张 超，陈春艳，吐莉尼沙，施俊杰，安大维，张 俊

（新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

大风是新疆主要灾害性天气之一， 由于天山特殊地形的影响，当冷空气入侵时，因独特狭管效应和冷空气翻山后的加速下滑极易产生大风。 南疆盆地的翻山大风就是一种典型的致灾性大风之一， 其持续时间长，瞬间风力大，破坏性极高。 由于南疆植被稀疏，沙源充足，大风的出现常伴随剧烈沙尘天气。近年来， 气象工作者对北方冷空气大风开展了深入研究，取得了较多研究成果[1-9]，杨澄等[10]对高原东南侧复杂地形下的5 次冬季大风天气进行分析， 发现该类大风受低空急流背景和垂直运动影响， 邬仲勋等[11]研究了冷空气过程下的动量下传特征，指出动量下传大风是高低空风场辐合辐散的环流运动强迫所造成的，陈艳等[12]对河北一次强风沙天气成因分析时指出， 高空急流的加强和中尺度反环流圈的形成是强沙尘暴发生的重要原因。 对于新疆大风的研究，前期也积累了许多研究成果[13-15]，张俊兰等[16]对南疆一次翻山大风进行诊断分析， 认为高空急流和低空急流共同作用是动量下传的动力机制， 肉孜·阿基等[17]对阿图什两次大风天气对比分析，指出高空斜压槽， 地面冷锋及南疆盆地热低压是产生大风的影响系统，努尔比亚·吐尼亚孜等[18]对南疆西部冬季一次大风天气分析时指出，高空锋区、动量下传、极地冷空气补充及海平面气压梯度与南疆西部大风密切相关。 这些成果对新疆大风预报起到一定的指导作用，但对于天山南坡翻山大风的物理机理、预报指标等内容的研究仍较为缺乏。

2018 年新疆强冷空气活动频繁， 大风天气频发，致灾性重，风灾造成直接经济损失达20 亿元，占总灾损失的80%，5 月出现5 场强天气过程，较历年次数明显偏多，强度偏强，尤其是5 月7 日和24 日天山南坡两次翻山大风，影响范围广，持续时间长，极大风力大， 且正值春季农事活动关键时期， 对农业、林果业、设施农业、交通、城市设施和人民生活造成严重影响。 本文通过对2018 年5 月7 日和24 日影响天山南坡的两次翻山大风天气进行诊断分析，分析其环流形势、影响系统，揭示动力、热力机制和成因，并为今后的大风预报预警提供一定依据。

1 资料选取

利用2018 年5 月欧亚范围高空、地面常规探测站点资料及（20°～70°N，50°～110°E）ERA-interim 0.25°×0.25°逐6 h 间隔网格再分析资料， 对影响天山南坡的两次翻山大风天气的物理机制进行对比分析。

2 天气过程概述

个例1：2018 年5 月7 日凌晨至夜间，阿克苏地区、巴音郭楞蒙古自治州（简称巴州）北部一带出现了大范围强风、沙尘天气，瞬间风速大，持续时间长（表1），9 站瞬间极大风速≥17.1 m/s，大风过程于7日02 时巴州北部山区开始，最强时段在11—17 时，最大风力出现在和静县，瞬间极大风速达30.1 m/s，24 时大风过程结束； 大风造成7 站扬沙，3 站沙尘暴，最小能见度不足300 m，出现在尉犁县（时间在17—18 时）。 风沙造成农作物绝收、大棚设施受损、果树落果等，直接经济损失达12 652 余万元。

表1 两次翻山大风天气过程实况对比

个例2：2018 年5 月24 日凌晨至夜间， 阿克苏地区、 巴州北部一带再次出现大范围强风、 沙尘天气，大风站点多，影响时间长，15 站瞬间极大风速≥17.1 m/s，03 时巴州北部山区开始出现大风，最强时段在08—17 时，5 站大风持续时间超过8 h 以上，其中和静站瞬间最大风速31.1 m/s ，22 时大风过程结束；大风伴有扬沙和短时沙尘暴，5 站出现扬沙，4站出现沙尘暴，阿克苏市、尉犁县、铁干里克县等地最小能见度不足300 m。此次过程造成两地州农业、林业受灾严重，直接经济损失60 786 万元。

两次天气过程均呈现出最大风速大、 持续时间长、影响范围广等特点，并引发扬沙或沙尘暴天气，24 日大风过程较7 日更强，从两次过程最大风速中心和静站的海平面气压和极大风速小时变化可以看出（图1），在过程前存在气压的显著下降，起风时迅速加压，风速有突增的现象，大风结束时间要早于加压结束时间。

