１；（5）700 hPa以下上升运动越强，沙尘暴强度越强，一般、强和特强沙尘暴700 hPa以下垂直速度中心阈值分别为-0.4、-0.7 Pa·s^-１和-1.40 Pa·s^-１；（6）垂直风场表现为≥15 m·s^-1大风下传高度越低，沙尘暴强度越强，一般、强和特强沙尘暴下传高度分别为600、500 m和50 m以下。

关键词: 沙尘暴, 大尺度环流, 高低层水平螺旋度, u、v分量场, 垂直速度

Abstract:

Based on convention observation meteorological data and the ECMWF ERA-Interim 6 hourly reanalysis data with resolution 0.75°×0.75°，the atmospheric circulation， horizontal helicity， uv component field and vertical velocity of three typical regional cold front sandstorms on March 28-29，2010， April 10-11，2006 and April 24，2010 in Hexi Corridor were analyzed. The results showed that：（1）The main factors affecting intensity and range of sandstorms were high altitude cold air intensity， high and low wind speeds， ground low pressure center， variable pressure gradient before and after the cold front and the time of cold front invading Hexi Corridor. （2）The most obvious factors affecting intensity of sandstorm were 700 hPa wind speed and time of cold front invading Hexi Corridor. The greater low wind speed was， the stronger sandstorm was. Strong sandstorm usually occurred from noon to evening. 700 hPa wind speed threshold of general， strong and very strong sandstorms were 18 m·s^-1， 22m·s^-1 and 24 m·s^-1， respectively. （3）The bigger positive （negative） values of high （low） horizontal helicity and the better their coordination from high to low were， the stronger of sandstorm in the downstream was. High and low-level helicity positive （negative） center value threshold of general， strong and very strong sandstorms were 400（-200）m²·s^-2， 800（-1 000）m²·s^-2 and 1 000（-1 000）m²·s^-2. （4）The u， v component field showed that the greater of wind speed down to near the ground was， the stronger the intensity of standstorm was. The u， v component wind speeds threshold of general， strong and very strong sandstorms were 8 m·s^-1， 10 m·s^-1 and 12 m·s^-1. （5）The stronger rising movement below 700 hPa was， the stronger of sandstorm was. The vertical speed center threshold below 700 hPa of general， strong and very strong sandstorms were -0.4 Pa·s^-１， -0.7 Pa·s^-１and -1.4 Pa·s^-１，respectively. （6）The vertical wind field shows that the lower the descending height of ≥15 m·s^-1strong wind was， the stronger the intensity of standstorm was. The downwind altitude of the general， strong and very strong sandstorms were 600 m， 500 m and 50 m， respectively.

Key words: sandstorm, atmospheric circulation, horizontal helicity, u，v component field, vertical velocity

中图分类号:

P445.4

李玲萍, 李岩瑛, 李晓京, 王博, 胡丽莉. 河西走廊不同强度冷锋型沙尘暴环流和动力特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 219-228.

Lingping Li, Yanying Li, Xiaojing Li, Bo Wang, Lili Hu. Characteristics of circulation and dynamic of the different cold front sandstorm processes in Hexi Corridor[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(5): 219-228.

图/表 7

图1 河西走廊2010 年3 月28—29日（A）、2006年4月9—10日（B）和2010年4月23—24日（C）沙尘暴实况

Fig.1 Sandstorm of March 28 to 29，2010 （A）， April 9 to 10，2006 （B） and April 23 to 24，2010 （C） in Hexi Corridor

图2 2010年3月28—29日（A）、2006年4月9—10日（B）和2010年4月23—24日（C）各时次地面高、低压及锋面动态形势

Fig.2 Evolution of the surface anticyclone， cyclone and cold front from March 28 to 29，2010 （A）， April 9 to 10，2006 （B）and April 23 to 24，2010 （C）

表1 河西走廊3次不同强度区域性冷锋沙尘暴天气实况

Table 1 Weather of three different intensity cold front sandstorms in Hexi Corridor

时间 (年-月-日)

沙尘暴（强、特强）站数

高空形势

500 hPa （700 hPa）冷中心温度/℃

500 hPa （700 hPa）风速 /（m·s^-1）

冷锋前后 Δp3 /hPa

高（低）层水平螺旋度 /（m²·s^-2）

u、v近地面风速

/（m·s^-1）

700 hPa 垂直速度 /（Pa·s^-１）

≥15 m·s^-1大风下传的最低高度/m

图3 2010年3月28—29日高层（A）低层（D）、2006年4月9—10日高层（B）低层（E）和2010年4月23—24日高层（C）低层（F）各时次高低空螺旋度动态形势

Fig.3 Evolution of high and low spiral dynamics on March 28-29， 2010（A，D）， April 9-10，2006（B，E） and April 23-24， 2010 （C，F）

图4 2010年3月29日08:00（A）、14:00（B），2006年10日14:00（C）、20:00（D）和2010年4月24日14:00（E）、20:00（F）u、v分量沿39°N的纬向剖面（单位：m·s-1；阴影为u分量；等值线为v分量；白色方框为研究区域）