3 环流形势和天气系统演变

3.1 高空环流演变

图1 和静站5 月7 日（a）和24 日（b）大风过程风速与气压小时变化

2018 年5 月6 日20 时（图2a），500 hPa 欧亚范围中高纬呈两脊一槽型，环流经向度大，里海地区为高压脊， 西西伯利亚地区为低涡槽， 中心值520 Dagpm，配合有-40 ℃冷中心，温度槽落后于高度槽，风场有明显气旋式切变，低槽呈西南—东北向分布，槽底南伸至45°N。 07 日08 时（图2b），随着里海脊东南衰退，西西伯利亚低槽东南压，槽底南伸至40°N以南， 引导冷空气快速南下， 翻越天山进入南疆盆地。 同时，天山南坡高低空急流发展加强，高空急流中心增强至50 m/s， 而850 hPa 出现16 m/s 的偏北急流。20 时，冷槽移至东疆，天山南坡高空急流轴随之东移，低空急流显著减弱，大风沙尘天气逐渐结束。

2018 年5 月23 日20 时（图2c），500 hPa 欧亚范围呈两脊一槽环流型， 里海地区阻塞高压脊稳定维持，高压中心为588 dagpm，脊前偏北急流强盛，中心风速达48 m/s， 偏北急流不断将极区冷空气引导南下。西西伯利亚地区为西南—东北走向低槽，配合有-28 ℃冷槽，温度槽明显落后高度槽，槽底南伸至40 °N，300 hPa 高空急流位于北纬45 °N 附近。里咸海阻塞高压脊稳定维持， 脊前西北急流引导冷空气快速东南下。 24 日08 时（图2d），500 hPa 槽底伸至35°N 附近，天山南坡高空风速明显加强，库尔勒探空站风速由14 m/s 增加至24 m/s，同时，天山山区锋区加强，温度梯度增大，300 hPa 高空急流轴南压并转为西南—东北走向， 天山南坡位于高空急流入口区右侧，库尔勒探空站300 hPa 风速由10 m/s增至28 m/s。 850 hPa 出现22 m/s 的偏北急流，20时，随着低槽东移，低空急流消失，冷空气进入南疆盆地，风沙天气过程逐渐结束。

3.2 地面系统演变

5 月4 日20 时（图3a），地面冷高压首见于新地岛附近，高压中心强度为1038 hPa，沿乌拉尔山南移，6 日20 时，地面冷高压抵达乌拉尔山南端，气压场呈西北高东南低型分布， 冷高压中心位于巴尔喀什湖到咸海一带，中心为1030 hPa，此时地面冷锋已进入西天山一带，此过程天山南坡伴有-2 hPa～-3 hPa 的3 h 变压，而南疆盆地有热低压生成，低压中心997 hPa，随后冷高压中心沿50°N 东移。 7 日08时，地面冷高压中心加强至1033 hPa，南、北疆海面气压梯度进一步加大，伊宁站与阿克苏站压差达27 hPa。 随着高空冷槽过境，伊宁站与阿克苏站最大压差增至29 hPa， 南疆盆地出现明显加压，7 日20—23 时，3 h 气压变幅最剧烈， 在+3 hPa～+5.7 hPa，热低压逐渐消失。

图3 两次大风过程地面系统演变

5 月21 日20 时（图3b），地面冷高压首见于波罗的海附近，逐渐沿西北—东南方向移动。 23 日20时冷高压抵达乌拉尔山南端， 此时海平面气压场呈西高东低型分布，冷高压中心在咸海一带，中心强度为1025 hPa，冷锋已开始影响西天山一带，随后，地面冷高压加强并继续东南移动，24 日02 时南疆盆地有热低压生成，低压中心为997 hPa，05 时热低压进一步发展，低压中心达995 hPa，24 日08 时，地面冷高压移至巴尔喀什湖北侧，中心强度增至1030 hPa，冷高压东南象限海平面气压梯度进一步增大， 伊宁站与阿克苏站压差已增加至31 hPa。24 日20 时，南疆盆地加压剧烈，3 h 变压幅度在+4 hPa～+5.8 hPa，热低压减弱消失。

3.3 异同点分析

上述两次风沙天气环流演变的共同特征：500 hPa 均为两脊一槽环流背景，环流经向度大，系统斜压性强，低槽呈西南—东北走向，温度槽落后于高度槽， 配合有明显的气旋性切变， 主导脊前有偏北急流， 低槽为东南移路径， 过境时伴随有强冷平流入侵。 起风时，气压场分布均为西北高东南低分布型，南北压差大，气压梯度强，南疆盆地中心均有热低压生成，地面冷锋翻山进入南疆盆地。都存在高空低空急流配合，高空300 hPa 存在高空急流，风沙落区位于高空急流入口区右侧。