Fig.4 Latitude cross-section of u，v component wind along 39°N in the sandstorm at 08:00 （A）， 14:00 （B） on March 29， 2010， 14:00 （C）， 20:00 （D） on April 10，2006 and 14:00 （E）， 20:00 （F） on April 24，2010（unit： m·s-1； Shadow is u； contour is v； white box is study area）

图5 2010年3月29日08:00（A）、14:00（B），2006 年4 月10日 14:00（C）、20:00（D）和2010年4 月24日14:00（E）、20:00（F）垂直速度（omega）沿39°N的纬向剖面（单位：Pa·s-1 ；白色方框为研究区域）

Fig.5 The vertical cross-sections of vertical velocity along 39°N at 08:00 （A）， 14:00 （B） on March 29，2010，14:00 （C）， 20:00 （D） on April 10，2006 and 14:00 （E）， 20:00 （F） on April 24，2010 （unit： Pa·s-1）

图6 2010 年3 月28—30日（A）、2006年4月9—11（B）日和2010年4月23—25日（C）≥15 m·s-1大风下传的最低高度

Fig.6 Minimum height of ≥15 m·s-1 winds on March 28-30，2010， April 9-11，2006 and April 23-25，2010

参考文献 34

1	钱正安，贺慧霞，瞿章，等.我国西北地区沙尘暴的分级标准和个例谱及其统计特征［M］//中国沙尘暴研究.北京：气象出版社，1997：1-10.
2	Hamzeh N H，Karami S，Kaskaoutis D G，et al.Atmospheric dynamics and numerical simulations of six frontal dust storms in the Middle East Region［J］.Atmosphere，2021，12（1）：125.
3	姜学恭，云静波.三类沙尘暴过程环流特征和动力结构对比分析［J］.高原气象，2014，33（1）：241-251.
4	陈楠，陈晓光，赵光平，等.宁夏不同强度沙尘暴环流差异特征的对比分析［J］.高原气象，2006，25（4）：680-686.
5	汤绪，俞亚勋，李耀辉，等.甘肃河西走廊春季强沙尘暴与低空急流［J］.高原气象，2004，23（6）：840-846.
6	Brazel A J，Nicking W C. The relationship of weather types to dust storm generation in Arizona ［J］.J Climatol，1986，6（3）：255-275.
7	周秀骥，徐祥德，颜鹏，等.2000年春季沙尘暴动力学特征［J］.中国科学D辑，2002，32（4）：327-334.
8	Banerjee P，Satheesh S K，Moorthy K K.The unusual severe dust storm of May 2018 over northern India：genesis，propagation，and associated conditions［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2021，126（7）：D032369.
9	程海霞，丁治英，帅克杰，等.沙尘暴天气的高空急流统计特征及动力学分析［J］.南京气象学院学报，2006，22（4）：422-425.
10	岳平，牛生杰，张强，等.民勤一次沙尘暴的观测分析［J］.高原气象，2008，27（2）：402-407.
11	Pauley P M，Baker N L，Barker E H.An observational study of the ‘Interstate 5’dust storm case［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，1996，77：693-719.
12	程海霞，丁治英，帅克杰，等.沙尘暴天气的高空急流统计特征及动力学分析［J］.南京气象学院学报，2006，22（4）：422-425.
13	贺沅平，张云伟，顾兆林.特强沙尘暴灾害性天气的特征及触发机制的研究进展和展望［J］.中国环境科学，2021.DOI：10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20210425.009.
14	李汉林，何清，金莉莉.塔克拉玛干沙漠腹地和北缘典型天气近地层风速廓线特征［J］.干旱气象，2020，38（6）：965-978.
15	魏倩，隆霄，赵建华，等.边界层参数化方案对一次西北地区沙尘天气过程影响的数值模拟研究［J］.干旱区研究，2021，38（1）：163-177.
16	李岩瑛，张强，李耀辉，等.水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究［J］.地球物理学报，2008，51（3）：692-703.
17	陶健红，王劲松，冯建英.螺旋度在一次强沙尘暴天气分析中的应用［J］.中国沙漠，2004，24（1）：83-87.
18	王劲松，李耀辉，康凤琴，等.4.12沙尘暴天气的数值模拟及诊断分析［J］.高原气象，2004，23（1）：89-96.
19	赵光平，王连喜，杨淑萍.宁夏区域性沙尘暴短期预报系统［J］.中国沙漠，2001，21（2）：178-183.
20	申红喜，李秀连，石步鸠.北京地区两次沙尘（暴）天气过程对比分析［J］.气象，2004，30（2）：12-16.
21	钱莉，姚玉璧，杨鑫，等.河西走廊盛夏一次沙尘暴天气过程成因［J］.中国沙漠，2016，36（2）：458-466.
22	钱莉，杨永龙，王荣哲，等.河西走廊“2010.4.24尘黑风成因分析［J］.高原气象，2011，30（6）：1653-1660.
23	张强，王胜.论特强沙尘暴（黑风）的物理特征及其气候效应［J］.中国沙漠，2005，25（5）：675-681.
24	赵庆云，张武，吕萍，等.河西走廊“2010.04.24”特强沙尘暴特征分析［J］.高原气象，2012，31（3）：688-696.
25	钱莉，杨金虎，杨晓玲，等.河西走廊东部“2008.5.2”强沙暴成因分析［J］.高原气象，2010，29（3）：719-725.
26	李玲萍，陈英，李文莉，等.石羊河流域冬季冻土对沙尘天气的影响分析［J］.土壤通报，2013，44（5）：1204-1209.
27	李玲萍，李岩瑛，孙占峰，等.河西走廊东部沙尘暴特征及地面气象因素影响机制［J］.干旱区研究，2019，36（6）：1457-1465.
28	李岩瑛，杨晓玲，王式功.河西走廊东部近50a沙尘暴成因、危害及防御对策［J］.中国沙漠，2002，22（3）：283-287.
29	李耀辉，沈洁，赵建华，等.地形对民勤沙尘暴发生发展影响的模拟研究：以一次特强沙尘暴为例［J］.中国沙漠，2014，34（3）：849-860.
30	刘洪兰，张强，张俊国，等.1980-2012年河西走廊中部沙尘暴空间分布特征和变化规律［J］.中国沙漠，2014，34（4）：1102-1108.
31	朱炳海，王鹏飞，束家鑫.气象学词典［M］.上海：上海辞书出版社，1985.
32	王式功，王金艳，周自江，等.中国沙尘天气的区域特征［J］.地理学报，2003，58（2）：193-200.
33	周自江.近45年中国扬沙和沙尘暴天气［J］.第四纪研究，2001，21（1）：9217.
34	王式功，董光荣，陈惠忠，等.沙尘暴研究的进展［J］.中国沙漠，2000，20（4）：349-358.