不同点分析：冷空气源地和路径不同，个例1 冷空气源地位于新地岛附近，沿北方路径侵入新疆，个例2 冷空气源地位于波罗的海附近， 沿西北路径入侵；高空环流演变特征存在明显差异，个例1 为弱脊强槽，里海脊东南衰退推动冷空东南下进入新疆，个例2 为强脊弱槽， 里咸海地区阻塞高压脊稳定维持，500 hPa 脊前强的西北气流引导冷空气南下进入我区；脊前偏北急流强度、低槽底部南伸程度及低空偏北急流强度不同，个例2 高、低空偏北急流明显偏强，低槽底部较个例1 偏南5°。

两次过程均伴有明显的高空脊前偏北急流，根据地面形势方程， 偏北急流的负涡度平流有利于巴尔喀什湖冷高压不断加压，冷高压南下过程中加强，低槽底部偏南，更有利于引导冷空气翻入南疆盆地，地面热低压发展更为迅速，南北压差更大，低空偏北急流更强，可见，脊前偏北急流强度、低槽底部南伸程度以及低空偏北急流强度对天山南坡风沙天气的范围、强度有较大影响。

4 物理量诊断对比

4.1 高空急流与垂直运动分析

两次大风过程300 hPa 附近均伴有高空急流，且大风沙尘落区发生在高空急流出口区右侧， 而高空急流入口区易引发次级环流，其右侧辐散抽吸，有利于上升运动，而左侧辐合，易产生下沉运动，为进一步了解大风风速的空间结构，本节沿和静站86°E作全风速与垂直速度的高度—纬向剖面图， 通过全风速与垂直运动的演变，对比分析两次过程（图4）。

个例1 中，在大风过程前和大风过程中，天山山区附近（42°N） 在200~300 hPa 高度上存在大风速核，风速中心达55 m/s，在过程前期（7 日02 时）（图4a），天山北侧中低层出现明显垂直上升运动，最强上升中心高度在800~700 hPa 附近， 中心强度达-1.4 Pa/s，随后，急流中心明显加强，同时天山南坡对流层中低层风速明显增大，14 时， 天山南坡出现强烈下沉运动， 最大下沉速度中心在800 hPa 附近，中心强度达1 Pa/s，下沉运动同南疆盆地的垂直上升运动构成了完整的垂直环流圈，20 时， 下沉运动进一步加强，垂直环流维持，8 日02 时，高空急流中心及下沉气流明显减弱，垂直环流圈消失。

个例2， 大风过程期间也存在和维持高空急流以及垂直环流圈，24 日08 时（图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，天山两侧800~400 hPa 高度均为上升运动区，24日14 时，高空急流中心南移，中心风速减小至35 m/s，天山南坡对流层低层出现下沉气流，中心值达1 Pa/s，形成垂直环流圈，24 日20 时，强烈下沉气流与垂直环流圈继续维持，25 日02 时，下沉气流明显减弱，垂直环流圈消失。

两次大风过程前后， 天山南坡上空均受高空急流影响， 对流层中低层均伴随着上升气流到下沉气流的反转，这可能是南、北疆明显冷热差异变化的热力作用同高空急流变化产生的动力作用共同造成的结果。 大风出现前期，冷空气在北疆堆积，并出现明显爬坡运动，当冷空气经天山翻入南疆盆地时，冷空气强烈下沉， 同时伴随着位能向动能的转换是大风的重要原因。 大风期间维持垂直环流圈， 其出现时间、维持时间与大风最强时段有较好的对应，大风区正位于垂直环流圈的下沉支区域。

4.2 温度平流

图4 沿86°E 纬向全风速及垂直运动剖面

温度平流是斜压扰动强烈发展的主要热力因子，槽前暖平流使槽前高压脊发展，槽后冷平流使槽加深。同时冷平流的侵入可使地面气压加压迅速，增强大风，冷平流越强，出现的风力也越大。 两次大风个例均伴有高空强冷平流自北向南快速进入过程（图5）。 个例1，7 日08 时， 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，随后冷平流中心快速南移，20 时中心高度在350 hPa附近，对流层中低层（700 hPa）也出现-10×10-5K/s的冷平流。 个例2，24 日08 时，冷平流中心在48°N附近， 中心高度也在500 hPa 左右， 中心值为-60×10-5K/s， 随后强冷平流中心快速进入南疆盆地，中心高度在600 hPa 附近，最强中心达-40×10-5K/s。

两个例高空冷平流移入南疆盆地所在的高度明显不同，个例1 冷平流中心高度高，南疆盆地对流层中低层冷平流弱，个例2 冷平流中心高度偏低，在南疆盆地对流层中低层造成冷平流强度强。 大风出现前期，冷平流在天山北侧维持，有利于天山两侧温度梯度进一步增大，天山北坡气压持续增加，南北气压梯度不断增大，为冷空气的翻山集聚能量，当高层平流的快速侵入南疆，冷却作用使得低层加压，变压梯度增大，利于变压风的出现，同时高层冷平流于低层暖低压的高低叠置， 在一定程度上造成了热力不稳定，有利于南疆盆地风沙天气的产生。

4.3 锋生函数

锋生是指锋区内温度或位温梯度增强的过程，常用锋生函数诊断锋生过程，当锋生函数为正值时，有锋生，为负值时，锋消。 5 月7 日02 时（图6a），天山附近锋生显现很弱， 天山南坡等位温线稀疏，08时，天山山区附近（42°N）出现明显锋生，最强的锋生高度在500～800 hPa 附近， 同时在天山南坡等位温线密集程度突然增大，等位温线坡度接近90°，等熵面坡度大于地形坡度更有利于下坡风的出现，强烈锋生的出现与高空槽东南下，侵入南疆时间一致，14 时，锋生区域增大并略向南移，天山南坡对流层低层的等熵面坡度进一步增大，02 时， 锋生过程结束， 天山南坡等位温线逐渐稀疏且等熵面坡度明显减小。5 月24 日08 时（图6e），天山山区附近也出现强烈锋生现象，14 时， 锋生区强度增大并向低层延伸， 对流层低层的等位温线呈现近于垂直的密集分布，随后锋生区域由低到高逐渐消失。

锋生的出现时间与维持时段同起风时间与持续时间有较好的对应， 地面锋生的位置与大风发生的区域一致。 两次过程锋生最强区域均在天山山区附近，锋生开始对流层中层，逐渐向低层延伸，自低到高呈现向北倾斜的结构，最强高度在500～800 hPa。天山山区的锋生作用有利于进一步增强大气斜压性，加大斜压不稳定以及激发次级环流的产生，对翻山大风的出现起到了一定触发作用。

图5 温度平流沿86°E 垂直剖面

图6 锋生函数沿86°E 垂直剖面

5 结论

利用高空、 地面常规探测资料及ERA-interim 0.25°×0.25°再分析资料， 对2018 年5 月7 日和24日影响天山南坡的两次翻山大风天气进行诊断分析，得出如下结论。

（1）500 hPa 两脊一槽的经向环流是两次大风的环流背景，西南—东北走向的冷槽、300 hPa 高空急流、低空急流、巴尔喀什湖冷高压、南疆盆地热低压是主要影响系统。 风沙落区与高空急流入口区右侧、低空急流正下方、地面强的气压梯度区前侧相对应。 脊前偏北急流强度、低空急流强度、低槽底部南伸程度以及低空偏北急流强度对天山南坡风沙天气的范围、强度有关系密切。

（2）强的水平气压梯度力和地形造成的冷空气下坡效应是两次大风的主要原因， 伊宁站与阿克苏站最大压差超过30 hPa，大风出现前期，冷空气在天山北侧出现明显爬坡运动，最强上升运动达-1.4 Pa/s，当冷空气经天山翻入南疆盆地时，冷空气强烈下沉，等熵面坡度大于地形坡度， 伴随着位能向动能的转换。 大风期间维持垂直环流圈，其出现时间、维持时间与大风最强时段有较好的对应， 大风区正位于垂直环流圈的下沉支区域。

（3）两次过程强冷平流中心高度存在明显差异，大风出现前期，冷平流在天山北侧维持，有利于天山两侧温度梯度进一步增大， 有利于南北气压梯度不断增大，为冷空气的翻山集聚能量，当高层冷平流的快速侵入，有利于变压风的出现，在一定程度上造成了热力不稳定，有利于南疆盆地风沙天气的产生。

（4）大风期间天山山区附近伴随强烈锋生现象，锋生开始于对流层中层，逐渐向低层延伸，自低到高呈现向北倾斜的结构，最强高度在500～800 hPa。 锋生的出现时间与维持时段同起风时间与持续时间有较好的对应， 地面锋生的位置与大风发生的区域一致。