[1]	王娟, 李兴财. 沙尘暴过程中5~7 000 m高度大气电场及其对颗粒带电量影响[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 23-28.
[2]	蒋盈沙, 高艳红, 潘永洁, 李霞. 青藏高原及其周边区域沙尘天气的时空分布特征[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 83-91.
[3]	李璠, 肖建设, 祁栋林, 李林. 柴达木盆地沙尘暴天气影响因素[J]. 中国沙漠, 2019, 39(2): 144-150.
[4]	袁国波. 21世纪以来内蒙古沙尘暴特征及成因[J]. 中国沙漠, 2017, 37(6): 1204-1209.
[5]	郭彩贇, 韩致文, 李爱敏. 塔克拉玛干沙漠地区沙尘暴研究进展[J]. 中国沙漠, 2016, 36(6): 1646-1652.
[6]	杜宏印, 郭浩, 崔向慧, 芦霞, 辛智鸣. 中国主要沙尘暴源区稳定同位素背景值初步研究[J]. 中国沙漠, 2016, 36(3): 604-609.
[7]	杨晓玲, 丁文魁, 王鹤龄, 张爱萍, 周华. 河西走廊东部沙尘暴气候特征及短时预报[J]. 中国沙漠, 2016, 36(2): 449-457.
[8]	钱莉, 姚玉璧, 杨鑫, 刘菊菊. 河西走廊盛夏一次沙尘暴天气过程成因[J]. 中国沙漠, 2016, 36(2): 458-466.
[9]	孟雪峰, 孙永刚, 仲夏, 荀学义. 2015年2月21日内蒙古风雪沙尘天气特征[J]. 中国沙漠, 2016, 36(1): 239-246.
[10]	郭勇涛, 辛金元, 李旭, 王式功, 李江萍. 沙尘对兰州市大气环境质量的影响[J]. 中国沙漠, 2015, 35(4): 977-982.
[11]	罗敬宁, 徐喆, 亓永刚. 基于风云三号卫星的全球沙尘遥感方法[J]. 中国沙漠, 2015, 35(3): 690-698.
[12]	刘生元, 王金艳, 王式功, 尚可政, 倪江波. 春季东亚副热带西风急流的变化特征及其与中国沙尘天气的关系[J]. 中国沙漠, 2015, 35(2): 431-437.
[13]	李万元, 吕世华, 董治宝, 范广州, 陈雷华. 巴丹吉林沙漠周边地区降水量的时空变化特征[J]. 中国沙漠, 2015, 35(1): 94-105.
[14]	王金玉, 李盛, 王式功, 尚可政. 长期暴露于沙尘人群的肺通气功能[J]. 中国沙漠, 2014, 34(4): 975-981.
[15]	刘洪兰, 张强, 张俊国, 郭俊琴, 王胜. 1960-2012年河西走廊中部沙尘暴空间分布特征和变化规律[J]. 中国沙漠, 2014, 34(4): 1102-1108.